大型無人機(jī)一次人工增雨試飛及催化響應(yīng)分析*

程 鵬 羅 漢 甘澤文 龐朝云 黃 山 尹憲志 張豐偉

1 中國氣象局蘭州干旱研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020

2 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020

3 甘肅省氣象服務(wù)中心，蘭州 730020

4 蘭州市氣象局，蘭州 730020

5 四川省人工影響天氣辦公室，成都 610072

提 要： 采用大型無人機(jī)開展人工增雨作業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。利用2020年10月27日大型無人機(jī)試驗(yàn)資料，分析了無人機(jī)作業(yè)性能及人工增雨微物理參量變化特征。結(jié)果表明：無人機(jī)操控靈活，具備較好的防除冰和抗側(cè)風(fēng)能力，作業(yè)、探測(cè)時(shí)長達(dá)5 h以上，可在大范圍開展人工增雨及探測(cè)工作。催化作業(yè)后水平探測(cè)的云粒子微物理量呈現(xiàn)出濃度和直徑增加的特征，低層粒子濃度明顯高于高層；催化前后云微物理特征的變化與選取的云體位置及時(shí)間有很大關(guān)系。在催化作業(yè)結(jié)束后20～30 min 內(nèi)，地面降水現(xiàn)象儀中雨滴數(shù)濃度先減小后增大，而粒子有效直徑持續(xù)增加；受催化影響,云粒子譜呈現(xiàn)大云粒子增加、降水粒子譜拓寬的特征。

引 言

“甘霖-Ⅰ”大型無人機(jī)在祁連山北坡成功開展了增雨(雪)作業(yè)試驗(yàn)，填補(bǔ)了國內(nèi)大型無人機(jī)人工增雨(雪)的空白，開創(chuàng)了大型無人機(jī)人工增雨的先例。人工增雨是通過影響云中微物理過程來實(shí)現(xiàn)的(雷恒池等，2008；郭學(xué)良等，2019)，研究認(rèn)識(shí)云滴和冰晶增長等云微物理過程是開展人工催化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(洪延超和雷恒池，2012；郭學(xué)良等，2013)。祁連山是我國西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，降水是影響生態(tài)保護(hù)區(qū)生態(tài)安全的重要因素(程鵬等，2021b)。地形云降水是祁連山區(qū)主要降水云系，也是人工增雨的重點(diǎn)作業(yè)對(duì)象(陳添宇等，2010；鄭國光等，2011)。云的微物理結(jié)構(gòu)與降水關(guān)系密切，云物理結(jié)構(gòu)及降水機(jī)制是云降水物理和人工影響天氣的重要研究對(duì)象和熱點(diǎn)問題。

利用飛機(jī)觀測(cè)能夠獲得高時(shí)空分辨率的資料，能有效分析云微物理結(jié)構(gòu)及演變過程(朱士超和郭學(xué)良，2015；郝囝等，2019)。通過飛機(jī)觀測(cè)研究云的微物理結(jié)構(gòu)、催化對(duì)云和降水的影響有了深入認(rèn)識(shí)(亓鵬等，2019；白婷等，2020；楊怡曼等，2020)。美國愛達(dá)荷州地形云播撒試驗(yàn)結(jié)果顯示(Tessendorf et al，2019)，進(jìn)行飛機(jī)播撒后雷達(dá)出現(xiàn)鋸齒狀回波，云中粒子直徑出現(xiàn)了爆發(fā)性增長的現(xiàn)象；French et al(2018)首次明確給出了播撒催化劑后云微物理和降水的物理鏈變化過程；楊文霞等(2005)對(duì)河北層狀云降水云系研究發(fā)現(xiàn)，冷云中冰晶尺度隨高度減低而增大，增長最快的高度區(qū)間是3 100～3 400 m，并得出了適宜河北地區(qū)秋季催化作業(yè)的指標(biāo)(孫玉穩(wěn)等，2019；康增妹等，2019)；華北地區(qū)的積層混合云的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明(高茜等，2020)，積層混合云中的層云區(qū)和積云區(qū)冰粒子的形成過程差別明顯，層云區(qū)的粒子形狀組成更為復(fù)雜；王維佳等(2011)對(duì)多層云系的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果分析得出云系中液態(tài)水含量主要由小云粒子濃度決定。雖然基于機(jī)載探測(cè)資料對(duì)云的微物理特征作了大量研究，但不同地區(qū)和不同降水云系的微物理特征存在明顯區(qū)別(蔡兆鑫等，2019；孫晶等，2019)。

無人機(jī)在人工影響天氣探測(cè)和作業(yè)方面的應(yīng)用成為人影作業(yè)裝備研發(fā)和應(yīng)用新的發(fā)展方向(邵洋等，2014)。無人機(jī)增雨具有安全風(fēng)險(xiǎn)低、機(jī)動(dòng)性好、可操控性強(qiáng)、覆蓋區(qū)域大等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)全天候、全季節(jié)、立體化、規(guī)?；脑鲇曜鳂I(yè)，能有效彌補(bǔ)目前人工增雨作業(yè)體系中的不足，在人工影響天氣探測(cè)和作業(yè)中有較好的應(yīng)用前景(邵洋等，2014；Axisa and DeFelice,2016)。當(dāng)前國內(nèi)外主要是應(yīng)用小型無人機(jī)開展大氣狀態(tài)參數(shù)、液態(tài)水含量等播撒條件參數(shù)的探測(cè)(段婧等，2017；王宏斌等，2020)。馬舒慶等(2006)研制的微型無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了在雨天的播撒作業(yè)和探測(cè)，但僅能攜帶1 kg播撒劑，作業(yè)半徑為20 km。青海、新疆等省(自治區(qū))人工影響天氣辦公室和航天科技四院中天火箭公司等先后嘗試開展過無人機(jī)人工增雨試驗(yàn)，但都采用的是小型或微型無人機(jī)，因受催化劑攜帶量、飛行時(shí)間、防除冰等技術(shù)問題的制約，無人機(jī)增雨技術(shù)并未取得顯著進(jìn)展(馬學(xué)謙等，2017)。

為提升祁連山生態(tài)文明建設(shè)氣象保障能力，甘肅省人工影響天氣辦公室聯(lián)合中航(成都)無人機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，選用翼龍-Ⅱ大型無人機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)型，在祁連山開展生態(tài)修復(fù)大型無人機(jī)增雨(雪)試驗(yàn)，完成了機(jī)載探測(cè)設(shè)備和作業(yè)系統(tǒng)的改裝。無人機(jī)在前期進(jìn)行了多次試驗(yàn)飛行，本文利用2020年10月27日在祁連山區(qū)東部成功開展的一次增雨作業(yè)及探測(cè)試飛資料，對(duì)無人機(jī)作業(yè)性能及催化后云微物理量變化特征進(jìn)行分析和探討，以期為大型無人機(jī)人工增雨業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供參考。

1 無人機(jī)探測(cè)與分析方法

1.1 無人機(jī)改裝及探測(cè)設(shè)備情況

在綜合考慮防除冰、有效載荷、抗側(cè)風(fēng)、續(xù)航時(shí)間等多種需求條件下，選用翼龍-Ⅱ型號(hào)的無人機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)型開展了大型無人機(jī)增雨試驗(yàn)(后被命名為“甘霖-Ⅰ”號(hào))。該型號(hào)無人機(jī)為中高空、長航時(shí)多用途無人機(jī)，具備高原起降和大載荷能力，最大載重為480 kg，起降方式為滑翔起降，最大升限可達(dá)9 000 m，續(xù)航時(shí)間可達(dá)20 h，地面抗側(cè)風(fēng)可達(dá)10 m·s-1，機(jī)翼掛架6個(gè)。根據(jù)人工增雨(雪)作業(yè)和探測(cè)裝備技術(shù)要求，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行了改裝，改裝后的無人機(jī)平臺(tái)由增雨作業(yè)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和地面通訊指揮系統(tǒng)組成(圖1)，其中增雨作業(yè)系統(tǒng)包括兩部碘化銀焰條播撒器，可攜帶20根焰條；并增加供電吊艙和防除冰裝置，通過加熱和防冰涂層消除空中結(jié)冰，突破了無人機(jī)空中防冰除冰等技術(shù)瓶頸。探測(cè)系統(tǒng)由中國兵器工業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的云粒子譜探頭(ZBT-CPS，以下簡稱CPS)、云粒子成像儀(ZBT-CPI，以下簡稱CPI)和降水粒子成像儀(ZBT-PPI，以下簡稱PPI)組成，后期可根據(jù)用途改裝為作業(yè)機(jī)型，全部掛載焰條播撒器(可攜帶40根焰條)，探測(cè)儀器具體性能參數(shù)見表1(郭學(xué)良等，2020)。試驗(yàn)過程中，無人機(jī)通過通訊指揮系統(tǒng)將探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回地面指揮艙，便于作業(yè)人員了解掌握云中微物理量實(shí)際情況。因?yàn)樵诖舜翁綔y(cè)過程中CPS資料缺失，本文利用CPI和PPI探測(cè)資料進(jìn)行分析。

圖1 人工增雨試驗(yàn)無人機(jī)機(jī)載人影作業(yè)、探測(cè)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the airborne operation and detection equipment of the large UAV

表1 人工增雨試驗(yàn)無人機(jī)裝備的機(jī)載云和降水探測(cè)儀器(郭學(xué)良等，2020)Table 1 Airborne cloud and precipitation detection instruments mounted on UAV (Guo et al, 2020)

1.1 試驗(yàn)飛行概況

2020年10月27日17：01—21：27，在祁連山中東部開展了一次無人機(jī)增雨試飛試驗(yàn)，試驗(yàn)前由空管部門劃定了無人機(jī)試驗(yàn)區(qū)(圖2)，本次探測(cè)作業(yè)在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。17:01無人機(jī)從甘肅金昌機(jī)場(chǎng)起飛，起飛時(shí)天氣為陰，云層較厚，溫度為-0.4℃。起飛后至17:38，無人機(jī)在3 000～6 000 m高度開展了第一次垂直探測(cè)；飛機(jī)爬升至4 700 m時(shí)溫度為-12℃，相對(duì)濕度為80%，溫度露點(diǎn)差小于2℃，高空風(fēng)速為4～6 m·s-1，風(fēng)向?yàn)?0°～110°。17:38—19:38無人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的播撒方案開展了“耕犁式”播撒作業(yè)，作業(yè)總量為20根機(jī)載焰條，播撒碘化銀2 500 g，總?cè)紵龝r(shí)長為2 h，作業(yè)航線見圖2。從19:38開始，無人機(jī)進(jìn)行回穿探測(cè)，作業(yè)和探測(cè)試驗(yàn)過程劃分見表2。在完成播撒作業(yè)和探測(cè)后，無人機(jī)于21：27在金昌機(jī)場(chǎng)降落。飛行過程中無人機(jī)開啟加熱除冰裝置，通過無人機(jī)攜帶的前視和后視影像監(jiān)測(cè)，機(jī)身未見結(jié)冰。飛行結(jié)束后無人機(jī)除油機(jī)后部有少量碎冰外，其余部分未見積冰。在金昌機(jī)場(chǎng)降落過程中，觀測(cè)到9 m·s-1的側(cè)風(fēng)，無人機(jī)平穩(wěn)降落返回。此次播撒作業(yè)航線間隔10～12 km，相比有人飛機(jī)，無人機(jī)作業(yè)轉(zhuǎn)彎半徑較小，易操控。

圖2 2020年10月27日無人機(jī)增雨作業(yè)及探測(cè)航線(藍(lán)色線條為播撒作業(yè)航線，綠色線條為回穿探測(cè)航線，紅色方框?yàn)樵囼?yàn)區(qū))Fig.2 The UAV rain enhancement operation and detection route on 27 October 2020 (Blue line is the detection route，green line is the seeding operation route， and red frame is the test area)

2 結(jié)果與分析

2.2 天氣背景及影響系統(tǒng)

2020年10月27日祁連山區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍雨夾雪天氣過程，其中試驗(yàn)區(qū)附近降水量為1.5～3.7 mm(圖3)，降水主要集中在27日18：00—23：00，降水持續(xù)時(shí)間近5 h。27日08:00，500 hPa 形勢(shì)圖上亞歐中高緯度為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)，烏拉爾山受高壓脊控制，極地冷空氣沿高壓脊前西北氣流向西西伯利亞地區(qū)輸送，在70°E的西伯利亞地區(qū)形成了中心強(qiáng)度為526 dagpm的低渦，冷空氣在此堆積，低渦底部分裂的短波槽位于青藏高原西部。伴隨低渦東移，短波槽進(jìn)一步發(fā)展東移并南壓，開始影響祁連山中東部，試驗(yàn)區(qū)受短波槽前的西南氣流控制，云系發(fā)展并加強(qiáng)。700 hPa形勢(shì)圖上，來自孟加拉灣的西南暖濕氣流沿著高原邊坡發(fā)展，其前端已到祁連山中西部，相對(duì)濕度達(dá)到了90%以上，為此次降水過程提供了水汽條件。地面圖上，試驗(yàn)區(qū)附近存在地面輻合線，為降水的加強(qiáng)提供了動(dòng)力抬升條件。

圖3 2020年10月27日試驗(yàn)區(qū)地面6 h降水量分布(單位：mm,方框?yàn)樵囼?yàn)區(qū))Fig.3 The 6 h ground precipitation distribution (unit: mm) in the test area on 27 October 2020(Frame is the test area)

2.2 云微物理特征

2.2.1 水平方向云粒子變化特征

圖4為云粒子成像儀觀測(cè)得到的無人機(jī)在同一位置作業(yè)期間和作業(yè)后粒子濃度、直徑變化特征。作業(yè)期間探測(cè)高度為4 450 m，CPI粒子濃度在0.2～0.8 cm-3波動(dòng)，變化起伏較大；粒徑在650～1 100 μm，可以看出粒子濃度與直徑呈明顯的反相關(guān)變化特征，粒子濃度較低的時(shí)段粒徑較大，粒子濃度較高的時(shí)段粒徑較小。催化作業(yè)后80 min的探測(cè)結(jié)果顯示(探測(cè)高度為3 950 m)，粒子濃度和直徑平均值較催化期間時(shí)有所增加，粒子濃度在0.4～0.6 cm-3，直徑增大較為明顯，粒徑在800～1 000 μm。可以看出，冷云經(jīng)催化后粒子濃度及直徑明顯增加。因?yàn)镃PS資料缺失，不能對(duì)小云粒子的變化特征分析，但從大云粒子催化前后的變化特征來看，催化后有利于云粒子長大。

圖4 2020年10月27日無人機(jī)作業(yè)期間(4 450 m)和作業(yè)后(3 950 m)云粒子成像儀探測(cè)的(a)數(shù)濃度和(b)有效直徑的變化(黑色直線左側(cè)為作業(yè)期間，右側(cè)為作業(yè)后)Fig.4 Time distribution of (a) number concentration and (b) effective diameter by cloud particle imager (CPI) over seeding period (3 950-4 450 m) on 27 October 2020(left of the black vertical line: detection of the seeding, right of the black vertical line: detection after the seeding)

表3為平飛探測(cè)時(shí)各高度層云粒子特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況。在4 450 m高度，整層粒子平均數(shù)濃度為0.27 cm-3，最大值為0.99 cm-3；粒子平均有效直徑為724.46 μm，最大值為1 360.29 μm。19:38—19:56，在3 950 m高度進(jìn)行了水平探測(cè)，粒子平均數(shù)濃度和平均有效直徑較4 450 m高度層有所增加，粒子平均數(shù)濃度為0.32 cm-3，最大值為0.84 cm-3；粒子平均有效直徑為858.74 μm，最大值為1 348.06 μm。20:17—20:26，在3 250 m高度粒子數(shù)濃度有所下降，平均值為0.16 cm-3，最大值為0.46 cm-3；粒子平均有效直徑和4 450 m高度層接近，平均值為715.42 μm。從表3可以看出，粒子平均數(shù)濃度在3 950 m高度最大(0.32 cm-3)，4 450 m高度次之，3 250 m高度最低；平均有效直徑在3 950 m高度最大，其他兩個(gè)探測(cè)高度接近。與祁連山夏季降水探測(cè)結(jié)果相比(程鵬等，2021a)，此次降水過程中粒子濃度小、直徑大。

表3 2020年10月27日無人機(jī)飛行探測(cè)過程中不同高度云粒子特征的參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of cloud particle characteristic parameters at various heights during UAV detection flight on 27 October 2020

2.2.2 云微物理量的垂直結(jié)構(gòu)特征

此次試驗(yàn)共進(jìn)行了三次垂直探測(cè)，在播撒作業(yè)前進(jìn)行了第一次垂直探測(cè)，探測(cè)時(shí)間為17:19—19:36，探測(cè)高度為3 500～5 650 m；播撒作業(yè)后30 min(20:01—20：10)進(jìn)行了第二次垂直探測(cè)，探測(cè)高度為2 750～4 550 m；作業(yè)后60 min(20：29—20:38)進(jìn)行了第三次垂直探測(cè)，探測(cè)高度為2 750～4 550 m，其中第一次和第三次垂直探測(cè)位置基本接近。在第一次垂直探測(cè)期間，大氣環(huán)境溫度在-16～-6℃，整個(gè)云層為冷云。粒子數(shù)濃度隨高度的變化起伏較大，粒子直徑隨高度先增大后減小(圖5)；云粒子平均數(shù)濃度為0.14 cm-3，平均有效直徑為701.8 μm。低層(3 700～4 500 m)粒子濃度在0.1 cm-3以下，4 500～5 650 m粒子濃度在0.2 cm-3附近變化，低層粒子濃度明顯小于高層，而低層粒子直徑明顯高于高層。在3 500～3 700 m，CPI云粒子濃度出現(xiàn)躍增，達(dá)到了0.8 cm-3以上。

無人機(jī)在作業(yè)后30 min(20:01—20:10)進(jìn)行了第二次垂直探測(cè)。云粒子數(shù)濃度較第一次垂直探測(cè)期間明顯增大(圖5)，在0.4 cm-3附近變化，整層平均數(shù)濃度為0.327 cm-3，在3 900 m出現(xiàn)最大值為0.8 cm-3，云粒子數(shù)濃度在4 300 m以上開始減小。粒子有效直徑較第一次探測(cè)期間減小，在800 μm 附近變化,最大值出現(xiàn)在3 000 m(1 013 μm)。無人機(jī)在催化作業(yè)后60 min(20:29—20:38)進(jìn)行了第三次垂直探測(cè)，此次探測(cè)位置與第一次垂直探測(cè)位置基本接近。整層云粒子平均數(shù)濃度為0.265 cm-3，平均有效直徑為666 μm。第三次垂直探測(cè)粒子直徑變化特征與第二次基本一致，粒子濃度呈現(xiàn)出隨高度先增大后減小的特征；粒子平均數(shù)濃度較第二次探測(cè)有所下降，但仍高于第一次。

圖5 2020年10月27日作業(yè)前及作業(yè)后云粒子(a)數(shù)濃度和(b)平均有效直徑的垂直廓線Fig.5 Vertical profile of particle (a) number concentration and (b) average effective diameter by CPI before operation and after seeding operation on 27 October 2020

分析云粒子和降水粒子探頭資料可見：第一次垂直探測(cè)期間，粒子濃度隨高度變化起伏較大，后兩次探測(cè)粒子濃度變化相對(duì)穩(wěn)定，粒子有效直徑在600～900 μm，量級(jí)相同，變化不大；催化作業(yè)前低層粒子濃度明顯小于高層，催化作業(yè)后低層粒子濃度明顯增加；而催化作業(yè)后的粒子直徑均明顯減小，這與水平方向云粒子催化前后的變化特征不同。

從給出的云粒子形狀隨高度和溫度的垂直變化(圖6)可以看到，飛機(jī)在4 400 m高度以上觀測(cè)到的冰晶主要有枝狀、淞附枝狀、六角板狀和枝星狀；在3 600～4 400 m高度，觀測(cè)到的冰晶主要有六角枝狀、六角板狀、枝星狀、板狀；在3 000～3 600 m高度，觀測(cè)到的冰晶主要有板狀、六角空心狀；3 000 m高度以下觀測(cè)到的冰晶形態(tài)主要為霰粒。探測(cè)過程中無人機(jī)的視頻錄像及試飛結(jié)束落地后無人機(jī)油機(jī)后部少量碎冰表明，云中過冷水含量豐富。

圖6 2020年10月27日探測(cè)的云粒子圖像Fig.6 Images of cloud particles by CPI during detecting flight on 27 October 2020

2.2.3 粒子譜分布特征

圖7為此次探測(cè)過程中不同高度層云粒子譜分布，分別選取3 250、3 950、4 450 m高度的云粒子譜進(jìn)行分析比較。不同高度層云粒子譜型呈單調(diào)遞減特征(圖7a)，峰值出現(xiàn)在150 μm處，數(shù)濃度量級(jí)為10-5cm-3·μm-1。在900 μm以下較小粒徑段，譜分布基本相同，云粒子譜隨高度而增加，說明小粒子濃度大于下層；而在900～1 500 μm較大粒徑段，3 950 m云粒子濃度最大、4 450 m次之、3 250 m最小，有可能是本次降水過程存在干層，上層云中部分大云滴在下落過程中蒸發(fā)，且一定程度上阻礙了上層冷云中冰雪晶粒子下落。降水粒子譜與云粒子譜分布特征相近(圖7b)，不同高度層降水粒子譜分布基本相同。粒徑1 100 μm以下，粒子數(shù)濃度由高層向低層減?。? 100 μm粒徑以上，3 950 m高度層的濃度值明顯高于其他兩層。

圖7 2020年10月27日不同高度層(a)云粒子譜和(b)降水粒子譜分布變化Fig.7 Changes of (a) cloud particle spectrum distribution and (b) precipitation particle spectrum distribution at various heights on 27 October 2020

2.2 作業(yè)前后云微物理特征響應(yīng)

作業(yè)前后粒子譜的變化可以反映催化后的作業(yè)效果。圖8給出無人機(jī)催化作業(yè)前(17：36—17：44)和作業(yè)后(19：36—19：44)云粒子、降水粒子的譜對(duì)比。作業(yè)前和作業(yè)后云粒子濃度值隨粒徑增大均呈減小趨勢(shì)(圖8a)，云粒子譜峰值均在150 μm處；在1 200 μm以下作業(yè)后的粒子濃度明顯低于作業(yè)前，而在1 200 μm以上作業(yè)后的粒子濃度高于作業(yè)前，說明催化作業(yè)后大云粒子增加。圖8b為催化作業(yè)前和作業(yè)后的降水粒子譜，作業(yè)前和作業(yè)后粒子濃度值隨粒徑增大均呈減小趨勢(shì)，作業(yè)后粒子譜拓寬。在1 400 μm以下段，作業(yè)后粒子濃度低于催化作業(yè)前，而在1 400 μm段以上，作業(yè)后粒子濃度較作業(yè)前明顯增大。濃度值發(fā)生變化的粒徑值位于1 400 μm，與CPI探測(cè)結(jié)果相比略偏大，可能是因?yàn)閮x器觀測(cè)誤差造成。作業(yè)后粒子濃度發(fā)生變化而且譜寬變寬，由作業(yè)前的3 000 μm增加到6 200 μm。

圖8 2020年10月27日催化作業(yè)前后(a)云粒子譜和(b)降水粒子譜變化特征Fig.8 (a) Cloud particle spectrum and (b) precipitation particle spectrum before and after seeding operation on 27 October 2020

無人機(jī)在試驗(yàn)區(qū)永昌站上空進(jìn)行催化作業(yè)的時(shí)間為19:02—19:10，考慮到上下游影響(永昌站位于下游)，受催化影響的時(shí)間應(yīng)早于19:02。從永昌站地面降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)(圖9)可以看出，催化作業(yè)期間雨滴數(shù)濃度和直徑均出現(xiàn)了增加，催化作業(yè)結(jié)束后20 min內(nèi)永昌站雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)了先減小后增大的特征，而粒子有效直徑持續(xù)增加，30 min后粒子濃度和直徑均開始減小。同時(shí)分析了位于永昌站上游皇城水關(guān)站地面雨滴譜數(shù)據(jù)，其濃度和直徑變化特征與永昌站相似(圖略)。

圖9 2020年10月27日作業(yè)影響區(qū)永昌站催化作業(yè)前后雨滴譜分布(a)粒子數(shù)濃度，(b)粒子平均有效直徑(點(diǎn)劃線為5點(diǎn)滑動(dòng)平均，兩條豎直虛線之間為永昌站上空催化作業(yè)時(shí)間段)Fig.9 Raindrop spectrum distribution before and after the seeding operation at Yongchang Station on 27 October 2020 (a) particle number concentration， (b) average effective particle diameter(dash dot line: the 5-point moving average, range between the vertical dotted lines: the time period of seeding over Yongchang Station)

表4為無人機(jī)作業(yè)前、作業(yè)中和作業(yè)后60 min的云粒子平均濃度及平均直徑統(tǒng)計(jì)值，選取的作業(yè)中和作業(yè)后的位置基本接近，作業(yè)前的探測(cè)位置位于催化作業(yè)區(qū)的上游。從表中可以看出，云粒子濃度在作業(yè)前平均值為0.44 cm-3，催化作業(yè)期間濃度值有所增加，為0.53 cm-3，催化作業(yè)結(jié)束80 min后粒子濃度為0.42 cm-3，較作業(yè)前有所下降；平均直徑則由作業(yè)前717.21 μm增大為865.37 μm。從前面平飛的分析結(jié)果也可知，催化作業(yè)后出現(xiàn)云粒子濃度和直徑增加的特征，而從垂直探測(cè)的結(jié)果可見，催化后出現(xiàn)云粒子濃度增加、直徑減小的特征，其原因可能是選取分析的云體位置不同有關(guān)。

表4 無人機(jī)催化作業(yè)前后云粒子特征參數(shù)Table 4 Statistics of cloud particle characteristics parameter before and after catalytic operation

3 結(jié) 論

利用2020年10月27日“甘霖-Ⅰ”大型無人機(jī)在祁連山區(qū)的人工增雨試驗(yàn)資料，對(duì)此次探測(cè)和作業(yè)結(jié)果及無人機(jī)性能進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)飛行試驗(yàn)表明，此次播撒作業(yè)航線間隔10～12 km，無人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑較小，操控靈活；飛行高度在2 700～6 000 m，可掛載20根焰條，作業(yè)、探測(cè)時(shí)長達(dá)5 h以上，具備較好的防除冰和抗側(cè)風(fēng)能力，能滿足大范圍人工增雨及探測(cè)需求。此次試驗(yàn)無人機(jī)催化作業(yè)2 h，播撒碘化銀2 500 g。

(2)無人機(jī)平飛探測(cè)結(jié)果表明，不同高度CPI云粒子濃度平均值在0.16～0.32 cm-3，粒徑在715.42～858.74 μm；催化作業(yè)后水平探測(cè)的云粒子微物理特征呈現(xiàn)出濃度和直徑增加的特征。從催化前后垂直探測(cè)的結(jié)果來看，催化作業(yè)前低層粒子濃度明顯小于高層，催化作業(yè)后低層粒子濃度明顯高于高層；催化前后云微物理特征的變化與選取的云體位置及時(shí)間有很大關(guān)系。在催化作業(yè)結(jié)束后20～30 min內(nèi)，地面降水現(xiàn)象儀中雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)了先減小后增大的特征，而粒子有效直徑持續(xù)增加。

(3)此次降水過程中不同高度的云粒子譜呈單調(diào)遞減分布特征，在900 μm以下較小粒徑段，譜分布基本相同，云粒子譜隨高度而增加；而在900～1 500 μm較大粒徑段云粒子譜隨高度先增加后減??；催化作業(yè)后云粒子譜呈現(xiàn)大云粒子增加、降水粒子譜拓寬的特征。

本次無人機(jī)試飛展現(xiàn)出了較好的性能，針對(duì)大型無人機(jī)的人工影響天氣作業(yè)、探測(cè)改裝取得了較大進(jìn)展，突破了除冰等技術(shù)，為后續(xù)開展無人機(jī)增雨試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)；但無人機(jī)作業(yè)性能及作業(yè)效果的探討需要積累更多的個(gè)例和資料，以便進(jìn)行深入分析。