人工影響天氣在保障吉林糧食安全中的作用簡(jiǎn)介

汪曉梅 李玥 李茂侖

(1.吉林省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.吉林省人工影響天氣辦公室，吉林 長(zhǎng)春 130062)

前言

吉林省地處北半球黃金玉米帶和干旱、冰雹多發(fā)地帶,是國(guó)家重要商品糧食生產(chǎn)基地,多年來(lái)吉林在人影助力下,克服干旱、冰雹等氣象災(zāi)害造成的影響,糧食連年穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn),為國(guó)家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)[1]。當(dāng)前因全球氣候持續(xù)異常和能源危機(jī)影響,導(dǎo)致全球糧食危機(jī)不斷加劇,在此背景下我國(guó)出臺(tái)了確保1.2億hm2耕地不受侵害的保護(hù)紅線,提出了中國(guó)飯碗要裝中國(guó)糧的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略,吉林順勢(shì)而為,揚(yáng)長(zhǎng)避短,先后啟動(dòng)了新增50億kg和500億kg糧食工程,農(nóng)業(yè)、水利、氣象等行業(yè)責(zé)無(wú)旁貸,全力助力糧食增產(chǎn)工程,針對(duì)吉林水資源短缺的實(shí)際問(wèn)題,啟動(dòng)了增產(chǎn)糧食氣象人影保障工程建設(shè),確保吉林糧食產(chǎn)量跨越新臺(tái)階,為中國(guó)飯碗裝更多的吉林糧做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1 人影

1.1 概念

人影是運(yùn)用云雨物理等科學(xué)技術(shù),干預(yù)局部大氣環(huán)境,使其向著人們預(yù)定的方向轉(zhuǎn)化的一種邊試驗(yàn)、邊研究、邊應(yīng)用的科技手段,包括人工增雨(雪)、人工防雹、人工防霜凍、人工消云減雨、人工消減霧等基本業(yè)務(wù)。

1.2 用途

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)諸多環(huán)節(jié)中不可或缺的重要因素,長(zhǎng)期以來(lái)靠天吃飯仍是傳統(tǒng)耕作的主要模式,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不同階段會(huì)受到如干旱、冰雹、暴雨、霜凍等氣象災(zāi)害的影響,這些均是大氣中水的不同相態(tài)演變和所處自然環(huán)境的不同而導(dǎo)致的不同災(zāi)害形式,為解決或緩解這些災(zāi)害問(wèn)題,人們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)摸索和研究,逐步形成了人影學(xué)科并成功將其運(yùn)用到糧食生產(chǎn)的不同階段,趨利避害,造福人民。

1.3 現(xiàn)狀

吉林是我國(guó)開(kāi)展飛機(jī)人工增雨的發(fā)源地,1958年8月8日,吉林省在全國(guó)率先開(kāi)展了飛機(jī)人工增雨作業(yè),用于解決或緩解水資源短缺問(wèn)題,開(kāi)創(chuàng)我國(guó)飛機(jī)人工增雨的先河[1],1958年至今,人影已經(jīng)成吉林為各級(jí)政府農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)重要科技手段,為吉林糧食生產(chǎn)增收發(fā)揮了不可替代的重要作用。

目前國(guó)家針對(duì)不同區(qū)域?qū)θ擞暗膶?shí)際需求,啟動(dòng)了東北區(qū)域人影中心、西北區(qū)域人影中心、西南區(qū)域人影中心、東南區(qū)域人影中心、華東區(qū)域人影中心和華中區(qū)域人影中心6大工程建設(shè),其中東北區(qū)域人影中心落戶長(zhǎng)春,主要承擔(dān)東北區(qū)域(吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟)糧食安全保障任務(wù)。

1.4 能力

東北區(qū)域人影中心立足吉林和東北區(qū)域氣象觀測(cè)網(wǎng)資源,集約天基觀測(cè)(衛(wèi)星)、空基觀測(cè)(飛機(jī))、地基觀測(cè)(常規(guī)天氣雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、L波段探空雷達(dá)、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、相控陣天氣雷達(dá)、云雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、雨滴譜儀、衛(wèi)星定位反演水汽觀測(cè)GPS/MET、常規(guī)天氣觀測(cè))等資源,對(duì)過(guò)境東北區(qū)域(重點(diǎn)吉林區(qū)域)天氣系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化剖析,適時(shí)發(fā)現(xiàn)、捕捉和分析可能導(dǎo)致影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的干旱、暴雨、冰雹、大風(fēng)、霜凍、大霧等不同天氣系統(tǒng),并通過(guò)人影手段進(jìn)行局部干預(yù),達(dá)到避災(zāi)、減災(zāi)目的,目前吉林人影已經(jīng)具備這種基本影響能力,在歷年農(nóng)業(yè)春播抗旱、保苗抗旱、農(nóng)作物生長(zhǎng)期補(bǔ)水、防御冰雹、防御霜凍、水庫(kù)蓄水、森林草原防滅火等環(huán)節(jié)發(fā)揮著實(shí)實(shí)在在的科技支撐作用。

1.5 優(yōu)勢(shì)

1958年吉林人影在全國(guó)最早開(kāi)創(chuàng)了飛機(jī)人工增雨的先河；1988年成立了我國(guó)第1個(gè)人工增雨基地；1998年成立了我國(guó)第1個(gè)省部合作的人影聯(lián)合開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室；2003年省政府出資購(gòu)買(mǎi)了我國(guó)第1架人工增雨飛機(jī)Y12B3836,在白城修建了我國(guó)第1個(gè)人工增雨專(zhuān)用機(jī)場(chǎng)(白城大青山人影保障基地)；2013年全國(guó)第1個(gè)區(qū)域人影中心(東北區(qū)域人影中心)在長(zhǎng)春掛牌成立。吉林引領(lǐng)我國(guó)人影50a有余,與省政府高度重視和全省人影工作者拼搏努力取得的上述成績(jī)是分不開(kāi)的。

1.6 存在問(wèn)題

吉林雖然在全國(guó)人影領(lǐng)域開(kāi)了個(gè)好頭,引領(lǐng)全國(guó)人影發(fā)展長(zhǎng)達(dá)50a有余,但是由于吉林是農(nóng)業(yè)大省經(jīng)濟(jì)弱省,缺乏可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)支撐能力,導(dǎo)致吉林人影現(xiàn)代化建設(shè)后勁不足,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于北京、廣東、山東等國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省,甚至落后于經(jīng)濟(jì)一般和經(jīng)濟(jì)落后的河北、內(nèi)蒙古等省區(qū),服務(wù)能力不能滿足吉林糧食增產(chǎn)工程的實(shí)際需要,需要通過(guò)吉林人影高質(zhì)量發(fā)展工程建設(shè),提高能力,滿足吉林乃至國(guó)家糧食安全保障需要。

2 具體問(wèn)題

2.1 飛機(jī)數(shù)量問(wèn)題

如圖1所示,吉林省行政區(qū)域面積18.74萬(wàn)km2,現(xiàn)有1架Y12B3836增雨飛機(jī)布局在白城大青山機(jī)場(chǎng),運(yùn)行最大半徑400km,搭載機(jī)載云雨宏微觀探測(cè)設(shè)備、催化設(shè)備、通信設(shè)備、衛(wèi)星定位設(shè)備、供養(yǎng)設(shè)備,再加上飛行機(jī)組和登機(jī)作業(yè)人員情況下,飛機(jī)有效半徑也就在350km左右,僅能滿足白城地區(qū)(吉林西部)人影作業(yè)需求,吉林中部地區(qū)、東北地區(qū)無(wú)法顧及到,而中東部地區(qū)是吉林實(shí)實(shí)在在的糧食主產(chǎn)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū),每年對(duì)人影作業(yè)需求最多,此時(shí)就需要把Y12B3836飛機(jī)調(diào)往中部地區(qū)或東部地區(qū)開(kāi)展飛機(jī)人工增雨作業(yè),西部旱了就會(huì)照顧不到,經(jīng)專(zhuān)家論證,吉林行政區(qū)域面積內(nèi)最少需要Y12B3836同類(lèi)型飛機(jī)3架,這是當(dāng)前吉林糧食工程人影保障的最低需求。

圖1 吉林省行政區(qū)域圖

2.2 飛機(jī)保障基地問(wèn)題

通過(guò)20a有余建設(shè),吉林現(xiàn)已建成白城大青山人影飛機(jī)保障基地、長(zhǎng)春九臺(tái)人影飛機(jī)保障基地,唯獨(dú)缺少東部地區(qū)人影飛機(jī)保障基地,以便徹底解決Y12B3836型飛機(jī)載重小、航程短,無(wú)法開(kāi)展東部地區(qū)飛機(jī)人影作業(yè)需求,關(guān)鍵時(shí)刻只能將Y12B3836飛機(jī)調(diào)往長(zhǎng)白山機(jī)場(chǎng)待命,此時(shí)吉林西部、中部地區(qū)就會(huì)因無(wú)人影飛機(jī)可用而錯(cuò)失人影作業(yè)良機(jī)問(wèn)題,因此有必要盡快建設(shè)吉林東部地區(qū)人影飛機(jī)保障基地,滿足該地區(qū)人影作業(yè)需要。

2.3 缺少人影特種觀測(cè)設(shè)備

除人影常規(guī)觀測(cè)設(shè)備外,國(guó)內(nèi)其他開(kāi)展人影作業(yè)的省份多數(shù)已配備:相控陣多普勒天氣雷達(dá)或陣列(解決目標(biāo)云三維結(jié)構(gòu)和云內(nèi)云粒子相態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要)、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(解決監(jiān)測(cè)目標(biāo)云水滴、冰雹、雪花、冰晶、霰、過(guò)冷水等水凝物需要)、風(fēng)廓線雷達(dá)(解決全省區(qū)域內(nèi)對(duì)流層以下大氣風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)問(wèn)題)、云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、地基微波輻射計(jì)(解決大氣10km以下垂直大氣各層次水汽分布、溫度廓線、濕度廓線、液態(tài)水分布、云頂高度、云底高度監(jiān)測(cè)問(wèn)題)、雨滴譜儀(解決全省范圍降水粒子形態(tài)、尺度、數(shù)濃度、雨量等監(jiān)測(cè)問(wèn)題)等,要實(shí)現(xiàn)吉林人影高質(zhì)量發(fā)展,現(xiàn)實(shí)需要盡快補(bǔ)上上述短板問(wèn)題。

2.4 經(jīng)費(fèi)保障問(wèn)題

吉林糧食增產(chǎn)工程發(fā)揮作用、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù),需要人影提供高質(zhì)量保障服務(wù),這需要穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持,目前吉林經(jīng)濟(jì)處于全國(guó)靠后序列,人影經(jīng)費(fèi)已經(jīng)連續(xù)幾年縮減,無(wú)法發(fā)揮人影服務(wù)“三農(nóng)”、服務(wù)糧食安全的實(shí)際需要,這方面確實(shí)需要廣開(kāi)思路,集約資源,解決人影最基本的運(yùn)行費(fèi)用問(wèn)題,確保吉林人影關(guān)鍵時(shí)刻拉得出、打得響。

3 人影高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)

要高質(zhì)量滿足吉林增產(chǎn)糧食工程對(duì)人影的服務(wù)需求,就必須不斷提高吉林人影服務(wù)能力,開(kāi)展吉林人影高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)工作,這是一項(xiàng)繼往開(kāi)來(lái)的民生工程,具體措施如下。

3.1 現(xiàn)代化建設(shè)“三年”行動(dòng)計(jì)劃

“十三五”期間,按照國(guó)家要求,吉林開(kāi)展了人影現(xiàn)代化建設(shè)“三年”行動(dòng)計(jì)劃,集約了現(xiàn)有人影作業(yè)指揮業(yè)務(wù)平臺(tái),對(duì)增雨飛機(jī)進(jìn)行了云宏微觀物理探測(cè)設(shè)備的升級(jí)改造工作,使其進(jìn)一步適應(yīng)人影業(yè)務(wù)和氣象大數(shù)據(jù)“天擎”“云化”等需要,效率得到較大提升。

3.2 強(qiáng)化人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)本地化建設(shè)

人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),是國(guó)家人影中心“十三五”期間布局的一項(xiàng)飛機(jī)人影作業(yè)指揮建平臺(tái),特點(diǎn):立科學(xué)化業(yè)務(wù)運(yùn)行體制,體現(xiàn)了人影實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)特點(diǎn)；目前需要針對(duì)吉林實(shí)際,進(jìn)行本地化業(yè)務(wù)改造,以促進(jìn)和提高吉林人影現(xiàn)代化建設(shè)水平。

過(guò)程預(yù)報(bào)與計(jì)劃制定72～24h；潛力預(yù)報(bào)與預(yù)案制定24～3h。如吉林人影《作業(yè)潛力預(yù)報(bào)和作業(yè)預(yù)案》、吉林人影《過(guò)程預(yù)報(bào)和作業(yè)計(jì)劃》等；監(jiān)測(cè)預(yù)警與方案設(shè)計(jì)3～0h。如吉林人影《作業(yè)預(yù)警報(bào)》、吉林人影《服務(wù)專(zhuān)報(bào)》；跟蹤指揮與作業(yè)實(shí)施0～3h；作業(yè)分析與效果檢驗(yàn)(作業(yè)后)。

3.2.1 第1段業(yè)務(wù):72～24h

3.2.1 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)過(guò)程預(yù)報(bào)》《作業(yè)計(jì)劃制定》。

3.2.1 .2 技術(shù)方法

天氣形勢(shì)分析、預(yù)報(bào)量化指標(biāo)、作業(yè)天氣分型。

3.2.1 .3 資料系統(tǒng)

地面觀測(cè)資料、高空觀測(cè)資料。

3.2.1 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

需求分析:有無(wú)需求；作業(yè)目的:增雨/防雹；作業(yè)計(jì)劃:制定作業(yè)計(jì)劃。

3.2.2 第2段業(yè)務(wù):24～3h

3.2.2 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)潛力預(yù)報(bào)》《作業(yè)預(yù)案制定》。

3.2.2 .2 技術(shù)方法

云模式預(yù)報(bào)、催化模擬預(yù)報(bào)、模式指標(biāo)。

3.2.2 .3 資料系統(tǒng)

特種觀測(cè)資料。

3.2.2 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

作業(yè)區(qū)域；模擬時(shí)段；作業(yè)部位；催化方式；作業(yè)預(yù)案。

3.2.3 第3段業(yè)務(wù):3～0h

3.2.3 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警》《作業(yè)方案設(shè)計(jì)》。

3.2.3 .2 技術(shù)方法

監(jiān)測(cè)反演、作業(yè)指標(biāo)、概念模型。

3.2.3 .3 資料系統(tǒng)

特種觀測(cè)資料、作業(yè)信息資料、常規(guī)觀測(cè)資料。

3.2.3 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

作業(yè)設(shè)計(jì)、增雨飛行航線、防雹地面部署、下達(dá)作業(yè)指令。

3.2.4 第4段業(yè)務(wù):0～3h

3.2.4 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《跟蹤指揮》《作業(yè)實(shí)施》。

3.2.4 .2 技術(shù)方法

監(jiān)測(cè)識(shí)別、跟蹤指揮、催化實(shí)施。

3.2.4 .3 資料系統(tǒng)

空域信息、作業(yè)信息、觀測(cè)資料。

3.2.4 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

《增雨修訂方案》《防雹修訂方案》、發(fā)布作業(yè)指令。

3.2.5 第5段業(yè)務(wù)(作業(yè)后)

3.2.5 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)分析效果檢驗(yàn)》。

3.2.5 .2 技術(shù)方法

《影響區(qū)計(jì)算》《直觀對(duì)比》《模擬分析》《統(tǒng)計(jì)分析》。

3.2.5 .3 資料系統(tǒng)

作業(yè)資料、觀測(cè)資料。

3.2.5 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

《效果分析》《評(píng)估報(bào)告》。

通過(guò)上述人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)本地化改造,使其更加適應(yīng)吉林天氣背景和針對(duì)西風(fēng)帶槽脊、東北冷渦、蒙古氣旋、高空槽、切變線、副熱帶高壓、臺(tái)風(fēng)、低空急流等影響吉林的主要天氣系統(tǒng)開(kāi)展更加高效率的人影催化作業(yè),滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各階段對(duì)人影服務(wù)的實(shí)際需求。

3.3 人影效果評(píng)估能力建設(shè)

人影既然是“邊試驗(yàn)、邊研究、邊應(yīng)用”的一門(mén)學(xué)科,那么科學(xué)評(píng)估人影效果就十分重要,這也是人影領(lǐng)域的一項(xiàng)世界難題,也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要建立“天基、空基、地基”綜合觀測(cè)系統(tǒng),積累對(duì)比試驗(yàn)區(qū)歷史資料,同時(shí)強(qiáng)化試驗(yàn)區(qū)相控陣多普勒天氣雷達(dá)陣列建設(shè),從三維立體角度解剖目標(biāo)云演變時(shí)間序列,分析出具有說(shuō)服力和科學(xué)證據(jù)的物理評(píng)估證據(jù),結(jié)合統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等方法,建立吉林人影作業(yè)效果評(píng)估能力,明晰人影投入產(chǎn)出比,切實(shí)發(fā)揮人影在保障吉林糧食增產(chǎn)工程中的不可替代作用。

3.4 人影大氣特種觀測(cè)能力建設(shè)

通過(guò)國(guó)家和地方多年持續(xù)投入,目前吉林人影大氣常規(guī)觀測(cè)能力已基本建立,滿足了對(duì)大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度、目標(biāo)云演變等觀測(cè)需求,但是要實(shí)現(xiàn)人影高質(zhì)量發(fā)展,與國(guó)家糧食安全保障需求相匹配,吉林人影對(duì)大氣特種觀測(cè)能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣系統(tǒng)各種重要信號(hào)監(jiān)測(cè)和干預(yù)需求,如對(duì)目標(biāo)云垂直運(yùn)動(dòng)速度、云微觀粒子相態(tài)演變、云體三維演變動(dòng)態(tài)跟蹤、目標(biāo)云生消演變信號(hào)等觀測(cè)等,建議在吉林云雨物理試驗(yàn)區(qū)建設(shè)相控陣多普勒天氣雷達(dá)陣列、云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、地基微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、大氣重力波觀測(cè)儀等大氣特種觀測(cè)能力,精細(xì)化高質(zhì)量發(fā)展吉林人影服務(wù)能力,助力吉林糧食增產(chǎn)觀測(cè),為國(guó)家糧食安全發(fā)揮作用。

4 小結(jié)

人影觀測(cè)和研究大氣水相態(tài)不同變化,分析耕地不同深度土壤相對(duì)濕度,結(jié)合吉林農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際,得出當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)人影作業(yè)需求,從而啟動(dòng)人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(橫向到邊、縱向到底),追蹤大氣云系變化,探測(cè)研判目標(biāo)云過(guò)冷水豐沛和冰核不足區(qū)域,適時(shí)開(kāi)展“飛機(jī)＋地面火箭高炮煙爐”空地立體化人影作業(yè),達(dá)到抗旱增雨、防雹、防霜、防火等避災(zāi)減災(zāi)目的,為糧食增產(chǎn)增收工程提供有效科技支撐作用。

吉林人影在吉林糧食安全保障的歷史進(jìn)程中發(fā)揮的作用有績(jī)可查,得到了國(guó)家和省委省政府的高度認(rèn)可,2022年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵時(shí)期,韓俊省長(zhǎng)帶隊(duì)親臨吉林省飛機(jī)人工增雨作業(yè)指揮中心慰問(wèn)一線作業(yè)人員,提出吉林新增千億斤糧食工程離不開(kāi)人影的科技保障作用,沒(méi)有水則糧食安全就沒(méi)有保障,冰雹、霜凍防不住糧食就會(huì)減產(chǎn),希望吉林人影工作者加把勁,在政府的大力支持下繼續(xù)發(fā)揮吉林人影優(yōu)勢(shì),加快人影高質(zhì)量發(fā)展步伐,為吉林糧食安全作出新的更大的貢獻(xiàn)。