第十二届全运会开、闭幕式人工消减雨技术保障

耿树江，班显秀，袁 健，赵姝慧，刘 旸，秦 鑫，杨 旭，王吉宏

(辽宁省人工影响天气办公室，辽宁沈阳 110166)

20世纪40年代末以来，现代人工影响天气在全世界大范围得以快速发展，其中开展最多的是人工增雨作业。人工增雨是缓解水资源短缺、抗旱减灾的重要手段。辽宁省人均淡水资源仅为700 m3，是全国平均的1/3，是水资源严重匮乏的地区，人工增雨已成为该省增加水资源的一项常态工作[1-2]。但近年来城市举行大型露天活动，为避免降水影响活动的氛围而要求开展人工消减雨作业。

第12届全国运动会将在辽宁省举行，开、闭幕式会场设在沈阳市奥体中心。由于开、闭幕式是这一盛会极其重要的一环，不仅能够展示主办省的历史文化和对运动会精神的理解，也是展示主办城市形象的一次良机。根据全运会组委会公布的开幕式时间为2013年8月31日16：00～18：00，闭幕式为9月12日。虽然多年平均此时辽宁汛期已基本结束，但开、闭幕式日降水概率仍然较高，历史统计分别达32.6%和22.58%。因此，在提供及时、准确和周到的气象预警预报服务的同时，做好全运会开、闭幕式人工消减雨服务保障非常必要。人工影响天气基础理论的不断完善[3-5]、现代业务系统的建设和应用，以及2008 年北京奥运会[6]和建国60周年阅兵式人工消减雨的成功经验，都为做好全运会开、闭幕式人工消减雨服务保障奠定了良好基础。笔者统计沈阳1981～2011年8月25日～9月15日的降水资料，根据其特点，结合实际将对2013年全运会开、闭幕式人工消减雨进行技术设计。

1 沈阳8、9月份降水天气情况

1.1降水天气背景统计分析1981～2011年8月25日～9月15日沈阳地区历史常规观测资料(图1)发现，以高空500 hPa天气图分析得出降水主要天气系统有西风槽、冷涡、低涡和短波槽，各系统所占的比例分别是51.72%、27.59%、13.79%、6.90%，降水的天气系统来向主要有南、西南、西、西北和北，所占的比例分别为6.90%、27.58%、41.38%、20.69%、3.45%。

1.2主要降水机制根据沈阳探空资料统计分系，降水云的性质有暖云、冷云、混合云，其中暖云降水占总降水云的19.6%，纯冷云降水占总降水云的16.3%，混合云降水占总降水云的64.1%。暖云云顶最大高度不超过4 000 m,而0 ℃层的平均高度为4 179 m；纯冷云的0、-10、-20和-30 ℃层的平均高度分别为4 187、5 297、7 303和9 080 m；混合云的0、-10、-20和-30 ℃层的平均高度分别为3 859、5 440、7 169和9 640 m。

通过上述分析，沈阳8月下旬和9月上旬期间降水天气较为复杂，既有冷云、混合云又有暖云，这3种不同类型的降水云在全运会开闭幕式日均有出现的可能性，因此消减雨工作就要在不同系统来向方向上布设相应的消减雨作业设备，对不同降水性质的降水云系采用不同的催化工具、催化剂种类和催化作业方式。

1.3全运会开、闭幕式日降水分析辽宁省沈阳市8月下旬和9月上旬出现降水概率相对于汛期少了一些，此时汛期刚刚结束，有些年份汛期尚未结束，连续大到暴雨可能性会减少，但强对流、局地阵性降雨等灾害性天气仍易多发。根据沈阳历史31年逐日降水量资料分析，开、闭幕式当日降水概率分别是32.60%和22.58%，开闭幕式降水概率较高，可能会出现中雨、小雨和微量降水(表1)。一般而言，对于小雨和微量降水实施人工消减雨作业能够取得较好的效果；而中雨以开展人工消减雨作业有可能减小降水强度，完全消除有一定困难。

图1 沈阳500 hPa各降水天气系统所占的比例(a)及其各天气系统来向示意图(b)

表1 开、闭幕式当日降水概率统计 %

2 人工消减雨技术设计

2.1作业防线设计根据历史气象资料分析得出影响全运会开幕式主会场降水系统的路径，在系统的来路径上布设消减雨火箭作业点和飞机消减雨作业区，其中火箭作业点间距按15 km左右布设。再综合考虑天气系统移速、影响范围、火箭作业点布局及催化影响时间等因素，在奥体中心的上风方设三道防线进行人工消减雨作业。三道防线以及飞机、火箭作业防线布局如图2所示。第1道防线在天气系统距离奥体中心3～4 h距离处设置，分析得出沈阳降水云系移速为35 km/h左右，则防线距离奥体中心约90～130 km，采用适量播撒作业，使云系提前降水；第2道防线在天气系统距奥体中心1.5～2.0 h(距奥体中心约50～90 km)距离处设置，针对第1道防线催化后未完全消除或局地新生的降水云系，实施过量播撒作业，抑制云和降水的发展；第3道防线在天气系统距奥体中心0.5～1.0 h(距奥体中心约15～50 km)距离处设置，对前两道防线作业后未完全消除的云系继续实施飞机过量播撒作业，减弱或消除降水。

2.2人工消减雨作业技术设计

2.2.1设计作业方式。采用飞机和火箭联合作业方式实施催化作业。第1道防线采用火箭作业方法，通过适量播撒催化剂，使雨尽可能降落在奥体中心50 km以外的区域；第2道防线采用火箭密集作业方式，对第1道防线未消掉的雨或局地发展的云系实施过量播撒，削弱目标区上空云系降水的强度，或使其形不成降水或削弱降水；第3道防线由于距离体育场较近，在火箭射界内居民点、建筑物密集，无法使用火箭作业，只能使用飞机进行作业，对第2道防线还未完全消掉的雨或局地发展的云系再次实施过量播撒，削弱目标区上空云系降水的强度，或使其形不成降水。

2.2.2设计催化剂的种类和用量。

2.2.2.1确定催化剂的种类。依据天气系统的移向、移速、K指数、SI指数、对流有效位能等，以及实时雷达回波、雷电监测资料、卫星云图分析云系稳定度、特征温度层-8 ℃高度确定催化剂种类。火箭作业高度在-8 ℃以下使用人工冰核(如AgI)催化剂；飞机作业在-8 ℃以下使用人工冰核(如AgI)催化剂。

2.2.2.2估算催化剂用量。飞机增雨作业时一般需使冰晶浓度最低达20个/L，相应的人工冰核播撒率为2×1014个/km；目前飞机增雨碘化银烟条每根含碘化银125 g，燃烧时间约25 min，因此飞机增雨时焰剂燃放速率大致为1根/130 km。根据冰核浓度达20个/L的最小播撒率要求，人工增雨时云中冰晶浓度宜为20～100个/L，则增雨焰剂的燃放速率应是上述估算播撒量的1～5倍；飞机作业每25 min使用1～2根增雨碘化银烟条连续播撒。火箭作业每套火箭发射架每轮次作业用火箭弹4～6枚。实际作业时，可根据参考相似云系条件下历史观测数值及作业条件预报产品，并根据采用的催化剂(烟条、火箭弹)类型，确定最佳播撒用量。通过对播撒效果的跟踪分析，确定是否采用多轮次作业。以上的催化剂用量仅考虑增雨作业中适量播撒的剂量，在第2、第3道防线采用人工冰核催化剂进行过量播撒作业，催化剂播撒量应为增雨作业用量的5～10倍。

图2 第12届全运会开幕式人工消减雨作业防线(a)和地面火箭作业防线(b)布局示意图

2.2.3设计作业方案。

2.2.3.1飞机作业方案。人影作业指挥中心依据大气探测的实时监测信息，不断修正播撒线路和播撒剂量，并及时上传给作业飞机。作业飞机根据指令实施催化作业，并实时将云中作业条件、卫星定位及作业信息下传到指挥中心。根据第1、第2道防线的作业情况和效果，组织飞机在3道防线内进行多架次催化作业。采用燃烧碘化银烟条进行飞机催化作业，作业温度为-7～-15 ℃，相应高度为4.4～6.5 km。考虑到云体自身的移动，作业航线拟采用椭圆形、平行线形、三角形、“8”字形等播撒催化剂，具体作业航线以及催化剂的播撒速率依据当时云系特征和云层结构确定。

2.2.3.2火箭作业方案。火箭作业仰角介于55°～65°，播撒高度可达4.0～5.5 km，有效播撒长度约为3.0～5.0 km，水平扇型进行发射。具体作业参数根据实际云层条件确定，由承担作业的市级人影部门组织实施。

2.3作业流程设计

2.3.1作业决策流程。技术专家组利用人工消减雨指挥平台对降水天气系统的综合监测信息、短期短时预报预警产品、数值预报产品以及消减雨作业条件预报进行综合分析，依据不同类型云降水性质进行判别，再根据不同云性质作业指标科学制定人工消减雨作业方案。根据选择的作业方式，制定相应的飞机作业方案和火箭作业方案。综合保障组及时协调作业空域，保障飞机、火箭作业有序开展；飞机、火箭作业组在批复的时间及区域内实施作业；技术专家组结合云降水实况，适时调整作业方案，及时收集作业信息，分析作业效果，提高作业的针对性和有效性。

2.3.2作业实施流程。

2.3.2.1监测预警阶段(开幕式前48～24 h)。第12届全运会气象保障部天气预报处每天定时向技术专家组提供作业天气预报结果。当预报开幕式当日有降水系统影响开幕式现场时，技术专家组拟定初步作业方案，确定重点作业分区；综合保障组提前申报作业区域。人工影响天气领导小组办公室主任签发下达作业预警指令(Ⅲ级)。

2.3.2.2作业准备阶段(开幕式前24～12 h)。技术专家组提出作业决策意见，报人工影响天气领导小组办公室主任签发下达作业准备指令(Ⅱ级)。作业装备准备就绪，飞机和火箭作业人员待命。

2.3.2.3作业实施阶段(开幕式前12～6 h)。技术专家组提出决策意见，人工影响天气领导小组办公室主任签发下达作业实施指令(Ⅰ级)。技术专家组根据最新天气监测和预报结果，制定飞机和火箭作业技术方案，即飞机作业区域、催化部位、时间和航线、催化剂类型、剂量等，火箭作业站点、作业时间、催化部位、催化剂剂量等；飞机作业组根据技术专家组提供的作业条件判别分析结果，确定催化作业方法和催化剂用量；综合保障组依据最新云系演变和作业条件分析，提前30 min按作业分区统一向空管部门提出作业空域预申请(作业分区、作业起止时间、射击高度)，并向相关市级指挥中心通报具体作业分区、作业起止时间、作业用弹量、作业高度等作业参数，做好发射准备；空域批复后，由省人影指挥中心向相关市分指挥中心下达作业指令，由各市组织所属作业点按作业指令完成发射作业。根据实际作业需要，飞机作业组和火箭作业组在批复时间及区域内组织实施飞机多架次、火箭多轮次催化作业。

2.3.2.4效果评估阶段。作业结束后，飞机、火箭作业组及时报告作业信息，技术专家组对作业效果进行评估分析。

2.3.3作业程序启动。根据天气条件和准备情况启动作业程序，发布作业指令。作业指令分为作业预警指令(Ⅲ级)、作业准备指令(Ⅱ级)、作业实施指令(Ⅰ级)和作业解除指令。

3 人工消减雨技术实施困难和风险评估

人工消减雨是一项跨地区、跨部门的系统性工程，在实际操作中，空域保障、防线布局、协调指挥等多个方面均可能会存在不同程度的不确定性。一旦出现这些方面的不利因素，均可能导致人工消减雨无法落实到位，严重时甚至存在失败的风险。全运会开、闭幕式人工消减雨存在以下困难和风险，需引起重视和研究解决。

3.1技术水平限制人工消(减)雨作业仍处于试验阶段，就目前的技术而言，仅限于对平均降水量在10 mm 以下的层状云、层状混合云、较弱积云等在适当时机予以催化，使云体提前、延缓或无法产生降水甚至使其消散，但对大尺度降水系统或强降水系统则难以取得令人满意的效果。历年统计沈阳8、9月份仍有系统性降水发生的可能，极有可能出现较强降水而无法消除的情况。

3.2空域保障难度非常大无论是飞机作业还是火箭作业均需要空域保障。辽宁的沈阳市是东北飞机航线的枢纽，空中航线非常密集，空军基地较多，飞机演练频繁，民航航线复杂，桃仙国际机场进出港航班频繁，安排大范围作业空域实施消减雨难度非常大，可能会出现因无法获得空域而导致无法实施作业的情况。

3.3作业防线布局难以达到理想状态3道防线所在的区域均是人口密集区，特别是人工消减雨的第3道防线距奥体中心仅15～50 km，居民点、建筑物密集、空域复杂，基于公共安全考虑，这些区域设置的火箭作业点存在巨大的火箭作业安全隐患，实际作业中火箭无法作业，最终可能直接导致消减雨作业的失败。

3.4存在突发与意外事故风险在目前的技术条件下，实施人工影响天气作业尚无法保证绝对安全，如火箭弹故障发生爆炸或砸到地面敏感物体、人员，以及飞机发生意外坠落，这些均可能造成生命财产损失和严重的社会影响，给工作带来极大的被动。

4 小结

在实施消减雨过程中应尽可能借鉴和应用国内外人工消减雨成功的经验，但由于辽宁省东西两侧为山地、丘陵，中部为长方形辽河平原，全运会开闭幕式在辽河平原中东部的奥体中心举行，西或西北来的系统越过西部山地、丘陵后，途经中部辽河平原上大量的自然湿地和人工湿地，天气系统得到水汽的补充，为天气系统抬升过程提供了充足的水汽，降水天气系统将会进一步加强，为第12届全运会开闭幕式人工消减雨工作带来了较大的困难；同样南部或西南来的系统也会如此。此外，东北地区特有的中高纬度天气气候特点，尤其是对东北冷涡等天气过程实施人工消减雨作业尚未有先例，因此开展消减雨工作做好前期的各项准备工作，如进行东北地区不同天气类型的前期消减雨试验，分析消减雨效果，探索消减雨技术方法，建立具有当地特色的人工消减雨应急服务指挥系统，设计科学的作业防线和完备的作业方案，采用高性能作业工具，开展人工消减雨演练，协调各相关因素，密切配合，只有这样才有可能在实战中达到预期的效果。

[1] 班显秀,王吉宏. 一种评估人工增雨量对水资源量贡献的计算方法[J].气象与环境学报,2005,21(3):25-26.

[2] 周德平. 辽宁飞机人工增雨作业效果的统计分析[J].气象与环境学报, 1999,15(1):43-45.

[3] 叶家东,范蓓芬,杜京朝.人工增雨试验中的反效果问题[J].应用气象学报, 1998, 9(3) : 336-344.

[4] BRAHAM R R JR, FLUECK J A. Some Results of the White top experiment[C]//Preprints of Second National Conference on Weather Modification.Boston:American Meteorological Society, 1970: 176-179.

[5] ROSENFELD D, FARBST EIN H. Possible inf luence of desert duston seed ability of clouds in Israel[J]. J Appl Meteor ,1992, 31(3) : 722-731.

[6] 张蔷,何晖,刘建忠,等．北京2008年奥运会开幕式人工消减雨作业[J].气象,2009,35(8):3-15．