增雨火箭残骸落点的评估方法

陈昌，钟建洪，游积平，程鹏，何松蔚，廖学强，郑凯

（1.广东省人工影响天气中心，广东广州 510640；2.韶关市气象局，广东韶关 512028；3.广西壮族自治区人工影响天气办公室，广西南宁 530022）

开发利用空中云水资源，增加自然降水，是减缓旱情的一种有效手段［1］。人工增雨是调节干旱地区干旱缺水的重要途径之一［2］。目前全国所有的省市已开展了火箭增雨工作，各级政府都把人工增雨作业支出纳入财政预算，社会各界都非常认可人工增雨作业的效果和作用［3］。同时，人工影响天气也是气象防灾减灾工作的一项重要手段［4］，地面火箭作业系统在增雨抗旱、防雹减灾、大气污染防治、水库蓄水发电、森林防（灭）火等工作中发挥显著作用［5］。但是，随着近年来我国经济持续的高速发展，城市化进程的速度也在不断加快，交通运输等基础设施建设也越来越多，尤其广东省的高速公路、铁路等建设纵横交错，对我省人工增雨作业提出了更高的要求，安全作业越来越受到各地气象部门的高度重视，火箭弹的安全降落已成为作业必须面临重点考虑的问题，火箭残骸下落区域安全等相关问题需尽快解决［6］。安全风险成为了制约人工影响天气工作发展的主要因素［7］。

目前广东省地面火箭增雨采用的是陕西中天火箭技术有限责任公司生产的WR-98型火箭作业系统，该增雨火箭在空中播撒结束后其残骸采用的是一种伞降的方式降落，降落地点极易受高空风的风向、风速的影响，有可能降落到居民密集区、高速公路等地方，容易引起各种意外事件的发生，对广东省人工影响天气业务工作的可持性发展造成不良的影响。因此，迫切需要一种预测火箭残骸落区的方法，在人工影响天气外场业务工作之前分析地面火箭作业的风险，评估增雨火箭残骸大概的落区，这对于进一步提升广东全省人工影响天气的业务、加强地面火箭增雨工作的安全性，推动广东省人影业务工作的发展具有重要的指导意义。

1 评估方法

1.1 增雨火箭性能

广东省全省所使用的WR-98型火箭使用的是固体火箭发动机技术。WR系列增雨防雹火箭作业系统，是一种新型增雨防雹作业系统［8］。采用降落伞式回收，其降落伞为方形伞、箭身残骸重3.9 kg。其增雨火箭是通过引信控制催化剂的播撒和打开降落伞。因此，增雨火箭不同的发射仰角，其最高点的高度、起始和终止播撒催化剂的高度与发射点的水平距离均是不同的，厂家给出常用作业仰角的WR-98型火箭弹的性能见表1。其中X是增雨火箭发射方向上与作业点的水平距离（m）、Y为增雨火箭的高度（m），理论落点是在不考虑风场的情况下为火箭残骸在发射方向上与作业发射点之间的水平距离，如果发射仰角为奇数，处于两个发射角之间，则取该两个发射角数值平均值作为该发射仰角的数值。

表1 WR-98火箭弹道

1.2 风场模拟算法

开伞后由于增雨火箭已变为不可控制，主要受高空风场的影响，需要在开伞后预测火箭箭身的轨迹，对高空风有个准确的判断。由于高空风在短时间内变化不会很大，可以用作业前的探空风场数据评估增雨火箭箭身残骸空中漂移的影响，预测开伞后增雨火箭箭身残骸空中的轨迹。由于高空风场在不同的高度上其风向、风速会有不同，故本研究只能根据探空数据采用分段计算。假定挂在伞上的增雨火箭的箭身残骸是随着风飘移，已知火箭残骸第1点A（E0，N0）的经纬度，通过该段的风向风速以及所需时间求出火箭残骸第2点B（E1，N1）的经纬度，其风向移向与北极的方位角为α，见图1。

图1 地球上空A点漂移到B点

在图1中，N、O分别为北极点和地球中心点，P为A点所在纬度面的圆心。AC是平行于纬度线，BC是平行于经度线，ABC为一个直角三角形，C点为直角。R为地球半径其值约为6 371 011 m［9］。A点经度、纬度为E0、N0；B点经度、纬度为E1、N1；C点经度、纬度为E1、N0。α为火箭发射方位角，风向为A到B，A、B两点间的距离S（m）为

其中，v为风速（m／s）；t为火箭箭身残骸从A点到B点所花的时间（s）。

A、C两点间的距离AC（m）和C、B两点间距离BC（m）分别为

∇APC是平行于赤道面，A点所在纬度的切面半径r（m）为

2 落点评估

通过公式（1）—（6），本研究对广东省韶关南雄于2021年1月21日21：01—21：02（北京时，下同）的一次增雨火箭作业落点进行评估，火箭作业点的海拨高度142 m，经度、纬度分别为114.254 72°E、25.080 55°N。发射仰角为64°、发射方位角为314°，火箭开伞点的经度、纬度分别为114.218 47°E、25.112 25°N。

火箭残骸除受高空风影响之外，不同高度其下降速度是不同的，这是由于空气密度与海拔高度有关。高度越高，下降速度越快；高度越低，下降速度越慢［10］。由于开伞后的增雨火箭残骸在不同高度上的落速有所不同，本研究根据广西壮族自治区人工影响天气办公室在2021年2月9日04：41发射的一枚携带GPS模块的WR-98型试验火箭所获得的数据可知，6 000 m以上平均落速约13 m／s，6 000～5 000 m平均落速约12 m／s，5 000～4 000 m平均落速约11 m／s，4 000～2 000 m平均落速约10 m／s，2 000～1 000 m平均落速约9.0 m／s，到了1 000 m以下，火箭残骸基本维持在8 m／s左右落速降到地面。火箭开伞与最高点几乎同时发生，故可以将火箭最高点的高度作为开伞点的高度。同时，火箭开伞前是由发动机及惯性驱动，可以不考虑高空风对其影响。本研究根据2021年1月21日20：00清远探空数据及火箭性能对南雄的该次火箭增雨作业的落点进行评估，见表2。

表2 2021年1月21日21：01南雄火箭落点评估

由表2可以看出，预测火箭残骸落点为114.284 51°E，25.155 24°N，与 实 际 落 点（114.269 44°E，25.152 50°N）比较接近，虽然有些误差，但大概方位比较接近，两者的经度相差0.015 07°、纬度相差0.002 74°，火箭箭身残骸漂移轨迹及实际落点见图2。

图2 火箭箭身残骸漂移轨迹与实际落点示意图

由图2可以看出，火箭箭身残骸的实际落点在预测落点的左边，主要是经度上的差异，纬度相差不大。虽然有误差，但总体方位是正确的，这对于作业前预测火箭残骸的落点和安全作业是有一定的参考意义。

利用清远探空风场数据预测韶关南雄地面作业火箭残骸的落点，与实际的降落地点有一定的误差，虽然火箭残骸实际落点与高空的环境风场密切相关，但由于清远与韶关南雄两地相距甚远，直线距离有200 km，因此，清远探空的高空风场数据替代韶关南雄的高空风场数据还是存在一定的误差，且时间上也有误差，探空时间与火箭作业时间也相差一个多小时。同时，云中的风场与环境风场也有不同以及火箭在不同高度上的落速的准确性等几个方面的综合因素造成了预测火箭残骸降落点与实际落点不完全一致。预测火箭残骸落点虽然有误差，但利用该方法进行作业前评估火箭残骸的落点对于安全开展地面火箭作业是有一定的推广价值。