中天山一次无人机人工增雪作业方案设计及效果检验

中天山一次无人机人工增雪作业方案设计及效果检验

瓦热斯江·吉力力

（新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市人工影响天气办公室,新疆 乌鲁木齐810699）

摘要：利用雷达、降水实况资料、预报产品等数据，对2023年3月31日的一次天气过程进行无人机人工 增雪方案设计和效果分析，根据乌鲁木齐市增水需求设计了作业方案，根据作业区域选取影响区和对比区指标站，分析了作业前后雷达回波的 变化、地面降水量变化。结果表明：此次西西伯利亚低槽东移南下天气系统，具 有很好的作业条件。通过考虑多种影响因素，设计了无人机作业方案，实施作业；通过影响区和对比区降水量分析显示，影响区地面降水开始时间及增加量明显高于对比区；影响区雷达回波作业后明显加强。

关键词：人工增雪无人机物理检验

1  引言

新疆位于欧亚大陆腹地，我国西北边陲，远离海洋，与多国接壤。经研究，新疆西部和北部的气候主要受西风带系统的影响，在天山、帕米尔高原等地出现多雨带，山区年降水量一般超过400mm，个别地方超过500mm，所以天山山地是新疆重要的水资源来源，运用人工增雨（雪）技术来提高天山山区云水资源降水转化率，可以极大改善西北部干旱缺水的情况，增加河流径流量，增加山区积雪、冰川储水量。无人机用于人工影响天气作业，是一种新型人影作业手段，属于试验和探索项目。近些年，无人机的可靠性、自主飞行能力得到了极大的提升，无人机系统越来越多的用于人工增雨（雪）作业，在高海拔、山地等无法建立机场且对有人机作业有切实危险的区域，采用无人机系统进行催化作业，既避免了人员伤亡的危险，更可以深入到云层中，实施更加有效的催化作业，提高人影作业效率。中天山地区邻近首府乌鲁木齐，空域紧张，海拔高，地形复杂，没有机场提供地勤保障，开展有人飞机作业危险系数高，无人机就成为在此地区开展空中增雨（雪）作业最为合适的手段。通过科学设置作业航线、作业区域，规避各类不利因素，保障无人机在最理想的区域和最理想的时机进行作业，可达到改善人工增水试验作业效果、增加作业架次、提高作业效益的目的。

本文通过对2023年3月31日中天山地区一次无人机增雨作业过程进行分析，根据作业方案设计的主要考虑因素，合理设计作业方案，并按照一定原则选取对比区，结合雷达资料和气象站数据统计作业前后作业影响区和对比区降水变化，对作业效果进行分析。

2  天气过程及天气背景

2023年3月31日，受西西伯利亚低槽东移动南下影响，新疆大部出现降水降温天气，乌鲁木齐大部出现雨夹雪转雪，南部山区出现暴雪。从31日08时EC500hPa高度初始场可看出（图1），欧亚范围环流经向度较大，里海至乌拉尔山由强盛的高压脊控制，西伯利亚地区至沿天山一带为低压槽区，乌鲁木齐市处于低压槽底前部。综合CMA人影模式逐12小时降水量预报以及典型时刻总水成物场、垂直结构等产品分析31日白天，乌鲁木齐市南部山区相对湿度条件较好，并具有一定的云水、冰晶等水成物条件。

3  作业方案及作业实施

2.1  作业方案设计

选定作业区域需在满足有利于开展人工增水作业天气条件的前提下，综合考虑本地生态环境建设、水库蓄水等需求及作业前后高空风向风速、飞行管制要求、起降点位置、气象数

图1  2023年3月31日08时EC 500hPa高度初始场

据收集的便利性、无人机综合性能等要素进行。作业时机的选择，需根据预报产品和实时气象资料，结合无人机续航能力计算起降时间和播撒作业时段。作业高度的选择应以作业目标区为主，结合天气条件，确定有利的飞行高度，并根据无人机性能及飞行管制要求，确保安全的前提下进行选择。

分析本地需求，乌鲁木齐市城市用水、农牧业用水主要靠南部山区大小河流汇入到各大水库的蓄水，主要的生态保护区也位于南部山区，人工增水需求地区为南部山区；根据预报，降水时段为31日12时至20时，作业潜力及作业条件较好的时段为15时至19时，高空风为西北风。因此选择的适宜作业区域为乌鲁木齐县甘沟乡，计划作业时段为15:30至18:30，飞行高度为海拔4000m及以下。

2.2  作业实施

3月31日15:25－16:12在乌鲁木齐县甘沟乡进行了无人机人工增水作业，作业无人机为西安冰果智能航空科技生产的BG-V80型无人机，采用碘化银冷云烟条作为催化剂，共计4根。作业无人机于15:25起飞，15:40开始播撒，16:05结束播撒，播撒时间25min，一次点燃2根焰条，中间间隔5分钟，共点燃焰条4根，16:20降落，总飞行时间55min。作业采用蛇形扫描航线（图2）。根据飞机作业空中观测记录，作业无人机飞行最高高度4000m，播撒催化剂高度在3500m～4000m，根据ECthin高空700hpa风场资料分析，高空风速约10m/s，风向为西北风。

图2  2023年3月31日无人机作业飞行轨迹图

3作业效果检验分析

对于此次无人机作业，主要采用物理检验方法，通过分析

雨量和雷达资料进行作业前后各项物理参数变化的检验。考虑飞行作业时的风向和风速确定作业影响区的位置。高空风向为西北风，风速约10m/s，位于作业区东南方向约5公里的白杨沟站可以作为作业影响区指标站。作业播撒时间为15:40－16:05，因此将15:00作为播撒前时段，17:00－20:00作为播撒后时段进行对比分析。

3.1  雨量

将位于影响区西北偏北方向的小渠子站及以东的水西沟站作为对比区进行比较，两个对比区离白杨沟站的直线距离分别为12km和27km。根据31日降水量记录及降水量分钟数据分析，作业前影响区天气为阴，作业过程中开始出现零星降雪，作业结束后降雪开始增大并在16:47首次出现0.1mm的降水。分析小时降水量，白杨沟站播撒作业结束后降雪量有明显的增加，17:00降水量为0.3mm，18:00为增加为3.4mm，后趋于平稳，均为1-2mm。两个对比区，无论是处于上游的小渠子还是下游的水西沟，出现降水时间均比白杨沟晚了一个时次，开始于18:00，且降水量没有明显的增加，均在1-2mm。从雨量的变化来看(图3），此次作业效果明显。

图3  小时降水量对比

3.2  雷达

作业前，15:20白杨沟上空雷达回波强度为0-5dbz，开始播撒作业后，16:02回波强度增加到10-15dbz，作业结束后回波强度持续增强，在17:01回达到最大，为20-25dbz，并出现回波强度为25-30dbz的区域。从雷达回波来看（图4），作业后雷达回波变化显著，强回波面积明显持续增加，回波强度加大，且与区域雨量变化趋势对应较好，均在17时达到最强。

                          a                                      b

图4  2023年3月31日雷达回波图（a：15:20  b：17:01）

4结论与讨论

此次飞行作业是在受西西伯利亚低槽东移南下影响，作业区处于低压槽底前部的天气背景下开展的，具有一定的云水、冰晶等水成物条件。分析增水需求，乌鲁木齐南部山区为人工增水需求地区。根据预报分析作业潜力及作业条件，时段为15时至19时，高空风为西北风。因此选择的适宜作业区域为乌鲁木齐县甘沟乡，计划作业时段为15:30至18:30，飞行高度为海拔4000m及以下。

作业时，高空风向为西北风，风速约10m/s，位于作业区东南方向约5公里的白杨沟站可以作为作业影响区指标站。将位于影响区西北偏北方向的小渠子站及以东的水西沟站作为对比区进行比较，两个对比区离白杨沟站的直线距离分别为12km和27km。

作业前影响区天气为阴，作业结束后降雪开始增大。影响区在播撒作业结束后降雪量有明显的增加，对比区降水开始时间对比影响区晚一个小时，且降水量没有明显的增加。分析雷达资料，开始播撒作业后，回波强度增加，作业结束后回波强度持续增强，回波变化与区域雨量变化趋势对应较好。

综上，此次无人机人工增雪作业方案设计合理，效果较好，增加了降水量。由于缺少机载探测设备，欠缺对云中微物理量的分析以及对云系结构发展的分析，限制了作业效果检验的深度。今后研究中需加入微波辐射计、激光雷达等更多探测设备数据，采用更多的分析比较方法，更为全面科学的进行无人机增水作业效果检验。

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作者简介：瓦热斯江·吉力力（1990-），男，维吾尔族，新疆哈密人，本科学历，工程师，从事人工影响天气工作。