汕头亚青会人工影响天气业务设计——基于北京奥运会人工消雨作业分析

(整期优先)网络出版时间:2021-02-24
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汕头亚青会人工影响天气业务设计——基于北京奥运会人工消雨作业分析

黄哲帆1 ,2 赖鹏有 1,2 邹永强 3 刘乐希 1 钟艺晴 1 陈乙潮 1

1.广东海洋大学海洋与气象学院 广东湛江 524088; 2.广东海洋大学南海海洋气象研究院 广东湛江 524088; 3.广东海洋大学经济学院 广东湛江 524088

摘 要:本文先对人工消雨作业原理和方法进行了介绍,重点对北京奥运会开幕式的人工消雨作业天气形势和作业过程及效果进行分析,2008年8月8日北京受到副高和西风槽影响,在城区四周不断有积云生成,北京人影办公室在当天使用了1110枚火箭进行了大规模高强度的人工影响作业,产生了不错的抑雨效果。参考北京奥运会人工消雨作业的经验基于广东省人工影响天气业务管理平台对汕头亚青会人工影响天气进行初步设计。分析可知亚青会期间降水系统主要来向在东北方向,可在亚青会主会场周围设置三道防线,采用地面火箭和空中飞机相结合的立体作业方式和雷达和飞机立体探测方式。通过本文的分析设计以期对汕头亚青会的气象服务保障提供参考。

关键词:汕头;亚青会;人工消雨;人工影响天气;北京奥运会开幕式人工消雨

一、引言

2021年11月20至28日,第三届亚洲青年运动会将在汕头召开,这是广东省第二次举办洲际运动会,良好的气象服务是保障亚青会顺利举办的主要因素之一[1]。虽然汕头亚青会举办期为11月,正处华南旱季,根据历史资料平均得出汕头11月平均降水日数仅有五天,以积层混合云降水为主,大尺度天气相对稳定。但在汕头热岛强度以0.09℃/a的速度递增的情况下城市热岛效应越来越严重,其产生的城区对流运动加强,会造成城市小尺度对流云乃至单体风暴的发展,降水、强对流等高影响天气仍可能发生。为保障洲际运动会国际间重大活动的顺利举办。对汕头亚青会的人工影响天气作业进行设计十分必要。

2010年广州人影办公室基于广东省人工影响天气业务管理平台对影响亚运会的积雨云实施了统一指挥跨区域的大规模人工消减雨作业[2],并将该平台在全省人影部门进行了推广,现已实现全省的布局。平台为亚运会人工消雨工作提供了统一部署和统一调控,在亚运期间通过该平台对作业单位、人员和装备进行了合理地调配作业,为亚运会人工影响天气作业的顺利进行提供了保证。汕头亚青会的人工影响天气作业可基于该平台进行规划设计。

长期以来,人工影响天气领域开展了许多人工消雨和抑云抑雨的研究和业务试验,并有一些成功的报道(叶家东,1993[3];李大山等,2002[4])。至1980年代,基于大量的理论和实验研究,前苏联已形成一整套人工消雨业务方法和技术,该技术在1986年切尔诺贝利核电站事故应用中,为防止核污染进一步扩散做出了重要贡献[5]。目前俄罗斯人工消雨作业主要应用于重大节庆活动天气保障,如庆祝世界反法西斯战争胜利60周年莫斯科红场阅兵、莫斯科城市日和圣彼得堡建市等庆典(别拉耶夫等,1998[6]),以及减少冬季城镇降雪积雪等气象服务。在我国人工消减雨技术仍处于尝试阶段,作为重大活动应急保障措施之一,国内部分省市根据气象服务需要也组织进行了多次人工消减雨作业。最为我们熟知就是2008年北京奥运会的大规模人工消雨作业。在其他重大活动上,如1984年北京国庆35周年阅兵、2007年武汉第六届全国城市运动会及2010年广州亚运会等开幕式上人工消雨都发挥了很大的气象保障作用,也为我国人工消雨技术物理机制的研究和近年来的重大活动气象保障提供了宝贵的经验。

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(人工消雨作业车载火箭示意图) (汕头市年平均降水日数)

一、人工消雨的基本原理及常用方法

过冷液态水的存在和大气垂直不稳定性对于人工消雨具有重要意义。对于前者来说,人工引入结冰剂可以改变降水的形成机制;对于后者来说,维持对流发展的大气不稳定能量将人工产生的下沉气流释放,可以导致对流云的崩塌[7]

常见人工消雨的方法有两种,过量播撒方法和动力下沉方法。过量播撒方法是通过密集播撒产生高浓度冰晶,争夺水汽,使较大水滴变成小水滴或水汽,从而延缓和减弱降水。需要选用具有高效的成冰能力的催化剂。在业务中,综合考虑AgI作为首选催化剂,但在高温段播撒时可以考虑结合使用液氮和干冰。而动力下沉方法是利用播撒高浓度粒子群,引发下沉气流,抑制云发展和降水[8,9]

二、北京奥运会天气形势

2008年8月上旬,受西风槽、副热带高压及高压南部边缘台风的影响,北京长期处于副高外围。8月8日,副高开始东移减弱。上午密云区、怀柔区局部地区出现降水,河套地区生成的降水云系加强东移并向北京靠近;下午至傍晚,副高东退北上,天气系统演变为北京西北部冷空气、西南部850hPa低空有切变线、地面倒槽逐渐形成并加深。在切变线和地面倒槽地共同作用下北京西南部不断有系统性对流云生成并有向东北方向移动的趋势,同时西北部不断有冷空气分裂并东移南压,南北天气系统有打通之势。但由于北京西北部冷空气势力偏北,冷空气只影响到北京昌平以北的地区,过了昌平中北部后逐渐向东北方向收缩。

20:30后,不断有降雨云团从西北、东北和西南影响北京郊区,并向城区包围。北京市城区五棵松一带开始降雨;据21:25的气象监测显示,北京西南方向的保定市出现超强对流云团、云顶高接近20千米,并向东北方向的北京房山区移动。此外,顺义区、密云区、门头沟区等北京郊区也均出现较强局地新生对流云团。

三、北京奥运会人影业务设计及实际作业情况及效果

为了应对8月8日北京奥运会可能发生的降水天气,早在2005年北京就开展了《奥运期间人工防雹、消雨作业试验研究》制定了应对开幕式各类天气的人工影响天气措施和方案,根据方案北京在正南、东南、东北、西北、正西、西南等地设置了多条防空和地面人工消雨作业防线。第一道防线位于河北市保定区,主要负责人工增雨提前降水作业;第二道防线位于北京市房山区,主要担负对进入防区内的云实施过量播撒作业。作业中使用的RYI-6300型特种增雨防雹火箭搭载25克AgI催化剂,AgI复合阻燃剂成核率为1.03×1015(-10℃),发射火箭仰角为60°-65°。

8月8日中午前后,两架探测飞机分别起飞进入北京西北部和西南部进行云物理探测。另两架作业飞机14:45之后起飞对所观测云进行吸湿剂播撒抑制作业;作业后,机上人员宏观观测发现作业区的云系减弱消散。从16:08开始考虑到对流云系发展较快,已影响到作业飞机安全,北京人影办公室将飞行作业调整为地面火箭作业,当天共1110枚火箭进行作业,分别对西北、正西和西南三个方向出现的对流云团实施抑制,每次作业单个作业点集中发射专用火箭弹9-18枚,每次持续时间约十分钟。随着西南方向对流云团的发展加强和移近,地面火箭拦截集中在20:53-22:45时段内。

20时前,房山区作业点下风侧无降雨。当部分作业点出现降雨时,房山区多个地面火箭作业点在20:05-20:12时段进行大范围作业,20:30、21:00降水分布形态发生明显变化,雨带向北延伸,但作业区及相邻作业点的下风降水量较周边有所减少,房山区东部多个地面火箭作业点周边无降水。21:30-22:00左右,西南地区降水增多,雨带向北、向东发展,与东北部向西延伸的雨带相呼应,对城区和国家体育场构成较大威胁。当西南强降水云团移动到作业现场上空时,地面10个火箭作业点进行了大规模作业。经过两轮高强度火箭作业,22:30后降雨中心沿西南-东北方向解体分为两部分,分别位于房山作业点以西和石景山区与门头沟区交界,中心最大降雨量小于1.0毫米。此后,西南部城区附近的降雨很快结束,而北部雨带在向东北移动的过程中仍保持较强降雨。房山区东部火箭作业点对东移云团的人工作业影响持续到23时,23:05降雨全部结束。

何辉等[10](2012)对这次作业进行了模式研究指出,当播量率为0.5g/s时,播后降水量减少,播后2小时内降水量减少,2小时后降水量增加,最强降水减少率和增雨率相近,约为8%,总体上减雨、增雨效果相近。当播量达到50g/s时,抑雨效果更明显,最强的降水减少率约为12%,减雨持续时间较长,总体效果为抑雨。

  1. 汕头亚青会人影作业布局设计

(一)布局设计

参考北京奥运会的实际作业情况,并考虑到汕头市11月盛行东北风,主要的水汽来源为东北海面上水汽,综合考虑云系移动速度、水平尺度、生命期以及下垫面状况等因素。对汕头亚青会人工消雨作业设计三道防线,把布防重点放在东北方向。拟定距亚青主会场 140-200千米范围内设置第一道防线,对云系实施增雨作业,使降雨云系提前消散、远离主会场;第一道催化后不能完全消除或局部生成的稳定云系,距主会场70-140千米范围内设置第二道防线实行过量播撒作业;如果前两道防线作业后云系依然不能完全消除,继续威胁主会场,距主会场70千米范围内第三道防线将通过超排作业减少或消除降水。

(二)探测设计

对催化作业的云进行探测是人工影响天气作业成功的前提之一,结合汕头市的实际情况,设计以雷达探测为主,飞机探测为辅的探测方式。汕头气象雷达站位于汕头市濠江区布设有新一代S波段雷达,能提供PPI、RHI、CAPPI等水平、垂直方向探测回波图,立体、全方位地对催化作业的云进行作业前探测、作业中同步检测和作业后效果评测。还能提供谱宽图、垂直累计含水量、剖面图等雷达探测图,为人工消雨作业的研究性分析提供更多的气象要素参考。为了获取更加精细的云结构,使作业效果更佳和催化剂使用的量适宜。除了利用雷达探测外还需要利用飞机进行云内部结构的探测,主要有垂直和水平两种飞机探测方式。在垂直探测中要求飞机使用爬高300米,再左转弯180°平飞2-3分钟,再左转弯180°后重复飞行动作的航线进行探测,而在水平探测中要求飞机以锯齿形、三角形的航线进行探测。实际业务中一般使用雷达PPI探测和飞机垂直探测相结合的方式对拟作业的云进行立体探测。

(三)工具设计

对于汕头亚青会人工消雨工具的选择,参考北京奥运会和广州亚运会人影作业的工具,设计采用火箭和飞机两种工具进行作业。对于第一道防线将采用地面火箭运载催化剂进行增雨作业,而由于亚青主会场附近有军事机场,空域为繁忙,地面火箭作业很难实现,因此第二道防线及第三道防线将采用飞机作业。作业飞机该装备PMS仪器、GPS设备、机载雷达、温湿度探测仪、焰剂播撒设备和空地通信系统等装置, 用于云系探测和催化作业。作业飞行方式可根据云发展的实际情况选择平行条播、穿越作业区、下滑飞行和航线斜升爬高等航线进行作业。火箭及飞机运载的催化剂的剂量、作业时间和作业部位等因素是决定人工影响天气作业成功与否的关键,需要根据作业前几天的短期形势提前设计不同的方案,并根据当天的实际形势具体选择。

五、总结

(1)汕头亚青会开(闭)幕式当天的降水概率较低, 主要为混合性积云降水, 降水系统来向主要集中在东北方向。广东省人工影响天气业务管理平台为广州亚运会人工消雨工作顺利进行提供了保证,汕头亚青会的人工消雨作业也可根据该平台进行设计。

(2)2008年8月8日北京在大形势下受副热带高压和西风槽影响。在19时至23时,北京西南部和东北部云的发展比较旺盛,地面降水集中。西南对流云团和雨带在东移和北移过程中对市区和国家体育场构成威胁。东北对流云团和雨带也在缓慢向东、东北方向移动的过程中向西延伸、向南挤压。

(3)通过对流云层进行地面火箭作业点大规模作业,经过两轮高强度火箭作业,降雨中心沿西南-东北方向解体分为两部分。此后西南部城区附近的云雨很快结束,而北部雨带在向东北移动的过程中仍保持较强降雨。北京这次人工消雨作业给汕头亚青会人影设计提供了宝贵的经验。

(4)汕头亚青会人工消雨作业可设计三道防线,把布防重点放在东北方向。第一道防线,对云系实施增雨作业使降雨云系提前消散,第二道防线实行过量播撒作业,第三道防线通过超排作业消除降水。催化作业的云探测实际业务设计可采用雷达PPI探测和飞机垂直探测相结合的方式对云进行立体探测。对于人工消雨工具可采用火箭和飞机相结合进行作业.作业飞行方式可实际情况选择平行条播、穿越作业区、下滑飞行和航线斜升爬高等航线进行作业。催化剂的剂量、作业时间和作业部位要根据作业前几天的短期形势提前设计不同的方案,并根据当天形势具体选择。

参考文献

[1]叶家东.关于人工抑制暴雨问题[J].大气科学学报,1993(3).1

[2]高建秋,冯永基,赵博,等.基于广州亚运期间降水特征分析的人工消雨防线设计[J].广东气象,2010(4):30-32.

[3]林俊君,杨金冬,肖伟生.人影业务管理平台在广州亚运人工消雨中的应用[J].气象研究与应用,2011,32(S2):142-142.

[4]李大山.人工影响天气现状与展望[M].气象出版社,2002.

[5]李宏宇,马建立,马永林,等.北京2008年奥运会开幕日云、降水特征及人工影响天气作业分析[J].气候与环境研究,2011,16(002):175-187.

[6]в.п.别拉耶夫."95·5·9"莫斯科多架飞机人工消云和减弱降水试验[J].沙漠与绿洲气象,1998,21(3):44-44.

[7]Korneev V P, Petrov V V , Diadyuchenko V N et al.Results of cloud seeding operations to modify weather conditions over cities[ G] .Eighth WMO Scientific Conference on Weather Modification, 2003:227-230.

[8]张蔷,何晖,刘建忠, et al.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.

[9]李宏宇, 马建立. 北京2008年奥运会开幕日云、降水分析[C]// 2011年第二十八届中国气象学会年会.2011.

[10]何晖,金华,李宏宇,等.2008年奥运会开幕式日人工消减雨作业中尺度数值模拟的初步结果[J].气候与环境研究,2012,17(001):46-58.



基金项目:2020年度广东省大学生创新创业训练计划项目(S202010566012)


作者简介:黄哲帆,男,籍贯广东汕头,1999年12月生,本科,主要从事区域气候,城市气象学,台风气候学的研究

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