陕西省飞机增雨 (雪)作业航线设计及应用

时间：2024-09-03

曹永民，李群

(1.陕西省人工影响天气办公室，西安 710014；2.澄城县气象局，陕西澄城 715200)

曹永民1，李群2

(1.陕西省人工影响天气办公室，西安 710014；2.澄城县气象局，陕西澄城 715200)

利用2007—2014年陕西飞机增雨(雪)作业的气象及机场保障等资料，分析影响航线设计的主要因素，介绍陕西飞机作业航线设计和应用经验，结果表明：固定航线加临时修正的模式设计作业航线，可提高飞行作业批复率，增加作业量，延长作业时间。

飞机增雨 (雪)；作业航线设计；综合因素；陕西

开发利用大气水是解决水资源危机后备战略的一条途径[1]。飞机人工增雨 (包括增雪)，是人类利用现代化科学技术开发利用空中云水资源的有效途径和抗旱减灾的重要措施[2]。但飞机人工增雨作业受多方面的条件制约，在技术环节上还存在某些不确定性，还需要在科学概念和作业技术等方面不断研究、改进和完善[2]。陕西在人工增雨作业的同时，也开展了云的宏、微观物理结构探测及人工增雨技术和效果检验等研究[3]，尚未开展飞机增雨航线设计相关研究。根据陕西气候和降雨天气特征，结合飞机增雨作业实际情况，科学合理地设计作业航线，最大限度规避不利因素的影响，保障飞机作业在最理想的时机和区域以最理想的方式进行，达到改善作业效果、增加作业架次、提高作业效益的目的。

1 飞机作业航线设计的内容及要求

飞机作业航线设计除需确定作业目标区、作业时机、作业层高度、播撒方式、催化剂、天气变化趋势等外，还需考虑机场放飞条件、作业飞机性能、作业空域管理等制约因素，使作业计划能够得以顺利批复，及时实施作业。

1.1 作业目标区

选定作业目标区是作业航线设计的主要内容。首先满足作业目的需求，抗旱作业以特旱、重旱、干旱区为作业目标区，一般根据生态环境建设、水库蓄水等需求设计作业目标区。其次，选定有降水潜力的目标云。研究表明，适宜开展飞机作业的主体目标云应当为云系发展较为稳定的层积云，云层厚度 (不含层云间的无云区)＞2 km，过冷层厚度＞1.5 km，云底高度＜2 km，适宜催化作业的-6～-13℃云系处于4.0～5.5 km之间[4]。第三，对作业目标区和飞行航线天气变化趋势做出预测，避免雷暴、强对流等不利天气对飞行和起降安全的威胁[5]。第四，飞机作业航线应符合飞行管制的基本要求，避让战斗飞行任务、重要飞行任务和航班，合理穿越空中走廊、运输航路，避让空中禁区、限制区、危险区和飞行训练空域，符合飞行管制、指挥、调配、监督等有关规定。

1.2 作业时间(时机)

降水处于发展或持续阶段的云层是适宜开展人工增雨 (雪)作业的重要条件之一[6]。当系统云减弱或消散时云层厚度一般不超过2 km，云中过冷水较少，不宜进行人工催化作业[4]。地面无降水时，低层大气尚处于不饱和状态，实施增雨作业后的云层即使有增雨效果，产生的雨滴在下落过程中由于蒸发等原因也很难降到地面[7]。确定飞机作业时机，应依据气象预报和实时探测的雷达、卫星、地面气象站等资料信息，结合作业飞机性能数据计算飞机起降时间和播撒作业时段，使飞机适时到达适合作业的目标区。

1.3 作业层高度

云系中-6℃～-13℃的云层适合增雨(雪)作业，云层厚度一般在1 000～1 500 m之间。在实际作业飞行中，由于空军、民航空中管制、交通指挥对空间高度层通用分割标准的限制，执行作业任务的飞机飞行高度不可能在云中1 000～1 500 m范围内随意变换，经过地面指挥员批准允许空中机动飞行时，飞行高度机动变换的区间为预定高度上、下各100～300 m范围，飞行宽度机动变换的区间为预定航线的左、右各10 km范围，而且获准机动飞行的时间较短，最终须恢复到预定高度和航线，因此，飞机作业高度的确定应以作业目标区为主，结合航线天气情况，确定有利的飞行高度，既有利于作业效果，又便于飞行指挥，确保飞行安全。

1.4 播撒方式

飞机作业播撒方式有航线播撒、条形播撒、S形播撒、三角形播撒、重复播撒等多种方式[8]，一般情况下根据可催化降水云系尺度范围，结合选定的作业目标区、作业时间，确定最利于增雨效果的播撒方式。条形播撒是最有利的播撒方式，但对空域保障要求也最高，采用该方式作业时，预定作业时段、区域、高度范围内其他飞行器必须避让，不得进、出该区域和高度。近年来，我国航空器空域使用的范围、频率都大幅上升，条形播撒方式的空域保障只有在航运任务较少、较为边远的省 (区)才能实现，内陆省(区)、航运枢纽省 (区)基本无法保障。陕西省为内陆省 (区)，同时也是国内四大航运枢纽之一，空域使用十分频繁，陕西省一般采用航线播撒和重点区域重复播撒的作业方式，出现重、特大旱情时，协调空域管制部门提供条形播撒、S形播撒所需要的空域保障。

1.5 催化剂

人工影响天气使用的催化剂通常分为三类：可产生大量凝结核或凝华核的碘化银等成核剂，可使云中水分形成大量冰晶的干冰、液氮等制冷剂，可吸附云中水分变成较大水滴的盐粒等吸湿剂。成核剂、制冷剂适用于负温区的冷云催化，吸湿剂适用于正温区的暖云催化。航线设计应充分考虑催化剂特性，冷云成核剂的成份主要是Agl(碘化银)，一般可在-4℃～-15℃的过冷云中起到形成冰核的作用，特别是有过冷云滴的条件下才能大量成冰[9-10]。吸湿剂的主要成份是NaCl(盐)，适宜在正温区播撒，云中水含量越高催化效果越好。目前，陕西省作业飞机同时装载三类催化剂播撒设备，根据天气探测资料信息和作业层高度设计装载一种或多种催化剂，在作业过程中针对不同的云使用最适合的催化剂。

1.6 机场保障

不同机场保障飞机起降的能力有差别，同一种机型在不同机场执行起降的标准不同，航线设计时应考虑机场的起降标准，特别是飞机降落接收标准，保证任务结束后飞机顺利降落。同时，应当熟悉、掌握临近4个备降机场的保障标准及天气情况。

2 陕西飞机作业航线设计实践

2.1 获取多次审批机会的航线设计

2011年以前，陕西飞机以区域作业为主，作业方案批准概率较低，或者即使获批但实施时间被改变，造成作业架次少、错失时机。剔除天气条件、限制区、危险区和飞行训练信息缺失等技术因素外，造成这种情况的主要原因是与飞行管制审查批复要求、调整方式不适应，第一次申报未能通过的计划存在补报批复的可能。经过与空军、民航管制业务人员的研讨和协调，将区域作业方案改为在固定航线基础上临时修正的方案，为飞行管制批复提供多次选择机会，缩短审批时间，提高作业计划批复概率，争取作业时间，增加作业架次。

2.2 区域作业航线的特点

根据陕西省自然概况、区域特点、气候特征及降水天气系统类型和各类型降水天气系统历史作业量等资料，2011年3月设计制定了2011-Ⅰ1-5号飞机作业航线，并于2011年3—7月在飞机作业中试行5个月。方案的优点为：按照关中西部、关中中部、关中东部、陕北南部、陕北中部、陕北北部、陕南西部、陕南中部、陕南东部等9个主要目标区设计航线，能够迅速将作业目标区按照最佳、适合、一般、不适合四种层次划分，并根据作业目标区的优先顺序排列出最佳航线、适合航线、一般航线多种选择，从而避免因作业计划审批而错失作业时机；融合航线播撒、条形播撒、S形播撒、三角形播撒、重复播撒等多种播撒方式的优点；突出区域需求优势。缺点为：按经、纬度设计航线转折点，在飞行调配中无法向第三方通报飞机准确位置；不结合地标的条形播撒航线与其他飞行任务冲突明显。

2.3 固定航线加临时修正作业航线的业务应用

2011年7月，对飞机作业航线进行了修订和完善，制定了以延安机场为起降场的3条作业航线(图1)；2012年1月，制定了以榆阳机场为起降场的4条作业航线；2013年3月，制定了以咸阳机场为起降场的6条作业航线；2014年4月，制定了以榆阳机场为起降场、针对红碱淖湿地保护区、跨省区、跨飞行管制区的2条作业航线。以延安机场为例，作业航线主要指标为：最大航程1 119 km，最小航程629 km；最长飞行时间4 h30 min，最短飞行时间2 h 40 min；设计飞行高度3 000～6 000 m，平均安全高度2 551 m；航速240 km/h。

2011、2012年以延安机场为起降场作业飞行各20架次，2013、2014年以咸阳机场为起降场作业飞行各30架次，共100架次。按照第一次申报批准，第一次申报即时修正批准，两次及以上申报批准三种情况进行统计分析 (表1)，其中29架次的作业计划通过即时修正得以批准，使计划按时实施的概率提高了29%。同时，应用航线设计的4 a与未实施航线设计的4 a相比，全省飞机作业量提高了93架次，作业时长增加299 h，作业量增长81%，作业时长增加146%，单架次平均作业时间由1 h48 min提高到2 h 24 min(表2)。

图1 延安机场固定航线加临时修正的飞机作业航线

表1 2011—2014年陕西飞机作业计划批准情况统计表

表2 2007—2014年陕西飞机作业实施情况统计表