陳昌，鐘建洪，游積平，程鵬，何松蔚，廖學(xué)強(qiáng)，鄭凱

（1.廣東省人工影響天氣中心，廣東廣州 510640；2.韶關(guān)市氣象局，廣東韶關(guān) 512028；3.廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室，廣西南寧 530022）

開(kāi)發(fā)利用空中云水資源，增加自然降水，是減緩旱情的一種有效手段［1］。人工增雨是調(diào)節(jié)干旱地區(qū)干旱缺水的重要途徑之一［2］。目前全國(guó)所有的省市已開(kāi)展了火箭增雨工作，各級(jí)政府都把人工增雨作業(yè)支出納入財(cái)政預(yù)算，社會(huì)各界都非常認(rèn)可人工增雨作業(yè)的效果和作用［3］。同時(shí)，人工影響天氣也是氣象防災(zāi)減災(zāi)工作的一項(xiàng)重要手段［4］，地面火箭作業(yè)系統(tǒng)在增雨抗旱、防雹減災(zāi)、大氣污染防治、水庫(kù)蓄水發(fā)電、森林防（滅）火等工作中發(fā)揮顯著作用［5］。但是，隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程的速度也在不斷加快，交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)也越來(lái)越多，尤其廣東省的高速公路、鐵路等建設(shè)縱橫交錯(cuò)，對(duì)我省人工增雨作業(yè)提出了更高的要求，安全作業(yè)越來(lái)越受到各地氣象部門(mén)的高度重視，火箭彈的安全降落已成為作業(yè)必須面臨重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，火箭殘骸下落區(qū)域安全等相關(guān)問(wèn)題需盡快解決［6］。安全風(fēng)險(xiǎn)成為了制約人工影響天氣工作發(fā)展的主要因素［7］。

目前廣東省地面火箭增雨采用的是陜西中天火箭技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的WR-98型火箭作業(yè)系統(tǒng)，該增雨火箭在空中播撒結(jié)束后其殘骸采用的是一種傘降的方式降落，降落地點(diǎn)極易受高空風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速的影響，有可能降落到居民密集區(qū)、高速公路等地方，容易引起各種意外事件的發(fā)生，對(duì)廣東省人工影響天氣業(yè)務(wù)工作的可持性發(fā)展造成不良的影響。因此，迫切需要一種預(yù)測(cè)火箭殘骸落區(qū)的方法，在人工影響天氣外場(chǎng)業(yè)務(wù)工作之前分析地面火箭作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估增雨火箭殘骸大概的落區(qū)，這對(duì)于進(jìn)一步提升廣東全省人工影響天氣的業(yè)務(wù)、加強(qiáng)地面火箭增雨工作的安全性，推動(dòng)廣東省人影業(yè)務(wù)工作的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 評(píng)估方法

1.1 增雨火箭性能

廣東省全省所使用的WR-98型火箭使用的是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。WR系列增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)，是一種新型增雨防雹作業(yè)系統(tǒng)［8］。采用降落傘式回收，其降落傘為方形傘、箭身殘骸重3.9 kg。其增雨火箭是通過(guò)引信控制催化劑的播撒和打開(kāi)降落傘。因此，增雨火箭不同的發(fā)射仰角，其最高點(diǎn)的高度、起始和終止播撒催化劑的高度與發(fā)射點(diǎn)的水平距離均是不同的，廠家給出常用作業(yè)仰角的WR-98型火箭彈的性能見(jiàn)表1。其中X是增雨火箭發(fā)射方向上與作業(yè)點(diǎn)的水平距離（m）、Y為增雨火箭的高度（m），理論落點(diǎn)是在不考慮風(fēng)場(chǎng)的情況下為火箭殘骸在發(fā)射方向上與作業(yè)發(fā)射點(diǎn)之間的水平距離，如果發(fā)射仰角為奇數(shù)，處于兩個(gè)發(fā)射角之間，則取該兩個(gè)發(fā)射角數(shù)值平均值作為該發(fā)射仰角的數(shù)值。

表1 WR-98火箭彈道

1.2 風(fēng)場(chǎng)模擬算法

開(kāi)傘后由于增雨火箭已變?yōu)椴豢煽刂?，主要受高空風(fēng)場(chǎng)的影響，需要在開(kāi)傘后預(yù)測(cè)火箭箭身的軌跡，對(duì)高空風(fēng)有個(gè)準(zhǔn)確的判斷。由于高空風(fēng)在短時(shí)間內(nèi)變化不會(huì)很大，可以用作業(yè)前的探空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)評(píng)估增雨火箭箭身殘骸空中漂移的影響，預(yù)測(cè)開(kāi)傘后增雨火箭箭身殘骸空中的軌跡。由于高空風(fēng)場(chǎng)在不同的高度上其風(fēng)向、風(fēng)速會(huì)有不同，故本研究只能根據(jù)探空數(shù)據(jù)采用分段計(jì)算。假定掛在傘上的增雨火箭的箭身殘骸是隨著風(fēng)飄移，已知火箭殘骸第1點(diǎn)A（E0，N0）的經(jīng)緯度，通過(guò)該段的風(fēng)向風(fēng)速以及所需時(shí)間求出火箭殘骸第2點(diǎn)B（E1，N1）的經(jīng)緯度，其風(fēng)向移向與北極的方位角為α，見(jiàn)圖1。

圖1 地球上空A點(diǎn)漂移到B點(diǎn)

在圖1中，N、O分別為北極點(diǎn)和地球中心點(diǎn)，P為A點(diǎn)所在緯度面的圓心。AC是平行于緯度線，BC是平行于經(jīng)度線，ABC為一個(gè)直角三角形，C點(diǎn)為直角。R為地球半徑其值約為6 371 011 m［9］。A點(diǎn)經(jīng)度、緯度為E0、N0；B點(diǎn)經(jīng)度、緯度為E1、N1；C點(diǎn)經(jīng)度、緯度為E1、N0。α為火箭發(fā)射方位角，風(fēng)向?yàn)锳到B，A、B兩點(diǎn)間的距離S（m）為

其中，v為風(fēng)速（m／s）；t為火箭箭身殘骸從A點(diǎn)到B點(diǎn)所花的時(shí)間（s）。

A、C兩點(diǎn)間的距離AC（m）和C、B兩點(diǎn)間距離BC（m）分別為

?APC是平行于赤道面，A點(diǎn)所在緯度的切面半徑r（m）為

2 落點(diǎn)評(píng)估

通過(guò)公式（1）—（6），本研究對(duì)廣東省韶關(guān)南雄于2021年1月21日21：01—21：02（北京時(shí)，下同）的一次增雨火箭作業(yè)落點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，火箭作業(yè)點(diǎn)的海撥高度142 m，經(jīng)度、緯度分別為114.254 72°E、25.080 55°N。發(fā)射仰角為64°、發(fā)射方位角為314°，火箭開(kāi)傘點(diǎn)的經(jīng)度、緯度分別為114.218 47°E、25.112 25°N。

火箭殘骸除受高空風(fēng)影響之外，不同高度其下降速度是不同的，這是由于空氣密度與海拔高度有關(guān)。高度越高，下降速度越快；高度越低，下降速度越慢［10］。由于開(kāi)傘后的增雨火箭殘骸在不同高度上的落速有所不同，本研究根據(jù)廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室在2021年2月9日04：41發(fā)射的一枚攜帶GPS模塊的WR-98型試驗(yàn)火箭所獲得的數(shù)據(jù)可知，6 000 m以上平均落速約13 m／s，6 000～5 000 m平均落速約12 m／s，5 000～4 000 m平均落速約11 m／s，4 000～2 000 m平均落速約10 m／s，2 000～1 000 m平均落速約9.0 m／s，到了1 000 m以下，火箭殘骸基本維持在8 m／s左右落速降到地面?；鸺_(kāi)傘與最高點(diǎn)幾乎同時(shí)發(fā)生，故可以將火箭最高點(diǎn)的高度作為開(kāi)傘點(diǎn)的高度。同時(shí)，火箭開(kāi)傘前是由發(fā)動(dòng)機(jī)及慣性驅(qū)動(dòng)，可以不考慮高空風(fēng)對(duì)其影響。本研究根據(jù)2021年1月21日20：00清遠(yuǎn)探空數(shù)據(jù)及火箭性能對(duì)南雄的該次火箭增雨作業(yè)的落點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，見(jiàn)表2。

表2 2021年1月21日21：01南雄火箭落點(diǎn)評(píng)估

由表2可以看出，預(yù)測(cè)火箭殘骸落點(diǎn)為114.284 51°E，25.155 24°N，與 實(shí) 際 落 點(diǎn)（114.269 44°E，25.152 50°N）比較接近，雖然有些誤差，但大概方位比較接近，兩者的經(jīng)度相差0.015 07°、緯度相差0.002 74°，火箭箭身殘骸漂移軌跡及實(shí)際落點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 火箭箭身殘骸漂移軌跡與實(shí)際落點(diǎn)示意圖

由圖2可以看出，火箭箭身殘骸的實(shí)際落點(diǎn)在預(yù)測(cè)落點(diǎn)的左邊，主要是經(jīng)度上的差異，緯度相差不大。雖然有誤差，但總體方位是正確的，這對(duì)于作業(yè)前預(yù)測(cè)火箭殘骸的落點(diǎn)和安全作業(yè)是有一定的參考意義。

利用清遠(yuǎn)探空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)韶關(guān)南雄地面作業(yè)火箭殘骸的落點(diǎn)，與實(shí)際的降落地點(diǎn)有一定的誤差，雖然火箭殘骸實(shí)際落點(diǎn)與高空的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)，但由于清遠(yuǎn)與韶關(guān)南雄兩地相距甚遠(yuǎn)，直線距離有200 km，因此，清遠(yuǎn)探空的高空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)替代韶關(guān)南雄的高空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)還是存在一定的誤差，且時(shí)間上也有誤差，探空時(shí)間與火箭作業(yè)時(shí)間也相差一個(gè)多小時(shí)。同時(shí)，云中的風(fēng)場(chǎng)與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)也有不同以及火箭在不同高度上的落速的準(zhǔn)確性等幾個(gè)方面的綜合因素造成了預(yù)測(cè)火箭殘骸降落點(diǎn)與實(shí)際落點(diǎn)不完全一致。預(yù)測(cè)火箭殘骸落點(diǎn)雖然有誤差，但利用該方法進(jìn)行作業(yè)前評(píng)估火箭殘骸的落點(diǎn)對(duì)于安全開(kāi)展地面火箭作業(yè)是有一定的推廣價(jià)值。