飞机人工增雨

飞机人工增雨（共5篇）

飞机人工增雨 篇1

2009年,四川省先后发生了春、夏、伏旱。有87个县(市、区)出现春旱,大部分地区春旱持续时间31~36 d。春旱范围较大、旱期持续时间短、旱情偏轻。有118个县(市、区)发生了中度偏强的夏旱,大部分地区夏旱持续时间为30~49d,有22个县(市)达50 d以上。夏旱自南向北发展,出现范围大、持续时间较长、部分地方旱情严重。有48个县(市、区)发生轻度伏旱。

为缓解春、夏旱的危害,增加工程蓄水,保障2010年小春作物栽插用水,四川省人工影响天气办公室(以下简称省人影办)按预定方案启动了飞机人工增雨作业。为了给分析催化作业的物理响应提供证据,同时让政府和社会公众了解飞机人工增雨效果,从飞机人工增雨作业前后卫星反演云参量变化、雷达回波差异、降水差异等方面,对2009年的飞机人工增雨效果进行评估。

1 人工增雨效果评估方法概述

自从开展人工影响天气科学试验以来,评价人工增雨效果是人工影响天气学科的重要组成部分。由于云和降水自然变率大,评估对象的不确定性,不同时空条件下各种因子互相制约、复杂多变,探测技术和仪器设备的局限,客观、定量、准确地评估人工增雨作业效益是目前人工影响天气领域的技术难点。

一般评价人工影响天气的效果有统计检验、物理检验、数值检验等3种基本方法[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。统计检验是用统计学的方法,对人工影响天气作业后的效果加以确定的方法。但是,由于降水量自然起伏大,影响降水的物理因子很多,各种因子的相互关系及其影响机制比较复杂,目前还没有一致公认的方法来确定作业区自然降水量,因此采用统计检验来评估增雨作业效果受到一定的制约。物理检验是通过观测人工催化前后云体宏微观要素的变化和差异,或催化云和非催化云宏微观要素的变化和差异,以判断作业效果的方法。物理检验有非常强的直观性,目前主要限制因素是缺乏先进的探测设备和加密探测资料。数值检验是利用数值模式,模拟人工催化前后云体变化趋势及降水量的改变值,以判断作业效果的方法。由于实施人工影响天气野外试验的自然条件复杂多变,人工催化试验很难重复,催化的物理响应和效果往往被云和降水过程巨大的自然变率所淹没,使试验难以得出明确的结论。

国外人工影响天气主要外场试验计划实施中,大多数随机化试验设计包含了可以引起统计偏差的多重性和主观判断。美国的国家冰雹研究试验(NHRE)、佛罗里达地区积云试验(FACE)、塞拉合作试验(SCPP)、农作物人工增雨试验(PACE),虽然时间长、耗资巨大,但效果并不理想。因此,在业务性人工影响天气作业中,其效果评估推荐无分布推断法,在复随机化处理中以主分量回归检出功效最高[12]。

1979—1986年,我国在福建古田水库首次开展了持续12年的人工增雨随机催化试验,叶家东等[13]对此开展了一系列的效果评估研究,取得了重要的研究成果和作业经验。长期的统计分析表明,一次人工增雨作业的增雨效果大致为10%~30%,但是每次作业究竟增加了多少降水,需要一种客观定量的计算方法。因此,在为政府和公众服务中,需要找到一种简洁、明了、实用的评估方法。经过多年实践,区域雨量对比法比较简便。为此,笔者采用区域雨量对比法评估2009年四川省飞机人工增雨效果。

2 区域雨量对比方法计算步骤

(1)计算影响面积。根据催化剂播撒路径确定作业起止点的经纬度位置,根据作业层风速风向确定催化剂的扩散范围,给出1个比较规则的几何区域,计算出影响面积(S)。

(2)计算影响区雨量。催化剂影响时效为3~6 h,作业过程一般为2 h左右。为避免夸大,笔者从作业开始时间算起取之后3 h的雨量,计算影响区域内各雨量站雨量的算术平均值,即为影响区3 h的平均雨量(R′)。

(3)对比区的选择原则。一是位于作业区的上风方或风向横侧,不受催化污染;二是与作业区受同样的天气系统控制;三是其面积与所选择的影响区面积相当。

(4)对比区雨量。统计、计算对比区平均降雨量(与影响区同时段)(R)。

(5)增雨效果。可用增雨量和增加降水量来表示。

增雨量△R=R′-R

增加降水量=△R*S

逐小时雨量使用四川省气象信息中心aws目录下的自动站资料,雨量及面积均由省级人工影响业务系统自动计算。

3 2009年四川省飞机人工增雨作业效果

3 月1日至10月31日期间,省人影办共实施飞机人工

增雨作业30架次,累计作业时间3 466 min、航程17 113km。作业分为抗春旱、抗夏旱、秋季蓄水3个阶段,采用液氮作为催化剂,其主要相关数据如表1所示。

3.1 卫星反演云参量变化

分析飞机人工增雨作业前、后的卫星反演云参量发现,作业前后云参数变化明显,不同程度地出现了云顶高度升高、云顶温度下降、云粒子有效半径增大,过冷层厚度增大。

例如3月27日晚,在四川省盆地中、南部实施飞机人工增雨作业,当晚于22:00结束作业。图1是催化影响前后云过冷层厚度的变化:图1a是22:00,图1b是24:00。可以看出,作业后2 h云过冷层厚度已经发生了明显变化,盆地中、南部的云层出现旺盛发展。

3.2 雷达回波变化

表2是对前15次作业过程雷达回波变化所作的统计。由表2可知,作业后回波的强度、高度都发生了明显的变化,强度平均增加了10 d Bz,高度增加1~2 km,速度和液态含水量变化不明显。

3.3 抗春旱增雨效益评估

按照区域雨量对比方法,分别计算出12架次飞机人工增雨抗春旱的影响面积、影响区与对比区雨量和增雨量,其结果如表3所示。由表3可知,抗春旱累计影响面积28.7万km2,累计增加降水5.494亿m3。

根据《四川省气候灾害实时监测预警系统》监测:截至2009年3月31日8:00,四川有82个县(市)出现春旱,主要分布在川西高原、川西南山地南部、盆地中西部及北部。其中盆地50个县(市),春旱持续时间均为30 d。另有蓬溪、西充2个县达到春旱预警标准(图2)。5月4日8:00,仅有得荣春旱仍在持续,其余地区春旱全部解除,这说明飞机人工增雨对抗御春旱发挥了作用。

冬干春旱期间,截至2009年2月末,四川绝大部分地区降水为负距平(图3);在飞机人工增雨作业的影响下,2009年3月1日至4月30日,四川省盆地大部降水为正距平(图4)。虽然在很大程度上有自然降水的影响,但是也直观反映了飞机人工增雨作业的效果。

四川省成都、德阳、绵阳等13个市是飞机人工增雨抗春旱作业的受益区,受益次数3~12次,平均受益6.38次。飞机人工增雨抗春旱作业累计增雨量为25.854 mm,即是说在3月1日至5月4日的65 d内,各市受飞机作业的影响平均增加降水为25.854×(6.38/12)=13.75 mm,平均每30 d增加降水为(30/65)×13.75=6.35 mm。

按照春旱的标准为30 d降水少于20 mm,可以这样认为,通过飞机人工增雨作业,缩短春旱的影响时间为:30×(6.35/20)=9.5 d。抗春旱飞机人工增雨作业共12架次、23 h,航程7 345 km,累计受益面积28.7万km2,增加降水5.494亿m3,如水价按0.1元/m3计(目前成都市居民用水的价格是2.15元/m3),经济效益为5 494万元;受益区降水量、降水距平均显著增加;提前9.5 d结束春旱。

3.4 抗夏旱增雨效益

使用同样的方法计算出抗夏旱13架次的飞机增雨效益,累计影响面积27.64万km2,累计增雨54.873 mm,共增加降水11.36亿m3。

通过飞机人工增雨作业的影响,增加了降水量,有效抑制了四川省夏旱的发展。通过将抗夏旱作业初期5月25日旱情分布(图5)与抗夏旱作业结束时6月29日旱情分布(图6)进行对比可以看出:5月25日有49个县(市)夏旱仍在持续发展,主要分布在盆中南和中西部的部分地方、川西北高原的中部和西南部的部分地区以及川西南山地南部的个别地方,其中盆地有34个县(市),另外绵阳、成都、眉山、德阳等盆地部分地方以及川西北高原西部的个别地方有22个县(市)达到夏旱预警标准。到了6月29日8:00,全省夏旱仍在持续的只有成都市的都江堰、彭州、郫县、温江、大邑以及汶川,盆地只有5个县(市),而且夏旱持续的地区多为地震灾区,易发生泥石流等地质灾害,为了避免这些地区引发地质灾害,此次飞机人工增雨作业未涉及该区域。

抗夏旱飞机人工增雨作业共13架次,航行1 479 min,航程7 017 km,累计影响面积达27.64万km2,累计增雨54.873 mm,共增加降水量为11.36亿m3,直接经济效益达1.136亿元。截至6月底,盆地区夏旱持续县从初期的34个县减少至5个县,并且是地震灾区不宜实施增雨作业的地区。

3.5 秋季蓄水增雨效益分析

用同样的方法,分别计算出5架次飞机人工增雨蓄水作业,累计影响面积10.09万km2,增加降水1.71亿m3,直接经济效益为1 710万元。

由于四川盆地特殊的地形地貌,大部分的自然降水都集中在6—8月,导致水利工程在汛期不敢充分蓄水,而秋季降水量又显著减少,往往无法完成全年蓄水计划。据资料分析,截至2009年8月底,全省工程蓄水量只占汛末蓄水计划量的88%,高危险情以上震损水库占计划蓄水的77%。通过飞机人工增雨作业,截至2009年10月30日,全省各类水利工程的总蓄水量为75.05亿m3,占汛末蓄水计划量的94%,高危水库蓄水量为3.52亿m3,占计划蓄水量的79%。

从2009年8月底至10月底,正常的水利工程和高危水库蓄水量占计划蓄水的比例都得到增加,而在飞机人工增雨作业影响范围之内的正常工程蓄水涨幅为6%,在其影响范围以外的高危水库蓄水涨幅却只有2%,反映了飞机人工增雨对增加工程蓄水发挥的作用。

4 结语

通过对2009年四川省飞机人工增雨效果进行评估,发现飞机人工增雨作业前后云参数变化明显,不同程度地出现了云顶高度升高、云顶温度下降、云粒子有效半径增大,过冷层厚度增大等现象。在实施飞机人工增雨作业后,雷达回波的强度、高度等都发生了明显的变化:强度平均增加了10 d Bz,高度增加1~2 km,速度和液态含水量变化不明显。2009年3月1日至10月31日期间,四川省共实施飞机人工增雨抗旱、蓄水作业飞行30架次,航程17 113 km,累计飞行时间3 466 min、影响面积60.76万km2、增加降水18.564亿m3,使春旱提前解除、夏旱得到缓解、工程蓄水量得到增加,同时也有效地降低了森林火险等级,经济效益达1.856 4亿元。

飞机人工增雨 篇2

人工神经网络在飞机总体外形智能CAD中的应用

将人工神经网络应用于飞机总体外形智能CAD中,针对现有方法的局限性,研究了参数神经网络,提出了一种综合考虑影响神经网络学习3个主要因素(权值、激励函数和拓扑结构)的WAFS学习算法,并研究了隶属函数的`神经网络表达和基于神经网络的并行推理,给出了有关应用实例.

作 者：刘振凯 贵忠华 蔡青 Liu Zhenkai Gui Zhonghua Cai Qing  作者单位：刘振凯,Liu Zhenkai(西安交通大学机械工程学院,西安,710049)

贵忠华,蔡青,Gui Zhonghua,Cai Qing(西北工业大学CAD/CAM研究中心,西安,710072)

刊 名：航空学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)： 19(6) 分类号：V221 TP391 关键词：人工神经网络   飞机总体外形   智能CAD  

飞机人工增雨 篇3

高空的云有暖型云 (云内温度在0℃以上) 和冷型云 (云内温度在0℃以下) 。根据云的情况 (性质、高度、厚度、浓度、范围等) , 分别向云体播撒致冷剂 (如干冰等) 、结晶剂 (如碘化银等) 、吸湿剂 (食盐、尿素) 和水雾等, 以改变云滴的大小、分布和性质, 干扰云中气流, 加速其生长程, 达到降水之目的。对冷型云的人工增雨, 常常是播撒致冷剂和结晶剂, 增加云中冰晶浓度, 以弥补云中凝结核的不足, 达到降雨的目的, 对暖型云的人工增雨, 则通常是向云中播撒吸湿剂和水雾, 加强云中碰并, 促使云滴增大。人工增雨最理想的天气是作业区上空有水汽含量较丰富的积状云, 且云层较厚, 云顶高度在6 100~12 200 m之间, 地面有小于10 km/h的微风。

人工增雨的方法多种多样, 有高炮、火箭、气球播撒催化剂法, 有飞机播撒催化剂法, 还有地面烧烟法。飞机人工增雨作业是在适宜的云层条件下, 将催化粒子播入能使其核化、增长的云中, 经过冷雨和暖雨过程成为地面降水。要想取得好的增雨效果, 必须处理好作业区的确定、作业时机的选择、作业航线的设计等问题。

增雨飞机利用先进的空地信息传输系统进行空中和地面的通信指挥。有了这套系统, 在人影指挥中心的电脑显示屏幕上就能够实时监控到飞机的飞行轨迹, 工作人员通过雷达回波的显示, 判断容易降雨的区域, 通过语言传输系统直接指挥飞行员飞到哪里, 大大提高了作业指挥能力及作业效果。但是机载北斗天线需要飞机提供电源, 电源之间不能很好匹配。北斗地空通信指挥系统集作业航线设计、GPS跟踪定位、电子记录、数据传输及短信通讯等功能为一体, 可以叠加天气、卫星和新一代多普勒等资料。对该系统的功能、工作原理以及系统的应用、升级和存在的问题进行了详细分析。该系统实现了同时对多架作业飞机的实时监控和跟踪指挥, 强化了飞机人工增雨作业的分析和指挥技术, 提高了工作效率和作业效益。设计优良的机载用户机便携式电源是保障地空通信的基础条件[1,2,3]。

笔者通过反复实践, 成功设计了北斗机载用户机便携式电源, 本文旨在介绍增雨飞机北斗机载用户机便携式电源设计。

1 北斗定位通讯系统简介

1.1 北斗定位通讯系统组成

北斗定位系统是以我国的北斗卫星系统为基础, 利用北斗的定位、通信和授时三大功能, 整合移动通信和地理信息技术, 实现增雨飞机的GPS定位、地空通讯和飞机实时监控等功能的飞机增雨作业指挥系统。系统由北斗用户机、北斗管理机组成。

该产品是一款功能强大的北斗一代地面应用指挥终端。具有全方向高灵敏度信号捕捉能力、稳定高效率的信号发射能力, 实现对3颗北斗卫星6波束信号的实时跟踪处理。具有监视指挥调度等功能, 能实时将定位及导航信息在数字地图上进行标绘与监控, 支持历史信息查询、维护及导出等功能, 可实现对下属100个用户的指挥调度和多级分组组网功能。主机支持宽范围电源供电, 同时内置即充即用的高效大容量后备锂电池。设备安装方便, 适合在移动或固定指控中心内使用, 性能稳定可靠。图1为指挥型用户机的结构。指挥型用户机与便携计算机装载相应的系统软件及监控软件组成指挥监控中心系统。可以实时显示状态信息, 实现中心与下属用户以及下属用户间的通信, 完成指挥中心对下属用户的实时监控和指挥调度、信息管理功能。

北斗机载式用户机主要由主机、天线、显示控制器 (手柄) 、电池组件四大部分组成。本用户机所有接口及接头都具有防插反设计, 接反或误接都无法正常连接。图2为北斗机载式用户机组成。主机部分是整套用户机的心脏部分, 是用户机基带信号及信息处理的中心。供电电压9~32 V, 本用户机自带安全保护功能, 设备断开电源后具有内部数据掉电保护功能, 过流、过压、欠压或偶然极性接反时会自动保护设备。天线部分是用户机接收和发射信号的重要部件, 同时还兼顾了接收和发射信号的放大的工作。参数与设置如下:发射等效全向辐射功率15 d BW;发射和接收波束宽度, 水平方向为0~360°, 垂直方向为10~75°, 显示控制器 (手柄) 部分, 其作为用户机的人机交互接口, 是负责指令输入和信息输出的重要窗口;显示控制器屏幕的对比度以及背光显示参数可在菜单“8.显示功能设定中”进行设定;电池组件是用户机的备份电源, 是当车辆电源失效时的备用电源[4,5,6,7]。

1.2 北斗定位通讯系统主要功能

1.2.1 初始化参数、状态设定和整机监测功能。

开机自检和整机工作状况巡检, 在显示器上给出整机工作状况指示。设有初始化参数 (已知高程数据、天线高、坐标及坐标系选择等) 默认值和输入提示, 可方便更改。实时给出故障告警和功能状态提示 (信号失锁、信号被抑制、需换电池、设备故障类型等) 。

1.2.2 安全保护功能。

过流、过压、欠压或偶然极性反接时自动保护设备。设备断开电源后, 具有内部数据掉电保护功能。

1.2.3 数据接口功能 (RS-232接口) 。

通过数据接口接收外设输入的定位和通信申请等有关信息。通过数据接口向外设输出接收和发射的有关数据信息。

1.2.4 其他功能。

对响应波束的CRC和电源电量进行监测, 如果CRC出错或电源供电不足, 抑制信号入站, 给出相应的提示。用户机设有时钟 (年-月-日-时-分-秒) , 用系统出站信息进行校对。

1.3 北斗终端设备选型

北斗通讯系统在设计终端时, 依据设备的功能将终端设计为机载用户机 (双模) 和管理用户机2种。终端用户机具备定位、通讯和授时功能, 而管理型用户机则可以对隶属的所有的机载用户机终端进行通讯信息的监控。因此, 设计飞机增雨通讯系统时, 需要根据飞机端的容量进行科学的选型, 既满足需求, 又节约成本。

根据飞机增雨系统的特点, 飞机端配置机载型用户机 (双模) 。可以满足汉字80个/min (字符160个/min) 的通讯量, 可以满足GPS定位数据、机载温湿度数据、飞机飞行状态、文字通讯等信息的需求。

每个地面端对应1架飞机, 适合于分散指挥的模式。每个地面端可以和自己指挥的飞机之间实现点对点监控和通讯。管理型用户机可以同时对多架飞机和地面端进行消息群发, 可以接收所有用户机的信息。同时, 可以监控各个用户机之间的通信信息。为适应增雨作业飞机上震动大、温差大、电压不稳等相对条件恶劣的使用环境, 系统采用加固的笔记本计算机作为系统机载计算机配置。

2 北斗定位通讯系统在人影作业中的应用

2.1 北斗系统应用情况

目前, 甘肃省人工影响天气办公室的人工作业飞机为1架运-7型飞机, 起降机场设在兰州中川飞机增雨基地, 指挥部设在甘肃省人影业务中心。考虑到现中国北斗1号系统现已逐步在无人气象站、人工增雪推广等气象领域得到应用, 其优点是覆盖范围广、容量大、抗干扰强、安装维护简单、兼容性强。应用在作业飞机上, 使飞机作业时地面空中的相互联系更为简便、快捷, 极大地提高了飞机作业时通讯的现代化水平。因此, 决定采用基于北斗卫星的通信系统。系统采用中国北斗卫星进行1处地面和架空中作业飞机的通信 (不受距离限制) 。在作业飞机上安装工控机1台、北斗1号用户机1台、GPS接收机1台、空对地通信软件1套。空中飞机可以通过工控机实时采集GPS信息及温湿仪的数据存储, 可以按需定时把空中采集到的数据通过北斗1号用户机发送到地面指挥中心, 以方便地面指挥中心监控飞机作业时的路线;地面指挥中心安装北斗指挥机和中心服务软件通过加载雷达原始扫描数据和MICAPS云图和机上传送回的飞机位置及温湿信息进行分析, 通过短信方式向空中的作业飞机发送指令, 指挥其作业。地面服务软件可同时带有多个客户端, 客户端可以实时监控飞机轨迹和回放以前的轨迹功能。空中和地面可以通过短信方式进行文字通信。

2.2 系统实现的主要功能

2.2.1 实时作业轨迹显示。

主要应用在增雪作业飞机, 实现飞机的实时轨迹显示和实时通信指挥, 主要利用北斗的通信功能, 利用GPS进行实时定位, 由北斗系统回传信息, 在电子地图上显示飞机、车辆的实时轨迹并进行实时的短信互通, 实现大规模、大范围增雪作业飞机的实时调度指挥。

2.2.2 雷达原始数据体扫叠加。

通过调用雷达的原始数据, 进行解算, 并显示出PPI、CAPPI、RHI。其中, PPI、CAPPI要求显示其3个要素包括强度、速度、谱宽及3个要素在14个不同的仰角的具体信息;用不同的颜色在相应的位置标识出。当显示出PPI或CAPPI中的1个要素信息后, 同时可以查看RHI的信息。根据雷达的回波信息可以指挥飞机避开较强的回波, 以保证飞行机的安全。

2.2.3 航线设计。

根据天气情况、各地区缺水情况, 预报人员可以设计增雪飞机, 即将飞行的航线形成文档, 存档和上报航空管理部门。设计航线时, 可以根据情况修改航线, 同时上传给空中端, 空中端收到地面传送的航线时, 自动显示在空中端的电脑上, 监控作业中的飞机在空中飞行时是否按照设计的航线飞行。飞行作业完毕时, 自动生成1次作业记录。可以通过“历史回放”功能回放某一作业记录的数据 (包括轨迹、温湿等) , 按作业时间为文件名进行存储, 以方便查找。

3 北斗机载用户机便携式电源设计

3.1 电池组

选用便携式蓄电池, 同时可估算电池的容量, 诊断电池的健康状况。能对测试结果进行存储、查询等操作。还可以与PC机进行通讯, 利用功能强大的后台分析软件对数据进行操作分析处理, 为电池维护人员的后期维护提供依据。

3.2 充电电路

设计便携式充电器和便携式电源, 进行整体集成。便携式蓄电池检测仪可对蓄电池进行在线测量, 无需放电, 安全性高, 接线简单, 操作方便。解决了电池维护人员电池维护难度大和风险高的问题。充电电路采用桥式整流和滤波电路 (图3) 。

3.3 基本功能

可测量单体电池的电压、内阻, 连接条电阻、容量。通过故障报警及时发现电池运行故障。当所检测的内阻和电压超出设置的上限或低于下限时, 仪器进行声音和文字报警提示。功耗低, 充电电池供电, 屏幕显示供电电池电量, 可连续工作6 h。

4 结语

北斗地空通信指挥系统集作业航线设计、GPS跟踪定位、电子记录、数据传输及短信通讯等功能为一体, 可以叠加天气、卫星和新一代多普勒等资料, 笔者在此对该系统的功能、工作原理以及系统的应用、升级和存在的问题进行了详细分析。该系统实现了同时对多架作业飞机的实时监控和跟踪指挥, 强化了飞机人工增雨作业的分析和指挥技术, 提高了工作效率和作业效益。设计优良的机载用户机便携式电源是保障地空通信的基础条件。

参考文献

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飞机人工增雨 篇4

从以往的观测分析研究中可以看出, 受资料、技术手段等的限制, 国内对对流云的研究仅限于数值模拟, 飞机观测方面的研究还处于空白阶段。

1 资料和观测仪器介绍

文中所用资料主要为MODIS卫星观测资料和飞机观测资料。探测飞机为运-12, 由它搭载美国DMT云物理探测系统。云物理探测系统主要包括空气状况探头ADP (Air-Data Probe) (用于测量温度、湿度、相对湿度、空气的静态气压和动态气压、风速、风向、GPS轨迹等) , 采样探头, 括温、湿度探头和北斗地空通讯系统。采样探头的主要技术参数详见表1.PIP探头主要用于探测降水粒子, 其测量范围为100~6 200 μm, 分辨率为100 μm。CDP探头主要用于探测云粒子, 为前向散射粒子探头, 其粒子测量范围为2~50 μm, 共分为30 档——前12 档的间隔为1 μm, 后18 档的间隔为2 μm。CIP探头主要用于探测冰晶和大云滴, 其测量范围为25~1 550 μm, 分辨率为25 μm。

2 飞行概况

此次消云试验共有3 架飞机参与, 其中包括1 架探测飞机和2 架作业飞机, 探测飞机为运-12 飞机, 作业飞机为运-8 飞机。运-12 (3817) 飞机2015-08-20T13:30 在太原武宿机场起飞, 飞行轨迹如图1 所示, 起飞后一直爬升, 向定襄方向飞行, 14:00 到达定襄机场上空, 高度3 700 m, 温度-0.79 ℃。此时, 附近无云, 继续向北飞行。14:04, 飞机到达定襄北部, 天空分布着比较稀薄的浅对流云, 飞机开始穿云探测飞行。14:08左右, 在定襄和五台之间发现了一片较大的浅对流云团, 云团底部约4 000 m, 顶部约4 400 m, 所以, 确定该云团为作业目标云团, 在云顶附近进行穿云观测, 高度4 370 m, 温度-3.16 ℃, 穿云后, 调头继续穿云观测, 如此反复探测5 次。14:40, 2架运-8 飞机依次从定襄机场起飞, 准备利用吸湿性催化剂对观测云团进行消云试验, 运-12 飞机飞离观测点盘旋等待, 结束对目标云团的观测。15:20, 作业结束, 运-12 飞机飞回定襄附近上空, 对作业后的云团进行探测飞行。16:20, 探测结束, 飞机返回武宿机场落地。

3 浅对流云极轨卫星分析

利用多条通道信息的组合可以探明云的类型、云顶粒子相态、云厚、粒子有效半径和云中气溶胶与云的相互作用等。因此, 可赋予可见光反射率、云顶温度和3.7 μm通道反射率不同的基色值, 通过组合编码形成RGB彩色图像。具体可按照以下方案设计: (1) 可见光反射率编码为红色, 反射率越大, 色调越红; (2) 反演的3.7 μm通道反射率编码为绿色, 它代表着云顶粒子的有效半径, 有效半径越小, 色调越绿; (3) 11 μm通道亮温编码为蓝色, 温度越高, 色调越蓝。

可见光的反射率主要取决于云的光学厚度——云光学厚度越大, 反射率就越高;3.7 μm通道的反射率主要取决于re值——re越小, 3.7 μm的反射率就越大;11 μm的亮温主要取决于云顶高度 (T) ——云顶高度越高, 亮温越低。赋予可见光反射率红色, 色调越红, 反射率越大, 说明云越厚;赋予3.7 μm反射率绿色, 色调越绿, re越小;赋予11 μm亮温蓝色, 色调越蓝, 温度越高。因此, 可将红、绿、蓝3 种颜色组合起来反映云物理特征, 从而达到可视化显示云特征的效果。

对流云的云顶温度会随高度的增加而降低, 因此, 可以用云顶温度 (T) 替代云顶高度来估计云的垂直发展情况。只要没有降水发生, 在给定的温度条件下, 云粒子有效半径保持不变。对于发展中的对流云, 云顶温度和有效半径的关系可以表明云中粒子的相态和由此引发的云中降水形成过程的演变规律。根据Rosenfeld和Lensky提出的代表对流云顶垂直增长规律的T-re概念模型及其关系式, 选定一个云团, 把每隔1 ℃的re分布计算出来就可以得到T-re的曲线。图2 为T-re关系曲线模型, 从下到上依次为凝结增长区、碰并增长区、雨胚形成区、混合相态区和冻结区。

图3 指出了2015-08-20T13:50 MODIS卫星观测和飞机探测区域 (图中蓝色框所示) 的T-re关系。卫星经纬度范围为 (40.35, 110.74;41.22, 122.33;35.82, 112.05;36.69, 122.8) 。由相关分析可知, 此次飞机探测区域有多个分散的对流云, 云团整体表现为暖黄色。这说明, 云顶温度比较高, 粒子的有效半径比较小, 可能是过冷水云。而对流所占面积较小且在多个对流云中有一片明显的晴空区 (图中数值周围的蓝色区域) 说明, 该区域对流云分布比较稀疏, 多为浅对流云。该区域的云垂直结构在T-re图上表现为典型的大陆性云微物理特征, 云底约15 ℃, 它是由粒子有效半径小于10 μm的小云滴组成的。云中小粒子通过凝结过程缓慢增长, 凝结增长层非常厚。到-10 ℃时, 粒子的有效半径约10 μm.此时, 该高度向上, 粒子通过碰并过程迅速长大, 直径超过15 μm。另外, 云顶约-12 ℃, 在负温区有效半径普遍较小, 在3~15 μm之间。这说明, 云顶以过冷云滴为主。

4 飞机观测云宏微观物理量分析

图4 为浅对流云不同高度的平均的粒子谱。从图4 中可以看出, 该浅对流云内的粒子直径小于20 μm, 云内无雨胚形成, 谱线单调下降, 粒子数浓度在102~103个/cm³之间, 为典型的大陆性对流云。6 μm以内粒子浓度在不同高度上相差不多。随着高度的增加, 10 μm以上粒子浓度逐渐增大, 粒子相态应为液态, 云顶以过冷云滴为主。如果该结果与卫星观测结果相符, 则说明云内只存在凝结增长机制和碰并增长机制。

图5 为整个飞行过程中DMT粒子探测系统观测结果, 由上至下分别为LWC、CDP、CIP、PIP粒子探头观测结果随时间的分布情况。由图3 的分析结果可知, 作业前, 观测到的积云中平均含水量约为0.000 47 g/m³, 最大含水量约为0.03 g/m³, 作业后, 没有观测到液态水;作业前, 积云内CDP观测到的粒子浓度平均值约为13.595 个/cm³, 最大值为631.724 个/cm³, 作业后, 平均值为0.114 5 个/cm³, 最大值为0.657 个/cm³;作业前, 积云内CIP观测到的粒子浓度平均值为0.001 7 个/cm³, 最大值为0.006 个/cm³, 作业后, 平均值为5.46×10-5个/cm³, 最大值为0.004 个/cm³;作业前, PIP观测到粒子浓度平均值为0.000 285 个/cm³, 最大值为0.002 5 个/cm³, 作业后, PIP为0.综上所述, 作业后目标云系内的云粒子数目明显减少。

图6 为飞机上航拍云团实况。其中, a为催化前的云团, b为催化中云团, 图中亮点为作业飞机, c为作业后云团。作业前, 积云团较密实, 云顶较为平整, 无明显空挡, 云团的直径约为7 km, 云厚约为400 m;作业时, 积云开始出现空档;催化后, 积云结构松散, 无法连成片状, 云厚不足200 m。综合飞机观测到的云宏观、微观结果可知, 此次作业有效。

5 结论

MODIS资料显示, 此次探测区域内分布着较为稀疏的浅对流云。T-re结果显示, 该浅对流云具有大陆性云微物理特征, 云顶温度较高, 粒子有效半径较小, 为典型的过冷水云。

由飞机观测粒子谱可知, 此次观测的对流云粒子直径小于20 μm, 谱线单调下降, 粒子数浓度在100~1 000 个/cm³之间, 为典型的大陆性对流云。6 μm以内粒子浓度在不同高度上相差得不多, 随着高度的增加, 10 μm以上粒子的浓度逐渐增大, 粒子相态应为液态, 云顶以过冷云滴为主, 与卫星观测结果相符。这说明, 云内有凝结增长机制和碰并增长机制。

机载DMT分析结果显示, 作业前后云中粒子数浓度明显降低, 作业有效。根据航拍的云团实况, 作业后积云消散的情况较为明显, 所以, 判定此次作业有效。

摘要：根据2015-08-20在山西定襄附近上空实施的一次浅对流云消云试验的资料, 结合极轨卫星观测资料, 分析了一次浅对流云的发展及其消散阶段的情况。结果表明, 此次探测区域内分布着较为稀疏的浅对流云, 探测的对流云粒子直径小于20μm, 谱线单调下降, 粒子数浓度在1001000个/cm3之间, 具有大陆性云微物理特征, 6μm以内的粒子浓度在不同高度上相差不多。随着高度的增加, 10μm以上的粒子浓度逐渐增大, 云顶温度比较高, 粒子有效半径比较小, 为典型的过冷水云, 云内有凝结增长机制和碰并增长机制。由飞机观测结果可知, 作业后, 积云消散的情况比较明显, 云中粒子数浓度明显降低, 作业有效。

关键词：浅对流云,消云试验,飞机观测,卫星微物理分析

参考文献

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[10]马新成.黄河上游秋季对流云降水特征的观测分析和数值模拟研究[D].北京:中国气象科学研究院, 2004.

飞机人工增雨 篇5

关键词：3D建模,虚拟实现,Cult3D,飞机机载增雨作业,新设备,应用

虚拟实现技术是20世纪末才兴起的一门崭新综合信息技术,它融合了多种计算机技术的发展,随着计算机技术的发展和网速的提高,在网上实现3D物品互动展示和操作已成为现实,用计算机模拟的三维环境对现实真实环境进行仿真,用户可以进入这个环境,可以控制浏览方向,并操纵场景中的对象进行人机交互。浏览者只需用鼠标进行简单的操作,就可以对页面中的逼真物体模型进行全方位的观看,还可以对物体进行拉近、拉远、放大、缩小、旋转、互动操作等,让浏览者能够真实地感受到物体的相关属性,现在多用于电子商务和产品展示中,目前少数发达国家在经济、艺术、军事等多方领域已开始广泛使用这种高新技术,并取得显著的综合效益。

目前,虚拟实现(Web3D)技术发展已有许多种,最主要的几种已广泛应用于网上3D展示,Cult3D脱颖而出,Cult3D是Cycore公司开发的一种3D网络技术,是一种跨平台的3D渲染引擎,有高效的压缩技术,使用户通过因特网访问Cult3D内容,文件量小,传播速度快,可通过普通拨号上网的用户完全可以接受,Cult3D是众多Web3D中最友好的,轻松开发出具有交互功能的Cult3D对象。它作为窗口型软件环境下的虚拟实现平台,其主要目的是在网页上建立互动的三维模型。这种互动的三维模型与3D或2D软件制作的平面图或视频动画有着本质的区别:一是它具有自由的视点,Cult3D不再满足于一个固定的角度来展示作品,而是把对作品的欣赏权完全交给使用者;二是具有强大的交互能力,人不仅可以通过鼠标直接对三维模型进行交互操作,而且可以通过健盘控制三维模型的动作或控制摄像机导航[1]。它的另一个特点是可以作为元素(控件插件)插入PC编程平台,将这一技术移置到Office、Authorware,使用效果非常好。设计制作出的甘肃省人影新设备互展示系统得到各位同行和专家的好评。图1为Cult3D的工作流程。

1 Ag I发生炉

1.1 原理与建立模型

Ag I发生炉由控制仪和发生器组成,控制仪主要控制发生器点火、喷燃液及供发生器控制电路、电源等组成;发生器内部由控制喷液装置和电路与控制点火电路装置,外部由发生器贮液箱、点火针(静电发生)、加液孔、放液孔及加液漏斗组成。Ag I发生炉增雨作业流程(图2)所示,发生炉作业分地面准备、作业段、作业完成3个阶段;根据以上特点,在建模时由于内部电路控制部份及相应装置是不可见的,不可操作部分,建模时尽可能简化,以减少文件大小,可见部分是加液盖、放液盖、点火针、加液漏斗及发生器主体外观,根据实物外观及相关尺寸和图片资料在3DMAX下建模,设置精确贴图和材质,保持模型与实物的真实完整性,输出发生器.c3d文件,同时可反复预览修改,反复调整,直到与实物接近。

1.2 建立互动

将所生成的发生器.c3d文件在Cult3d Designer5中进行互动操作设计,对发生器而言,在建模过程中所存在的层次关系(父子关系)及作标系统在Cult3D中得到继承,在Scene Graph窗口中可见,对发生器互动主要加入一些Actions,发生器主体加入按鼠标左键响应Acrball行为,这样可对整个发生器进行拉近拉远、放大缩小随意旋转观看发生器的各部位及结构。对发生器加液盖漏斗分别按鼠标左键响应Translation XYZ和Translation Y的位移行为,取得合理的位移值,完成加液操作过程,最后完成其他设计,经调试输出发生器.co二进制编码文件直接在各平台及网络观看(图3)。

2 液氮播洒装置及操作

2.1 原理与建模

液氮播洒装制根据液氮容器内外气压差的原理完成在作业中施放液氮,作业过程中插入铜管自动虹吸,飞机飞行的高度越高气压差越大,施放流速提高,液氮施放一般在云中或云上近云处施放,一般在4 500~5 500 m高空进行,操作人员可操作的设施主要有木赛子、贮液罐、木盖、铜管、塑料软管等组成,建模时,有3D系统中调出铜制材质、木盖与木塞子用木材质,塑料软管属半透明,调到合适的透明度,将对应材质赋于各相应物件。工作及操作流程是选接好塑料软管、铜管与飞机上施放接头对接后,取开木赛子,插入铜管,实施作业。在建模时设定铜管、盖子、塑料软管为位移动画,以实现插入贮液罐的操作过程,确定合适的帧数以控制相应的时间段,最后输出播洒装置.c3d文件[2,3,4]。

2.2 建立互动

在Cult3D Designer中调入播洒装置.c3d编程,Cult3D所有的交互(Intoractions)行为包括播放声音、放映动画和URL连接等,甚至可以编写JAVA代码实现更复杂的动画控制。对播洒装置主体加入Acrball行为,对木塞子加放Translation Y位移行为,对铜管、盖子、塑料软管加入播放动画行为,最后生成播洒装置.co文件,以便进一步编程和观看(图4)。

3 机载温湿仪、PMS粒子探测仪虚拟实现

机载PMS粒子探测仪、机载温湿仪的虚拟实现,由于可操作部分都在机内微机中自动采集,其安装都是一次性安装好的,建模后在Cult3D对其实施交互,对两设备模型加入Acrball行为以实现对其外观的展示,工作中PMS粒子探测仪采集各类尺度的雨滴、冰晶、粒子等相关的资料,存入计算机硬盘以供分析之用,温湿仪测得实时温度、湿度、飞行高度、飞行速度、GPS时间等要素存盘,PMS粒子探侧仪和温湿仪的虚拟实现如图5、6所示[6,7,8,9,10]。

4 VB中编程

完成了各仪器设备的虚拟实现,作为元素通过相应控件插入到VB中进行编程设计,完成了甘肃省人工影响天气新设备展示系统,主界面见图7。随着仪器设备的引进和进一步升级,展示系统将进一步补充和完善,现阶段完成了Ag I发生炉、液氮装置、机载温湿仪、机载PMS、焰弹气球增雪过程、发生器控制仪、高炮、火箭、移动雷达、双通道微波等。同时,设计制作完成的人影机载设备网上发布,实现在互联网上互动学习。

5 Cult3D应用展望

Cult3D虚拟现实的技术的应用非常广泛,比如,虚拟实现建筑物的展示和参观、虚拟实现手术培训、虚拟实现模拟飞机飞行等,结合甘肃省人工影响天气办公室人工影响天气工作之需要将更进一步开发应该于日常科研业务和展示工作中。

5.1 人影虚拟参观系统

利用Cult3D提供的虚拟参观,模拟高1.8 m的人的步长与视角进入场景建筑物中,利用3D工具设计好合理尺寸的模型,有展板,包括文字、图象、影像等资料,也包括设计真实的实物放置在合理的位置,在场景中设置灯光和方便行走的路径通道,参观者只需在电脑前,利用键盘虚拟步行进入这个场景里,用键盘或鼠标简单地前行、后退和转弯,遇到墙面或建筑物阻挡就停止,就像一个人不能穿越墙面,Cult3D系统自动感知。建成这样一个虚拟参观系统,节省大量的人力、物力和资金,人性化、绿色环保,大大提高了工作效率。

5.2 祁连山山脉虚拟仿真行走观看系统