无人机在祁连山地区人工增雨雪中的应用分析

郑泳宜等

摘要 针对祁连山区域水资源需求以及云水资源分布，介绍了无人机在人影作业中的应用情况，并提出建议，以期为无人机在祁连山地区人工增雨（雪）中的应用提供参考。

关键词 无人机；人工增雨（雪）；应用；建议；祁连山地区

中图分类号 V279+.3；P482 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0227-03

Abstract Aiming at the demand of water resources in Qilian Mountain area and water resource distribution，the application of UAV in weather modification work was introduced，and suggestions were put forward，in order to provide a reference for application of UAV in artificial precipitation（snowfall）of Qilian Mountain area.

Key words UAV；artificial precipitation（snowfall）；application；suggestion；Qilian Mountain area

祁连山位于青藏高原东北缘，是甘肃和青海两省的界山，由多条西北—东南走向的平行山脉和宽谷组成，海拔2 500～5 800 m。祁连山是河西走廊的重要水源地，发源于祁连山的石羊河、黑河、疏勒河等内陆河流，维系着河西绿洲的经济社会发展和流域内的生态平衡，创造了汉唐以来丝绸之路的辉煌文明。近年来，由于受气候变化和人类活动的影响，祁连山冰川大幅缩减，雪线迅速上升，出现水资源短缺危机，已经威胁到河西走廊脆弱的生态环境。

人工增雨是开发利用空中云水资源的一种有效途径，利用云催化技术可以增加5%～25%的大气降水量。祁连山人工增雨（雪）能增加河西内陆河流域的生态用水，对西北区域生态建设意义重大。近几年，国内专家学者对祁连山地形云结构及降水机理进行了研究，并连续多年在祁连山开展野外观测试验[1]。

人工增雨主要利用飞机进行，其适合对层状可降水云系连续作业，由多种播撒装置将催化剂直接播入云中，还可装载探测仪器对作业前后云的宏微观状态变化进行追踪监测。但飞机增雨作业使用成本高，飞行手续繁琐，易受天气条件的制约。无人机是一种无人驾驶的航空器，具有经济实用、操作灵活、安全可靠、载荷多样化、性能不受人体生理条件限制等优势，成为新概念和技术的探索试验平台。国内外近几年尝试应用无人机人工增雨或人工消除雾霾，试验研究取得一些进展[2]。与现有人影作业手段相比，无人机更适用于在安全受限的山区进行人工增雨作业。无人机在祁连山进行人工增雨（雪）需要进行大量科学试验以获取成功经验。

1 祁连山地区水资源需求

祁连山与河西走廊南北相邻，存在着高度、地表、植被和气候的差异，其生态系统由南至北从高山高寒生态区向干旱荒漠生态区过渡，水资源呈现逐级分配，以内陆河流连接成冰川—草原—绿洲—沙漠（戈壁）的多形态分布。河西走廊是甘肃省的粮食主产区，绿洲灌溉农业发达，对水资源的依赖性很强，祁连山的安危关系到河西走廊的命运。河西走廊的石羊河、黑河、疏勒河三大水系56条内陆河流均源自祁连山海拔4 000 m以上的高山地区，由山区大气降水和高山冰雪融水补给，有地表径流、地下径流及相互转换构成复杂的水资源循环系统。表1为河西走廊石羊河、黑河、疏勒河流域水资源基本情况，资料来源于参考文献[3-6]。

2 祁连山地区云水资源分布

祁连山受到尺度不同的大气环流控制和天气系统的影响，既有系统性的层状云系，又有对流性的积状云系，多数情况存在层积混合云系，夏季的地形云和春秋季的层状云是主要降水云系。宜树华等[7]对西北地区云时空分布特征的研究表明，祁连山年均总云量达到65%以上，夏季的云量最大，其中云层深厚含水量较高的层云、雨层云和深对流云的总云量在春季大约为15%，夏季约为20%，平均比邻近地区的云量高10%左右。祁连山因为有系统性高大地形，能够有效地截获过境的空中水汽，在迎风坡（一般是北坡）水汽被辐合上升气流和热力抬升，在一定高度水汽凝结形成地形云（包括碎积云、积云和浓积云）。

大气降水是水资源的总补给来源，祁连山年平均降水量300～800 mm，降水主要集中在5—9月，占年降水量的75%～85%。祁连山降水北侧大于南侧，东边大于西边，降水量随海拔高度升高而增加。研究表明，祁连山年平均降水量最大出现在海拔3 650～4 150 m，该层是最大水汽输送层，云中液态水含量最集中[8]。祁连山区降水量≥0.1 mm的降水日数在104～180 d之间，正常年份1年中36%的天数有降水[9]。本文利用2001—2005年祁连山及周边地区（东经98°～104°，北纬36°～40°）酒泉、高台、肃南、张掖、民乐、山丹、永昌、武威、民勤、乌鞘岭、托勒、野牛沟、祁连、刚察、门源等15个气象站日降水量资料，统计分析其降水特征。规定其中邻近3个站或以上同时≥10 mm降水为一次大降水过程，并认为主要是受天气系统影响的降水；只有在乌鞘岭、托勒、野牛沟、祁连、刚察、门源等6个高山站中出现≥10 mm降水被认为主要是由地形作用产生的降水。结果表明，祁连山区≥10 mm降水平均每年26.6次，其中系统降水占降水总次数的33.1%，地形降水占降水总次数的55.6%。6—8月大降水主要出现在下午到夜间，以对流性降水为主，并且多有连续2 d出现大降水的情况。说明祁连山区降水具有明显的地域性和稳定性，地形云降水对总降水量的贡献较大。

空中云水资源是指存在于大气中的液态水和固态水总量，是大气降水的来源，也是通过人工干预可以直接开发利用的水资源。国内外研究表明，自然云降水在稳定层结大气中的降水效率为17%～25%，在不稳定层结大气中的降水效率为26%～28%，对流云平均降水效率为56%，层状云平均降水效率为29%。祁连山水汽资源较为丰富，但云水转化效率总体不高，水汽总输送量中只有15%左右形成降水。由此可见，祁连山人工增雨（雪）潜力大，至少可以增加10%的降水。

3 无人机简介

无人机是一种既能遥控飞行又能自主飞行的无人驾驶飞行器，与有人驾驶飞机相比，其生产成本仅为后者的5%～15%，飞行成本仅为其1%～5%。无人机技术近年来发展迅速，性能趋于成熟，应用领域不断拓展，民用主要用于农业生产、地质勘探、环保监测、灾情侦查、地理测绘、气象探测、森林防火、公路管理、电力巡线、邮政快递等方面。无人机操作员通过无线电数据传输电台对飞行中的无人机发送指令，根据需要修改当前的飞行航线和任务，通过遥控实施作业，一般在起飞和降落时遥控操作飞行，水平飞行时按预设程序自动驾驶飞行。地面站监控终端可接收存储无人机飞行数据和探测信息。无人机一般为可拆卸结构，便于快速转场，到达任务区后现场组装。无人机起飞着陆不太受场地限制，有适合的跑道即可进行滑跑起降，也有些轻型无人机是使用滑道弹射起飞、降落伞着陆的。

无人机系统是一个系统集成，由飞行器平台、飞行控制与管理系统、机载设备和地面监控4个部分构成，一般配备动力系统、自动控制系统、卫星定位系统、光电探测系统、无线电数据传输电台等设备，具备远程遥控能力、自主飞行能力、抗电磁干扰能力和数据实时传输能力。其中，飞行器平台涉及气动、结构、动力、发射与回收等多方面的技术，直接决定无人机的飞行性能；飞行控制与管理系统包括飞行控制、飞行管理和任务设备管理功能，是无人机执行任务的关键部分。

4 无人机在人影作业中的应用

4.1 人影任务载荷

人工影响天气飞机要完成大气探测飞行和播撒作业飞行两大工作任务。大气探测除探测大气温度、湿度等常规气象参数外，还探测云中液态水含量、云中粒子等云物理参数，判定层状云系中过冷水的存在部位及其含量，准确地找到成云致雨的条件；播撒作业要根据云的性质选择作业方式，人工增雨分为冷云催化和暖云催化作业，其中冷云催化是相对成熟的技术，是在空中水汽和上升运动相对充分的条件下，通过向温度低于0 ℃的冰水共存的层状云系中播撒碘化银、干冰等催化剂，产生大量的人工冰晶，通过水汽凝结增长和碰并增长，冰晶增长成雪和霰，降落到暖区融化成为雨滴，从而引发云层降水或增大降水强度[10]。

任务载荷是在飞机标准状态的基础上进行改装，加装大气云粒子探测系统、作业播撒系统、地空信息传输系统、云宏观成像系统和任务管理系统，从而实现人工增雨功能。机载人影探测装备有机载微波辐射计、机载粒子探测仪、返流式铂电阻测温仪、露点湿度计等，机载播撒作业装备主要有AgI末端燃烧器、AgI焰弹发射器、AgI发生器、液态二氧化碳（LC）播撒器、LN播撒器以及盐粉、尿素播撒器等[11]。人影无人机根据探测和作业需求选择承载其中的1项或多项装备，并进行相应的结构设计和技术改进。如果设计人影无人机携带10根碘化银焰条，那么挂载由播撒器、点火控制器及焰条组成的播撒系统重量大约为35 kg，可满足100 km2的人工增雨作业区域要求。人影无人机系统可集探测和作业装备为一体，一边寻找目标一边实施作业，也可由多架无人机组成，探测与作业分工协作，联合作业。

4.2 特殊性能要求

人影无人机不存在人身安全风险，在人烟稀少的山区作业社会影响和危害也小，可以更加靠近山体，深入云中，寻找云水条件好的区域进行精细化的人影探测和播撒作业。人影无人机要满足在复杂气象条件和特殊地理环境下人影作业的需求，要求适应环境能力强，技术性能优良。对层状云冷云催化来说，人影无人机要飞到中低云上的负温区，因为北方夏季0 ℃层高度在5 000～6 000 m，所以人影无人机要能稳定飞行在5 500 m左右的空中。无人机在高寒山区增雨作业时，将会遇到高海拔地区动力不足、强对流天气抗风防冰、超视距自主飞行稳定与控制、无人机与人影装备结构衔接等工程技术问题。综合各种因素，人影无人机选用中高空、低速、长航时、起飞重量在200～500 kg之间的轻型或小型无人机为宜，可供人影改装选择的无人机很多（表2）。

4.3 工作流程设计

无人机人工增雨遵循先易后难、循序渐进、飞行试验与探测作业相结合的原则。工作流程：人影专业人员根据需求在河西内陆河上游划设增雨试验区，建立无人机前沿增雨基地，进驻后先熟悉地理环境，考察飞机起降条件。对无人机系统进行集成、安装调试，在晴好天气进行适应性飞行，测试系统性能，获取原始数据。当降水过程出现时，利用气象卫星反演、天气雷达探测和数值天气预报初步判定降水云系位置，预设飞行航线，操控无人机起飞，通过地空人机交互，将飞行过程中的探测资料和飞行数据实时传送给地面监控终端，进一步分析云降水宏观特征和云物理特征，随时遥控修正航线，寻找最佳增雨作业区，发出播撒作业指令。作业后，按一定的时间间隔进行空中探测和地面观测，检验增雨作业效果，无人机即完成任务安全着陆。

5 建议

人工影响天气是一项发展中的实证科学，是涉及多学科与技术的系统工程，需要不断科技创新，加强工程研制。选择合适的作业时机、作业部位、催化剂量是提高人影作业效率的前提，而对于一些特殊环境，选择合适的催化剂播撒工具较重要。与传统人工影响天气飞机相比，无人机云催化作业更精细，使用成本更低廉，未来市场潜力将更大。综上所述，祁连山地区云水资源较为丰富，是西北区域人工增雨（雪）的最佳作业区之一。针对祁连山地区的自然条件，为使无人机更好地为西北区域人影作业服务，提出以下建议。

5.1 确定适宜作业区域

祁连山5—9月水汽条件好，增雨潜力大，夏季是增雨的适宜时期，而春秋季适合增雪；祁连山地形云及降水主要发生在高山迎风坡3 500～6 500 m的范围内，内陆河流上游区是增雨作业的理想区域。

5.2 积极开展试验，验证发展人工影响天气相关理论和技术

祁连山是人工增雨（雪）很好的云催化试验场地，因为河西内陆河的各个流域气候相似，水系相对独立，便于进行人工增雨对比试验，应深入研究西北区域地形云的物理结构，客观检验人工增雨作业效果，验证发展人工影响天气相关理论和技术。

5.3 开展项目合作与联合作业，拓展无人机应用领域

无人机人工增雨（雪）可作为西北区域人工影响天气能力建设的一部分，并在甘肃、青海两省人影部门之间开展联合作业。无人机应用需拓展到防灾减灾的其他领域，如森林草原防火灭火，无人机在祁连山高危地区利用航拍监测森林火险，人工增雨以降低森林火险等级，根据实际需要为林业管理部门和森林消防部门的工作提供有力支持。

5.4 加强无人机科技研发力度

无人机人工增雨要成为常规人影业务，需要跟踪无人机科技研发进展，提高无人机的综合应用能力和运营服务能力，实现无人机人影应用的产业化发展。作为组织管理者的气象部门要制定无人机人工影响天气行业规范和技术标准，加强行业部门之间的科技合作，共同研制人影无人机系统，组建飞行试验专业团队，在人影外场试验中不断总结经验教训。

5.5 了解相关政策法规，提高业务水平

无人机人影作业需要了解相关政策。空域管理方面，在我国任何飞行器都要接受空管部门的管理，无人机人工增雨作业需事前审批，根据《民用无人机空中交通管理办法》申请无人机飞行空域。近几年，空管部门为促进通用航空的发展和无人机应用领域的拓展，对局部地区3 000 m以下的低空空域逐步开放。人员资质管理方面，按照中国民用航空局《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》要求，无人机系统驾驶员（也称飞控师）要进行无人机主要系统相关知识的系统培训，掌握无人机操作和故障排除技术，通过考核持证上岗。中国航空器拥有者及驾驶员协会是国内无人机操作人员资质管理的行业协会。

6 参考文献

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