基于局地预警雷达的县级人影作业指挥模式*

陈 林，刘维芳，曾 勇

(1.贵州省威宁县气象局，贵州 威宁 553100;2.贵州省冰雹防控技术工程中心，贵州 贵阳 550081)

1 引言

我国人工影响天气始于1958年，经过近60 a的发展，在监测、预警、指挥、数值模式及作业技术等方面取得了显著的效果，但因为区域发展不平衡，县级人工影响天气作业指挥并没有形成规范化、集约化的业务模式，国内许多省(市、区)曾进行过积极探索，取得了一些阶段性成果，却限于历史原因，没有开展全国性的示范推广[1-3]。天气雷达是探测冰雹云的一种极为有效的的工具，在冰雹云发生演变过程中表现出不同的回波特征。国内专家学者针对不同类型天气雷达冰雹云特征进行了分析研究，建立了基于天气雷达的冰雹云监测预警、人工防雹作业指挥指标体系[4-6]。因气候环境与地形地貌特征差异，不同区域背景下冰雹气候具有不同特征。建立本地化人工影响天气作业指标体系，构建科学合理的人影作业指挥模式是目前亟需解决的问题。威宁县位于贵州省西部乌蒙山腹地，面积6 296.3 km2，平均海拔2 200 m，是云贵高原的东延部分，具有典型的高原台升地形特点。由于海拔高，地形复杂，省内CINRAD/CD雷达无法扫描所辖区域，唯有云南昭通CINRAD/CC雷达能够全范围覆盖。同时，科学、高效人影作业指挥也是过去威宁县人影作业工作中所存在的问题。为了解决上述问题，研制了高效、快捷、科学的人工影响天气监测预警、实时作业指挥系统，对提高科学指挥水平，降低冰雹灾害带来的损失有着重要的意义。

本文从威宁县长期人影作业过程中存在问题着手，以解决实际问题为导向，从雷达监测预警、作业参数测算、作业指令下达等方面介绍了基于局地预警雷达的县级人影作业指挥模式，为其它地区人影作业提供参考。

2 问题分析

2.1 雷达覆盖范围存在大量盲区

威宁县虽然属于毕节市辖区，但是由于毕节雷达站位于毕节市七星关区，海拔1 500 m左右，威宁位于毕节西部，受境内白草坪至梅花山山脉影响，雷达覆盖范围只能观测到威宁县35乡镇中的2个，其余33个乡镇处在观测盲区，给强对流天气监测预警带来不便(见图1)。

(a)毕节 (b)昭通图1 2018年6月28日17时22分雷达图Fig.1 Radar map at 17∶22 on June 28, 2018

2.2 传统人影指挥作业的问题

人影作业指挥涉及监测预警、空域时间申请、作业参数指令下达等方面，其核心仍然是作业“三适当”，即适当的作业时机、适当的作业部位、适当的作业剂量。然而，传统的人影指挥作业在监测预警、科学作业等方面存在问题。主要表现在：监测预警存在主观性强，没有建立本地化冰雹云雷达识别指标体系，没有客观科学判断对流云是雷雨云还是冰雹云，由此带来盲目指挥；空域时间主要以电话告知方式，申请延时性强，延误作业时机；没有结合本地雷达回波特征建立科学合理的冰雹云催化剂量、作业参数计算方法，造成盲目作业。所以，传统的人影作业指挥存在指挥盲目性、作业盲目性两大问题，造成作业效果不明显或无作业效果。

2.3 人工影响天气通信调度与炮站视频实时监控问题

自1993年开展人影工作以来，通信一直是难题，从最初的15 w单边带电台发展到后来的甚高频电台，使用近20 a的时间，受地形、大风等天气影响，通信质量较差，尤其雷击安全隐患较大，严重影响作业指令的完整传输以及作业信息的及时反馈。同时，过去因通信困难，无法建立炮站视频实时监控系统，不能实时监控作业人员是否按照操作规程、作业指令作业，对作业过程安全性不能把控。

2.4 局地预警雷达的局限性

本文中所指的局地预警雷达是中国气象局大气探测重点实验室(成都信息工程大学)设计生产的WXR-MD-10型X波段多普勒天气雷达，工作频率9 410±50 MHz，最大探测距离200 km，天线直径2 m，波束宽度≤1.25°，整机功耗约0.3 kW。2011年7月在贵州省威宁彝族回族苗族自治县气象局投入到人工增雨防雹业务工作中，由于X波段局地预警雷达有它的局限性，电磁波的衰减严重影响了强度资料的应用，衰减作用会沿着径向方向逐渐积累，在强对流单体后存在明显的衰减，有的甚至是S波段的100倍以上[7]，当雷达的前方有较强的回波遮挡，就无法观测到后方的回波。观测预警受到限制。

3 解决方案

3.1 构建区域联防机制，解决新一代天气雷达盲区

昭通市新一代天气雷达站位于威宁西北侧，相距威宁县城不到70 km，且在威宁天气系统上游，可以覆盖威宁所有乡镇，无论天气系统在云南宣威、会泽还是昭通生成，在西风气流引导下，都要向威宁方向移动发展。采用雷达组网技术，昭通CINRAD/CC雷达实时扫描终端通过Internet网络推送到威宁人影作业指挥平台，并在终端软件上添加威宁37个作业点，对强对流天气监测预警更加精准(见图2)。

3.2 升级X波段数字化天气雷达指挥平台，解决科学化指挥的问题

增补局地预警雷达，解决作业指挥时效问题。以本站天气雷达为中心，天气雷达的观测最大半径距离为半径建立天气雷达的方位和距离的空间坐标系统。在同一界面上实现PPI与RHI交互式操作，实现远程指挥控制增雨防雹固定作业点的高炮或火箭的功能。

3.2.1 局地预警雷达 在以本站天气雷达为中心方位和距离的空间坐标系统底图上，通过输入野外增雨防雹作业炮站的经度、纬度后就能在天气雷达底图上显示“﹢”，“﹢”表示高炮火箭所在实际坐标位置，当炮站的高炮、火箭连接到互联网上时，本站天气雷达底图上的“﹢” 坐标点闪烁，表示高炮(火箭)通过互联网与雷达建立了通信连系(见图2a)。

3.2.2 PPI与RHI扫描 当昭通雷达扫描在威宁境内出现强回波时，根据威宁冰雹云新一代天气雷达指标，发出冰雹预警，局地预警雷达转入PPI扫描，见图2b。回波中心强度达到30 dBz时，将进入垂直剖面(RHI)扫描，见图2。在雷达控制终端中写入高空0 ℃层高度、-20 ℃层高度，在RHI图上以红色直线标注，直观反应回波结构形态及发展高度。人影指挥员点击云顶高度，再点击0～-20 ℃层高度之间的强回波中心，系统根据已建催化剂量计算模型自动计算用弹量，用弹量自动录入到作业参数计算和指挥界面。

(a)PPI (b)RHI图2 主界面Fig.2 Main interface

在垂直剖面(RHI)扫描结束，回波中心强度达到30 dBz且超过-20 ℃层高度时，作为冰雹预警指标线。鼠标点击云顶高度，再点击0～-20 ℃层高度强回波中心，获取用弹量后返回PPI扫描界面，人影指挥员用鼠标点击对流云回波强中心，在强回波中心建立以1 km为半径，共6 km的等圆坐标系，即人影作业射击诸元。在回波强中心点击鼠标右键，人影作业射击诸元根据高炮或火箭的弹道自动计算炮站作业方式、作业方位、作业仰角参数自动录入到作业参数计算和指挥界面(图3)。

图3 作业参数计算和指挥界面Fig.3 Operating parameters calculation and command interface

3.2.3 作业参数测算和作业指令生成 天气雷达获取的信息无论是一个炮站还是多个炮站附近有强对流回波，只要在强对流回波中心点击鼠标右键就能生成某某炮站、用高炮还是火箭作业、方位角、仰角、用弹量等作业信息。作业信息都会依次显示在作业参数计算和指挥界面上，只要该炮站的自动化高炮或火箭与指挥中心雷达通信连接正常。作业参数计算和指挥界面上的每个作业参数栏后面有一个可以用鼠标点击的“作业” 按钮，人影指挥员用鼠标点击该按钮，天气雷达将设定的作业参数通过光纤传输下发到高炮或火箭室内操作控制台，作业信息同时发送到自动化高炮或火箭架。待自动化高炮或火箭找到作业方位、仰角确定无误后，人影指挥中心下达发射命令、人影作业民兵在室内操控平台上按下发射点火按键，完成一次人影作业，等待二次作业命令。1 min内可以完成10个炮站作业指挥，大大提高了防雹作业指挥效益，改变人影工作20余年以来盲目作业的历史。

3.3 建立人工影响天气可视化通信调度系统

威宁在人工影响天气通信中使用天翼通信调度平台及终端，把37个炮站组群进行指挥调度，一呼百应、一按即通，无屏蔽和盲区；在37个炮站接入光纤，安装了视频监控系统，在进行人工增雨、防雹等地面作业时，可以通过视频监控系统建立作业现场与指挥中心之间的信息通道，将作业现场周围的环境、作业方位、作业时机及天气状况的实时信号及时上传到指挥中心，为指挥中心的作业决策提供实时科学依据。

3.4 大雷达预警，小雷达指挥

构建以本局小雷达及新一代多普勒雷达为支撑的县级人影业务系统。X波段局地小雷达有他的局限性，当雷达的前方有较强的回波遮挡，就无法观测到后面的回波,观测预警受到限制。而新一代多普勒雷达恰好作为补充观测预警，这样达到大雷达预警、小雷达作为目标跟踪观测指挥,解决县级人影业务系统的最大问题。建立了“大雷达预警 小雷达指挥”的防雹增雨指挥模式，在人工防雹过程中，确定目标、计算参数、准确定位、精确打击、集中播撒在防雹业务中是第一位的，大雷达受到观测业务规定，解决不了上属问题，而小雷达有着操控方便，响应速度快，探测范围广的特点，可以提供平面(PPI)扫描、垂直剖面(RHI)扫描、雹云至炮站的距离测量等功能，通过实时平扫、高扫，测距等方法获取冰雹云的回波参数，找准作业时机、作业部位和用弹量，为人工影响天气作业提供可靠依据，在防雹作业指挥中起着非常重要的作用，解决催化剂播撒目标区的不确定性问题。

4 小结

根据威宁县气象局在人影作业中遇到的实际问题为导向，解决并设计了基于本站局地预警雷达的县级人影作业指挥系统。经过近3 a的验证，利用昆明外区空域自动化申报系统实现空域申请，利用多普勒天气雷达实时资料开展人影辅助指挥及预警，同时建立本站X波段数字化天气雷达，在原有程序里写入距离、仰角、方位角、用弹量测算作业参数，并将作业参数通过光纤传输到作业点的信息化操作平台上，作业人员只需在操作平台上操作发射按钮，高炮、火箭实现参数自动识别，自动化发射，达到雷达判别的指标与高炮、火箭作业的指标一致，人影指挥中心利用视频监控系统实时监控炮站在空域时间内进行有效及时的作业，建立了“大雷达预警、小雷达指挥”的防雹(增雨)指挥模式，解决了高炮、火箭与雷达同步，实现一键操作、准确定位、定点播撒的防雹(增雨)作业，同时大大减少了作业人员操作安全及避免了误将雷雨云当作冰雹云作业等问题，减少了炮弹的损失和浪费，大大提高了防雹作业的综合效果。系统在高原山区具有较好的推广应用价值。