文摘
本研究应用一种新型人工降雨的方法使用一个无人机(UAV)和一个研究飞机在韩国。对于这个实验,无人机喷洒云的催化材料(氯化钙),和飞机监控云在朝鲜半岛南部4月25日2019年。云观测设备的飞机表示增加的数量浓度和平均粒径大云粒子后播种。天气雷达反射率增加了大约10 dBZ以上实验区域由于云层和降水系统的开发。播种后观察雨,0.5毫米被记录,包括自然和混合降水云种散播。此外,它表明,雨滴的数量的快速增加和垂直反射率约为10 dBZ。因此,这些结果显示的可能性使用无人机和大气研究飞机云种散播。云种散播的影响表示通过增加浓度和云粒子的大小,雷达反射率和地面降水检测。
1。介绍
气溶胶可以作为云凝结核或冰核和影响云的形成和寿命。理解微观物理学的气溶胶对云和降水的影响是至关重要的理解和预测气候变化1]。在人工影响天气技术、云的催化材料对应于这些气溶胶作为云凝结或冰核,从而影响云和降水的形成。人工影响天气是一种先进的科学技术,用于气象领域加强沉淀,抑制了冰雹,雾消散。它是一个重要的方法,可用于缓解水资源短缺、抗旱和森林防火。对大气科学的未来,人工影响天气技术是至关重要的。云的催化实验已经进行使用播种材料,自1946年以来一直使用2- - - - - -5]。人工影响天气技术在云的催化材料人为导致云凝结降水发展地区的大气中云凝结或冰核不足。
人工影响天气技术起源于发现喷涂人工冰核到过冷云可以增加冰晶浓度(2,3]。云的催化方法取决于降水形成过程,随云的温度。在寒冷的云(低于0°C),降水由喷冰核材料,如碘化银、干冰、产生或加强冰。在温暖的云(0°C以上),引起的降水是喷涂吸湿物质,如氯化钠或氯化钙,作为云凝结核和促进collision-coalescence过程在云中。播种粒子会增加尺寸分布,加速雨过程(6,7]。
世界气象协会(WMO)指出,气象的发展项目,如人工影响天气活动,已经明显由于社会经济需求的增加抗旱、水资源和森林火灾预防8]。人工影响天气已被建议作为一种手段减少环境问题和安全的水资源以相对低的成本9,10]。因此,人工降雨实验和分析技术是必要的。目前,全球人工影响天气的项目正在进行中,包括在美国、中国、日本、阿联酋、俄罗斯(8]。播云试验使用飞机执行了获得有意义的结果(6,9,11- - - - - -26]。此外,该方法显示了雨增强高成功(5,6,27- - - - - -29日]。美国和泰国正在进行播云试验飞机增加长期沉淀;他们建议年降水量的增加通过云种散播30.- - - - - -32]。其他各种云的催化研究已经进行使用飞机。概述的这些研究/实验中提供了以下。
怀俄明人工影响天气试点项目(WWMPP)进行统计评估的有效性与碘化银云种散播中南部怀俄明州的医学弓和马德雷山脉范围(30.]。云种散播程序内华达山脉地区导致六成功,五不成功的情况下33]。种子和自然地形冬季云:爱达荷州实验(SNOWIE)项目进行验证云的催化效果使用气象雷达和云滴仪器(34]。昆士兰云种散播研究项目(QCSRP)在澳大利亚进行调查对云和降水云的催化效果在一个干净的气溶胶环境(35]。在南非,播种与吸湿播种耀斑从飞机的翅膀radar-measured雨中导致了增加质量(20.]。以色列的播云试验显示,人工增雨目标区域,并有很强的低压,降水,风的天气条件(36]。在印度,从机载云种散播吸湿耀斑归结一个近似总降雨量的17%。增长率是显示敏感受气溶胶粒度分布的影响,垂直速度,压力,温度,相对湿度(37]。这些云的催化实验已经尝试使用各种类型的飞机,如直升机、无人驾驶飞机、火箭、飞机(8,38]。
在韩国,播云试验使用飞机于1963年首次进行[39和仍在使用40- - - - - -47]。自2018年以来,人工降雨实验和观测使用大气研究飞机执行(45,46]。可用的天在韩国播云试验估计每年40到91涵盖所有重点区域,即水资源、抗旱、森林火灾预防、和空气质量改进(47]。然而,这些实验需要相当大的成本构建和维护基础设施(例如,飞机和设备)。
最近,已经提出了一个无人机(UAV)作为一种替代方法,扩大人工影响天气技术更具成本效益的解决方案。因此,最近,无人机系统已经测试了他们的使用在各个领域,包括气象、环境、及其应用(48- - - - - -52]。云种散播的无人机系统是一个有用的工具操作和效率分析。在美国,一个无人机系统平台成立调查潜在的无人机进行云观测实验(48,50]。他们试图开发一个框架来使用自主无人机系统的操作和评估云种散播的活动。他们发现主要优势在使用云种散播无人机系统操作,使大气环境条件的识别更有效实施人工降雨。他们进一步提供了一个上下文和指导使用无人驾驶飞机系统的操作和实施人工降雨。大型无人机播云的操作系统,包括传感器和播种材料,需要48,50]。降低大气过程研究团队Elevation-a遥控飞行器实验(递减率)运动是使用无人机系统进行观察的气溶胶的垂直廓线,二氧化碳,水蒸气和其他气象参数(53]。与有人驾驶飞机相比,无人机需要更少的劳动力和更低的预算,可以在恶劣的天气条件下飞行。
本研究介绍和分析了第一次播云试验使用无人机和大气研究飞机在韩国。进一步提出了未来人工降雨实验利用无人机的研究方向。此外,实验和观测之间的差异考虑迎风飞行的背风面面积和利用不同的验证方法,如卫星、雷达、飞机观测设备、地面观测设备,和数值模型。
2。材料和方法
在这项研究中,人工降雨实验使用无人机和大气研究飞机。图1显示了飞机和仪器(a)无人机和(b)韩国气象局(KMA) /国家大气研究气象科学研究所(年来)飞机(奈良)。表1提供了相应的规范。在这项研究中使用的无人机是一个TR-60实用tiltrotor由韩国航空航天研究所开发的无人机,可以垂直起飞和降落,在高速飞行。这是新一代无人机系统,可以执行侦察和监视任务通过一个快速的方法对目标点(54- - - - - -56]。有翼的长度3米,最大起飞200公斤有效载荷,最大5 h,飞行时间和最大上限3公里的高度。这使得垂直起飞和着陆操作在狭窄的领域,高速飞行,和高效的侦察和监视。扩大无人机的效用,它是控制一个耀斑架安装在它下面进行播云试验。耀斑架设计配备四到六耀斑。
(一)
(b)
本研究中使用的奈良国王350年空气HW模型由豪客比奇2017年11月在美国。两个螺旋桨发动机是涡轮螺旋桨模型操作,最大上限的10公里,最高飞行时间为5.5 h。奈良是配备共有25种气象观测仪器进行灾害性天气监测、环境监测、温室气体监测、云物理观测,播云(57]。进行人工降雨试验,奈良配备一个耀斑架,云凝结核计数器(CCNC)为0.75 -10μ米云凝结核观察,云成像探测器(CIP)为7.5 -930μ米云粒子观测,云滴2-50探针(CDP)μ米云粒子观察,100 - 6200年降水成像探针μm降水粒子的观察,多元素含水量测定水含量(wcm - 2000)。云物理观测和人工降雨实验使用奈良自2018年以来一直在积极进行显示增加云粒子大小和地面降水(45]。
进行人工降雨试验,第一个在韩国使用无人机和奈良,实验设计适合每架飞机的目的是准备。实验喷播云材料使用无人机和观测到的大气条件和云粒子使用奈良。应用云种散播温暖的云,无人机装备有氯化钙耀斑的冰晶体工程公司。验证实验结果,从CIP数据,CDP,天气雷达、自动天气系统(AWS),微雨雷达,雨滴测量器和一个数值模型进行了分析。
云粒子微观物理学的变化进行了分析使用云物理观测设备安装在奈良。韩国航空航天研究院的c波段天气雷达是用来记录反射率的变化。降雨检测和从地面观测网络收集的数据量在播种粒子扩散范围内和时间。此外,实验前后的反射率和雨滴的大小分布通过野外观察,如微雨雷达和雨滴测量器,进行了分析。
验证云种散播的有效性实验,使用天气进行数值模拟研究和预测(WRF)模型。莫里森微观物理学的方案(58]WRF模式修改的播云试验,成功地模拟了地形云在冬天(59]。
3所示。结果与讨论
3.1。云的催化实验的描述
过程,例如天气预报分析,建立播种场景,和许可飞机操作,播云试验之前进行。实验是由观察大气条件的变化和云粒子使用奈良之后使用无人机喷涂云的催化材料。这是4月25日进行的2019年,从0912年到1037年期间,无人机飞当地标准时间(LST)(85分钟),从0930年到1254年奈良飞LST(204分钟)。无人机喷洒云的催化材料从0917年到1029年LST(72分钟)。研究领域包括Goheung Boseong, Jeollanam-do。图2显示了目标区域和播种的无人机的飞行路径和奈良的观察朝鲜半岛南部。无人机播种云使用12氯化钙耀斑的高度760米的迎风面区域;1 - 2公里的奈良旅游直接迎风和背风面高度。
3.2。播云试验期间天气状况
调查天气条件是否适合云种散播之前实验影响其成功的主要因素。此外,播种材料物种依赖于大气温度的门槛。因此,阈值比较(表和天气条件2)。表2为实验提供了天气条件清单。云种散播的大气条件实验在温暖的云,年来,所显示温度高于0°C,水含量超过0.1 g / m3和风速低于15 m / s在播种的高度。执行的奈良播种高度的大气状况,以确保这些条件是否适合播种。测量条件如下:温度为10.1°C,水含量的0.71 g / m3,风速为6.9米/秒。
信息的天气条件是有用的估计的运动和特征云系统用于云种散播。综观天气条件的统一模型(嗯)在KMA和卫星红外卫星图像在图提供了这个实验3。图3表面气象图,显示了(a) (b)之间的差距温度和露点温度、露点温度、风和850 hPa, (c) 850 hPa的气象图,和(d)的温度850 hPa和垂直速度700 hPa在0900 LST 4月25日2019年。如数据所示3(一个)和3 (c)实验期间,中间和上部云,伴随着一个高空压力Balhae湾附近的山谷,是东北移动,和发达国家低,对流云层背后东北搬到北黄海。随着风继续吹从中国南部,西南部的露点赤字目标区域从0增加到1°C(图3 (b)),垂直速度是−5 hPa / h,向上弱风(图3 (d))。假定,播种材料喷涂在这个潮湿的大气垂直上升和云粒子的反应。
(一)
(b)
(c)
(d)
垂直气候条件确定使用垂直测深剖面和(b)可沉淀的水在0900 LST和2100 LST Heuksando 4月25日2019年。图4反映了垂向测深剖面(a)和(b)可沉淀的水在0900 LST和2100 LST Heuksando 4月25日2019年。在垂直剖面的大气条件,如图4(一),解除凝结在大约990 hPa记录,和K-index增加了9.2云种散播后,指示阵雨或雷雨的可能性。在图4 (b),可降水增加大部分地区从下层到上层。此外,在0.65 - -0.76毫米,表面可沉淀的水和积累可沉淀的水是1.70 - -2.39米。从这个垂直剖面,它是观察到云条件下水分和不稳定的存在,使其适合进行人工降雨实验。
(一)
(b)
信息云特征是基于获得的数据的通信、海洋和气象卫星(COMS)和呈现在图5。图5显示的水平分布(一)云顶高度、云类型(b), (c)云顶温度,和云光学深度在1030 LST (d),以及(e)时间序列的云顶高度(灰色),云厚度(绿色),观察到高度的飞机(黑),云顶温度(红色),液态水路径(蓝色),云底高度(红色三角形),和云类型(字符)4月25日,2019年。如图5,云顶高度(图0.5 - 2公里5(一个)),云顶温度5 - 15°C(图5 (c))。云光学厚度做些(图5 (d)),总水含量30 - 70 g / m2(图5 (e))。这表明低层积云和液体状态(图5 (b))。与奈良飞行实验进行设计,整个云分布执行0.1公里到云的云底1.7公里。云底高度计算从奈良和卫星数据是类似于从测云仪Boseong气象台(BSWO),表明层云与云的厚度0.2 - -0.3公里。
(一)
(b)
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(d)
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3.3。云的催化实验的结果
云种散播的结果确定使用现场观测和数值模拟。
分析云中的水滴大小分布来确定人工降雨的影响,奈良是利用收集的信息,如图6描述(a)飞行路径映射,(b)时间序列的飞行高度从1030年到1145年LST,和(c)平均云大小分布在1公里高度(青色)之前和之后播种(蓝色)4月25日2019年。考虑到东南风和云种散播(图中喷洒高度6(一)一节),迎风面(不受云的催化材料,青色所示)和背风侧(部分影响云的催化材料,蓝色所示)被分成三层为2.0,1.5和1.0公里(图6 (b))。云观察飞行期间,点标记OB1-1和OB1-2观察迎风的2.0,1.5,和1.0公里高度,和点OB3-1 OB3-2观察背风的顺序为1.0,1.5和2.0公里的高度。如图6 (c)云种散播在1公里高度,云粒子的数量浓度低于10μ米直径播种前后相类似。然而,云粒子的粒径在10μm增加。浓度降低,因此,最大数量和云粒子谱出现在10 - 100μ米粒子的竞争效应和形成在云中降水通过加强collision-coalescence过程(14]。此外,云滴显示云粒子云粒子谱宽超过100μ米通过巨大的云凝结核活动出现由于尾效应,加速沉淀形成(6,60]。表3比较了平均数量浓度(cm−3云种散播之前和之后)1公里的高度在4月25日,2019年。当比较结果后播种播云试验之前,2-50的云粒子直径μ米,测量使用CDP,播种后同样数量浓度,而这些粒子直径60 - 500μ米来衡量使用CIP增加1.52倍,从12.52厘米−3之前19.01厘米−3云种散播后,这是重要的。奈良观察到云粒子的数量浓度的增加背风一侧播种后,这是由于云种散播后大云粒子的增长。
(一)
(b)
(c)
天气雷达检测到敏感波动的降水云的催化实验。雷达反射率的变化来确定云种散播的效果如图7。图7显示了反射率的(a)水平分布在1100 LST和(b)时间序列的反射率与圆(红色实线)和雷达降水(蓝色虚线三角形)BSWO(红点)从0800年到1400年LST 4月25日2019年。在黑盒图粉色线7(一)是该地区的无人机喷洒云的催化材料,和红色圆圈代表BSWO。如图7,目标区域附近的反射率很软弱,10−−5 dBZ。图7 (b)显示反射率BSWO附近,不到10−dBZ播种前和小于15 dBZ−实验。实验结束后,反射率增加−5 dBZ由于疲软的云系统的流入。这表明云种散播增强反射率的播云的反应物质和云粒子的生长。这回声播洒播种云影响调查项目的结果在怀俄明州,美国、反射率的增加后大约10 dBZ播云(23]。
(一)
(b)
BSWO数据进一步用于分析表面降雨量的变化来确定云种散播的效果(图8)。图8显示()雨的水平分布检测1130 LST, (b)的时间序列相对湿度(蓝色)、温度(红色)、雨(黑),和云顶高度(绿色),(c)反射率和(d)浓度(黑)数量和直径(红色)的雨滴BSWO LST从0800年到1500年4月25日,2019年。播云试验后,降雨检测显示在目标Beolgyo (BG)、Gwangyang-si (gy)和Hadong (HD) AWS网站(图8(一个))。在BSWO站点(图8),发现雨但降雨量不是记录在1023年播云试验后,1036,1045,1050,或1053 LST。此外,这三个网站记录大约0.5毫米的降水,这被认为是自然降水和降水引起的播种。BSWO,相对湿度84 - 94%(潮湿的条件),而温度降低了1°C以上实验结束后(图8 (b))。在数据8 (c)和8 (d)云种散播时间显示在一个红色的盒子,和云的催化效果时间一个紫色框所示。云种散播后,反射率增加了大约10 dBZ 1120 LST在750米的高度。此外,雨滴粒子的平均数量浓度迅速增加,雨滴约0.2毫米和记录从1100年到1135年低水位体系域。虽然降雨并没有观察到BSWO 1100 LST,播种的影响可以通过降雨检测、估计反射率增加,增加浓度和雨滴的大小。
(一)
(b)
(c)
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数值模型是一个有用的工具来估计播种材料的色散和降雨的增加人工降雨实验因为自然和人工的分类(通过云的催化效果)降水是复杂的。修改后的数值模型模拟被用来验证在云种散播种子材料的色散实验(图9)。图9显示了数值模拟的水平分布分散(氯化钙(CaCl播种材料2))0930 (a) (b) 1030, (c) 1130 LST以及降水差异(d) 0930 - 1030, 1030 - 1130 (e),和(f) 1130 - 1230 LST 4月25日2019年。图9显示了数值模拟使用WRF模式与执行统一Model-Local数据同化和预测系统分析数据和全球定位系统位置信息作为输入数据(61年]。在数据9(一)-9(c),阴影区域表示的数量浓度分布的播种材料(氯化钙)和向量代表风场在0.75的高度。喷洒后播种材料分散在整个点Boseong (BS), BSWO, BG, Gwangyang-eup(光宇),gy, Geumnam (GN)。云的催化材料在播种高度蔓延到b, BSWO, BG,光宇,gy点由于西北东南风,而且逐渐扩大。在数据9(d) -9(f),红色和蓝色的颜色表明降水的增加和减少,分别。数据9(d) -9(f)表明,累积雨数量增加的西北部分BS和BSWO的播种材料逐渐分散。三个小时播云试验后,雨积累量增加到5.1毫米1210 LST(没有显示)。氯化钙、这是一个足够的响应时间作为吸湿材料,与云层和降水的反应;因此,这是一个云的催化实验的效果。
3.4。设计云种散播实验用两辆车
成功的播云试验使用两种类型的飞机可以减轻大气研究飞机的缺点。大气研究飞机低飞在云有困难。本研究使用的无人机能够在低云层中飞行。因此,最重要的方面使用无人机和大气研究飞机云种散播实验是实验设计。两架飞机的有效执行和协调的方式在播云试验没有安全问题,实验设计必须考虑时间和空间条件。图10显示了一个示意图的播云试验使用无人机(红色)和奈良(蓝色)。如图10首先,无人机应执行云种散播,随后和大气研究飞机应该遵守的气象条件。设计的空间,实验可以将它划分为垂直和水平的地区。垂直,无人机应该飞在较低的地区的云,和大气研究飞机应该飞在云的中间偏上水平,保持至少两架飞机之间的一百米减少安全问题和事故。一项研究[50)强调维持100 - 300两架飞机之间的时间间隔;因此,这个实验进行区间240 - 1280 m。水平,大气研究飞机必须飞在验证区域地面观测设备安装,和无人机飞行必须播种面积的目标云。播云试验可以验证以各种方式(地面和上层)。总的来说,设计人工降雨实验时使用多个飞机、无人机应喷播云云基地附近材料首先在实验区,和大气研究飞机应该观察中间的大气条件和上云层验证地区在稍后的阶段。有效和安全的播云试验和验证可以因此由使用这两种类型的飞机。这项研究(尤其是图10)将作为指导播云试验使用两个或多个飞机。
4所示。结论
本研究调查首次在韩国播云的可能性使用大气研究载人飞机和无人机。全面实验设计准备喷云的催化材料与无人机和观察云物理使用奈良。气象条件(温度、水含量和风速)4月25日2019年,适合播云试验使用氯化钙作为种子材料。它显示低云层与液体状态,潮湿的条件下,和一个0 - 1°C露点赤字在实验区域。观察显示云粒子的数量浓度的增加超过10μ米直径,雷达反射率的增加超过10 dBZ,雨量检测和数量浓度的增加和雨滴的大小。此外,数值模拟显示,分散的云的催化材料。因此,云层和雨滴的增长可能是由于人工降雨实验。分析标准年来提出的云的催化效果和KMA增加表面沉淀,云粒子,和雷达反射率(45];因此,本研究显示合适的结果。
尽管增加降水和云后的目标区域试验表明,这可能是一个自然增长。因此,统计验证通过更多的实验是必要的。虽然这是第一次合作实验使用无人机和大气研究飞机在韩国,我们期望看到类似的实验与其他研究人员和合作的运营商。优先考虑投资进一步发展人工影响天气技术使用的10项指标16技术进行了分析,并指出发展新的无人机天气传感器,喷洒和扩散云的催化材料,需要验证,数值模拟,和地面实验(62年]。因此,KMA将继续争取在播云技术开发实验使用无人机和大气研究飞机。在未来,我们计划通过持续提高云的催化效率使用无人机双重飞机实验。
数据可用性
的数据支持本研究的资金可从相应的作者从年来,韩国KMA。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由韩国气象局研究和发展项目“人工影响天气和云物理研究”资助下kma2018 - 00224。