鄭國光，郭學(xué)良

(1.中國氣象局，北京 100081;2.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081)

1 前言

美國是現(xiàn)代人工影響天氣的發(fā)源地。1946年美國最早的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Langmuir研究團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碘化銀(AgI)和干冰(固態(tài)CO2)可以成為冰晶，由此開創(chuàng)了現(xiàn)代人工影響天氣的序幕(見圖1～圖3)。由于人工影響天氣具有巨大潛在的經(jīng)濟(jì)、社會和軍事用途，有關(guān)的科學(xué)試驗(yàn)和研究從來沒有停止過。

目前世界上大約有40多個(gè)國家每年開展100多項(xiàng)與人工影響天氣相關(guān)的研究試驗(yàn)與作業(yè)項(xiàng)目。人工影響天氣活動范圍很廣，從人工增雨(雪)、防雹、消霧、防霜以及人工消減雷暴、雷電、龍卷風(fēng)、臺風(fēng)等，到更大范圍的氣候變化，包括目前國際上為應(yīng)對氣候變化提出的“地球工程”。這些活動涉及水安全、糧食安全、生態(tài)環(huán)境安全，也涉及交通、應(yīng)對氣候變化、森林滅火、重大活動保障、軍事等領(lǐng)域。

人工影響天氣分為無意識人工影響天氣和有意識人工影響天氣。無意識人工影響天氣是指人類活動，如工業(yè)活動、城市化發(fā)展、森林砍伐、植被破壞等引起的地球輻射系統(tǒng)改變導(dǎo)致的天氣、氣候變化，已為大家所熟知。有意識人工影響天氣就是通常所指的人工影響天氣，是建立在科學(xué)認(rèn)識的基礎(chǔ)之上，有效利用自然天氣過程，達(dá)到“趨利避害”的目的，這是與無意識人工影響天氣之間的本質(zhì)差別。

人工影響天氣概念的提出，是基于人類為了生產(chǎn)和生活的需要，希望通過人為干預(yù)以防止或減輕由惡劣天氣引起的自然災(zāi)害(如干旱、冰雹、雷電、暴雨等)，進(jìn)而在適當(dāng)條件下，促使天氣向有利于人類需要的方向發(fā)展。隨著人類文明的發(fā)展和進(jìn)步，對天氣的敏感性和脆弱性呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。人口數(shù)量的增長、城市化發(fā)展以及工業(yè)化水平的提高，使一個(gè)地區(qū)的人口居住數(shù)量、密度顯著增加，對高科技產(chǎn)品的依賴性越來越強(qiáng)，已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)、生活的每一個(gè)環(huán)節(jié)。異常天氣可能會帶來災(zāi)難性后果，由強(qiáng)降水引發(fā)的大風(fēng)、洪水、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害直接威脅人類的生存。1970年發(fā)生的波拉臺風(fēng)登陸孟加拉國帶走了30萬人生命，2005年，卡特琳娜臺風(fēng)讓美國損失了1 250億美元。

圖1 人工增雨(雪)作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rain(snow)augmentation

圖2 飛機(jī)人工增雨作業(yè)Fig.2 Aircraft cloud seeding

圖3 火箭人工增雪作業(yè)Fig.3 Rocket cloud seeding

2 人工影響天氣的原理及關(guān)鍵科學(xué)問題

現(xiàn)代人工影響天氣的科學(xué)原理是建立在云形成基本原理的基礎(chǔ)之上，云和降水的形成需要三個(gè)基本條件:首先要有水汽，水汽是通過地表蒸發(fā)過程(內(nèi)循環(huán))和輸送過程(外循環(huán))產(chǎn)生的;有了水汽還不行，還必須要有上升氣流，使水汽通過上升過程凝聚成液態(tài)(固態(tài))水，但水汽成為水滴(冰晶)還需要凝結(jié)核(冰核)，如果沒有這個(gè)核，水汽很難成為云滴(冰晶)。因此，目前的人工影響天氣就是通過影響云形成所需的凝結(jié)核(冰核)，而不是改變水汽和上升氣流。通過飛機(jī)、火箭、高炮和地面燃燒爐等手段向云中播撒一定量的凝結(jié)核(冰核)，實(shí)現(xiàn)降水增加的目的。因此，目前的人工影響天氣是利用了云和降水形成過程中對云微物理的敏感性(見圖4、圖5)。

圖4 作業(yè)前后云的變化Fig.4 The change of cloud before and after cloud seeding

圖5 美國1947年首次飛機(jī)播云試驗(yàn)結(jié)果:從上部看云的宏觀特征出現(xiàn)顯著改變Fig.5 The first aircraft cloud seeding result:the important change of cloud structure can be clearly seen

人工影響天氣科學(xué)研究、試驗(yàn)與作業(yè)一直存在一些爭論，其中的一個(gè)爭論是純科學(xué)問題，即如何把自然和人為影響的結(jié)果科學(xué)地區(qū)分出來。另外一些爭論是對人工干預(yù)天氣造成后果表示擔(dān)心，即頻繁的人工干預(yù)天氣是否會引起一個(gè)地區(qū)自然天氣過程的反常，是否會造成一個(gè)地區(qū)降水增加，另一個(gè)地區(qū)降水減少，或引發(fā)新的天氣災(zāi)害，是否會對環(huán)境有影響等。

有關(guān)人工影響天氣的效果評估問題是一個(gè)世界性難題，首先云降水過程的自然變率很大，自然界發(fā)生的每一次云降水過程沒有完全相同的，就像很難找到完全相同的兩個(gè)人一樣(克隆人除外)。這對人工影響天氣的試驗(yàn)造成非常大的困難，很難找到兩個(gè)對比的對象。第二個(gè)方面是受到對自然云降水形成過程的科學(xué)認(rèn)識限制。就一塊云而言，受目前科技水平的限制，對其形成不是完全了解，現(xiàn)有的探測技術(shù)能力還不能達(dá)到對云降水形成的整個(gè)物理過程進(jìn)行有效跟蹤和觀測，因此，造成對云降水的定時(shí)、定點(diǎn)和定量預(yù)報(bào)困難。假如對降水的預(yù)報(bào)能力接近100%，人工影響天氣的效果自然就出來了。第三個(gè)方面是受到目前人工影響天氣自身技術(shù)水平的限制?，F(xiàn)代人工影響天氣技術(shù)是基于播云理論，利用了云微物理對凝結(jié)核(冰核)的敏感性，這種技術(shù)本身是基于自然云形成的，并沒有超越自然云形成的過程，由此決定了人工影響天氣作業(yè)是有條件的，只有符合一定條件的云播撒才會起到效果。

目前國際上一般采用三種方式對人工影響天氣的效果進(jìn)行評估，即統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)。單純的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)需要的樣本數(shù)大，需要長期積累。美國科羅拉多州多年開展冬季增雪業(yè)務(wù)的評估效果是10%～25%，平均為15%。目前國際上一些大型人工影響天氣科學(xué)試驗(yàn)中普遍采用的是隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，這種檢驗(yàn)的核心是隨機(jī)性，是基于大量隨機(jī)播撒作業(yè)后，對比影響和不影響的對地面雨量得到播撒效果，如早期的以色列及我國古田水庫等地開展的科學(xué)試驗(yàn)。以色列試驗(yàn)結(jié)果得出平均增雨效果可達(dá)到10% ～15%以上，我國古田水庫開展的增雨效果可達(dá)到24%。隨著雷達(dá)探測技術(shù)的發(fā)展，很多隨機(jī)性檢驗(yàn)采用了物理檢驗(yàn)，通過對比影響和不影響的云的回波強(qiáng)度、體積、云頂高度等參數(shù)評估影響效果。在泰國、南非等國開展的暖云對流云物理檢驗(yàn)增雨效果在30% 以上。俄羅斯對流云增雨效果在15% ～45%，投入產(chǎn)出比在1∶20以上。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促使數(shù)值模擬天氣技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)值模擬技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)性，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善，可成為人工影響天氣效果檢驗(yàn)的重要手段。目前數(shù)值模式已經(jīng)應(yīng)用于我國人工影響天氣作業(yè)條件預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

世界氣象組織(WMO)指出:應(yīng)把人工影響天氣作為水資源綜合管理戰(zhàn)略的一部分，并建議在各國建立開展云、霧和降水氣候?qū)W分析，加強(qiáng)新觀測工具和數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，開展跨國外場試驗(yàn)和獨(dú)立專家評估等，以便向人工影響天氣、水資源研究和業(yè)務(wù)提供有力的依據(jù)(見圖6)。因此，新技術(shù)的應(yīng)用將是國際人工影響天氣發(fā)展的趨勢，具有重大的潛在價(jià)值。

WMO在《關(guān)于人工影響天氣現(xiàn)狀的聲明》中，對混合相態(tài)地形云、層狀云、積狀云的局部人工增雨(雪)等催化技術(shù)給予了基本肯定。美國、俄羅斯、以色列等國還把人工增雨成套技術(shù)向發(fā)展中國家(如敘利亞、摩洛哥、泰國等)輸出，并成立一些專門的人工影響天氣商業(yè)公司，承接人工增雨計(jì)劃和大壩工程設(shè)計(jì)咨詢等項(xiàng)目，按照市場規(guī)律運(yùn)作，按客戶的要求有償提供播云服務(wù)。

圖6 雷達(dá)觀測的云中雨的質(zhì)量變化Fig.6 Radar observed rain mass change after seeding

美國國家大氣海洋局2008年的統(tǒng)計(jì)顯示，美中西部的9個(gè)州有63個(gè)人工影響天氣項(xiàng)目，而10年前為48個(gè)，增加了15個(gè)，主要集中在美國西部冬季人工增雪方面，增加的雪第二年融化后可用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)和飲用水。美國國家大氣海洋局1979—1993年主持研究了長達(dá)15年的“大氣影響計(jì)劃”，試驗(yàn)區(qū)域包括美國的7個(gè)州、泰國和摩洛哥。2002—2006年，在6個(gè)西部州開展了“天氣災(zāi)害改變計(jì)劃”，主要是針對美國西部嚴(yán)重干旱，開展大氣云水資源的開發(fā)利用研究。最近美國懷俄明大學(xué)牽頭主持了約6 000多萬人民幣的冬季人工增雪研究計(jì)劃(2006—2011年)。另外，美國國家大氣科學(xué)研究中心(NCAR)和擁有40架飛機(jī)、80名員工的人工影響天氣公司及部分大學(xué)近幾年承擔(dān)了南非、墨西哥、泰國、澳大利亞等國的人工增雨(雪)作業(yè)和試驗(yàn)計(jì)劃。

澳大利亞于2004—2010年進(jìn)行了為期6年的冬季播云增雪研究計(jì)劃。2006—2011年，澳大利亞昆士蘭政府投入約5 000多萬人民幣進(jìn)行“暖云”播撒研究，該研究計(jì)劃是澳大利亞氣象局和美國NCAR合作進(jìn)行，目的是緩解澳東南區(qū)域的持續(xù)性干旱。

印度在2003年和2004年在美國WMI的協(xié)助下，在 Maharashtra州開展播云作業(yè)。2008年在Andhra Pradesh的12個(gè)地區(qū)開展播云試驗(yàn)，以緩解嚴(yán)重干旱。

另外，俄羅斯、法國、以色列、泰國、阿聯(lián)酋等國最近幾年也開展了多項(xiàng)新的人工影響天氣作業(yè)試驗(yàn)。

3 我國人工影響天氣現(xiàn)狀

云霧物理與人工影響天氣是我國發(fā)展最早的學(xué)科領(lǐng)域。1956年1月毛澤東主席提出“人工造雨是非常重要的，希望氣象工作者多努力”，在《氣象科學(xué)研究12年遠(yuǎn)景規(guī)劃》中提出了云與降水物理過程和人工控制水分狀態(tài)的試驗(yàn)研究。在全國向“科學(xué)進(jìn)軍”的號召下，我國科學(xué)家提出“人工控制天氣”，為解決人才缺乏問題，1957年選派留學(xué)生赴蘇學(xué)習(xí)云物理和人工控制天氣理論和技術(shù)。在條件極端艱苦的情況下，涂長望、趙九章等組織和開展了云霧物理研究及人工影響天氣工作，建立了廬山云霧試驗(yàn)站與天氣控制研究所。從20世紀(jì)50年代開展云霧物理特征與人工影響天氣研究以來，針對我國干旱、冰雹災(zāi)害的需求，創(chuàng)建了我國現(xiàn)代人工增雨與防雹技術(shù)，并取得了豐碩的成果。1958年，我國在吉林省首次使用飛機(jī)進(jìn)行人工增雨試驗(yàn)，此后人工影響天氣技術(shù)得到快速發(fā)展。

20世紀(jì)末期至21世紀(jì)以來，隨著我國綜合國力的顯著提高，云霧物理與人工影響天氣學(xué)科有了質(zhì)的飛躍和發(fā)展，先進(jìn)大氣物理探測技術(shù)、數(shù)值模式的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展面臨的新需求，使人工影響天氣學(xué)的發(fā)展呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉與結(jié)合發(fā)展的特點(diǎn)。人工影響天氣是以大氣物理學(xué)為基礎(chǔ)建立和發(fā)展起來的。在過去的50年中，我國的云物理學(xué)研究在云的宏觀、微觀特征的研究，以及發(fā)展和應(yīng)用一些新的技術(shù)手段對云的基本特性進(jìn)行空基和地基的直接和間接觀測等方面取得了顯著進(jìn)展。

我國建成投入運(yùn)行的156部新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)、334部局地天氣監(jiān)測和作業(yè)指揮雷達(dá)，覆蓋了大部分作業(yè)站點(diǎn)。人工影響作業(yè)監(jiān)測和科學(xué)指揮能力顯著增強(qiáng)，極大地減少了作業(yè)的盲目性(見圖7)。

目前我國人工影響天氣工作基本形成了依托天氣、氣候預(yù)報(bào)預(yù)測掌握降水天氣過程，以地面常規(guī)觀測網(wǎng)、衛(wèi)星、雷達(dá)和云物理特種觀測技術(shù)裝備觀測云和降水的發(fā)展演變過程，利用云數(shù)值模式、雷達(dá)及衛(wèi)星反演產(chǎn)品對作業(yè)條件、潛力區(qū)進(jìn)行識別預(yù)測，以雷達(dá)實(shí)時(shí)指揮作業(yè)，以飛機(jī)播撒AgI、制冷劑(液氮、干冰)對層狀云和積層混合云進(jìn)行催化，以高炮和火箭等運(yùn)載工具播撒AgI催化對流云，以物理檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法評估作業(yè)效果的人工影響業(yè)務(wù)流程。

圖7 新一代人工影響天氣移動偏振雷達(dá)指揮系統(tǒng)Fig.7 The new polarized movable radar system used in weather modification operation

我國自主研發(fā)的達(dá)到國際先進(jìn)水平的AgI復(fù)合焰劑、不同高度的新型增雨防雹火箭和機(jī)載播撒設(shè)備已廣泛投入業(yè)務(wù)使用;發(fā)展了具有國際先進(jìn)水平的多維云數(shù)值模式，并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用;建立了作業(yè)指揮業(yè)務(wù)系統(tǒng)和不同溫度催化劑的使用指標(biāo)，部分地區(qū)采用了有一定科學(xué)依據(jù)的物理和統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)增雨效果(見圖8)。國家和省級人工影響業(yè)務(wù)單位共同加強(qiáng)作業(yè)效果評估方法研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用工作，吉林、青海、河南、山西、安徽等地建立了作業(yè)效果檢驗(yàn)評估示范區(qū)，初步規(guī)范了作業(yè)效果評估工作。

圖8 我國人工增雨飛機(jī)(有人與無人駕駛)探測與作業(yè)系統(tǒng)Fig.8 Observational and cloud seeding system of aircraft(unmanned and manned)in rain enhancement operation in China

我國在人工增雨雪、防雹、消霧、消云等作業(yè)監(jiān)測、條件識別、作業(yè)機(jī)理、技術(shù)方法、效果評估和裝備研發(fā)等方面，取得了一批理論和技術(shù)成果并應(yīng)用于業(yè)務(wù)?！笆濉眹铱萍脊リP(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目《人工增雨技術(shù)研究及示范》獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目《人工增雨關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研發(fā)》已取得多項(xiàng)成果。在近期中國氣象局制訂印發(fā)的《應(yīng)用氣象研究計(jì)劃(2009—2014年)》中，重點(diǎn)加強(qiáng)對不同云體的人工增雨條件、催化方法和效果評估等關(guān)鍵科技問題進(jìn)行科學(xué)研究。與此同時(shí)，國際交流合作日趨活躍，開展了多項(xiàng)雙邊試驗(yàn)研究、技術(shù)交流和人員培訓(xùn)。2005年我國人工影響天氣榮獲WMO人工影響天氣UAE獎(jiǎng)。

我國基本形成了國家—省—地—縣4級業(yè)務(wù)體制。國家級業(yè)務(wù)主要牽頭負(fù)責(zé)科技研發(fā)與業(yè)務(wù)指導(dǎo);省級業(yè)務(wù)主要包括作業(yè)(飛機(jī)增雨)組織、技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)開發(fā);地市級業(yè)務(wù)主要為業(yè)務(wù)指導(dǎo)，指揮高炮、火箭作業(yè);縣級業(yè)務(wù)主要包括組織實(shí)施高炮、火箭作業(yè)、裝備管護(hù)和信息收集上報(bào)。

1994年國務(wù)院批準(zhǔn)建立了以中國氣象局為牽頭單位的“人工影響天氣協(xié)調(diào)會議制度”，對組織、協(xié)調(diào)和指導(dǎo)全國人工影響工作發(fā)揮了重要作用。目前，地方基本建立了以各級政府領(lǐng)導(dǎo)，同級氣象主管機(jī)構(gòu)管理、實(shí)施和指導(dǎo)的人工影響管理體系?！度斯び绊懱鞖夤芾?xiàng)l例》、地方法規(guī)、部門規(guī)范性文件和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等法規(guī)體系不斷完善，建立健全了安全責(zé)任制，作業(yè)人員培訓(xùn)和作業(yè)裝備管理日趨規(guī)范。

中國氣象局和國家發(fā)展和改革委員會已于2008年11月聯(lián)合制訂印發(fā)了全國《人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃(2008—2012年)》，并將人工增雨防雹工程納入《全國新增1 000億斤糧食生產(chǎn)能力建設(shè)規(guī)劃(2009—2020年)》中，人工影響工作的發(fā)展將進(jìn)一步科學(xué)規(guī)范。

我國人工影響天氣學(xué)科經(jīng)過50多年的發(fā)展，已逐步成為我國氣象防災(zāi)減災(zāi)的重要科技手段之一。目前我國有30個(gè)省(區(qū)、市)開展飛機(jī)、高炮、火箭增雨防雹作業(yè)，從業(yè)人員達(dá)到4.6萬人。人工增雨作業(yè)區(qū)面積達(dá) 360萬 km2，防雹保護(hù)面積達(dá)45萬km2。中央和地方財(cái)政加大人工影響經(jīng)費(fèi)投入，中央財(cái)政自2009年起設(shè)立了專項(xiàng)資金支持人工影響作業(yè)。人工影響工作在農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)、水資源安全保障、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)、森林草原防火撲火以及保障2008年北京奧運(yùn)會、新中國成立60周年慶典等重大社會活動等方面發(fā)揮了重要作用。

該空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)時(shí)掌握大型公共建筑物內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、室內(nèi)人員的期望環(huán)境參數(shù)以及空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘獲得期望環(huán)境參數(shù)的同時(shí)，與測試參數(shù)進(jìn)行整合分析，制定合理的控制策略以提高環(huán)境的熱舒適度.

4 人工影響天氣發(fā)展趨勢

科技進(jìn)步是推動人工影響天氣發(fā)展的源動力。隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，人類對自然天氣過程的認(rèn)識和影響能力將顯著提高，這是發(fā)展的大趨勢。頻發(fā)的自然天氣災(zāi)害和不斷加劇的淡水和糧食資源短缺促使各國尋求新的技術(shù)途徑化解危機(jī)。

現(xiàn)代人工影響天氣的測量和觀測技術(shù)具有良好的發(fā)展趨勢，將充分利用當(dāng)今先進(jìn)的地球環(huán)境監(jiān)測和觀測技術(shù)。將從最初的單一波長的雷達(dá)、飛機(jī)探測技術(shù)發(fā)展到集裝載先進(jìn)探測系統(tǒng)的飛機(jī)、大氣廓線探測、衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)、偏振雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、微波輻射計(jì)、GPS系統(tǒng)、地面中尺度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為一體、綜合先進(jìn)探測和觀測的技術(shù)。由于人工影響天氣業(yè)務(wù)的復(fù)雜性和特殊性決定了應(yīng)用于人工影響作業(yè)的飛機(jī)本身需具有良好的性能，在續(xù)航能力、飛行高度、抗不良天氣等方面有更高的要求。

飛機(jī)上裝載的先進(jìn)探測系統(tǒng)有利于了解云中水物質(zhì)的類型、數(shù)量和演變過程，可以觀測播撒前后所發(fā)生的云中水物質(zhì)的演變情況。目前廣泛采用的機(jī)載粒子測量系統(tǒng)(PMS)是基于激光拍攝粒子圖像和對粒子記數(shù)的粒子譜測量系統(tǒng)。由多個(gè)探頭組成，分別裝在飛機(jī)的不同部位，經(jīng)過多年的發(fā)展，可以覆蓋很大范圍的粒子尺度(0.1 μm到幾毫米)，包括氣溶膠和云粒子。在人工影響中另一個(gè)需要測量的重要參數(shù)是液態(tài)水含量(LWC)，目前廣泛使用的儀器是King熱線含水量儀，其原理是由云滴撞擊暴露在飛機(jī)外氣流中的一個(gè)加熱傳感器元件產(chǎn)生冷卻效應(yīng)的大小決定，其局限性是對大于50 μm的大滴的測量誤差較大。改進(jìn)和研發(fā)過冷水探測技術(shù)將是人工影響科技發(fā)展的重要趨勢之一。

目前我國多普勒雷達(dá)網(wǎng)已初步建立，在降水觀測、強(qiáng)天氣監(jiān)測與預(yù)警方面將發(fā)揮重要的作用。如何從多普勒雷達(dá)觀測信息中獲取人工影響天氣作業(yè)所需的相關(guān)信息，支撐人工影響業(yè)務(wù)工作，是今后人工影響面臨的緊迫任務(wù)之一。目前美國NCAR、NOAA、NASA(美國國家航空航天局)的探測飛機(jī)上裝備了高精度、高分辨率的機(jī)載多普勒雷達(dá)，這將在以后的人工影響天氣領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值，也是我國飛機(jī)探測方面的重要發(fā)展趨勢。偏振雷達(dá)的最大作用是可分辨云中水成物的種類，獲得更精確的降水測量。這些能力使其在云播撒試驗(yàn)評估中具有極大的潛在價(jià)值。在成冰劑播云試驗(yàn)中，可以利用偏振雷達(dá)監(jiān)測云中過冷水滴如何轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，在吸濕性物質(zhì)播撒試驗(yàn)中，可以監(jiān)測云中大滴的發(fā)展過程。還可以采用偏振雷達(dá)跟蹤具有反射微波的金屬箔片示蹤物質(zhì)，了解云中播撒物質(zhì)的運(yùn)動、擴(kuò)散過程。目前偏振雷達(dá)僅用于研究領(lǐng)域，在一些國家的人工影響試驗(yàn)中采用了偏振雷達(dá)。美國的S波段天氣監(jiān)測雷達(dá)網(wǎng)(WSR-88D或NEXRAD)在未來幾年內(nèi)將升級為具有偏振測量能力的雷達(dá)網(wǎng)系統(tǒng)。我國最近幾年在一些試驗(yàn)研究中也采用了偏振雷達(dá)系統(tǒng)。在不斷完善的基礎(chǔ)上，偏振雷達(dá)系統(tǒng)將在我國未來的人工影響業(yè)務(wù)中發(fā)揮重要作用。毫米波雷達(dá)具有波長短(3 mm或8 mm)、靈敏度和分辨率高(小于50 m)的特點(diǎn)。由于不需要大的天線和強(qiáng)大功率的發(fā)射機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)對弱信號目標(biāo)的探測，獲取良好、詳細(xì)的信息，且其重量輕，因此可以方便地裝載在地面移動、飛機(jī)、衛(wèi)星等觀測平臺上，目前在國外已經(jīng)投入業(yè)務(wù)使用，在我國也得到初步發(fā)展和應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)是易被液態(tài)水衰減，探測范圍有限。

由于衛(wèi)星監(jiān)測可以提供較大范圍的云和降水狀況，如水汽場、氣溶膠粒子數(shù)及其譜分布、滴譜特征、云頂溫度等，在人工影響天氣領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如可見光、紅外監(jiān)測衛(wèi)星、裝載降水雷達(dá)、微波成像儀、可見光、紅外輻射計(jì)的熱帶測雨衛(wèi)星(TRMM)、裝載毫米雷達(dá)的測云衛(wèi)星CloudSat及其他衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用，提供了豐富的人工影響天氣所需的云信息。衛(wèi)星觀測已經(jīng)在無意識人工影響天氣的研究中發(fā)揮了重要的作用，衛(wèi)星信息可用于反演云降水結(jié)構(gòu)、演變特征等各個(gè)方面。大力發(fā)展衛(wèi)星信息在有意識人工影響天氣業(yè)務(wù)中的應(yīng)用無疑是今后發(fā)展的必然趨勢。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高靈敏度的風(fēng)廓線儀已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對對流層風(fēng)廓線的連續(xù)測量，其與聲雷達(dá)的配合可以實(shí)現(xiàn)溫度廓線探測。地基GPS接收器可以進(jìn)行垂直水汽總量探測，也可以采用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對水汽廓線的測量。在人工影響天氣中，垂直水汽的分布特征是一個(gè)重要參數(shù)，如何有效利用這些新型大氣廓線測量系統(tǒng)測量的大氣風(fēng)廓線、溫度廓線、濕度廓線等進(jìn)行人工影響天氣業(yè)務(wù)指導(dǎo)也是很重要的發(fā)展趨勢。

數(shù)值模式將成為提高人工影響天氣能力和發(fā)展的重要組成部分。目前的計(jì)算機(jī)資源已經(jīng)能夠提供具有短期預(yù)報(bào)價(jià)值的云實(shí)際模擬能力，把具有詳細(xì)云物理過程、具備資料同化功能的數(shù)值模式應(yīng)用于人工影響天氣的實(shí)際業(yè)務(wù)中已經(jīng)成為可能。特別是與人工影響天氣有關(guān)的各種微物理過程，在不斷檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上采納和引入，可以降低人工影響天氣工作的很多不確定性，提升業(yè)務(wù)能力和科技水平。

數(shù)值模式在三個(gè)方面可以應(yīng)用于人工影響天氣作業(yè)，即有關(guān)的方案設(shè)計(jì)、論證，作業(yè)過程的指導(dǎo)，作業(yè)后的分析。這樣有利于建立優(yōu)化播云方案、凝練和建立物理假設(shè)。數(shù)值模式能夠在相同的云況條件下比較播撒與無播撒的異同，明確播云效果，也可以模擬播撒物質(zhì)的擴(kuò)散路徑，提供外場試驗(yàn)和作業(yè)所需的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，提供不同播撒方式產(chǎn)生的潛在效應(yīng)。

數(shù)值模式和資料同化可以降低傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的不確定性。采用復(fù)雜的數(shù)值模式，可以顯示處理不確定性因素，并能進(jìn)行作業(yè)和控制試驗(yàn)的時(shí)空對比。目前我國在數(shù)值模式研究方面發(fā)展迅速，已經(jīng)初步具備適用于人工影響天氣作業(yè)設(shè)計(jì)和效果驗(yàn)證試驗(yàn)的云和降水模式，但還沒有完全實(shí)時(shí)應(yīng)用到外場作業(yè)試驗(yàn)中，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要解決模式運(yùn)行速度(如采用較低的分辨率、較簡單的物理過程)，同時(shí)需要采用快速云物理參數(shù)的資料同化和初始化技術(shù)。模式技術(shù)總是具有一定的不確定性，人工影響天氣模式和其他數(shù)值模式一樣，需要對一些因初始條件、邊界條件、模式本身和人工影響過程所具有的不確定性量化，提升模式的應(yīng)用能力。

實(shí)驗(yàn)室研究在人工影響天氣的研究中具有不可缺少的作用，實(shí)驗(yàn)室研究最大的特點(diǎn)是具有可控實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件和觀測條件，試驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室研究在人工影響天氣領(lǐng)域具有重要的作用，可以研究云粒子的形成過程、播撒劑的成核率檢測等，為人工影響提供了扎實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。但實(shí)驗(yàn)室研究也具有局限性，只有實(shí)驗(yàn)室研究與理論、數(shù)值模式研究及觀測研究有機(jī)結(jié)合在一起，才能實(shí)現(xiàn)人工影響天氣業(yè)務(wù)科學(xué)水平的真正提高。

GPS的大量采用可以實(shí)現(xiàn)播云作業(yè)中作業(yè)目標(biāo)位置的精確顯示及作業(yè)飛機(jī)的準(zhǔn)確定位，這有利于掌控和評估播云作業(yè)。如美國NCAR開發(fā)的TITAN軟件包，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤風(fēng)暴單體的運(yùn)動和發(fā)展，除了可以對實(shí)時(shí)作業(yè)提供指導(dǎo)，還可以進(jìn)行作業(yè)效果的后期評估。有效利用這種軟件系統(tǒng)，精確的GPS定位起關(guān)鍵作用。目前GPS探空儀已經(jīng)能夠提供很高分辨率的風(fēng)、溫、濕垂直廓線資料，在人工影響天氣業(yè)務(wù)中將發(fā)揮重要的作用。在我國的人工影響天氣業(yè)務(wù)中，GPS系統(tǒng)基本用于飛機(jī)航線定位，還沒有很好地利用GPS探空系統(tǒng)，基于GPS的作業(yè)目標(biāo)跟蹤軟件系統(tǒng)相當(dāng)薄弱，這也是今后重點(diǎn)發(fā)展的方向。

播撒技術(shù)的發(fā)展趨勢就是要建立具有扎實(shí)科學(xué)基礎(chǔ)的優(yōu)化播撒技術(shù)。發(fā)展優(yōu)化的人工影響天氣播撒技術(shù)無疑對提高人工影響天氣的科技水平具有極其重要的作用，是決定播撒作業(yè)效果的關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)“適當(dāng)時(shí)間、適當(dāng)位置、適當(dāng)劑量”的優(yōu)化播撒技術(shù)，必須對作業(yè)目標(biāo)有深入、全面的了解，采用高效播撒物質(zhì)和可靠、先進(jìn)的播撒設(shè)備。這里主要重點(diǎn)介紹成冰劑與吸濕劑播撒相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

成冰劑播撒主要是針對冷云的播云技術(shù)，采用合適的成冰物質(zhì)(如AgI)，或致冷物質(zhì)(如固(液)CO2，液氮、液體丙烷等)，啟動或提高冰晶的形成過程，成冰物質(zhì)具有與冰晶相似的晶格結(jié)構(gòu)，可以促使云中過冷水快速冰晶化。不論采用靜力催化還是動力催化方法，播撒劑量的選擇在實(shí)際業(yè)務(wù)中是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)槟壳斑€沒有有效的方法快速確定云中自然冰晶的數(shù)量、過冷水的位置、大小等重要參數(shù)。這些參數(shù)對復(fù)雜的云系而言，往往是一個(gè)動態(tài)變化的三維參數(shù)。今后先進(jìn)探測技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的有效應(yīng)用可以顯著減小這些參數(shù)的不確定性。為利于實(shí)際播撒和提高成冰率，AgI往往與其他物質(zhì)混合，制成各種混合性播撒劑，其實(shí)驗(yàn)室和外場試驗(yàn)檢測、驗(yàn)證工作是今后播撒技術(shù)需要加強(qiáng)、發(fā)展的一個(gè)重要方面。成冰劑的物理化學(xué)特性對冰晶的形成速率和效率起著重要的作用，發(fā)展新型高效成冰播撒劑配方仍然是今后人工影響發(fā)展的趨勢之一。另外，過去有關(guān)成冰劑播云試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，往往對一連串物理事件和因果關(guān)系缺乏完整的觀測資料，對一些物理過程理解不完整，今后需要重點(diǎn)開展相關(guān)觀測試驗(yàn)、模擬研究和試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)評估，建立合乎邏輯的物理過程鏈，加強(qiáng)對一些不確定性問題的解決。

吸濕劑催化技術(shù)主要針對暖云區(qū)的催化技術(shù)，通過使用具有吸濕特性、適當(dāng)尺度的物質(zhì)(如鹽粒等)，增加云中凝結(jié)核(CCN)或促進(jìn)暖云和混合相云碰并降水形成過程。目前有關(guān)吸濕劑催化試驗(yàn)分為兩種，一種是大吸濕性粒子催化試驗(yàn)，采用的鹽粒子直徑大于10 μm，不通過凝結(jié)增長過程，直接產(chǎn)生啟動碰并過程的較大尺度云滴。另一種是由吸濕性煙劑產(chǎn)生的很小云凝結(jié)核(平均干直徑為0.5～1 μm)，并且有一相當(dāng)寬向更大直徑延伸的粒子譜，與自然凝結(jié)核相比，人工凝結(jié)核由于其尺度和化學(xué)特性，在爭奪水汽形成云滴、擴(kuò)展云滴譜和啟動凝結(jié)增長方面具有較大的優(yōu)勢，可以提高降水形成的效率。

在過去幾年中，盡管國際上吸濕性播云試驗(yàn)取得了較好的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，但有關(guān)其物理過程的一些基本問題需要得到解決，以提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。其中的一個(gè)基本問題是播撒物質(zhì)的擴(kuò)散、傳輸問題。第二個(gè)問題是催化粒子的尺度大小問題。另外，播云的動力效應(yīng)、物理與動力過程相互作用、播撒的影響區(qū)域等一系列問題都需要進(jìn)一步研究。

播云優(yōu)化技術(shù)的建立是決定播云效果的關(guān)鍵，對一些關(guān)鍵不確定性科學(xué)問題的深入探討和理解有利于從根本上提高人工影響業(yè)務(wù)的科技水平。如何識別可播性云，確定播撒劑量、時(shí)間、位置，播撒后的響應(yīng)時(shí)間、播撒的覆蓋面和影響體積、播撒物質(zhì)的跟蹤、擴(kuò)散、傳輸?shù)?，這些關(guān)鍵問題的解決需要利用現(xiàn)代觀測和數(shù)值模擬技術(shù)，這是今后人工影響科研和業(yè)務(wù)面臨的緊迫任務(wù)，也是人工影響科技發(fā)展的趨勢。

5 結(jié)語

盡管我國的人工影響天氣學(xué)科取得了很大發(fā)展，但當(dāng)前我國人工影響天氣的科技水平和服務(wù)能力與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求不相適應(yīng)的矛盾仍然十分突出，為解決這些問題，提出如下建議。

1)提高人工影響天氣關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展能力，重視和加強(qiáng)高層次學(xué)科領(lǐng)軍人才隊(duì)伍建設(shè)。人工影響天氣是一門高科技系統(tǒng)工程類學(xué)科，學(xué)科的發(fā)展取決于創(chuàng)新技術(shù)和人才隊(duì)伍建設(shè)，目前我國人工天氣領(lǐng)域創(chuàng)新能力不足，領(lǐng)軍人才缺乏，需要大力加強(qiáng)。

2)重視基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。我國總體人工影響天氣的科技支撐能力仍顯薄弱。人工影響天氣基礎(chǔ)性研究亟待加強(qiáng)，催化作業(yè)和效果檢驗(yàn)的科技水平有待提高。我國性能優(yōu)良的飛機(jī)探測平臺和先進(jìn)的探測裝備不足，尚缺乏滿足大范圍、高強(qiáng)度的專用探測飛機(jī)，現(xiàn)有的氣象監(jiān)測站網(wǎng)和手段還不能適應(yīng)人工影響天氣的要求。

3)建議開展以科學(xué)試驗(yàn)為目的的中長期人工影響天氣研究計(jì)劃，建立針對我國不同云系、不同作業(yè)目的的定量化指標(biāo)與評價(jià)方法。

4)針對人工影響天氣的作業(yè)對象和目的，開展相關(guān)先進(jìn)觀測技術(shù)研究，特別是先進(jìn)偏振雷達(dá)、微波及激光探測技術(shù)等的應(yīng)用與改進(jìn)研究。

5)建立先進(jìn)的云霧物理室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)，開展自然云形成和人工影響的定量化模擬試驗(yàn)。

6)積極探索人工影響天氣技術(shù)新途徑，推進(jìn)學(xué)科創(chuàng)新性發(fā)展。