段婧 王自強 李圓圓 程鵬 常倬林 林春英 岳治國 史金麗 殷占福 陳寶君 陳添宇 李集明

(1 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081;2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京100081；3 中國氣象局計劃財務司，北京 100081；4 新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣中心，烏魯木齊 830002；5 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020；6 寧夏回族自治區(qū)人工影響天氣中心，銀川 750002；7 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001；8 陜西省人工影響天氣中心，西安 710016；9 內蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，呼和浩特 010051)

0 引言

我國是世界上氣象災害發(fā)生最頻繁的國家之一，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，水資源短缺也是制約我國可持續(xù)發(fā)展的重大難題。人工影響天氣是以云降水物理學為理論基礎，在我國社會經濟迫切需求的推動下，近年來隨著大氣探測技術發(fā)展和數(shù)值模式的應用，我國云霧物理與人工影響天氣學科得到了較快發(fā)展，也取得了明顯的社會經濟效益。

為了增強我國人工影響天氣服務能力，滿足社會對人工影響天氣工作日益增長的需求，繼東北區(qū)域人工影響天氣能力建設項目后（以下簡稱東北人影項目），西北區(qū)域人工影響天氣能力建設項目（以下簡稱西北人影項目）作為我國第二個實施的人影區(qū)域能力建設項目由中國氣象科學研究院牽頭，負責工程的具體建設、管理、運行和維護，甘肅、陜西、寧夏、青海、新疆、內蒙古等?。ㄗ灾螀^(qū)）氣象局和新疆生產建設兵團氣象局等參建單位共同承擔建設任務。

為了更好地實現(xiàn)上述功能，并借鑒東北人影項目實施的經驗，西北人影項目首次在人影工程項目建設中增設了研究試驗內容。有效利用工程建設的各部分功能，通過在建設的試驗示范基地開展人工影響天氣技術研究、科學試驗和成果的業(yè)務化應用。以期形成人工影響天氣成套技術并進行推廣，從而提高我國人工影響天氣科學水平，保障工程效益的發(fā)揮。本文首先闡述研究試驗在西北人影項目中的作用、設計思路及實施方案，最后對在工程和研究試驗實施中的某些關鍵環(huán)節(jié)進行了總結性討論與思考。

1 研究試驗在人影工程中的作用

試驗研究在人工影響天氣工作中有著不可替代的重要作用。人工影響天氣是用人為的手段使天氣現(xiàn)象朝著人們預定的方向轉化（如人工增雨雪、人工防雹、人工消云、人工消霧、人工抑制雷電、人工防霜凍等）。主要利用云（霧）的微物理不穩(wěn)定性，例如在溫度低于0 ℃的云內過冷水中播撒成冰催化劑使過冷水滴轉化為冰晶；或在暖云（霧）中播撒大小適當?shù)奈鼭裥源呋瘎┐龠M雨滴的生成，從而改變云的熱力、動力結構，在不同場合下可以促進降水、減少冰雹、消云（霧）等。

目前，人工可以影響云微物理結構已經在實驗室得到驗證，也通過數(shù)值模擬和對云物理量的測量得到了證實。但是自然云霧降水復雜多變，現(xiàn)在還沒有掌握精準判別人工影響天氣作業(yè)條件的技術方法和選擇催化技術的方法。由于無法將自然變化與播云造成的影響區(qū)分開來，客觀精確評估人工影響天氣試驗的效果有一定難度，人工影響天氣至今仍是一項發(fā)展中的科學技術。面對上述問題，有效利用先進設備和科學設計開展人工影響天氣的研究試驗，并進行深入研究，有望在人工影響天氣的基礎科學問題研究上取得進展，在解決核心技術上有所進步。

西北人影項目涵蓋飛機作業(yè)能力建設、飛機作業(yè)保障能力建設、地面作業(yè)能力建設以及人影作業(yè)指揮系統(tǒng)和試驗示范基地建設五項任務，均重點體現(xiàn)在硬件設備、設施和軟件功能的建設和完善上。通過硬、軟件建設可充分提高指揮、探測能力及作業(yè)裝備的硬件性能，彌補目前西北地區(qū)已有人工影響天氣探測手段和技術裝備相對落后的現(xiàn)狀。但建設任務各部分本身是相對獨立和分散的，特別是人影作業(yè)指揮系統(tǒng)軟件建設，需要有較為完整、完善的科技成果方可支撐起科學的業(yè)務軟件平臺。基于東北人影項目實施經驗，如何將這些建設起來的硬件觀測、作業(yè)設備及軟件有效結合起來，達到充分利用，進而提升當前人工影響天氣工作的科技水平成為一個重要問題。因此，結合人影工作研究型業(yè)務的特點及西北區(qū)域實際情況，西北人影項目中研究試驗的設置在這里起到了關鍵性作用。

西北人影項目中的研究試驗，利用已有及本項目建設的裝備、設施（飛機作業(yè)能力、地面保障能力、地面作業(yè)能力及試驗示范基地等內容），通過有科學設計的專項研究，開展針對西北區(qū)域地形云的人工增雨（雪）研究試驗，從而提高通過人工增雨（雪）開發(fā)空中云水資源的科技水平，提高工程建設效益，并為西北人影項目建成后的人工增雨業(yè)務化運行（即人影作業(yè)指揮系統(tǒng)）提供成套成熟的技術方法。因此，研究試驗相當于五部分建設內容的紐帶（圖1），可將建設的軟、硬件高效利用，同時其研究成果將成為人影作業(yè)業(yè)務化運行的重要科技支撐。

圖1 在西北人影工程中的研究試驗Fig. 1 The role of research and experiment in the WeatherModification Ability Construction Project of NorthwestChina

西北人影項目研究試驗其既不同于以往氣象或人影工程項目的建設內容，也與普通的科研項目有所區(qū)別。主要表現(xiàn)在其研究內容與科研項目設置相似，特點是更偏重于外場試驗的設計和實施，重點體現(xiàn)在對兩個國家試驗示范基地及幾個試驗點的建設成果的應用上；不同于普通科研項目主要表現(xiàn)在對其預期成果的要求上，為了使研究成果能直接地應用于指揮系統(tǒng)軟件，將成果凝練為算法、指標、數(shù)據集等，以期集成并可落實到應用平臺。

綜上所述，開展試驗研究在西北人影項目中舉足輕重，研究試驗內容的設置作為紐帶連接了項目建設的五個建設內容，體現(xiàn)了基礎、紐帶和科技支撐作用，不僅是落實國家發(fā)展戰(zhàn)略中依靠科技高質量發(fā)展我國人工影響天氣工作的有效措施，也是提升國家級工程項目效益和加強科技支撐的重要保障，更是堅持改革創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略在國家氣象重大工程建設中的具體實踐。

2 圍繞西北地形云人工增雨（雪）科技水平提高的研究試驗

西北地區(qū)多高山，地勢起伏較大，造就了以山系走向為主、山體影響水汽和氣流場分布的復雜地形云，特別是像天山、祁連山、三江源地區(qū)的高山，不僅關乎西北地區(qū)水資源利用和開發(fā)，而且是全國生態(tài)安全的重要屏障。由于其特殊的地理地貌特點，高山阻擋形成的典型地形云是主要降水天氣系統(tǒng)之一，同時也是人工增雨效率較高的催化作業(yè)云系。

西北祁連山、天山兩個試驗示范基地及三江源、六盤山的地形云研究，依托以往的外場試驗及近年來人工影響天氣的發(fā)展，在云降水物理學科及作業(yè)技術等方面已經取得了長足的進步。隨著近年來探測技術水平的提高和數(shù)值模擬研究及其應用技術的發(fā)展，一些先進的探測和作業(yè)設備在人工影響天氣中得到了應用，數(shù)值模式在人工影響天氣作業(yè)條件預報、識別、效果評估及機理等方面的研究中都起到了重要作用。根據以往的研究成果和經驗，西北地區(qū)建設范圍內的兩個國家級試驗示范基地（祁連山地形云人工增雨（雪）試驗示范基地、天山地形云人工增雨（雪）試驗示范基地）中，祁連山地區(qū)地形云產生的降水條件較好，山區(qū)空中水汽資源相對豐富，獨特的地理條件使其成為人工增雨（雪）的極佳地區(qū)；天山山脈以北的北疆地區(qū)成云多，但降水卻不充分，云水資源潛力大。結合西北地區(qū)區(qū)域特點及業(yè)務需求，在西北人影工程中選取了人工增雨效果較高的地形云作為催化作業(yè)云系的重點研究目標，研究試驗也主要圍繞地形云在試驗示范基地設計試驗和開展。

因此，西北人影項目將依托工程建設，開展重點以地形云人工增雨（雪）為主的研究試驗，為充分有效的開發(fā)空中云水資源，提高地形云降水效率，增加地面降水量，是改善西北地區(qū)水資源欠缺的有效途徑之一，也是恢復和改善西北生態(tài)脆弱地區(qū)的重要途徑。

2.1 設計原則

通過開展研究試驗，可為西北人影工程提供驗證數(shù)據、資料，解決各項建設任務技術難點和有關問題，實現(xiàn)工程所建各項設備設施的科學應用、各項建設任務的有效落實和工程整體效益的切實發(fā)揮；同時，促進人影關鍵技術研制，發(fā)揮人工影響天氣技術、指標和方法等相關成果對后續(xù)其他相關工程的借鑒作用，減少后續(xù)相關工程建設中重復性問題的出現(xiàn)。

因此，其設計原則一是主要內容設計以地方需求為導向，與工程建設任務緊密結合、同步設計、同步實施；二是采用的技術方法與路線充分體現(xiàn)可行性和先進性；三是獲得的試驗成果可直接應用于工程項目業(yè)務化運行。

2.2 主要內容及研究目標

依據設計原則和研究現(xiàn)狀，西北人影工程研究試驗內容重點以西北地形云為研究目標，主要包含作業(yè)背景條件分析、綜合觀測對比試驗、增雨作業(yè)驗證試驗以及新型資料云數(shù)值模式融合試點應用的4個部分（表1）。

表1 西北人影工程研究試驗主要內容和研究目標Table 1 Main content and research objectives of researchand experiment

2.3 凝練科學問題及成果需求

設計中對主要研究內容、技術路線和預期成果通過四部分（圖2）實現(xiàn)：1）利用模式或試驗可獲取雨量場、氣流場、水汽場、云水資料分布、四維云場及多種手段獲取的云監(jiān)測產品等的歷史背景場及實時場，研究云降水概念模型及人工增雨（雪）作業(yè)概念模型，提出初步可應用的催化效果評估方案；2）上述雨量、氣流等歷史背景場，作為開展研究試驗的基礎性成果，結合當?shù)卦平邓腿斯ぴ鲇辏ㄑ┳鳂I(yè)概念模型，可服務于監(jiān)測設備選址及作業(yè)設備布點等方面；3）上述雨量、氣流等實時場，結合人工增雨（雪）作業(yè)概念模型可有效輔助指揮作業(yè)；4）上述雨量、氣流等歷史背景場和實時場，是完成催化效果評估方案的必要條件。所有預設功能的完成需將研究試驗成果集成于指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)研究成果的應用。在此基礎上，結合項目建設的具體要求及業(yè)務亟需解決的問題，總結并凝練了需要解決的幾個重點問題：可用的空中云水資源有多少；人工增雨（雪）的作業(yè)方法；人工影響天氣作業(yè)效果如何評價。這三個問題也是一直圍繞人工影響天氣工作的三個核心問題，將其作為西北人影工程研究試驗的重點研究問題，使所有研究和試驗方案都圍繞此開展。

圖2 研究試驗設計思路Fig. 2 Design of research and experiment

3 實施及初步成效

針對西北人影工程中實施研究試驗的新內容，創(chuàng)新運行機制，全面、認真論證了研究試驗內容和任務分解的科學性、運行體制的可行性，形成了完整的實施方案。

為有效利用工程建設成果并充分發(fā)揮國家人影中心和地方人影部門優(yōu)勢，研究試驗項目設計經多方征求意見并通過專家論證，在研究內容上，形成了圍繞祁連山、天山兩個試驗示范基地及青海三江源、寧夏六盤山、陜西渭北和內蒙古巴彥淖爾試驗點的符合西北地區(qū)特色的六個研究試驗專題，在科學設計的基礎上，預計開展重點以地形云為目標的研究試驗。同時，統(tǒng)籌考慮了西北區(qū)域研究試驗內容特點，設立了氣候背景研究及模式研究兩個分任務，與上述六個研究試驗專題共包含八個研究項目（圖3）。

圖3 研究試驗的任務分解Fig. 3 Task decomposition of research and experiment

4 試驗的措施

在項目實施階段，依據前期的充分調研和討論，利用通過公開招標采購的方式委托研究項目任務。各項目設立首席科學家，每個任務的首席科學家由高校或科研機構的學科帶頭專家承擔，引領試驗設計和研究工作，通過共同討論和論證，保障研究內容和試驗設計的先進性；其團隊與地區(qū)業(yè)務部門專家共同完成試驗實施和研究工作，依此形成的以首席科學家為首的研究團隊，包含高?？蒲袡C構及地方業(yè)務人員，形成資源、技術和設備優(yōu)勢互補，相互促進，同時促進地方業(yè)務人員的成長，青年的培養(yǎng)。以此充分調動全國大氣物理及相關學科優(yōu)秀科學家及研究團隊，有針對性地集中優(yōu)勢力量開展試驗研究，這也是西北人影工程建設中的一項重大突破。同時，采用了相關研究任務以科研項目形式直接下達的方式，促進各建設單位對西北人影工程研究試驗項目的深度參與，加強地方氣象部門人才培養(yǎng)。

實施中，根據公開招標的要求，編制完成了適宜于研究試驗的招標文件、合同及相關任務書范本。其中技術參數(shù)和考核指標等內容都在參考招標文件要求的基礎上，依據研究試驗各分包的內容進行了詳細有特點的設定。研究試驗成果的一個重要體現(xiàn)就是與西北人影工程項目指揮系統(tǒng)的對接，因此考核指標除了首先滿足研究試驗內容需求以外，將成果明確為提交數(shù)據集、指標和算法，并具有可考核性。對研究成果的具體工程化要求，在推動成果轉化的同時，是落實研究試驗成效的一個有力措施。

5 結論與思考

通過研究試驗在西北人影工程中的實踐來看，研究試驗在工程項目中的作用舉足輕重。其將各建設內容有機結合，作為各部分的紐帶，有助于建設成果的集成應用，其實施具有較好的試驗示范作用，并將有效提高工程建設效益。

目前的西北人影工程研究試驗與國家生態(tài)建設要求緊密結合，側重解決包括西北地區(qū)云水分布和收支、作業(yè)概念模型及效果評估等重要問題。預期通過項目科學設計、執(zhí)行機制的創(chuàng)新，結合科研項目任務下達的方式，將科學家、地方建設單位和國家建設單位三者更好地融合起來。公開招標的方式將吸引各方優(yōu)秀團隊和先進技術力量共同參與，形成成果共享、共同進步、互利共贏的良好局面；通過科研項目任務下達加深地方建設單位的深度參與，有利于地方人才的培養(yǎng)和技術儲備升級。另外，執(zhí)行過程中編制完成的適宜于工程項目研究試驗類的招標文件、合同及相關任務書是經過了多方論證和討論形成的范本，可為今后同類項目的執(zhí)行提供依據。

另外，既是新事物，便需更多探索和實踐。根據研究試驗部分在工程項目執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題，總結經驗，有以下幾個方面需進行重點考慮：

1）多方咨詢，政策支撐。作為第一個在工程建設中設置的研究項目，如何做好是一個挑戰(zhàn)。通過集中全國人工影響天氣、云降水物理及多學科專家共同多方討論，保障了形成的技術實施方案具備的先進性；通過向體制內、外的職能部門專家咨詢，保障了項目執(zhí)行過程中的合理、可行性。這是研究試驗順利執(zhí)行的技術和政策保障。

2）加強溝通，適當引導重應用。區(qū)別于以往的科研項目，本項目在執(zhí)行過程中，為使研究成果能更好的得到業(yè)務應用，研究試驗將在這方面起到更多的引導作用。將更多開展與指揮系統(tǒng)等多方討論、溝通總結和交流，以求研究成果能盡快適應指揮系統(tǒng)，在指揮作業(yè)中得以應用。這也是研究試驗的一個重要任務。

3）重視管理，加強交流與適時檢查并重。研究試驗的任務分解后包含八個任務內容。任務分解方式對項目管理方提出了較高的要求，如何將各部分內容在各自的研究范圍內突出重點，并可如期按要求完成任務，定期組織各項目檢查及項目間的交流便十分重要，以此可及時發(fā)現(xiàn)各自執(zhí)行中的問題并盡快解決，各項目間也可互通有無、相互借鑒。