郭世鈺 張玉欣 韓輝邦

（青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810001）

0 引言

人工影響天氣是指通過人為手段對局部地區(qū)施加影響，使得天氣朝著期望的方向發(fā)展。人工影響天氣具體有人工增雨（雪）、人工防雹、人工消雨（雪）、人工消霧等。主要手段有地面火箭增雨、高炮防雹、飛機(jī)播撒催化劑等。我國是受自然災(zāi)害影響很嚴(yán)重的國家之一。很多災(zāi)害和隱患的出現(xiàn)與云和降水的演變息息相關(guān)，在一定程度上能通過人工干預(yù)達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)消除隱患的目的。人工影響天氣技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已能夠較好地對云雨施加影響，達(dá)到增雨或減雨，以緩解旱災(zāi)或洪澇；針對雹云也同樣能夠?qū)嵤┓辣⒆鳂I(yè)達(dá)到人工消雹的目的；森林火災(zāi)的消災(zāi)以及增雪防災(zāi)工作也在諸多省份開展；機(jī)場人工消霧也得到了普遍應(yīng)用，有力保障了航空安全運(yùn)行。

人工影響天氣作為試驗性學(xué)科，業(yè)務(wù)都建立在觀測試驗基礎(chǔ)上，通過聯(lián)合多種特種觀測設(shè)備資料來加強(qiáng)對云中宏微觀物理演變特征、云形成發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識，從而使之更加科學(xué)有效地開展。不同的地理環(huán)境在試驗中具體的觀測方式、觀測對象有所不同。我國在觀測試驗設(shè)計合理性、技術(shù)先進(jìn)性、手段多樣性等方面近年來都有了一定程度的發(fā)展，也有很多高性能探測設(shè)備面世，綜合觀測能力大大增強(qiáng)。

云降水物理學(xué)是人工影響天氣的學(xué)科基礎(chǔ)，而其發(fā)展離不開對云內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、成云過程、粒子生長過程、粒子分布特征及降水形成過程等的深刻認(rèn)識。近年來，國外學(xué)者在云降水研究中做了許多工作，廣泛利用模式或觀測數(shù)據(jù)與模式結(jié)合的方式對研究區(qū)域的云降水宏微觀物理過程或降水垂直結(jié)構(gòu)展開研究[1-5]，或通過統(tǒng)計研究多元地面觀測資料分析降水參量的周期性變化[6]，也有學(xué)者利用飛機(jī)觀測資料對氣溶膠—云相互作用開展了試驗研究[7-9]。為更好地獲取云物理資料，掌握云內(nèi)粒子相態(tài)及分布情況，進(jìn)而實現(xiàn)更加科學(xué)合理的人工影響天氣，我國同樣開展了大量觀測試驗，如依靠飛機(jī)平臺開展全國性的機(jī)載探測試驗，在地面開展成規(guī)模的遙感探測試驗，廣泛應(yīng)用各種雷達(dá)、微波輻射計、雨滴譜儀、探空系統(tǒng)等先進(jìn)探測設(shè)備，目前已經(jīng)建立了很多云系發(fā)展概念模型，形成了對雹云發(fā)展的初步認(rèn)識，也加強(qiáng)了對層狀云、對流云及混合云系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。我國人工影響天氣在發(fā)展中取得了涵蓋作業(yè)、觀測、設(shè)備等多方面的成果與進(jìn)展[10-15]，同時也存在許多未解決的科學(xué)問題，先進(jìn)探測手段的應(yīng)用能力依然存在不足，制約了對云微物理的認(rèn)識水平。針對人工影響天氣中依然難以說清的效果問題，目前檢驗手段發(fā)展較慢且對試驗設(shè)計實施要求甚高，種種問題都在激勵和引導(dǎo)著人工影響天氣工作者們持續(xù)不斷地努力與付出。本文著重介紹近年來我國典型觀測試驗所取得的成果，對氣溶膠、云凝結(jié)核、大氣冰核觀測試驗、層狀云觀測試驗、對流云觀測試驗、混合云系觀測試驗、地形云觀測試驗等方面展開綜述，討論目前主要研究進(jìn)展和有待解決的科學(xué)問題。

1 氣溶膠、云凝結(jié)核及大氣冰核觀測試驗

氣溶膠光學(xué)特性直接影響大氣輻射的吸收散射，能間接影響云和降水，這一特征使得人工影響天氣得以實現(xiàn)。氣溶膠活化為云凝結(jié)核（CCN）、大氣冰核（IN）后的活化譜特征以及CCN濃度分布特征都是人工影響天氣觀測的重點(diǎn)。對氣溶膠的觀測主要依托天基、地基、星基或聯(lián)合觀測幾種類型。目前以飛機(jī)探測為主，多種觀測手段為輔的方式開展，機(jī)載探測主要依靠機(jī)載探頭對氣溶膠進(jìn)行直接探測，能得到大氣垂直和水平尺度上氣溶膠濃度、粒徑、圖像等信息，但無法獲得較長連續(xù)時段數(shù)據(jù)，地基、星基的穩(wěn)定觀測能夠彌補(bǔ)飛機(jī)探測時間的不足，近年來利用地基、星基觀測廣泛開展氣溶膠與環(huán)境、來向軌跡、光學(xué)特性在輻射中的作用以及人類活動對環(huán)境的影響等問題的研究受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)開展的大量有關(guān)氣溶膠、CCN、IN的觀測試驗中使用較多的是新一代粒子測量系統(tǒng)（PMS）、美國DMT公司的粒子測量系統(tǒng)、地面云凝結(jié)核計數(shù)器（CCNC）、掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）和機(jī)載云凝結(jié)核計數(shù)器、比格混合云室（Bigg Chamber）、靜力真空水汽擴(kuò)散云室等測量設(shè)備。某些試驗中為研究特殊條件下，例如晴空、降水、霧霾、冷鋒過境等天氣背景下的氣溶膠，利用一次飛機(jī)探測資料配合地面設(shè)備對該地區(qū)氣溶膠進(jìn)行分析[16-18]，可以發(fā)現(xiàn)個例中相較于普遍情況的異常變化及產(chǎn)生原因。也有研究人員利用某一地區(qū)累計多次的飛機(jī)探測資料進(jìn)行分析研究[19-21]，這類試驗中將多組資料組成較長時間尺度的數(shù)據(jù)集，排除單次試驗個例的偶然性，對于獲得該地區(qū)普遍情況下的氣溶膠分布更為有利，分析結(jié)果也更為科學(xué)可信。

利用試驗資料研究氣溶膠垂直水平分布、粒子譜分布、粒子濃度，分析CCN活化特征、分布狀況，IN在不同活化溫度下的濃度變化特征都取得了很多成果：氣溶膠受天氣狀況影響明顯，氣溶膠粒子在逆溫層中累積明顯，存在極大值[22-23]，風(fēng)速較小、相對濕度較大時氣溶膠易發(fā)生積累[24]（圖1）。降水過程對氣溶膠分布、尺度也具有明顯影響，降水發(fā)生前氣溶膠數(shù)濃度偏高，降水發(fā)生后由于沖刷作用使得氣溶膠數(shù)濃度普遍偏低，降水前后數(shù)濃度能相差1個數(shù)量級，水平分布極不均勻。陰天和降水過程氣溶膠粒子濃度相較于晴空時要稍大一些[19-20]，云內(nèi)氣溶膠數(shù)濃度會隨高度波動增長，粒子尺度會隨碰并增長而增大。氣溶膠的源區(qū)一般位于地面，在近地面有濃度最大值且隨高度指數(shù)遞減[25]，在邊界層附近也常出現(xiàn)氣溶膠的大值區(qū)。地基、星基探測設(shè)備以遙感探測為主，遙感探測試驗主要的研究對象為氣溶膠光學(xué)特性，如氣溶膠光學(xué)厚度、消光系數(shù)、退偏振比、色比等要素的時空分布，有利于研究氣溶膠的直接、間接輻射以及大氣污染的時空變化等。根據(jù)CloudSat以及MODIS衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)，我國北方地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度高低值區(qū)受地形影響明顯，大值區(qū)集中在南疆盆地、華北地區(qū)等地勢較低處，季節(jié)分布也存在地區(qū)差異，北方西部地區(qū)春季最大，東部夏季最大[26]，同樣利用MODIS和CALIPSO level 2產(chǎn)品研究華東地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度分布也具有高地勢處有小值，低地勢處有大值的特征[27]。利用葵花-8衛(wèi)星資料反演東南沿海地區(qū)氣溶膠時空分布發(fā)現(xiàn)，氣溶膠光學(xué)厚度沿海岸線呈帶狀分布，且在春季有最大值，與北方地區(qū)東部的季節(jié)變化存在差異[28]?；贑ALIPSO研究華東地區(qū)氣溶膠垂直分布，發(fā)現(xiàn)隨著高度升高大氣散射能力減弱[29]。我國國產(chǎn)FY-4A靜止衛(wèi)星AGRI藍(lán)光波段反演的氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果與MODIS衛(wèi)星趨勢一致，有較高的相關(guān)性[30]。除了對氣溶膠分布及特性的研究，在人工影響天氣工作領(lǐng)域，氣溶膠活化為CCN及IN對云中宏微觀特性的研究也占據(jù)重要地位。

圖1 2013年8月19日山西省飛機(jī)上升階段觀測到的氣溶膠總散射系數(shù)及風(fēng)向和風(fēng)速（a）、氣溶膠數(shù)濃度（b）、溫度（c）、相對濕度（d）的垂直分布[24]Fig. 1 Vertical distributions of scattering coefficients of aerosol particles with wind direction and wind speed(a), number concentrations of aerosol particles (b),temperature (c), and relative humidity (d) in Shanxi during the airplane ascent stage on 19 August 2013[24]

CCN作為特殊的氣溶膠與氣溶膠具有相似的分布情況，CCN的濃度大值區(qū)也集中在近地面1500 m以下，由于垂直方向的湍流擴(kuò)散與動力沉降的動態(tài)平衡使得CCN濃度隨高度遞減。在我國北方地區(qū)，同一高度上隨著過飽和度的增加CCN活化濃度增加，不同高度下過飽和度增加相同時CCN活化濃度增加不同，低層CCN活化比例小于高層[31-33]。其中在不同過飽和度下CCN濃度不同，CCN濃度在同一地區(qū)的不同天氣背景下也有不同表現(xiàn)，發(fā)生霧霾天氣時其濃度遠(yuǎn)大于晴空時，且呈逐漸增加的趨勢，不同程度的霾出現(xiàn)時CCN濃度都要大于霧天，高濃度的CCN能使降水和霧過程減弱。由于云體對CCN的消耗作用，云內(nèi)CCN濃度要明顯小于云外，多云天和晴天相比CCN數(shù)濃度要大，晴天條件下CCN活化率隨高度增加[34-36]。按時空分布來看，CCN濃度受季節(jié)變化影響十分顯著：冬季由于供暖導(dǎo)致的煤煙增多使得CCN數(shù)濃度最高，夏季由于降水沖刷作用導(dǎo)致CCN數(shù)濃度最低。在我國南方地區(qū)，CCN濃度的季節(jié)變化也呈現(xiàn)出冬季最大，夏季最小的特征。

IN在我國的濃度變化也具有明顯的地區(qū)差異，與天氣系統(tǒng)關(guān)系密切。我國北方地區(qū)春夏季地面IN濃度日變化很大，最大最小濃度能相差1～2個數(shù)量級，當(dāng)溫度較低時（＜－15 ℃）IN濃度在沙塵天最大，陰雨天次之；當(dāng)溫度較高時（＞－15 ℃）IN濃度陰天較大。IN濃度隨高度升高而遞減，隨著粒徑增大而增大[37]，以沈陽為例，春季IN濃度明顯高于夏季。飛機(jī)觀測的IN濃度相較于地面明顯要小，降水對IN也具有明顯的沖刷作用，降水前總有IN濃度的極大值而降水后有極小值[38]。也有研究表明，降水過程除沖刷作用外，降水后也會因為微生物增多而導(dǎo)致IN濃度的增加，除此之外，吹風(fēng)天氣既能起到清除作用，也能起到輸送作用，或?qū)⒁呀?jīng)降到地面的雪輸送到空中從而導(dǎo)致IN濃度增大[39]。我國南方地區(qū)以南京為例，IN濃度相較于北方地區(qū)要低，晴好天氣下也具有明顯的日變化且與人類活動密切相關(guān)。降水清除作用明顯，在臺風(fēng)天氣IN濃度增加。水汽條件也在顯著影響IN濃度，隨著水汽增多冰核濃度也具有明顯增大[40-41]。南方的黃山地區(qū)IN濃度也要小于北方同期，與北方污染重南方較為清潔有關(guān)，吹風(fēng)起到的輸送作用要大于清除作用。無論南方或北方，IN濃度都會隨溫度的降低而呈指數(shù)增加，隨著過飽和度的增加而增加[42-45]。氣溶膠受天氣狀況影響明顯，存在季節(jié)性變化。通過我國南北方氣溶膠分布情況的對比發(fā)現(xiàn)，氣溶膠分布受多種因素影響，我國北方氣溶膠數(shù)濃度普遍大于南方；垂直方向的不均勻分布普遍存在。

室外觀測試驗?zāi)苤苯拥貙δ撤N天氣背景下或某個時間尺度上氣溶膠的變化特征進(jìn)行監(jiān)測，能很好地反映出該地區(qū)氣溶膠來源、濃度以及引起氣溶膠變化的原因，從而在污染防治、人工增雨等方面起到科學(xué)地推動作用。室外試驗的順利開展離不開室內(nèi)實驗創(chuàng)建的基礎(chǔ)。近年來開展的許多氣溶膠成核速率或成冰率的室內(nèi)實驗研究發(fā)現(xiàn)，人工冰核的成核速率受多方面因素影響，環(huán)境溫度較低時成核速率較快，以凝結(jié)核化、凝華核化為主；隨著溫度的上升，成核過程表現(xiàn)為接觸核化、浸入核化，焰劑類樣品核化速率受化學(xué)組分和燃燒性能影響明顯[46]。碘化銀（AgI）作為人工影響天氣領(lǐng)域使用最為廣泛的人工冰核，具有成冰閾溫高、成核率高等特點(diǎn)[47]。在對不同配方AgI焰劑的成冰性能研究中發(fā)現(xiàn)，成冰閾溫≤－16 ℃時不同配方焰劑成核率均能達(dá)到1012～1013g－1；－8 ℃下不同焰劑90%冰核完成核化所用時間差異較大[48]。此外，通過制備納米級AgI顆粒能增大其比表面積，提高吸附能力和表面活性，表現(xiàn)出成冰閾溫上升，成核速率加快的特點(diǎn)[49-51]。

2 云微物理和降水觀測

云微物理和降水研究是人工影響天氣領(lǐng)域的重要根基。通過對某一地區(qū)云的探測能夠深入對該地區(qū)云體結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)、云體形成發(fā)展機(jī)制、云內(nèi)粒子特征及分布狀況、降水形成機(jī)制的了解和認(rèn)識，對開發(fā)云水資源，通過人工影響天氣解決水資源短缺的現(xiàn)狀具有十分重要的意義。目前國內(nèi)對云微物理的研究一般分地區(qū)、不同云類型、一種或多種探測手段、不同時間尺度開展。人工增雨的基礎(chǔ)就是研究云雨的演變特征、云降水物理機(jī)制，并將其運(yùn)用到人工影響天氣，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)可降水云系的增雨潛力和適宜增雨部位?？茖W(xué)家們提出了我國云物理方面的發(fā)展方向，討論了目前亟待解決的科學(xué)問題，對需要重點(diǎn)研究、突破的人工影響天氣技術(shù)展開了討論，為云降水物理發(fā)展研究提出了建設(shè)性意見。黃美元[15]提出我國人工影響天氣作業(yè)時對云的選擇存在盲目性，缺乏對作業(yè)條件的識別，同時增雨時沒有保證催化劑播撒在云中能起作用的部位。洪延超等[52]認(rèn)為發(fā)展人工影響天氣必先研究和解決云和降水物理中的問題，其次由于對云和降水認(rèn)識還較為膚淺，需要開展更多觀測試驗。郭學(xué)良等[14]認(rèn)為目前由于探測手段還不夠成熟，對云的認(rèn)識還存在很多不確定性，云體的可播性、播撒后催化劑的擴(kuò)散追蹤等都是十分關(guān)鍵的問題。所以基于上述問題大力開展云微物理和降水觀測試驗十分必要。

在云微物理觀測試驗中使用最為廣泛的是機(jī)載探測設(shè)備，利用機(jī)載探頭能直觀獲取云內(nèi)粒子分布狀況，極大促進(jìn)了過冷水分布的研究，對人工增雨選取適當(dāng)催化部位科學(xué)作業(yè)具有十分重要的幫助。除空基機(jī)載探測設(shè)備外，雷達(dá)、微波輻射計、雨滴譜儀以及衛(wèi)星等遙感探測設(shè)備在云微物理研究中也占據(jù)重要的地位。云微物理觀測試驗一般針對層狀云、對流云或混合云開展，試驗方案設(shè)計一般以平飛探測、垂直盤旋探測、垂直分層探測為主，但都受制于本地區(qū)的安全高度、空域及飛機(jī)升限影響。垂直穿云試驗對了解云體的垂直結(jié)構(gòu)、水滴、冰晶垂直分布十分有效，但垂直穿云試驗對研究區(qū)域的下墊面海拔高度、地形及安全高度有較高要求，很難在高海拔多山地區(qū)實施。一些研究催化作業(yè)在云中的物理響應(yīng)及催化劑擴(kuò)散試驗也會進(jìn)行雙機(jī)探測，一架在目標(biāo)區(qū)域作業(yè)，后一架對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測。飛機(jī)配合地面雷達(dá)、微波輻射計、衛(wèi)星等探測設(shè)備的聯(lián)合觀測也能對云中粒子起到更加精確地識別，促進(jìn)對云體特征參數(shù)更加精細(xì)的認(rèn)識。

2.1 層狀云觀測試驗

層狀云是我國北方主要的大范圍降水云系，華北地區(qū)是我國開展飛機(jī)探測試驗與相關(guān)研究最為廣泛的地區(qū)之一，在層狀云的研究中發(fā)現(xiàn)：華北地區(qū)層狀云分層現(xiàn)象普遍發(fā)生，多層或雙層結(jié)構(gòu)明顯，由于分層現(xiàn)象導(dǎo)致了云中液態(tài)含水量分布十分不均勻，時常伴有干層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；“催化—供給”云結(jié)構(gòu)常見，當(dāng)“催化—供給”降水結(jié)構(gòu)建立且地面發(fā)生降水時，適宜人工增雨作業(yè)[53,54]；0 ℃層及過冷水高值區(qū)集中在3000～4000 m[54]；云系垂直水平結(jié)構(gòu)的不均勻分布普遍發(fā)生[55,56]；降水云系冷、暖云都存在，但以冷云過程居多，冷云降水中粒子增長多為凝華、碰并聚合增長，冰晶粒子直徑隨高度下降逐漸增長[53-59]。

我國西北多省由于深居內(nèi)陸遠(yuǎn)離海洋，海拔整體較高，水汽輸送條件較差，水資源嚴(yán)重短缺，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，急需開展空中云水資源開發(fā)，對云系的宏微觀研究是科學(xué)有效增雨的前提。對西北地區(qū)層狀云降水研究發(fā)現(xiàn)：西北低海拔地區(qū)夏季層狀暖云液態(tài)水豐水區(qū)集中在云層中部，與逆溫層結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，大云滴對液態(tài)水含量貢獻(xiàn)較大，隨高度增加，大云滴數(shù)濃度逐漸減小，干層現(xiàn)象也時常出現(xiàn)；在冷暖層共存的夏季層狀云中冷層粒子尺度要大于暖層，過冷層到暖層粒子尺度減小，降水粒子主要來自于冷層降落的冰晶經(jīng)過過冷層增長在暖層融化最終形成降水[60-62]；上層冰晶以凝華、凇附增長為主，下層暖層為碰并增長；對春季層狀云降水的衛(wèi)星反演研究發(fā)現(xiàn)，云層較厚且過冷水含量豐富，作業(yè)潛力巨大[63]。對西北高海拔山地的層狀云研究發(fā)現(xiàn)，祁連山地區(qū)秋季層狀云呈現(xiàn)西少東多的分布特性，與水汽分布相對應(yīng)，出現(xiàn)頻次也呈現(xiàn)減少趨勢[64]。在青海三江源地區(qū)的層狀云觀測試驗中發(fā)現(xiàn)，云粒子大值區(qū)和過冷水的高值區(qū)集中在高層云下層中，粒子濃度與直徑在水平方向上存在3～4個數(shù)量級的差異[65]。對新疆天山地區(qū)夏季層狀冷云降水的雷達(dá)探測研究表明，該地區(qū)層狀云降水存在分層現(xiàn)象，溫度層結(jié)表現(xiàn)為上部和下部冷，中部暖的特性，降水前期至峰值階段2.5～4.0 mm中等粒子和大于4.0 mm的大粒子濃度增加明顯，降水峰值階段過后該區(qū)間直徑粒子濃度會率先減小[66]。

在我國南方地區(qū)，水汽豐沛，為云系觀測提供了很好的背景條件。相對于北方地區(qū)，南方由于下墊面相對平坦、海拔較低，云底、云頂高度都相對較低，有利于實現(xiàn)飛機(jī)對云層上、中、下部的完整探測。四川秋季層狀暖云探測中，低層暖云的云底、云頂液態(tài)含水量都處在較低水平；水平方向上云滴數(shù)濃度和云滴體積平均直徑分布不均勻，兩個參量的最大值與最小值均相差1個數(shù)量級，與三江源地區(qū)的3～4個數(shù)量級形成鮮明對比。當(dāng)液態(tài)水含量較少時，云中粒子增長主要依靠碰并增長，而當(dāng)液態(tài)水含量較多時，毫米波云雷達(dá)觀測的降水性層狀云中粒子在強(qiáng)回波區(qū)通過凝華增長、碰并增長形成降水[67-68]。在江西的一次層狀云飛機(jī)探測試驗中發(fā)現(xiàn)，降水前期云系垂直水平方向都不均勻，存在明顯分層現(xiàn)象，0 ℃層以上為播種云，云內(nèi)以升華、聚合現(xiàn)象為主，針狀及柱狀冰晶與液滴共存，隨著高度降低，到達(dá)暖層的供給云液態(tài)水含量豐富，云內(nèi)粒子有效直徑明顯增大[69]。廣西地區(qū)層狀云云滴數(shù)濃度相較于北方要大1個數(shù)量級，液態(tài)含水量要高1～2個數(shù)量級。廣西秋季層狀云中，云滴生成于云下層，伴隨上升氣流上升，云滴數(shù)濃度、直徑、液態(tài)含水量都隨高度升高而增加，到了云層中部，由于逆溫作用會導(dǎo)致上升運(yùn)動減弱，云滴增大，從而碰并增長為大云滴，出現(xiàn)數(shù)濃度與粒子直徑的極大值，微物理量的水平分布也表現(xiàn)出不均勻性[70]。到了冬季層狀暖云垂直分層明顯，逆溫普遍發(fā)生且常出現(xiàn)在云頂附近，云滴數(shù)濃度的大值區(qū)集中在云下層，最大值位于云底，液態(tài)水含量與云滴直徑在云底有最小值，相較于北方冬季層狀云，各微物理量仍大于北方地區(qū)[71]。

2.2 對流云觀測試驗

對流云是我國強(qiáng)天氣的代表之一，也是重要的降水云系，強(qiáng)對流云垂直發(fā)展旺盛，云內(nèi)上升氣流劇烈，常伴有陣雨、雷暴、陣風(fēng)等惡劣天氣，但其生命史往往較短。對流云內(nèi)部過冷水含量豐富，具有很強(qiáng)的人工增雨作業(yè)潛力，但觀測試驗中出于安全考慮，飛機(jī)很難深入云中獲取數(shù)據(jù)，往往是通過遙感探測，利用衛(wèi)星、雷達(dá)對對流云形成發(fā)展及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。試驗設(shè)計主要為衛(wèi)星、雷達(dá)或兩者協(xié)同觀測為主。第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗對對流云展開了大量觀測試驗[72-77]。青藏高原對整個東亞地區(qū)氣候影響巨大，是南北能量、水汽交換的重要屏障，也是能量和水汽循環(huán)的活躍地帶，易形成對流系統(tǒng)，對我國長江、黃河流域的暴雨、洪澇具有重要影響。夏季對流云主要發(fā)生在高原東南部和中部。利用多源衛(wèi)星和C波段雷達(dá)、毫米波雷達(dá)對那曲地區(qū)的對流云垂直結(jié)構(gòu)對比分析發(fā)現(xiàn)：高原深對流云垂直發(fā)展旺盛，水平發(fā)展較弱且尺度較小，以10 km為界，上層為小粒子，下層為大粒子，相態(tài)以冰相為主。深對流和淺對流都存在混合相和冰化過程[72]。梅垚等[73]通過對那曲地區(qū)多種雷達(dá)資料的研究指出，高原地區(qū)對流云的發(fā)展尺度在垂直和水平方向上都不大，發(fā)展消亡快，出現(xiàn)頻次高。借助毫米波云雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，對流云強(qiáng)度與上升運(yùn)動具有正比的關(guān)系，云中以冰晶為主，由于過冷水較為豐富、上升氣流較強(qiáng)，保證了冰晶撞凍、凇附過程劇烈，導(dǎo)致了霰粒子含量較高[74]。這與利用WRF模式對那曲地區(qū)對流云模擬的研究結(jié)論一致[75]。高原地區(qū)對流云以深對流居多，與高原地形和熱力作用息息相關(guān)。

我國南方江淮地區(qū)對流云觀測試驗針對對流云合并現(xiàn)象的觀測較多。合并現(xiàn)象在對流云中較為常見。對流云中由于氣流復(fù)雜多變，在氣流的輸送作用下云內(nèi)要素也存在不均勻分布。由于垂直運(yùn)動的水平不均勻性和明顯的氣壓梯度力、低層大氣輻射的增溫作用以及兩個對流云中的上升氣流與下沉氣流的耦合，都會導(dǎo)致對流云的合并。對流云合并存在多種方式，如從多個對流單體合并為一個超級單體，也有大的對流系統(tǒng)吞并單個對流單體、多個對流云團(tuán)多次合并。衛(wèi)星云圖上，云團(tuán)在合并作用下結(jié)構(gòu)變得更加密實、邊緣變得光滑，雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)、徑向速度增大、回波頂高和垂直液態(tài)水含量顯著增大。對流云的合并也導(dǎo)致了系統(tǒng)生命史延長、云體面積增大、強(qiáng)度增強(qiáng)，使得本就強(qiáng)烈的對流規(guī)模更大，造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，如降雹、陣風(fēng)、短時強(qiáng)降水等[78-83]。

2.3 混合云系觀測試驗

積層混合云是層狀云中嵌套有對流單體。該種云系往往生命期較長，多出現(xiàn)持續(xù)性降水，也是人工增雨的重要對象。Hou等[79]發(fā)現(xiàn)太行山區(qū)積層混合云中，過冷水一般在溫度高于－6 ℃時出現(xiàn)，嵌套在層狀云中的對流單體在－6～－3 ℃含有大量過冷水，最大值能達(dá)到0.57 g/m3，但在層狀云區(qū)最大過冷水含量不超過0.1 g/m3；在－10 ℃以下對流區(qū)冰晶尺度很大，能超過1 cm，以輻枝狀及聚合體為主；在－5～－3℃時，含有大量小尺度冰晶，以淞附狀及針狀為主（圖2）。Yang等[80]研究發(fā)現(xiàn)，嵌套淺對流云的層狀云中冰粒子高濃度區(qū)位于淺層對流云的過冷區(qū)，其形狀主要為柱狀和針狀，該區(qū)域冰粒子濃度增加原因很大程度是由Hallet-Mossop機(jī)制造成的，通過二維粒子圖像發(fā)現(xiàn)此類冰晶從弱對流區(qū)下落至層狀云區(qū)能繼續(xù)增長。Li等[81]研究山東地區(qū)混合云不同區(qū)域?qū)Υ呋蟮捻憫?yīng)發(fā)現(xiàn)，對流區(qū)播撒后回波頂高和反射率因子明顯增加，降水粒子尺度增大明顯，對流區(qū)內(nèi)的上升氣流有助于將AgI帶入過冷水豐富的區(qū)域，同時過冷水凝結(jié)釋放的潛熱能更好的促進(jìn)云層發(fā)展，從而導(dǎo)致貝吉隆過程和碰并過程加速，使得大粒子快速形成以增加降水；而層狀云區(qū)播撒后回波頂高和反射率因子減小，粒子尺寸從700 μm增大至5700 μm，過冷水因AgI的加入凝結(jié)為冰晶，再通過下沉過程長大，最終形成地面降水。朱士超等[84]指出，WRF模式對云系的演變模擬較為準(zhǔn)確，但在高層和低層都表現(xiàn)出對小粒子的模擬偏低，對大粒子的模擬偏高。積層混合云中的液態(tài)水含量豐富但不均勻。蔡兆鑫等[85]發(fā)現(xiàn)，混合云的強(qiáng)可播區(qū)較大，作業(yè)后云系整體發(fā)展較為旺盛，作業(yè)后的小云粒子濃度有明顯減少，大云滴濃度增加，增雨效果明顯。就太行山探測飛行的一次典型試驗開展研究[86-87]發(fā)現(xiàn)，太行山東麓強(qiáng)對流區(qū)中的積層混合云粒子濃度存在分層，冷云上層過冷水含量豐富；在弱對流區(qū)域云粒子垂直分布不均勻，液態(tài)水含量有分層現(xiàn)象；在無明顯對流區(qū)過冷水含量較少；對流的發(fā)生導(dǎo)致了降水粒子濃度的增加以及液態(tài)水含量高值區(qū)高度的升高；豐富的冰晶粒子下落到過冷水豐富區(qū)時，以聚并凇附的形式增長，低過冷水區(qū)凇附顯著減弱；對流泡中小粒子濃度、液水含量比對流泡外要高很多。

圖2 嵌入式對流區(qū)的冰粒子CPI圖像示例[79]Fig. 2 Example CPI images of ice particles in the embedded convective region[79]

2.4 地形云觀測試驗

地形云是山地地區(qū)的重要降水云系，也是人工影響天氣中最具有增雨潛力的云系之一。濕空氣在前進(jìn)過程中受地形的阻擋作用向上爬升，上升過程伴隨著水汽的凝結(jié)增長，逐漸形成云體。地形云觀測資料相對缺乏，主要依靠地面常規(guī)資料、探空資料與雷達(dá)資料。觀測試驗的開展時間較長，一般持續(xù)1～3個月，通過獲取多次有效觀測數(shù)據(jù)來研究地形云形成發(fā)展特征及降水特征。

西北地區(qū)是地形云出現(xiàn)的主要地區(qū)，新疆天山、寧夏六盤山、橫貫青海和甘肅的祁連山都是地形云多發(fā)的地區(qū)。地形云觀測試驗也主要集中在上述地區(qū)。鄭國光等[88]指出，夏季祁連山地區(qū)地形云云量豐富，且在西南氣流影響下伴隨豐富的水汽總云量能達(dá)到八成，水汽充足時降水極易形成，降水粒子以小雨滴為主。陳添宇等[89]從風(fēng)場、水汽場、熱力作用、大氣穩(wěn)定度等方面揭示了山風(fēng)谷風(fēng)共同作用使得祁連山區(qū)地形云發(fā)展的現(xiàn)象。西南氣流導(dǎo)致南部水汽向北輸送，北坡晝間濕空氣受動力抬升作用有利于降水的形成，得出了地形云易在北坡發(fā)展的結(jié)論。把黎[90]研究得到了相似結(jié)果，指出系統(tǒng)配合導(dǎo)致了地面輻合線的維持，使得抬升作用明顯，分散地形云的合并加強(qiáng)，使得祁連山北坡降水要大于南坡。張國慶等[91]發(fā)現(xiàn)，相鄰層結(jié)從低層到高層有時會出現(xiàn)氣旋性切變，導(dǎo)致氣流輻合抬升；河谷地區(qū)逆溫層、逆濕層出現(xiàn)頻率高，山頂高度水汽充足有利于降水的形成。劉蓓[92]指出，由于山谷風(fēng)環(huán)流，谷內(nèi)夜間對流增強(qiáng)導(dǎo)致云量夜間最大；山谷風(fēng)與祁連山地形云有很好的相關(guān)性，通常山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換后積雨云也會逐漸消散。朱平等[93]發(fā)現(xiàn)，不同分型的天氣背景對湟水谷地地形云促進(jìn)作用不同，地形云發(fā)展成熟時常常發(fā)展為普通單體、脈沖單體、多對流單體。馬學(xué)謙等[94]指出，不同坡度下祁連山地形云的成云特征不同，大坡度下的成云機(jī)制為簡單的水汽抬升凝結(jié)及高空碰并過程；坡度較小時，云單體間水汽與能量交換易形成強(qiáng)單體；更小坡度下，既有暖云過程也有冷云過程。曹寧等[95]指出，六盤山對流云降水過程中，山脊區(qū)反射率因子、反射率衰減均大于山谷區(qū)，對流云成熟時強(qiáng)中心位于單體中上部；層狀云降水過程中山脊、山谷的降水粒子以霰或霰混合雪粒子為主。

3 討論與小結(jié)

我國人工影響天氣觀測試驗開展情況已經(jīng)具有較長時間的沉淀，無論是試驗方案設(shè)計、試驗資料數(shù)據(jù)儲備還是研究成果的轉(zhuǎn)化都已經(jīng)較為成熟。部分試驗是針對局地的一些突出特征所設(shè)計的，如在多山地地區(qū)開展地形云試驗，在重污染地區(qū)開展氣溶膠觀測試驗。因地制宜的試驗方案設(shè)計不僅僅是為了方便開展而為之，更重要的是研究成果能夠造福當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境與人民大眾。但其中依然有很多問題亟待解決，需要人工影響天氣工作者持續(xù)的付出與努力。

1）氣溶膠受大氣活動影響具有很強(qiáng)的流動性，其遠(yuǎn)距離輸送能造成局地氣溶膠濃度劇增，而大氣運(yùn)動時刻處在變化中，所以氣溶膠活動規(guī)律也變化莫測。盡管目前開展了大量的氣溶膠分布研究，但受氣候變暖、人類活動等的影響，很難準(zhǔn)確描述某一地區(qū)氣溶膠的變化情況。衛(wèi)星遙感探測是研究氣溶膠分布的主流手段，單個衛(wèi)星難以收集全球氣溶膠監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要大量衛(wèi)星組網(wǎng)，以及更高分辨率的長期觀測數(shù)據(jù)對氣溶膠分布及變化展開長期研究。除了衛(wèi)星遙感，利用地面粒子譜儀、激光雷達(dá)等設(shè)備對局地氣溶膠的研究也具有十分重要的意義。目前研究中直接探測與間接探測的配合研究相對缺乏，直接探測與間接探測緊密配合對局地氣溶膠變化的研究更具說服力，同時僅對個別測站開展氣溶膠特性研究也遠(yuǎn)不如開展區(qū)域性研究精確。在“雙碳”目標(biāo)下，對開展更加精密、廣泛的氣溶膠研究提出了更高要求。除了室外試驗及遙感探測，聚焦模擬真實氣象環(huán)境研究的室內(nèi)實驗對發(fā)展人工影響天氣新技術(shù)、新手段以及加深對云微物理過程的認(rèn)識也具有重要意義。室內(nèi)實驗?zāi)苋藶榭刂骗h(huán)境條件，且可以重復(fù)試驗，對研究不同條件下的氣溶膠變化特征具有十分顯著的作用。但目前云室、風(fēng)洞的規(guī)模，微物理特征的控制等與實際環(huán)境仍存在較大的差距，發(fā)展更先進(jìn)、更接近實際情況的云室、風(fēng)洞對室內(nèi)實驗的進(jìn)步、云微物理的精細(xì)化研究，以及人工影響天氣科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都有重要的推動作用。

2）在對層狀云系的研究中，不同地區(qū)的研究結(jié)果存在較大差異。我國北方地區(qū)氣候相對干燥，下墊面多為山地、草墊、戈壁、沙漠等，且北方地區(qū)緯度較高氣候相較于南方較為寒冷。從人類活動角度來看，我國北方地區(qū)工業(yè)城市較多，冬季供暖期也會有大量化石燃料燃燒直接影響大氣環(huán)境。而我國南方地區(qū)濕潤多雨，水汽充沛，下墊面較為平坦，海岸線長度較長，受海洋影響明顯，與北方形成鮮明對比。我國層狀云及積層混合云的相關(guān)研究和試驗的開展已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模，關(guān)于不同云系中的微物理特征，許多地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了細(xì)致的研究，但目前將研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)應(yīng)用的能力還有待提高。相關(guān)研究中基于空地聯(lián)合觀測的研究相對較少，主要集中在對飛機(jī)探測數(shù)據(jù)或地面不同設(shè)備觀測資料的研究，相對缺乏多種探測儀器相互配合、資料能相互印證的研究試驗。其次，同一地區(qū)在相似過程下的不同飛機(jī)探測資料的對比研究也相對較少，由于單次試驗具有較多的不確定性，無法用單次的試驗結(jié)果概括某一地區(qū)某種云系的普遍規(guī)律。最后，開展飛機(jī)探測試驗成本高昂、云中環(huán)境復(fù)雜多變，每一次機(jī)載探測資料都來之不易，應(yīng)該加強(qiáng)對前人已有數(shù)據(jù)的再利用、再研究，從不同的角度出發(fā)深入發(fā)掘，將每一次飛機(jī)探測資料的數(shù)據(jù)價值最大化。

在對流云的研究中十分缺乏直接探測數(shù)據(jù)，主要以遙感探測為主，盡管目前遙感探測手段能實現(xiàn)對粒子形狀、相態(tài)的識別，但缺乏直接探測數(shù)據(jù)依然限制了對云內(nèi)粒子、氣流運(yùn)動的精細(xì)化研究。出于安全性考慮，載人飛機(jī)很難實現(xiàn)對流云內(nèi)探測，下投式探空儀能實現(xiàn)對流云內(nèi)氣象要素的觀測但缺乏粒子測量信息。無人機(jī)近年來發(fā)展迅速，大型無人機(jī)幾乎能達(dá)到載人飛機(jī)的飛行能力，能夠通過改造加裝粒子測量儀器，從而代替載人飛機(jī)探測，但由于大型無人機(jī)造價高昂且對流云內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，所以利用無人機(jī)開展對流云觀測也存在較大風(fēng)險。目前低風(fēng)險、低付出的可行性探測方法還沒有出現(xiàn)，突破瓶頸仍需要集思廣益、不斷發(fā)展。整體來看，我國開展的對流云觀測試驗相對較少，其原因主要是觀測難度大，系統(tǒng)生消快、云體移動迅速。但對流云觀測對于研究云內(nèi)特征、生消機(jī)制、提升模式精度、提高預(yù)報準(zhǔn)確性、發(fā)展人工影響天氣技術(shù)都具有重要意義。混合云及地形云作為人工影響天氣的主要云系之一，都具有很大的增雨作業(yè)潛力，目前已經(jīng)開展了許多試驗研究云微物理特征及降水機(jī)制，但對不同地區(qū)混合云及地形云的垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)以及降水形成的詳細(xì)微物理過程研究依然不夠充分，針對先進(jìn)探測設(shè)備的應(yīng)用能力不足制約了人們對云和降水更全面的認(rèn)識。

3）模式研究是揭示云結(jié)構(gòu)及降水產(chǎn)生機(jī)制的重要手段。數(shù)值模式的發(fā)展應(yīng)用從基于觀測資料的理論研究角度實現(xiàn)了對氣象目標(biāo)生消機(jī)制、發(fā)展規(guī)模、出現(xiàn)時間等的定量預(yù)測。人工影響天氣觀測試驗借助多種特種觀測設(shè)備來實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)值模式發(fā)展、提升預(yù)報能力具有重要意義。研究者普遍將數(shù)值模擬與觀測資料相結(jié)合，開展云微物理等相關(guān)研究，觀測試驗的設(shè)計與廣泛開展、數(shù)據(jù)的大量收集與研究不僅能加深對云微物理的認(rèn)識，將觀測資料應(yīng)用到模式中，能有效提升模式模擬水平，對天氣預(yù)報取得長足發(fā)展、氣候預(yù)測準(zhǔn)確性得以提高都具有重要意義；以觀測資料為參考，將觀測資料與模式模擬結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ纫材苡行гu估模式模擬水平；或利用模式配合觀測資料對云結(jié)構(gòu)或某些過程進(jìn)行詳細(xì)研究，都是觀測試驗在模式模擬中的重要應(yīng)用方向。目前人工影響天氣數(shù)值模式發(fā)展迅速，耦合催化模式后的數(shù)值模擬對人工增雨效果預(yù)測及業(yè)務(wù)應(yīng)用具有十分重要的作用，且人工影響天氣主要聚焦中小尺度系統(tǒng)，發(fā)展高分辨率數(shù)值模式能大大提升模式對云中精細(xì)化結(jié)構(gòu)的描述水平。

4）除了加強(qiáng)觀測試驗提高其在模式研究方面應(yīng)用的深度與廣度外，發(fā)展先進(jìn)的探測技術(shù)需要不斷革新探測設(shè)備。目前雙偏振多普勒雷達(dá)、地基多通道微波輻射計、激光雨滴譜儀、風(fēng)廓線雷達(dá)、機(jī)載云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、機(jī)載粒子探測系統(tǒng)、毫米波云雷達(dá)、火箭探空、衛(wèi)星產(chǎn)品等裝備技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我國觀測試驗中。除此之外，相控陣?yán)走_(dá)因其具有掃描速度快、發(fā)射波形可靈活變化、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[97]，非常適合用于云結(jié)構(gòu)的探測。于明慧等[98]利用相控陣?yán)走_(dá)和雙偏雷達(dá)對華南一次超級單體的結(jié)構(gòu)及相態(tài)進(jìn)行分析，認(rèn)為雙偏振雷達(dá)能很好地反映單體的相態(tài)特征，在結(jié)構(gòu)方面相控陣?yán)走_(dá)掃描精度高、時間分辨率好等特點(diǎn)能夠反映單體的精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征，也能發(fā)現(xiàn)其短時的變化情況，能夠直觀反映云體形成發(fā)展到消亡所處的不同發(fā)展階段。從整體來看，相控陣?yán)走_(dá)具有出色的探測能力，在未來探測試驗中將扮演非常重要的角色。成都信息工程大學(xué)科研團(tuán)隊研制的磁控管X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)MaXPol具有出色的探測性能，有多種參差重復(fù)頻率可選，在75 km距離檔不模糊速度達(dá)55.7 m/s，150 km距離檔不模糊速度達(dá)28 m/s，具有很好的粒子形狀、大小、相態(tài)識別能力，對人工影響天氣作業(yè)時機(jī)有很好的指示[99]。

5）近年來在國家人工影響天氣中心和各省區(qū)氣象局的努力下，依托能力建設(shè)工程有序建設(shè)重點(diǎn)人工影響天氣氣象觀測站網(wǎng)，目前東北區(qū)域工程項目已竣工驗收，西北區(qū)域工程項目也即將驗收，試驗示范基地陸續(xù)建成。依托西北人工影響天氣能力建設(shè)項目，2018—2021年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾地區(qū)開展了人工防雹技術(shù)研究試驗，對該地區(qū)冰雹路徑、降雹時空分布、雹譜反演等進(jìn)行了詳細(xì)研究，為防雹減災(zāi)提供了科學(xué)依據(jù)[100]。除此之外，祁連山地形云人工增雨（雪）技術(shù)研究試驗，在祁連山沿線分設(shè)一個試驗區(qū)和一個對比區(qū)，通過布設(shè)眾多探測設(shè)備及作業(yè)裝備配合飛機(jī)及衛(wèi)星探測實現(xiàn)了“三橫六縱”的觀測布局（圖3），對祁連山地形云降水機(jī)制、云結(jié)構(gòu)、云粒子特征等進(jìn)行了分析研究，揭示了祁連山區(qū)夏季地形抬升具有局地性，對降水影響明顯，祁連山區(qū)年平均降水量為232.4 mm，流場相對復(fù)雜多變，統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)存在五種不同流場類型[96]。該探索性試驗的開展對補(bǔ)充我國地形云人工增雨（雪）的研究具有重要意義。

圖3 祁連山地形云人工增雨（雪）試驗區(qū)范圍及儀器布局[96]Fig. 3 Test area and instrument layout of artificial precipitation (snow) with orographic cloud in Qilian Mountains[96]

人工影響天氣領(lǐng)域涉及廣泛，聚焦中小尺度研究，極度依賴高質(zhì)量試驗數(shù)據(jù)，對觀測試驗高質(zhì)量開展的需求越來越高。整體來看，人工影響天氣工作要想取得更大進(jìn)步，需要多方面協(xié)同發(fā)展，攻堅克難解決精細(xì)化難題。