國內典型人工影響天氣云降水觀測試驗進展

郭世鈺 張玉欣 韓輝邦

（青海省氣象災害防御技術中心，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施加影響，使得天氣朝著期望的方向發展。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、飛機播撒催化劑等。我國是受自然災害影響很嚴重的國家之一。很多災害和隱患的出現與云和降水的演變息息相關，在一定程度上能通過人工干預達到防災減災消除隱患的目的。人工影響天氣技術經過幾十年的發展，已能夠較好地對云雨施加影響，達到增雨或減雨，以緩解旱災或洪澇；針對雹云也同樣能夠實施防雹作業達到人工消雹的目的；森林火災的消災以及增雪防災工作也在諸多省份開展；機場人工消霧也得到了普遍應用，有力保障了航空安全運行。

人工影響天氣作為試驗性學科，業務都建立在觀測試驗基礎上，通過聯合多種特種觀測設備資料來加強對云中宏微觀物理演變特征、云形成發展機制的認識，從而使之更加科學有效地開展。不同的地理環境在試驗中具體的觀測方式、觀測對象有所不同。我國在觀測試驗設計合理性、技術先進性、手段多樣性等方面近年來都有了一定程度的發展，也有很多高性能探測設備面世，綜合觀測能力大大增強。

云降水物理學是人工影響天氣的學科基礎，而其發展離不開對云內部垂直結構、水平結構、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識。近年來，國外學者在云降水研究中做了許多工作，廣泛利用模式或觀測數據與模式結合的方式對研究區域的云降水宏微觀物理過程或降水垂直結構展開研究[1-5]，或通過統計研究多元地面觀測資料分析降水參量的周期性變化[6]，也有學者利用飛機觀測資料對氣溶膠—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，掌握云內粒子相態及分布情況，進而實現更加科學合理的人工影響天氣，我國同樣開展了大量觀測試驗，如依靠飛機平臺開展全國性的機載探測試驗，在地面開展成規模的遙感探測試驗，廣泛應用各種雷達、微波輻射計、雨滴譜儀、探空系統等先進探測設備，目前已經建立了很多云系發展概念模型，形成了對雹云發展的初步認識，也加強了對層狀云、對流云及混合云系結構的認識。我國人工影響天氣在發展中取得了涵蓋作業、觀測、設備等多方面的成果與進展[10-15]，同時也存在許多未解決的科學問題，先進探測手段的應用能力依然存在不足，制約了對云微物理的認識水平。針對人工影響天氣中依然難以說清的效果問題，目前檢驗手段發展較慢且對試驗設計實施要求甚高，種種問題都在激勵和引導著人工影響天氣工作者們持續不斷地努力與付出。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展和有待解決的科學問題。

1 氣溶膠、云凝結核及大氣冰核觀測試驗

氣溶膠光學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。氣溶膠活化為云凝結核（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。對氣溶膠的觀測主要依托天基、地基、星基或聯合觀測幾種類型。目前以飛機探測為主，多種觀測手段為輔的方式開展，機載探測主要依靠機載探頭對氣溶膠進行直接探測，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時段數據，地基、星基的穩定觀測能夠彌補飛機探測時間的不足，近年來利用地基、星基觀測廣泛開展氣溶膠與環境、來向軌跡、光學特性在輻射中的作用以及人類活動對環境的影響等問題的研究受到廣泛關注。國內開展的大量有關氣溶膠、CCN、IN的觀測試驗中使用較多的是新一代粒子測量系統（PMS）、美國DMT公司的粒子測量系統、地面云凝結核計數器（CCNC）、掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）和機載云凝結核計數器、比格混合云室（Bigg Chamber）、靜力真空水汽擴散云室等測量設備。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，利用一次飛機探測資料配合地面設備對該地區氣溶膠進行分析[16-18]，可以發現個例中相較于普遍情況的異常變化及產生原因。也有研究人員利用某一地區累計多次的飛機探測資料進行分析研究[19-21]，這類試驗中將多組資料組成較長時間尺度的數據集，排除單次試驗個例的偶然性，對于獲得該地區普遍情況下的氣溶膠分布更為有利，分析結果也更為科學可信。

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]，風速較小、相對濕度較大時氣溶膠易發生積累[24]（圖1）。降水過程對氣溶膠分布、尺度也具有明顯影響，降水發生前氣溶膠數濃度偏高，降水發生后由于沖刷作用使得氣溶膠數濃度普遍偏低，降水前后數濃度能相差1個數量級，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]，云內氣溶膠數濃度會隨高度波動增長，粒子尺度會隨碰并增長而增大。氣溶膠的源區一般位于地面，在近地面有濃度最大值且隨高度指數遞減[25]，在邊界層附近也常出現氣溶膠的大值區。地基、星基探測設備以遙感探測為主，遙感探測試驗主要的研究對象為氣溶膠光學特性，如氣溶膠光學厚度、消光系數、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CloudSat以及MODIS衛星遙感反演數據，我國北方地區氣溶膠光學厚度高低值區受地形影響明顯，大值區集中在南疆盆地、華北地區等地勢較低處，季節分布也存在地區差異，北方西部地區春季最大，東部夏季最大[26]，同樣利用MODIS和CALIPSO level 2產品研究華東地區氣溶膠光學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衛星資料反演東南沿海地區氣溶膠時空分布發現，氣溶膠光學厚度沿海岸線呈帶狀分布，且在春季有最大值，與北方地區東部的季節變化存在差異[28]?；贑ALIPSO研究華東地區氣溶膠垂直分布，發現隨著高度升高大氣散射能力減弱[29]。我國國產FY-4A靜止衛星AGRI藍光波段反演的氣溶膠光學厚度結果與MODIS衛星趨勢一致，有較高的相關性[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域，氣溶膠活化為CCN及IN對云中宏微觀特性的研究也占據重要地位。

圖1 2013年8月19日山西省飛機上升階段觀測到的氣溶膠總散射系數及風向和風速（a）、氣溶膠數濃度（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的濃度大值區也集中在近地面1500 m以下，由于垂直方向的湍流擴散與動力沉降的動態平衡使得CCN濃度隨高度遞減。在我國北方地區，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濃度在同一地區的不同天氣背景下也有不同表現，發生霧霾天氣時其濃度遠大于晴空時，且呈逐漸增加的趨勢，不同程度的霾出現時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CCN濃度要明顯小于云外，多云天和晴天相比CCN數濃度要大，晴天條件下CCN活化率隨高度增加[34-36]。按時空分布來看，CCN濃度受季節變化影響十分顯著：冬季由于供暖導致的煤煙增多使得CCN數濃度最高，夏季由于降水沖刷作用導致CCN數濃度最低。在我國南方地區，CCN濃度的季節變化也呈現出冬季最大，夏季最小的特征。

IN在我國的濃度變化也具有明顯的地區差異，與天氣系統關系密切。我國北方地區春夏季地面IN濃度日變化很大，最大最小濃度能相差1～2個數量級，當溫度較低時（＜－15 ℃）IN濃度在沙塵天最大，陰雨天次之；當溫度較高時（＞－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致IN濃度的增加，除此之外，吹風天氣既能起到清除作用，也能起到輸送作用，或將已經降到地面的雪輸送到空中從而導致IN濃度增大[39]。我國南方地區以南京為例，IN濃度相較于北方地區要低，晴好天氣下也具有明顯的日變化且與人類活動密切相關。降水清除作用明顯，在臺風天氣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，吹風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，存在季節性變化。通過我國南北方氣溶膠分布情況的對比發現，氣溶膠分布受多種因素影響，我國北方氣溶膠數濃度普遍大于南方；垂直方向的不均勻分布普遍存在。

室外觀測試驗能直接地對某種天氣背景下或某個時間尺度上氣溶膠的變化特征進行監測，能很好地反映出該地區氣溶膠來源、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地推動作用。室外試驗的順利開展離不開室內實驗創建的基礎。近年來開展的許多氣溶膠成核速率或成冰率的室內實驗研究發現，人工冰核的成核速率受多方面因素影響，環境溫度較低時成核速率較快，以凝結核化、凝華核化為主；隨著溫度的上升，成核過程表現為接觸核化、浸入核化，焰劑類樣品核化速率受化學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[47]。在對不同配方AgI焰劑的成冰性能研究中發現，成冰閾溫≤－16 ℃時不同配方焰劑成核率均能達到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，表現出成冰閾溫上升，成核速率加快的特點[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域的重要根基。通過對某一地區云的探測能夠深入對該地區云體結構及特征參數、云體形成發展機制、云內粒子特征及分布狀況、降水形成機制的了解和認識，對開發云水資源，通過人工影響天氣解決水資源短缺的現狀具有十分重要的意義。目前國內對云微物理的研究一般分地區、不同云類型、一種或多種探測手段、不同時間尺度開展。人工增雨的基礎就是研究云雨的演變特征、云降水物理機制，并將其運用到人工影響天氣，進而發現可降水云系的增雨潛力和適宜增雨部位?？茖W家們提出了我國云物理方面的發展方向，討論了目前亟待解決的科學問題，對需要重點研究、突破的人工影響天氣技術展開了討論，為云降水物理發展研究提出了建設性意見。黃美元[15]提出我國人工影響天氣作業時對云的選擇存在盲目性，缺乏對作業條件的識別，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]認為發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識還較為膚淺，需要開展更多觀測試驗。郭學良等[14]認為目前由于探測手段還不夠成熟，對云的認識還存在很多不確定性，云體的可播性、播撒后催化劑的擴散追蹤等都是十分關鍵的問題。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載探測設備，利用機載探頭能直觀獲取云內粒子分布狀況，極大促進了過冷水分布的研究，對人工增雨選取適當催化部位科學作業具有十分重要的幫助。除空基機載探測設備外，雷達、微波輻射計、雨滴譜儀以及衛星等遙感探測設備在云微物理研究中也占據重要的地位。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，但都受制于本地區的安全高度、空域及飛機升限影響。垂直穿云試驗對了解云體的垂直結構、水滴、冰晶垂直分布十分有效，但垂直穿云試驗對研究區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實施。一些研究催化作業在云中的物理響應及催化劑擴散試驗也會進行雙機探測，一架在目標區域作業，后一架對目標區域進行探測。飛機配合地面雷達、微波輻射計、衛星等探測設備的聯合觀測也能對云中粒子起到更加精確地識別，促進對云體特征參數更加精細的認識。

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，華北地區是我國開展飛機探測試驗與相關研究最為廣泛的地區之一，在層狀云的研究中發現：華北地區層狀云分層現象普遍發生，多層或雙層結構明顯，由于分層現象導致了云中液態含水量分布十分不均勻，時常伴有干層結構出現；“催化—供給”云結構常見，當“催化—供給”降水結構建立且地面發生降水時，適宜人工增雨作業[53,54]；0 ℃層及過冷水高值區集中在3000～4000 m[54]；云系垂直水平結構的不均勻分布普遍發生[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陸遠離海洋，海拔整體較高，水汽輸送條件較差，水資源嚴重短缺，生態環境極為脆弱，急需開展空中云水資源開發，對云系的宏微觀研究是科學有效增雨的前提。對西北地區層狀云降水研究發現：西北低海拔地區夏季層狀暖云液態水豐水區集中在云層中部，與逆溫層結構相對應，大云滴對液態水含量貢獻較大，隨高度增加，大云滴數濃度逐漸減小，干層現象也時常出現；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星反演研究發現，云層較厚且過冷水含量豐富，作業潛力巨大[63]。對西北高海拔山地的層狀云研究發現，祁連山地區秋季層狀云呈現西少東多的分布特性，與水汽分布相對應，出現頻次也呈現減少趨勢[64]。在青海三江源地區的層狀云觀測試驗中發現，云粒子大值區和過冷水的高值區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個數量級的差異[65]。對新疆天山地區夏季層狀冷云降水的雷達探測研究表明，該地區層狀云降水存在分層現象，溫度層結表現為上部和下部冷，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間直徑粒子濃度會率先減小[66]。

在我國南方地區，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，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，有利于實現飛機對云層上、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、云頂液態含水量都處在較低水平；水平方向上云滴數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個數量級，與三江源地區的3～4個數量級形成鮮明對比。當液態水含量較少時，云中粒子增長主要依靠碰并增長，而當液態水含量較多時，毫米波云雷達觀測的降水性層狀云中粒子在強回波區通過凝華增長、碰并增長形成降水[67-68]。在江西的一次層狀云飛機探測試驗中發現，降水前期云系垂直水平方向都不均勻，存在明顯分層現象，0 ℃層以上為播種云，云內以升華、聚合現象為主，針狀及柱狀冰晶與液滴共存，隨著高度降低，到達暖層的供給云液態水含量豐富，云內粒子有效直徑明顯增大[69]。廣西地區層狀云云滴數濃度相較于北方要大1個數量級，液態含水量要高1～2個數量級。廣西秋季層狀云中，云滴生成于云下層，伴隨上升氣流上升，云滴數濃度、直徑、液態含水量都隨高度升高而增加，到了云層中部，由于逆溫作用會導致上升運動減弱，云滴增大，從而碰并增長為大云滴，出現數濃度與粒子直徑的極大值，微物理量的水平分布也表現出不均勻性[70]。到了冬季層狀暖云垂直分層明顯，逆溫普遍發生且常出現在云頂附近，云滴數濃度的大值區集中在云下層，最大值位于云底，液態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[71]。

2.2 對流云觀測試驗

對流云是我國強天氣的代表之一，也是重要的降水云系，強對流云垂直發展旺盛，云內上升氣流劇烈，常伴有陣雨、雷暴、陣風等惡劣天氣，但其生命史往往較短。對流云內部過冷水含量豐富，具有很強的人工增雨作業潛力，但觀測試驗中出于安全考慮，飛機很難深入云中獲取數據，往往是通過遙感探測，利用衛星、雷達對對流云形成發展及內部結構進行研究。試驗設計主要為衛星、雷達或兩者協同觀測為主。第三次青藏高原大氣科學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的活躍地帶，易形成對流系統，對我國長江、黃河流域的暴雨、洪澇具有重要影響。夏季對流云主要發生在高原東南部和中部。利用多源衛星和C波段雷達、毫米波雷達對那曲地區的對流云垂直結構對比分析發現：高原深對流云垂直發展旺盛，水平發展較弱且尺度較小，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]通過對那曲地區多種雷達資料的研究指出，高原地區對流云的發展尺度在垂直和水平方向上都不大，發展消亡快，出現頻次高。借助毫米波云雷達發現，對流云強度與上升運動具有正比的關系，云中以冰晶為主，由于過冷水較為豐富、上升氣流較強，保證了冰晶撞凍、凇附過程劇烈，導致了霰粒子含量較高[74]。這與利用WRF模式對那曲地區對流云模擬的研究結論一致[75]。高原地區對流云以深對流居多，與高原地形和熱力作用息息相關。

我國南方江淮地區對流云觀測試驗針對對流云合并現象的觀測較多。合并現象在對流云中較為常見。對流云中由于氣流復雜多變，在氣流的輸送作用下云內要素也存在不均勻分布。由于垂直運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，也有大的對流系統吞并單個對流單體、多個對流云團多次合并。衛星云圖上，云團在合并作用下結構變得更加密實、邊緣變得光滑，雷達回波強度增強、徑向速度增大、回波頂高和垂直液態水含量顯著增大。對流云的合并也導致了系統生命史延長、云體面積增大、強度增強，使得本就強烈的對流規模更大，造成嚴重的氣象災害，如降雹、陣風、短時強降水等[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，多出現持續性降水，也是人工增雨的重要對象。Hou等[79]發現太行山區積層混合云中，過冷水一般在溫度高于－6 ℃時出現，嵌套在層狀云中的對流單體在－6～－3 ℃含有大量過冷水，最大值能達到0.57 g/m3，但在層狀云區最大過冷水含量不超過0.1 g/m3；在－10 ℃以下對流區冰晶尺度很大，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]研究發現，嵌套淺對流云的層狀云中冰粒子高濃度區位于淺層對流云的過冷區，其形狀主要為柱狀和針狀，該區域冰粒子濃度增加原因很大程度是由Hallet-Mossop機制造成的，通過二維粒子圖像發現此類冰晶從弱對流區下落至層狀云區能繼續增長。Li等[81]研究山東地區混合云不同區域對催化后的響應發現，對流區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，對流區內的上升氣流有助于將AgI帶入過冷水豐富的區域，同時過冷水凝結釋放的潛熱能更好的促進云層發展，從而導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確，但在高層和低層都表現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水含量豐富但不均勻。蔡兆鑫等[85]發現，混合云的強可播區較大，作業后云系整體發展較為旺盛，作業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]發現，太行山東麓強對流區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；在弱對流區域云粒子垂直分布不均勻，液態水含量有分層現象；在無明顯對流區過冷水含量較少；對流的發生導致了降水粒子濃度的增加以及液態水含量高值區高度的升高；豐富的冰晶粒子下落到過冷水豐富區時，以聚并凇附的形式增長，低過冷水區凇附顯著減弱；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，主要依靠地面常規資料、探空資料與雷達資料。觀測試驗的開展時間較長，一般持續1～3個月，通過獲取多次有效觀測數據來研究地形云形成發展特征及降水特征。

西北地區是地形云出現的主要地區，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的地區。地形云觀測試驗也主要集中在上述地區。鄭國光等[88]指出，夏季祁連山地區地形云云量豐富，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]從風場、水汽場、熱力作用、大氣穩定度等方面揭示了山風谷風共同作用使得祁連山區地形云發展的現象。西南氣流導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展的結論。把黎[90]研究得到了相似結果，指出系統配合導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，使得祁連山北坡降水要大于南坡。張國慶等[91]發現，相鄰層結從低層到高層有時會出現氣旋性切變，導致氣流輻合抬升；河谷地區逆溫層、逆濕層出現頻率高，山頂高度水汽充足有利于降水的形成。劉蓓[92]指出，由于山谷風環流，谷內夜間對流增強導致云量夜間最大；山谷風與祁連山地形云有很好的相關性，通常山谷風轉換后積雨云也會逐漸消散。朱平等[93]發現，不同分型的天氣背景對湟水谷地地形云促進作用不同，地形云發展成熟時常常發展為普通單體、脈沖單體、多對流單體。馬學謙等[94]指出，不同坡度下祁連山地形云的成云特征不同，大坡度下的成云機制為簡單的水汽抬升凝結及高空碰并過程；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，山脊區反射率因子、反射率衰減均大于山谷區，對流云成熟時強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

我國人工影響天氣觀測試驗開展情況已經具有較長時間的沉淀，無論是試驗方案設計、試驗資料數據儲備還是研究成果的轉化都已經較為成熟。部分試驗是針對局地的一些突出特征所設計的，如在多山地地區開展地形云試驗，在重污染地區開展氣溶膠觀測試驗。因地制宜的試驗方案設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地的生態環境與人民大眾。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的付出與努力。

1）氣溶膠受大氣活動影響具有很強的流動性，其遠距離輸送能造成局地氣溶膠濃度劇增，而大氣運動時刻處在變化中，所以氣溶膠活動規律也變化莫測。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，很難準確描述某一地區氣溶膠的變化情況。衛星遙感探測是研究氣溶膠分布的主流手段，單個衛星難以收集全球氣溶膠監測數據，需要大量衛星組網，以及更高分辨率的長期觀測數據對氣溶膠分布及變化展開長期研究。除了衛星遙感，利用地面粒子譜儀、激光雷達等設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不如開展區域性研究精確。在“雙碳”目標下，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境研究的室內實驗對發展人工影響天氣新技術、新手段以及加深對云微物理過程的認識也具有重要意義。室內實驗能人為控制環境條件，且可以重復試驗，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、風洞的規模，微物理特征的控制等與實際環境仍存在較大的差距，發展更先進、更接近實際情況的云室、風洞對室內實驗的進步、云微物理的精細化研究，以及人工影響天氣科學技術的發展都有重要的推動作用。

2）在對層狀云系的研究中，不同地區的研究結果存在較大差異。我國北方地區氣候相對干燥，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，我國北方地區工業城市較多，冬季供暖期也會有大量化石燃料燃燒直接影響大氣環境。而我國南方地區濕潤多雨，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研究和試驗的開展已經達到一定規模，關于不同云系中的微物理特征，許多地區已經進行了細致的研究，但目前將研究結果轉化為業務應用的能力還有待提高。相關研究中基于空地聯合觀測的研究相對較少，主要集中在對飛機探測數據或地面不同設備觀測資料的研究，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，同一地區在相似過程下的不同飛機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果概括某一地區某種云系的普遍規律。最后，開展飛機探測試驗成本高昂、云中環境復雜多變，每一次機載探測資料都來之不易，應該加強對前人已有數據的再利用、再研究，從不同的角度出發深入發掘，將每一次飛機探測資料的數據價值最大化。

在對流云的研究中十分缺乏直接探測數據，主要以遙感探測為主，盡管目前遙感探測手段能實現對粒子形狀、相態的識別，但缺乏直接探測數據依然限制了對云內粒子、氣流運動的精細化研究。出于安全性考慮，載人飛機很難實現對流云內探測，下投式探空儀能實現對流云內氣象要素的觀測但缺乏粒子測量信息。無人機近年來發展迅速，大型無人機幾乎能達到載人飛機的飛行能力，能夠通過改造加裝粒子測量儀器，從而代替載人飛機探測，但由于大型無人機造價高昂且對流云內環境復雜，所以利用無人機開展對流云觀測也存在較大風險。目前低風險、低付出的可行性探測方法還沒有出現，突破瓶頸仍需要集思廣益、不斷發展。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，系統生消快、云體移動迅速。但對流云觀測對于研究云內特征、生消機制、提升模式精度、提高預報準確性、發展人工影響天氣技術都具有重要意義?；旌显萍暗匦卧谱鳛槿斯び绊懱鞖獾闹饕葡抵?，都具有很大的增雨作業潛力，目前已經開展了許多試驗研究云微物理特征及降水機制，但對不同地區混合云及地形云的垂直結構、水平結構以及降水形成的詳細微物理過程研究依然不夠充分，針對先進探測設備的應用能力不足制約了人們對云和降水更全面的認識。

3）模式研究是揭示云結構及降水產生機制的重要手段。數值模式的發展應用從基于觀測資料的理論研究角度實現了對氣象目標生消機制、發展規模、出現時間等的定量預測。人工影響天氣觀測試驗借助多種特種觀測設備來實現相關數據的采集，對數值模式發展、提升預報能力具有重要意義。研究者普遍將數值模擬與觀測資料相結合，開展云微物理等相關研究，觀測試驗的設計與廣泛開展、數據的大量收集與研究不僅能加深對云微物理的認識，將觀測資料應用到模式中，能有效提升模式模擬水平，對天氣預報取得長足發展、氣候預測準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果進行橫向對比也能有效評估模式模擬水平；或利用模式配合觀測資料對云結構或某些過程進行詳細研究，都是觀測試驗在模式模擬中的重要應用方向。目前人工影響天氣數值模式發展迅速，耦合催化模式后的數值模擬對人工增雨效果預測及業務應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，發展高分辨率數值模式能大大提升模式對云中精細化結構的描述水平。

4）除了加強觀測試驗提高其在模式研究方面應用的深度與廣度外，發展先進的探測技術需要不斷革新探測設備。目前雙偏振多普勒雷達、地基多通道微波輻射計、激光雨滴譜儀、風廓線雷達、機載云雷達、微雨雷達、機載粒子探測系統、毫米波云雷達、火箭探空、衛星產品等裝備技術已經廣泛應用在我國觀測試驗中。除此之外，相控陣雷達因其具有掃描速度快、發射波形可靈活變化、可靠性高、抗干擾能力強等特點[97]，非常適合用于云結構的探測。于明慧等[98]利用相控陣雷達和雙偏雷達對華南一次超級單體的結構及相態進行分析，認為雙偏振雷達能很好地反映單體的相態特征，在結構方面相控陣雷達掃描精度高、時間分辨率好等特點能夠反映單體的精細化結構特征，也能發現其短時的變化情況，能夠直觀反映云體形成發展到消亡所處的不同發展階段。從整體來看，相控陣雷達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。成都信息工程大學科研團隊研制的磁控管X波段雙偏振多普勒天氣雷達系統MaXPol具有出色的探測性能，有多種參差重復頻率可選，在75 km距離檔不模糊速度達55.7 m/s，150 km距離檔不模糊速度達28 m/s，具有很好的粒子形狀、大小、相態識別能力，對人工影響天氣作業時機有很好的指示[99]。

5）近年來在國家人工影響天氣中心和各省區氣象局的努力下，依托能力建設工程有序建設重點人工影響天氣氣象觀測站網，目前東北區域工程項目已竣工驗收，西北區域工程項目也即將驗收，試驗示范基地陸續建成。依托西北人工影響天氣能力建設項目，2018—2021年在內蒙古巴彥淖爾地區開展了人工防雹技術研究試驗，對該地區冰雹路徑、降雹時空分布、雹譜反演等進行了詳細研究，為防雹減災提供了科學依據[100]。除此之外，祁連山地形云人工增雨（雪）技術研究試驗，在祁連山沿線分設一個試驗區和一個對比區，通過布設眾多探測設備及作業裝備配合飛機及衛星探測實現了“三橫六縱”的觀測布局（圖3），對祁連山地形云降水機制、云結構、云粒子特征等進行了分析研究，揭示了祁連山區夏季地形抬升具有局地性，對降水影響明顯，祁連山區年平均降水量為232.4 mm，流場相對復雜多變，統計研究發現存在五種不同流場類型[96]。該探索性試驗的開展對補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]

人工影響天氣領域涉及廣泛，聚焦中小尺度研究，極度依賴高質量試驗數據，對觀測試驗高質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步，需要多方面協同發展，攻堅克難解決精細化難題。