云降水物理與人工影響天氣研究進展（2008～2012年）

郭學良 付丹紅 胡朝霞

1中國氣象科學研究院，北京100081

2中國科學院大氣物理研究所，北京100029

1 引言

云物理學是研究云產(chǎn)生、發(fā)展和降水形成的物理過程的學科，在了解降水產(chǎn)生過程、氣候變化，以及提高天氣預報的精細化水平及人工影響天氣能力等方面具有至關(guān)重要的作用，也是目前亟待加深理解和認識的重要領(lǐng)域。

有關(guān)云物理與人工影響天氣的相關(guān)進展已有一些綜述性文章發(fā)表，如云降水微物理及室內(nèi)實驗方面（Rogers and DeMott, 1991; Pruppacher and Klett,1997），云數(shù)值模式在人工影響天氣方面的應用研究（Orville, 1996）以及人工影響天氣理論、播撒技術(shù)等方面 (Cotton, 1986; Bruintjes, 1999; Silverman,2001; NRC, 2003; Garstang et el., 2004; List, 2004)。我國有關(guān)云物理與人工影響天氣進展也有不少綜述性論文發(fā)表（黃美元等，2000, 2003; 毛節(jié)泰和鄭國光, 2006; 姚展予, 2006; Ma et al., 2007; 雷恒池等, 2008; Guo and Zheng, 2009）。這些綜述性論文比較系統(tǒng)地對 2008年以前國內(nèi)外云降水物理及人工影響天氣的現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展趨勢進行了深入的討論和論述。有關(guān)氣溶膠對云降水的研究也有一些綜述性論文（段婧和毛節(jié)泰，2008；楊慧玲等，2011）。最近鄭國光和郭學良（2012）對人工影響天氣科學技術(shù)現(xiàn)狀進行了綜述。

隨著云數(shù)值模式、觀測技術(shù)的快速發(fā)展，云降水物理與人工影響天氣領(lǐng)域也取得了一系列新進展。本文將著重對 2008～2012年期間有關(guān)云降水物理與人工影響天氣領(lǐng)域的主要研究進展進行簡要綜述，并討論目前存在的主要問題及亟待解決的關(guān)鍵科學問題。

2 云降水物理研究進展

2.1 云數(shù)值模式及模擬研究

云模式近幾年的進展主要體現(xiàn)在中尺度可分辨云模式以及具有更詳細云微物理過程的云數(shù)值模式的不斷發(fā)展和模擬應用研究等方面。模式的初始場和邊界條件更為接近實際，如在模式模擬中普遍采用了非均勻中尺度氣象場、高分辨率的地形和陸面過程。云物理過程中已經(jīng)開始包含了氣溶膠核化過程，部分還考慮了氣溶膠形成的化學過程。

2.1.1 氣溶膠對云霧和降水的影響

氣溶膠是云異質(zhì)核化過程中最基本的要素。自然云的形成主要依賴異質(zhì)核化過程，因此氣溶膠對云降水過程具有重要影響。氣溶膠的云核化過程受氣溶膠尺度、化學組成、物理特性以及云中過飽和度等多種因素的影響。由于不同尺度、化學組成的氣溶膠粒子的核化需要的過飽和度不同，在目前的數(shù)值模式中，是通過預報和診斷過飽和度確定氣溶膠核化的數(shù)量。氣溶膠對云和降水的影響機理非常復雜，具有較大的不確定性。具有氣溶膠核化過程的云模式是研究這一問題的重要手段。

岳治國等（2011）利用雙參數(shù)顯式云方案的WRF模式，對北京地區(qū)暴雨、中雨和微量降水等3次云降水過程進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，隨著氣溶膠濃度的增加，北京地區(qū)的暴雨、中雨和微量降水平均累計降水量分別減少了23.8%，16.6%和14%。而且氣溶膠濃度的增加，還可改變降水的強度、分布和時間。在我國一些地區(qū)的觀測分析研究中也發(fā)現(xiàn)氣溶膠對降水有減小作用（戴進等，2008）。

肖輝和銀燕（2011）利用耦合 Morrision雙參數(shù)物理方案的WRF中尺度數(shù)值模式對2007年6月13日山西一次強降水過程進行了模擬研究，表明污染背景下的降水區(qū)域無明顯變化，但中心強度變強，平均降水量減小0.8%。

房文和鄭國光（2011）利用改進的中尺度模式（MM5）中的暖云方案, 研究了暖云降水中巨核的作用。結(jié)果表明, 巨核具有增強雨滴的凝結(jié)、碰并和云雨自動轉(zhuǎn)化過程的作用, 使得云滴數(shù)減少高達40%, 云水減少達 20%, 云滴有效半徑增加高達30%左右。在污染和清潔環(huán)境下巨核均可增加降水。

董昊等（2012）利用WRF模式模擬研究了不同云微物理方案云凝結(jié)核（CCN）對颮線降水的影響，得到所有模擬試驗均出現(xiàn) CCN濃度增加延遲降水產(chǎn)生、初期降水減弱的情況，但在模擬后期降水量也隨著 CCN濃度增加而減小，而颮線成熟階段CCN對降水的影響更加復雜。

賈星燦和郭學良（2012）利用 WRF/Chem 模式和霧的觀測資料，開展了包含和不包含人為污染排放源兩種大氣背景條件下的數(shù)值模擬對比試驗。試驗結(jié)果表明，在考慮污染排放源時，模式模擬的霧的空間分布和強度變化與衛(wèi)星、能見度儀和微波輻射計的觀測更為接近。污染條件下的邊界層結(jié)構(gòu)更有利于霧的形成，人為大氣污染物使霧的范圍最大增加50%，霧的強度最大增加5 倍，平均延長霧持續(xù)時間1.5 h。并且污染氣體SO2、NOx 和NH3的排放產(chǎn)生的二次氣溶膠對霧的形成和發(fā)展具有重要影響（Jia and Guo, 2012）。

2.1.2 MCS產(chǎn)生機理的數(shù)值模擬

中尺度對流系統(tǒng)（MCS）的產(chǎn)生機理非常復雜，受大尺度天氣系統(tǒng)、地形以及復雜的熱力、動力過程的影響。中尺度可分辨云模式的發(fā)展，在地形、云物理過程、輻射過程等方面的描述更趨合理，顯著提高了對 MCS形成和演變的模擬能力，有利于模擬研究MCS形成過程（積云并合、地形影響等）及其產(chǎn)生的降水、冰雹、雷電、大風等災害性天氣過程。

積云并合過程是 MCS形成的重要過程之一，過去有關(guān)積云并合的 MCS形成研究一般采用理想數(shù)值模擬試驗，側(cè)重機理研究。理想積云并合的數(shù)值模擬研究一般采用理想地形、均勻初始場和人為初始擾動等假設，結(jié)果很難與實際積云并合形成過程進行比較。Fu and Guo (2006, 2012) 利用包含北京實際地形的可分辨云數(shù)值模式MM5模擬研究了北京2001年8月23日一次MCS的形成過程，發(fā)現(xiàn)MCS的形成經(jīng)歷了從單體并合到積云團并合，再到MCS內(nèi)部的強中心并合等多個尺度并合過程，積云并合過程通過低、中層強迫作用，明顯改變了云動力、微物理特性，伴隨并合過程有強降水、雷電、大風等災害性天氣過程產(chǎn)生，有關(guān)模擬的并合過程與雷達觀測結(jié)果具有很好的一致性，提高了對積云并合過程的深入認識。

翟菁等（2012）利用MM5中尺度模式對2008年7月22日發(fā)生在安徽等地的一次強對流天氣過程中對流云合并現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬研究，認為對流云合并過程可引起回波增強，云頂抬高，云水，冰相物質(zhì)含量增加，地面降水增加現(xiàn)象。呂玉環(huán)等（2012）利用WRF 模式對2005年5月5日發(fā)生在貴陽的一次云并合過程進行模擬，表明積云并合過程使區(qū)域平均降水量總體呈增加趨勢。這些數(shù)值模擬研究結(jié)果也與雷達觀測結(jié)果有較好的一致性。

由此可見，中尺度可分辨云模式的發(fā)展也提高了對伴隨云形成的降水、大風、冰雹和雷電等現(xiàn)象的模擬能力。所有這些云模式的發(fā)展，已經(jīng)使云數(shù)值模式從過去的理想條件數(shù)值模擬（如人為對流啟動、均勻初始場等）向更接近實際的云數(shù)值模擬轉(zhuǎn)變（如非均勻初始場、實際地形等），這種轉(zhuǎn)變也使得數(shù)值模擬結(jié)果與實際觀測結(jié)果的比較成為可能。特別是星載云衛(wèi)星觀測技術(shù)（Cloudsat, TRMM等）、機載探測技術(shù)和地基遙感探測技術(shù)的快速發(fā)展，使云模式微物理過程的檢驗也成為可能。中尺度可分辨云模式的應用，在云微物理過程對降水的影響方面有了新的認識，如云物理過程對降水的影響不僅僅取決于云微物理過程本身，也與大氣輻射過程密切相關(guān)（Fu et al., 2011）。

劉香娥和郭學良（2012）利于可分辨云中尺度WRF數(shù)值模式，研究了2009年6月3日我國河南發(fā)生的歷史罕見強颮線天氣過程，發(fā)現(xiàn)雨水蒸發(fā)過程是影響地面冷池強度的關(guān)鍵因素，而地面強冷池在此次颮線災害性大風的產(chǎn)生中具有重要作用，另一個決定性作用是中高層動量下傳。由動量下傳造成的地面災害性大風約占70%，而地面強冷池導致的地面大風約占30%，二者共同作用導致了此次颮線災害性大風的產(chǎn)生（Liu and Guo, 2012）。

2.1.3 云結(jié)構(gòu)與降水過程的數(shù)值模擬

對云結(jié)構(gòu)的深入了解，有利于提高對降水形成機理的認識，是云降水物理研究的基礎。云模式的發(fā)展和不斷完善，對云結(jié)構(gòu)和降水過程的認識進一步提高。

趙震和雷恒池（2008）利用MM5中增加的雙參數(shù)顯式云物理方案模擬了西北地區(qū)一次層狀云降水過程，模擬結(jié)果顯示對小雨的預報評分較高，對中雨以上評分低而且位置有一定偏差，即對層狀云降水模擬效果較好，并探討了層狀云降水形成機制。

楊潔帆等（2010）利用一維層狀云分檔模式，對2007年7月1日吉林省一次鋒面抬升引起的層狀云降水結(jié)構(gòu)進行了模擬研究，表明冰晶層對混合層的播撒以直徑D＜300 μm的小冰晶粒子為主。從混合層播撒 D＞100 μm 的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子對暖層中小云滴粒子的碰并收集作用較強，同時，一部分降水粒子在暖層內(nèi)可通過隨機碰并機制產(chǎn)生。

陶玥等（2012）利用中尺度云分辨模式對我國南方2008年1月28～29日的凍雨天氣過程進行了數(shù)值模擬, 研究了冰凍天氣形成的大氣層結(jié)及云系凍雨區(qū)云的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，湖南和貴州兩地凍雨形成的云物理機理不同，湖南凍雨在“冷—暖—冷”層結(jié)下, 通過“冰相融化過程”形成,而貴州凍雨是在“暖—冷”層結(jié)下通過“過冷暖雨過程”形成的。

侯團結(jié)等（2011）利用一維層狀云模式，對吉林2004年7月1日的一次降水性層狀云宏微觀物理結(jié)構(gòu)和降水機制進行了分析，對顧震潮三層云結(jié)構(gòu)模型有了進一步的認識。云體發(fā)展成熟時，各層之間存在播種—供應關(guān)系。

周非非等（2010）對2002年10月18～20日河南省層狀云系的水分收支和降水機制用MM5模式模擬的結(jié)果表明，在主要降水時段，降水是由冷云和暖云過程共同產(chǎn)生的，冰粒子凝華增長對雨水的貢獻最大超過 35%，撞凍增長的貢獻最高不足12%，可見水汽對降水粒子增長很重要。催化層、冰水混合層和液水層對降水的貢獻分別約為 15%～27%、45%～50%和23%～38%，表明此“催化—供給”云中冰粒子在冰水混合層的增長對降水的貢獻相當大。

最近幾年部分云數(shù)值模式中還考慮了雷達資料同化過程，開展了雷達資料同化對云降水過程的影響（徐枝芳等，2009；蘭偉仁等，2010a，2010b；陳明軒等，2012）。模擬試驗結(jié)果表明，雷達資料同化可有效改善反射率、降水和云物理過程的模擬效果。

2.1.4 霧數(shù)值模擬

霧數(shù)值模式是霧形成和預報研究的重要手段。隨著復雜可分辨云中尺度數(shù)值模式的發(fā)展，考慮了更為詳細的云物理過程、邊界層過程、湍流過程和輻射過程等，對霧生消過程以及形成機理的模擬研究提供了有效手段，同時為將來霧的數(shù)值預報和人工消霧提供了重要條件。

何暉等（2009）利用中尺度可分辨云數(shù)值模式（MM5）研究了2007年10月26日北京大霧天氣過程，并與多通道微波輻射計、風廓線儀及NOAA極軌衛(wèi)星監(jiān)測資料進行了對比研究，研究發(fā)現(xiàn)地面長波輻射冷卻及霧頂?shù)拈L波輻射冷卻降溫對霧的形成和維持具有重要作用，而太陽的短波輻射對霧的減弱消散有重要影響。

胡朝霞等（2011）利用中尺度數(shù)值模式對2004年12月17～19日在我國中東部地區(qū)出現(xiàn)的大霧天氣進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，此次霧過程是一次典型的輻射霧，覆蓋范圍大，水平不均勻。近地面存在的逆溫層、充沛的水汽供應和微風條件有利于霧的形成和維持。

何暉等（2011）利用中尺度數(shù)值模式（MM5）的Reisner2方案中引入了液氮與云相互作用的過程,實現(xiàn)了播撒消霧功能。對2007年12月26日北京地區(qū)的一次冷霧天氣過程進行了消霧的數(shù)值模擬研究, 探討了消霧的效果和機理。結(jié)果表明，以15 g/s的速率播撒作業(yè)和在目標區(qū)上風方5～6 km的地點作業(yè)對能見度的改善最為顯著。

2.1.5 云與閃電過程的數(shù)值模擬研究

云中的電過程與云微物理、動力過程密切相關(guān)。隨著云模式的不斷完善，有利于對云中電過程的模擬研究，揭示云微物理與電過程相互作用的機理。

侯團結(jié)等（2009）將三種不同的非感應起電參數(shù)化方案引入三維強風暴云數(shù)值模式，對 2005年6月10日發(fā)生在長春的一次雹暴過程進行了模擬研究。結(jié)果表明，電荷的產(chǎn)生始于過冷水含量中心，并隨著過冷水含量中心的向上發(fā)展而上移。非感應起電參數(shù)化方案的差異會導致不同的云中電荷極性結(jié)構(gòu)。

周志敏和郭學良（2009a）建立了云物理耦合電過程的冰粒子分檔模式，對北京一次強雷暴天氣的云中空間電荷結(jié)構(gòu)分布、形成機制及放電過程進行了模擬分析研究。結(jié)果表明，云水含量主要通過感應起電過程影響云水、霰粒子之間的電荷轉(zhuǎn)移，然后影響空間電荷分布；微物理過程的不均勻性使感應、非感應起電變得更加復雜；強上升氣流將冰相物攜帶到較高處，從而使得水成物間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的高度也比較高；由于放電會改變空間電荷結(jié)構(gòu),放電通道中的感應電荷會重新分配到各個水成物表面。

周志敏和郭學良（2009b）利用建立的三維閃電數(shù)值模式，模擬研究了北京2001年8月23日一次強雷暴發(fā)展過程中的云內(nèi)閃電通道特征及其與上升氣流和液水含量（LWC）之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在強雷暴發(fā)展過程中，由于雪晶往往在上升氣流相對較弱及LWC較低的地方形成、發(fā)展，與霰粒子之間的非感應起電過程首先發(fā)生在這些區(qū)域，然后發(fā)生電荷分離。

周志敏等（2011）利用建立的耦合電過程三維冰粒子分檔模式，模擬研究了北京一次強雷暴發(fā)展過程中電過程對霰粒子含量、數(shù)濃度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直徑較小的霰粒子數(shù)濃度受電場影響較大,直徑較大的霰粒子數(shù)濃度受電場影響較??；對不同直徑的霰粒子來說，電過程既有可能使其數(shù)濃度增加，又有可能使其數(shù)濃度減少；當電場較大時，電過程對小直徑霰粒子的影響比較直接，而對大直徑霰粒子具有間接的影響。

2.2 云降水觀測與遙感反演研究

云結(jié)構(gòu)的形成、演變是降水相關(guān)研究的基礎。最近幾年我國在云主動探測和被動遙感探測研究方面取得了明顯進展，特別在地基雷達探測（云雷達、偏振雷達等）、機載探測和衛(wèi)星遙感探測等方面取得了明顯的進步。

2.2.1 雷達探測研究

雷達，特別是云雷達、偏振雷達等在云降水結(jié)構(gòu)和演變的觀測中具有十分重要的作用。毫米波云雷達具有波長短（3 mm或8 mm）、靈敏度、分辨率高（小于50 m）的特點。主要缺點是易被液態(tài)水衰減，探測范圍有限。由于不需要大的天線和強大功率的發(fā)射機就可以實現(xiàn)對弱信號目標的探測，獲取良好、詳細的信息，由于其重量輕，可以方便地裝載在地面移動、飛機、衛(wèi)星等觀測平臺上，最近幾年在我國也在相關(guān)的研制和應用方面得到較快的發(fā)展。

章文星和呂達仁（2012）利用 2008年 5～12月在安徽省壽縣進行的大氣輻射綜合觀測試驗資料，比較研究了云雷達（W-band，95 GHz）、云高儀（Vaisala Ceilometer）及掃描式全天空紅外成像儀（SIRIS-1型）三種云觀測儀器的觀測結(jié)果，結(jié)果顯示，地基熱紅外對于觀測中低云高具有穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟和便捷等優(yōu)勢，但觀測結(jié)果較云雷達系統(tǒng)偏高。彭亮等（2012）利用2008年11月1日壽縣氣象站云雷達測量, 開展了云內(nèi)空氣垂直速度的反演試驗。結(jié)果顯示，小粒子示蹤法在湍流較弱時能比較精確地反演空氣垂直速度, 而湍流較強時, 湍流造成的誤差不可忽略。

偏振雷達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。最近幾年我國偏振雷達的研制及相關(guān)研究方面有了較快的發(fā)展（何宇翔等，2009，2010）。

房彬等（2010）利用激光雨滴譜儀觀測到的滴譜資料建立實時的Z–I關(guān)系。然后，利用變分法對同時有雷達回波和雨量計資料的點的實測校準因子進行校準，獲得最優(yōu)校準因子分析場。最后，對有雨量計的點取雨量計實際觀測值，沒有雨量計的點利用最優(yōu)校準因子分析場估算降水。利用此方法對遼寧省2007年5月15日一次天氣過程進行降水量估算，結(jié)果表明，雷達—雨量計—粒子激光探測儀聯(lián)合校準法結(jié)合了雨量站觀測資料單點精度高和雷達資料時空分辨率高的優(yōu)點，提高了降水量的估算精度，更好地反映了降水的空間分布。

2.2.2 機載探測研究

機載云探測設備包括機載微波輻射計、機載云雷達和機載云粒子測量系統(tǒng)等。我國在機載微波輻射計和機載云雷達方面目前還處于研究和試驗階段。

周珺等（2008）采用一維層狀云模式產(chǎn)生云樣本，通過統(tǒng)計回歸方法獲取機載微波輻射計測量路徑積分液態(tài)水含量的反演系數(shù)，結(jié)果表明，由于考慮了對層狀云物理過程，在一定程度上減小了因背景大氣條件、云溫、云內(nèi)含水量的垂直分布等的不確定性所引起的反演誤差，可使反演精度得到進一步改善。

周珺等（2010）通過對正則化方法改進和數(shù)值模擬試驗，開展了機載雙天線微波輻射計觀測數(shù)據(jù)層析反演云液水空間分布的試驗，得到反演誤差在8.6%～12.3%之間, 反演圖像可以反映出不同云型的結(jié)構(gòu)特征。

機載云粒子探測系統(tǒng)主要采用進口機載粒子測量系統(tǒng)，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)。由多個探頭組成，分別裝在飛機的不同部位，可以覆蓋0.1 μm到幾個毫米的云粒子尺度范圍，包括氣溶膠、非降水性云粒子、降水性云粒子。飛機探測是云探測重要的手段，但受觀測條件的限制較大。范燁等（2010）分析研究了北京及周邊地區(qū)2004年8～9月期間三次鋒面云系的機載云粒子測量系統(tǒng) (PMS) 的觀測資料。結(jié)果表明,三次降水云系以直徑 5～9 μm、200 μm 和 400～1000 μm的云和降水粒子為主。并建立了云粒子譜分布擬合函數(shù)。冷鋒層積云系的負溫云層中存在著相同濃度量級的過冷云水和雨水、霰粒、柱狀和針狀冰晶, 過冷水含量可達到0.26 g/m3, 暖鋒云系中則以霰粒、結(jié)淞粒子和冰雪晶聚合體為主, 也存在少量柱狀、針狀冰晶和過冷水滴。

張佃國等（2011）利用山東省 1989～2008年23架次秋季降水云系飛機探測資料，分析了云中過冷水以及冰晶濃度的分布特征。結(jié)果表明，山東省降水云系中存在較為豐富的過冷水，最大可達 0.36 g/m3，云中冰晶濃度最大可達12.8～406 L–1。

趙增亮等（2011）對1999年6月4日華北平原上一次層積云過程兩個架次的飛機微物理探測資料進行了分析，并將飛機盤旋上升和下降取得的5次云參數(shù)垂直探測結(jié)果作為輻射傳輸模式 SBDART2.4的輸入，采取正演的方式與GMS5/VISSR、NOAA15/AVHRR反射通道的資料進行了對比分析。飛機探測顯示層積云云厚約 1000 m，云粒子濃度最大值425 cm–3，含水量最大值 0.2 g/m3。

盧廣獻和郭學良（2012）利用 2009年春季開展的“環(huán)北京云觀測試驗”氣溶膠和云凝結(jié)核（CCN）數(shù)據(jù)，分析研究了試驗期間大氣氣溶膠的分布、來源特征及其與 CCN的轉(zhuǎn)化關(guān)系。結(jié)果表明，高濃度氣溶膠基本分布在4500 m以下的區(qū)域，量級可以達到103cm?3。4500 m以上氣溶膠呈顯著下降趨勢，僅為 101cm?3的量級；氣溶膠平均直徑在0.16～0.19 μm之間。4500 m以下氣溶膠平均粒子譜呈雙（多）峰分布，而在4500 m以上基本為單峰分布。受氣溶膠的來源特性差異的影響，在0.3%的過飽和度下，4500 m以下氣溶膠轉(zhuǎn)化為CCN比例不到20%，但在4500 m以上可高達近50%。氣團移動軌跡顯示，4500 m以上的大氣高層均受到來自沙塵等較大尺度粒子的影響，飛機觀測的高CCN濃度說明這種較大尺度氣溶膠粒子可溶性較大。而4500 m以下的低層，由于受到局地或區(qū)域地面污染的影響，氣溶膠的尺度較小，核化為CCN的過飽和度要求較高，因此氣溶膠到 CCN的轉(zhuǎn)化率低。

2.2.3 星載探測資料分析研究

最近幾年我國對星載微波、雷達、可見光、紅外等云探測信息的分析研究有較大的發(fā)展，衛(wèi)星探測信息有利于更大范圍和長時間尺度的云演變特征的研究。

李興宇等（2008）, Li et al.（2008）利用 1984～2004年國際衛(wèi)星云氣候?qū)W計劃 (ISCCP) 的云水路徑 (CWP) 資料，分析了中國地區(qū)空中云水資源的分布特征、變化趨勢以及與大氣環(huán)流和濕度場的關(guān)系。該研究表明，中國地區(qū)CWP的分布與大氣環(huán)流、地形特征、大氣濕度分布及水汽傳輸密切相關(guān)，中國地區(qū) CWP存在明顯的季節(jié)變化，6月全國平均CWP最高，10月最低，不同地區(qū)季節(jié)變化差異明顯。從變化趨勢看，中國地區(qū)CWP以增加為主，青藏高原東部、內(nèi)蒙古東部地區(qū)以及西北東部地區(qū)CWP的增加趨勢較強。全國范圍內(nèi)，冬季和秋季 CWP增加較大，春季和夏季增加較小。這些變化主要與大氣環(huán)流變化導致的抬升運動的增強以及大氣濕度（水汽）增加有關(guān)，中國地區(qū)空中云水資源在全球變暖的背景下表現(xiàn)出增加的趨勢，符合氣溫增加導致水循環(huán)增強的觀點。

CloudSat 是2006年發(fā)射的第一顆搭載毫米波段雷達的衛(wèi)星，可用于研究云垂直結(jié)構(gòu)特征等。與CALIPSO、Aqua和Aura 以及法國Parasol衛(wèi)星一起組成A-Train衛(wèi)星星座，前后星時間差小于30 min，實現(xiàn)準同步主被動、多波段對地球的觀測，能夠提供云垂直廓線及云中粒子的相關(guān)特性的信息。王帥輝等（2010）比較研究了2006年7月至2007年6月的CloudSat 2B-GEOPROF-LIDAR產(chǎn)品資料和國際衛(wèi)星云氣候計劃 (ISCCP) D2月平均云量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，ISCCP與CloudSat總云量的分布形勢在午間和凌晨均具有較好的一致性，但是兩種資料得到的總云量在量值上存在一定差異。對于整個研究區(qū)域而言，午間ISCCP較CloudSat平均總云量偏低8.9%，凌晨偏低15.1%。ISCCP與CloudSat云量差值總體上隨CloudSat云量的增大而呈線性變化，在CloudSat少云區(qū)ISCCP略有偏高，而在多云區(qū)則顯著偏低。

汪會等（2011）利用2006年9月至2009年8月的 CloudSat/CALIPSO資料, 比較分析了東亞季風區(qū)、印度季風區(qū)、西北太平洋季風區(qū)和青藏高原地區(qū)的云量和云層垂直結(jié)構(gòu)及其季節(jié)變化特征。提出現(xiàn)有大氣環(huán)流模式需要提高垂直分辨率，才能提高對云的分辨能力。

李俊等（2012）基于CloudSat衛(wèi)星研究發(fā)現(xiàn)，中尺度對流系統(tǒng)具有濕中性層結(jié)特征，并且從動力學和熱力學的角度探討了濕中性層結(jié)結(jié)構(gòu)在 MCS發(fā)生和發(fā)展中所起到的作用。

楊大生和王普才（2012）利用CloudSat衛(wèi)星資料，分析了 2006～2008年中國地區(qū)夏季月平均云水含量的垂直和區(qū)域變化特征。結(jié)果顯示，青藏高原地形和東亞夏季風對月平均云含水量分布有明顯影響。中國中部緯度上對流層中層的月平均液態(tài)水含量比南部及北部的量值大，各月平均云液水含量垂直廓線存在兩個不同高度上的峰值區(qū)。

李香淑等（2011）利用熱帶測雨衛(wèi)星 (TRMM)的雷達 (PR）、微波成像儀 (TMI）、加密探空等綜合觀測資料，研究了1998年5～6月中國南海季風試驗（SCSMEX）期間南海北部中尺度對流云帶的結(jié)構(gòu)、演變和降水特征，探討了對流有效位能、 風切變及相變潛熱在對流云帶維持和發(fā)展中的作用機理。結(jié)果表明，季風爆發(fā)前南海北部地區(qū)盡管存在較大的對流有效位能，但垂直風切變很小。季風爆發(fā)后，季風環(huán)流使對流有效位能和垂直風切變加強和維持，從而導致南海的對流云呈現(xiàn)維持和加強的態(tài)勢，可發(fā)展為深厚中尺度對流云，降水加強。季風爆發(fā)期間對流發(fā)展產(chǎn)生的水分相變潛熱加熱率可增加2倍以上。衛(wèi)星得到的云帶變化特征與利用中國南海季風試驗區(qū)1998年5～6月科學1號和實驗3號觀測船得到的一天4次加密探空資料分析得到的環(huán)流結(jié)構(gòu)特征的演變一致（李香淑等，2008）。季風爆發(fā)前，南海北部地區(qū)高層輻合、低層輻散，以下沉氣流為主；季風爆發(fā)后，在200 hPa左右高層輻散，而在900～950 hPa左右低層輻合，并出現(xiàn)強上升氣流。這種動力場的顯著變化引起溫度、濕度場的改變，直接導致南海對流的快速發(fā)展，對流活動伴隨著劇烈的熱量和水汽垂直輸送和轉(zhuǎn)化。

方翔等（2011）研究了NOAA衛(wèi)星微波濕度計(AMSU-B) 的3個水汽吸收波段與冰粒子含量的變化，建立了利用NOAA衛(wèi)星AM-SU-B水汽通道反演對流云冰水路徑和冰水厚度的算法，得到的反演結(jié)果與閃電分布具有較好的一致性。其中，強的負閃發(fā)生區(qū)與高層冰粒子聚集區(qū)對應較好，而正閃和部分較弱負閃發(fā)生在中層冰粒子聚集區(qū)，與星載微波成像儀（TMI）反演可降水冰結(jié)果有較好的一致性。

劉貴華等（2011）選取2007年6月21日陜西地形云降水過程，用極軌衛(wèi)星資料反演高空間分辨率的云微物理特征。分析表明：迎風坡云頂亮溫為―31 °C，粒子有效半徑為9 μm，含有豐富過冷水，但缺乏冰晶；對溫度為―20 °C的低云，在有高云參與的情況下，產(chǎn)生了較多的降水。

齊彥斌等（2010）利用NCEP資料，將對流渦度矢量的垂直分量、水平散度和廣義位溫的垂直梯度結(jié)合在一起，引入熱力切變平流參數(shù)。研究結(jié)果表明熱力切變平流參數(shù)能夠比較準確地表征雨區(qū)上空水平風場切變和濕等熵面漏斗狀向下伸展等動力學和熱力學典型的垂直結(jié)構(gòu)特征，與降水系統(tǒng)的發(fā)展演變有密切的關(guān)系。

2.2.4 GPS水汽測量及地基微波輻射計研究

大氣水汽含量的三維空間分布和演變特征是研究對云降水形成機理的關(guān)鍵要素，目前對大氣水汽的測量主要有探空、GPS、微波輻射計等手段，最近幾年有關(guān)此方面的研究也有一些重要進展，特別是GPS、微波輻射計觀測資料的驗證和應用。

劉紅燕等（2009）對比分析了地基微波輻射計、探空、GPS測量水汽的差異，得到地基微波輻射計與探空的差值為0.281 cm，GPS與探空的差值為0.728 cm，地基微波輻射計與GPS的差值為0.322 cm。并依據(jù)地基12通道微波輻射計測量的水汽總量（簡稱PWV），分析了北京地區(qū)水汽在四個季節(jié)中的日變化特征。

梁宏等（2012）探討了地基GPS遙感的大氣水汽總量與探空觀測的大氣水汽總量的差別，結(jié)果表明，近十多年拉薩站探空水汽總量比 GPS水汽總量明顯偏小，偏小程度隨使用不同的探空儀而異。

黃建平等（2010）利用兩年的地基微波輻射儀觀測資料，分析了黃土高原半干旱區(qū)液態(tài)云水路徑和可降水量的變化特征。結(jié)果顯示，在黃土高原地區(qū)，95%的云水路徑值都在150 g/m2以下，95%的可降水量值都在3 cm以下。衛(wèi)星反演資料的年變化趨勢與地基反演結(jié)果比較吻合。

3 人工影響天氣相關(guān)研究進展

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、作業(yè)方法的建立以及機理等方面的研究中具有重要作用。我國近幾年在人工影響天氣數(shù)值模式的發(fā)展和應用方面做了大量研究。中尺度可分辨云模式已經(jīng)應用于人工影響天氣的業(yè)務，主要用于作業(yè)條件預報（樓小鳳等，2012）。

在云尺度人工影響天氣模式（Guo et al., 2006;2007）的基礎上，方春剛等（2009）在 WRF中尺度天氣數(shù)值模式中引入碘化銀與云相互作用過程，建立了中尺度碘化銀播撒數(shù)值模式，研究了不同播撒部位、播撒時間和播撒劑量情況下碘化銀的擴散、傳輸及其對云中水成物和降水量的影響。

楊潔帆和雷恒池（2010）使用包含詳細微物理過程的一維層狀云全分檔模式，加入AgI焰劑催化方案，對2007年吉林省長春市一次層狀云降水過程進行AgI播撒試驗。

洪延超和李宏宇（2011）利用觀測資料、中尺度模式 MM5和一維層狀云模式, 分析和研究了典型層狀云系的“催化—供給”云結(jié)構(gòu)及其分布、降水形成微物理機制以及人工增雨條件。結(jié)果表明,云系的不同部位，其垂直結(jié)構(gòu)不同。提出可以用云體“催化—供給”云結(jié)構(gòu)、降水機制、過冷水含量、冰晶濃度、云的暖區(qū)含水量以及冰面過飽和水汽量判斷人工增雨催化條件。

最近幾年我國也開展了一些吸濕劑播撒模式的研究。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、適當尺度的物質(zhì)（如鹽粒等），增加云中凝結(jié)核（CCN）或促進暖云和混合相云碰并降水形成過程。因此，在吸濕劑播撒方面，催化劑的尺度和吸濕特性是兩個重要影響因子，我國有關(guān)吸濕性催化劑性能及在暖云人工增雨中的應用研究還處于試驗研究之中。一些數(shù)值模擬試驗結(jié)果表明（房文和鄭國光，2011），大尺度氣溶膠核對促進降水形成具有重要影響。

一些先進探測和作業(yè)設備在人工影響天氣中的應用呈現(xiàn)快速發(fā)展，如地基多普勒偏振雷達、機載探測儀器等。高時空分辨率的雷達、衛(wèi)星、雨量站等資料可以較快速地通過專業(yè)或公共網(wǎng)絡進入指揮平臺。GPS系統(tǒng)的應用可以使作業(yè)飛機的飛行狀態(tài)與觀測的云系狀況緊密結(jié)合起來，大大提高了作業(yè)的時效性并降低了盲目性。

4 討論與結(jié)論

對云降水形成關(guān)鍵物理過程的認識、驗證和定量化描述仍然不足。盡管最近幾年觀測技術(shù)與云數(shù)值模式及應用研究有了長足的發(fā)展，對一些云降水形成的宏微觀過程的基本認識有了顯著的提高，但對云結(jié)構(gòu)及降水形成的一些關(guān)鍵物理過程及形成機理的認識仍然十分不足，如云中水分轉(zhuǎn)化的微物理、動力、熱力過程以及云微物理與動力過程的相互作用等。由于缺乏相應的定量化觀測和實驗研究，云中相關(guān)的物理過程的假定無法得到檢驗和驗證。目前普遍采用的多普勒降水雷達只能對云的降水回波結(jié)構(gòu)和水平風場進行觀測，對云中粒子相態(tài)、分布、轉(zhuǎn)化及相應的動力、熱力過程的觀測幾乎無法獲得。而能獲取云中粒子相態(tài)的相關(guān)技術(shù)，目前仍然處于不成熟狀態(tài)。我們目前對云的認識，在很大程度上還處于定性化認識狀態(tài)，定量化特別是準確的定量化描述仍然十分缺乏，云仍然是一個“黑匣子”。

云數(shù)值模式雖然可以在一定程度上揭示云中粒子的轉(zhuǎn)化和相應的物理過程，但數(shù)值模式中的物理過程是基于理論、觀測和實驗建立的，存在大量的理論假定，如果這些假定和描述無法得到驗證和檢驗，很難提高其模擬能力。目前對數(shù)值模式的驗證大部分仍然采用雷達、地面降水的直接驗證，但即使降水模擬效果不好，由于缺乏科學依據(jù)，也很難直接通過改進模式中的物理過程，提高降水的模擬能力，盡管大量的數(shù)值模擬敏感性試驗表明，這些物理過程具有很重要作用。因此，提高對云中一些關(guān)鍵物理過程的認識，降低其不確定性，是提高云數(shù)值模擬能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前的計算機資源已經(jīng)能夠提供具有短期預報價值的云實際模擬能力，把具有詳細云物理過程、具備資料同化功能的數(shù)值模式應用于人工影響天氣的實際業(yè)務中已成為可能。特別是與人工影響天氣有關(guān)的各種微物理過程，在不斷檢驗的基礎上采納和引入，可以降低人工影響天氣工作的很多不確定性，提升業(yè)務能力和科技水平。云數(shù)值模式在三個方面可以應用于人工影響天氣作業(yè)，即有關(guān)人影作業(yè)的方案設計、論證，作業(yè)過程的指導，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。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)的擴散路徑，提供外場試驗和作業(yè)所需的實時預報，提供不同播撒方式產(chǎn)生的潛在效應。

云數(shù)值模式和資料同化可以降低傳統(tǒng)統(tǒng)計檢驗的不確定性。采用復雜的數(shù)值模式，可以顯式處理不確定性因素，并能進行作業(yè)和控制試驗的時空對比。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)設計和效果驗證試驗的云和降水模式，但還沒有完全實時應用到外場作業(yè)試驗中，要達到這個目標，需要解決模式運行速度（如采用較低的分辨率、較簡單的物理過程），同時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，提升模式的應用能力。

最近幾年，我們也確實看到了一些明顯的進展，如毫米波云雷達技術(shù)的發(fā)展。這種短波長的雷達對云的觀測能力更強，正在不同的觀測平臺上開始應用和試驗。結(jié)合偏振、微波及激光等探測技術(shù)以及室內(nèi)實驗技術(shù)，對云的探測和定量化描述的提高將具有重要推動作用。在云數(shù)值模式中不斷引入各種云觀測資料的同化過程，通過改進云模式初始場中云信息的描述，提高對云結(jié)構(gòu)及演變過程的模擬能力。

發(fā)展高分辨率的機載多普勒、偏振雷達，將在人工影響天氣領(lǐng)域具有重要的潛在價值。在成冰劑播云試驗中，可以利用偏振雷達監(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)的運動、擴散過程。我國最近幾年在一些試驗研究中也采用了偏振雷達系統(tǒng)，在不斷完善的基礎上，偏振雷達系統(tǒng)將在我國人工影響天氣研究和業(yè)務中發(fā)揮重要作用。

人工影響天氣定量化科學指標缺乏。在人工增雨方面，首先面對的一個問題是云的可播性問題（或播撒窗口問題），也就是說，對現(xiàn)有的增雨技術(shù)，要作業(yè)的云有沒有增雨潛力（黃美元，2011）。對人工防雹而言，首先要判別是否是冰雹云。自然界的云千變?nèi)f化，就如同很難找到完全相同的兩個人一樣，自然界中沒有完全相同的兩塊云。因此，每一次人工影響天氣作業(yè)時，首先需要對作業(yè)云系進行研究、判別，確定可播性問題，或播撒窗口問題。由于云的可播撒性存在時空變化問題，如某一個時間具有可播性，另一時間沒有可播性，或云的某區(qū)域有可播性，而另一區(qū)域沒有可播性，這造成了實際操作的極大困難。

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)鍵不確定科學問題的深入探討和理解有利于從根本上提高人影業(yè)務的科技水平。如何識別可播性云，確定播撒劑量、時間、位置，播撒后的響應時間，播撒的覆蓋面和影響體積，播撒物質(zhì)的跟蹤、擴散、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)。

為此，建議開展以科學試驗為目的的中長期云降水物理與人工影響天氣研究計劃，建立針對我國不同云系、不同作業(yè)目的的定量化指標與評價方法。針對人工影響天氣的作業(yè)對象和目的，開展相關(guān)觀測技術(shù)研究，特別是偏振雷達、微波及激光探測技術(shù)等的應用與改進研究。建立先進的云霧物理室內(nèi)實驗技術(shù)，開展自然云形成和人工影響的定量化模擬實驗。五十多年來，科學家對探索人工影響天氣新理論與技術(shù)的嘗試一直沒有停止，但并沒有取得突破性進展。目前基于云微物理學理論的人工影響天氣技術(shù)，雖然具有堅實的理論基礎，但在一些環(huán)節(jié)仍然存在著較大程度的不確定性，雖然這種不確定性與大氣科學本身的復雜性和認識程度密切相關(guān)，但積極探索新的人影技術(shù)途徑，對有效降低這種不確定性是有科學和應用價值的。

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