引言

1956年1月25日, 毛泽东主席召开最高国务会议, 讨论并通过《1956年—1967年全国农业发展纲要》。会上, 中央气象局 (中国气象局前身) 涂长望局长汇报说:我们讨论“气象科学研究12年远景规划”时, 大家都同意把人工降雨试验列入重点项目。毛泽东主席说:“人工造雨是非常重要的, 希望气象工作者多努力”。^[1]同年10月发布的《气象科学研究12年远景规划 (草案)》中, 第二大专题大气物理学第四项是“云与降水物理过程和人工控制水分状态的试验研究”, 其中列出了人工降雨、消除云雾和冰雹等内容, 并建议此项工作由中央气象局负责, 有关实验和理论研究由中国科学院负责^[1]。从此, 人工影响天气成为中国气象局气象科学研究的重要领域之一。

1958年1月8日, 涂长望局长在中央气象局主持召开《讨论建立云雾降水物理观测实验工作》会议, 中央气象局、中国科学院、北京大学、空军司令部等单位代表出席, 会议建议在国家科委海洋气象组下成立云雾物理专业组并报请国家科委批准。2月21日, 国家科委批准同意由中国科学院钱学森、中国科学院地球物理研究所赵九章、顾震潮、中央气象局卢鋈、北京大学谢义炳、南京大学朱炳海、空军司令部气象处吕东明等人组成云雾物理专业组, 由赵九章负责^[1]。与此同时 (1958年1月), 中央气象局开始组织云雾物理及人工影响天气工作, 本项工作交由中央气象科学研究所 (中国气象科学研究院的前身, 成立于1956年8月) 承担, 具体由易仕明主持, 酆大雄、游来光、马培民、许焕斌以及陆续从前苏联学习归国的郭恩铭、胡志晋、张纪淮、孙奕敏等参加工作^[1]。同年8—9月, 在抗旱的迫切需求下, 吉林、甘肃等省在我国率先开展了飞机和地面人工增雨试验, 随后, 有组织的人工增雨、人工防雹、人工消云雾等试验在全国各地迅速开展, 开始了我国现代人工影响天气试验研究工作^[2]。

在人工影响天气试验的带动下, 我国的云降水学科也开始迅速发展。中国科学院、中央气象局、北京大学、南京大学等单位的科研人员在顾震潮、程纯枢、徐尔灏等的带领下开展了云降水外场观测试验、室内实验和理论研究, 填补了该学科在我国的空白^[2]。1958—1978年的20年间, 中央气象局观象台云雾物理研究室 (中国气象科学研究院人工影响天气研究所的前身) 的科研人员参与了在全国许多省市组织的人工影响天气 (增雨、防雹、消雾等) 外场观测和作业试验^[1], 取得了许多实际观测资料和外场试验经验, 同时, 在云降水物理和人工影响天气的理论研究上也取得了一定的进展^[2-3]。

1978年5月13日, 中央气象局下发《关于成立中央气象局气象科学研究院的通知》, 正式成立气象科学研究院 (以下简称气科院), 隶属于气科院的人工影响天气研究所 (以下简称人影所) 也同时成立。气象科学研究院人工影响天气研究所一直坚持以人工影响天气为主攻方向的研究, 自成立以来, 承担过多项国家级的科研项目, 包括20世纪80年代初期至90年代初期承担完成的国家重点项目“北方层状云人工降水试验研究”、“九五”期间承担完成的国家科技攻关课题之专题“人工增雨农业减灾技术研究”和“人工增雨成套技术预研究”专题、“十五”期间承担完成的国家科技攻关课题“人工增雨技术研究及示范”, 此外还有国家计委工程项目“西北地区人工增雨工程建设”、国家自然科学基金重点项目“西北地形云结构及降水机理研究”以及10多项国家自然科学基金面上项目等。据不完全统计, 自1978年以来, 人影所共获得科技成果奖30项, 其中:国家级奖4项、省部委级奖21项、气科院科技进步奖5项。20多年来, 人影所在人工增雨、人工防雹、人工消雾、人工防霜、高山云雾降水及大气冰核和云凝结核的观测研究、云雾降水观测仪器及技术方法、云雾宏微观结构的飞机探测和雷达探测、云降水和催化的数值模拟、增雨防雹的催化技术、催化剂和催化工具、效果评估技术方法等领域开展了较为深入的研究, 取得一系列的科研成果, 一些成果已经在我国人工影响天气业务实践中发挥了巨大的作用^[1-4]。

1 人工增雨科学和技术研究以及综合观测试验 1.1 云降水物理观测研究

20世纪60—70年代, 中央气象局观象台云雾物理研究室的研究人员和有关省份的科研人员, 利用国内自行研制的一些云降水物理观测仪器, 以人工增雨飞机、地面、高山站等作为观测平台, 观测大气核、云水含量、云滴尺度谱、雨水含量等参数, 收集了我国云降水物理结构特征的第一批资料。这一时期云物理观测的项目主要包括膨胀型云室测量大气凝结核 (CN)、混合型冷云室测量大气冰核 (IN)、氧化镁涂层碰撞采样器观测云滴尺度谱、滤纸色斑法测量云液水含量 (LWC)、铝箔碰撞采样器测量冰晶粒子尺度谱、雨滴尺度谱、雪粒子尺度谱等云微物理结构参数^[2-5]。

20世纪80年代以后, 中国气象科学研究院人工影响天气研究所先后组织或参与改装了多架不同型号的云物理观测和人工增雨播云作业飞机, 飞机装载各种气象和云物理探测仪器进入云中直接测量, 取得了十多个省区的云降水微物理结构和大气核的资料, 发现了我国北方层状云中冰晶浓度很高、过冷水较少、通常只在部分温度高于-20 ℃的云区存在, 以及我国南方浓积云中大云滴浓度很高等重要事实^[2]。不同波长的雷达相继投入人工影响天气外场观测和试验使用, 对人工影响天气科学水平的提高起到了重要的推动作用。此外, 还开展了雨水和云水化学特性的观测研究。

进入21世纪以来, 人工增雨技术已经充分体现了现代大气科学探测技术的发展水平, 如卫星、多普勒雷达、偏振雷达、各种主被动微波探测技术等先进技术的应用。专门的云微物理探测飞机、地面自动雨量站网以及中尺度气象观测网, 已在人工增雨中得到广泛的应用。“十五”期间, 气科院人影所利用新引进的机载PMS粒子测量系统^[6]和King-LWC含水量仪, 以及自行研制的GPS空-地数据传输系统、AgI末端燃烧器、测温仪和高度空速传感器, 选择改装了“夏延ⅢA”型云降水探测和人工增雨专用飞机, 完成了我国新型人工增雨综合探测作业飞机的设备研制和技术集成。目前, 该架飞机及机载仪器设备已在全国多个省市进行过飞行探测和作业, 获取了大量的云降水物理观测资料。

1.2 北方层状云人工降水试验研究

20世纪80年代初期至90年代初期, 由气科院人影所游来光、马培民、胡志晋等人主持完成的国家重点项目“北方层状云人工降水试验研究”, 在北方广大地区的云降水物理、人工降水资源及其自然背景等方面开展了外场考察和人工增雨试验研究, 取得了许多重要成果^[4,7-39]:

① 我国北方层状云系常与锋面系统或低槽等天气系统对应, 其降水的微物理机制常常通过云系上部的催化云 (seeder) 和其下部的供水云 (feeder) 相互匹配形成降水的特征, 催化云提供冰晶胚, 供水云中的云水供应冰晶胚的进一步增长。研究发现, 供水云和催化云常由不同的动力学条件支配, 因此有时两者不是同一连续的云体, 中间有时夹有不同厚度的干层。我国北方很多地区的降水系统中, 锋面以下低层的深厚的层积云具有相对丰富的云水含量, 特别是受地形抬升影响的地区更为明显。在锋面以上的高空云带起催化云的作用。在温度较高的季节供水云常常是高于0 ℃的暖云, 增雨作业的对象主要是高空的冷云云带。增加云带中的降水粒子胚的数量, 以及改变高空云带中的降水粒子的尺度谱可提高其对低层云水的碰并效率, 从而提高降水云系的云水向降水转化的效率, 达到增雨的目的。因此, 人工增雨作业宜对高层的冷云云体进行冷云催化。

② 分析出我国北方几类主要降水云系的多尺度云物理过程的综合图像, 揭示了其间相互作用的云物理过程特点, 建立了不同地区的几类降水云系的降水概念模型。

③ 发现我国北方大部分地区的降水过程都有不同程度的地形增幅效应。分析表明, 地形增幅效应主要是增强了降水云系低层的供水云的云水凝结率。因此, 在降水过程中有地形增幅作用的地区具有更好的人工增雨条件。

④ 对人工增雨的自然条件进行了综合分析, 揭示了降水系统的微物理过程与云的宏观特征的相关性, 为人工增雨作业条件选择及其实时监测和作业设计提供了多项物理依据和判别途径。

⑤ 分析了多种检验人工增雨效果的统计方案的适用性, 对引晶催化后的物理效应进行了分析。

⑥ 对我国广大地区的大气气溶胶、云凝结核、大气冰核、霾、雾等的空间分布及微物理结构特点以及云和降水化学与降水过程的关系等进行了系列观测和研究, 得到了许多研究成果。

该项目研究成果获得1992年中国气象局科技进步一等奖和1993年国家科技进步二等奖。

1.3 南方夏季对流云微物理结构和人工增雨试验研究

20世纪60年代, 我国不同地区观测到的大气中的盐核浓度表明, 自然大气中次微米级的核浓度很高, 从而推测用播撒次微米级的吸湿性核播云, 很难改变云的微物理结构达到人工增雨的目的, 必须采用大剂量吸湿性大核粒子方可改变云的微物理结构。针对南方夏季对流云的观测研究发现, 自然对流云中存在数目很多的直径达到100 μm的大云滴, 因此提出作为对流云的暖云催化宜采用大颗粒盐粒子 (直径大于30 μm) 和大剂量 (每千米航线播撒5~50 kg) 催化的途径实现人工增雨。中央气象局观象台云雾物理研究室研究人员曾利用食盐粒子以上述方法催化中国华南地区的对流性浓积云, 观测到催化后云微物理结构的变化, 直径大于100 μm的云滴浓度增加10.5倍, 直径大于270 μm的云滴浓度增加6.6倍, 直径大于1000 μm的雨滴浓度增加27.5倍, 并且观测到有阵性降水的加大。

20世纪70年代以后针对对流云的引晶催化表明, 人工增雨量可以来自过冷水、水汽和暖区云水, 揭示了人工催化引起局地温度升高和升速增大的中尺度动力效应。

1.4 人工增雨技术系统

“九五”期间, 气科院人影所主持完成的国家科技攻关课题之专题“人工增雨农业减灾技术研究”, 在河南、山东、吉林等地建立了试验示范区, 通过外场试验、数值模拟研究建立了人工增雨概念模型, 并建立了人工增雨综合技术系统, 包括催化条件的综合监测识别技术、催化指标以及作业决策系统^[40-44]。

1.4.1 层状云人工增雨技术系统

在河南、山东、吉林3省组织了层状云外场观测和增雨试验。

建立了层状云系云物理数值模式的实时预报业务系统。该模式是在中尺度大气模式MM4的基础上, 结合云微物理预报量的需要, 考虑了21个云物理过程。实现了模式实时稳定运行。在河南省试用的初步结果表明:春秋季全省24 h内分区降水预报的Ts评分达0.7以上, 6~12 h预报的Ts评分高于0.8。雨量分等级预报的Ts评分为:小雨0.82, 中雨0.75, 大雨以上为0.85。

建立了层状云人工增雨的新概念模型。提出利用冰面和水面的饱和水汽压差带来的水汽量的概念, 可以提供大约0.2 g/m³的水量; 在-15 ℃温度下可达到0.27 g/m³。

提出可进行人工增雨的条件判据:①云和降水处于发展或持续阶段, 云中有较强的上升气流, 过冷云层较厚, 云底较低; ②云中有过冷水; ③云中冰晶浓度较低。

根据对降水云系的多尺度监测和综合分析, 建立了人工增雨作业条件的微物理条件的识别指标: ①云中的云滴浓度大于20/cm³; ②冰晶浓度小于20/L³。

催化部位和催化剂量:选择云系中温度最低的过冷水区播撒催化剂。根据不同温度下冷却剂 (干冰、液氮) 和成冰剂 (碘化银焰火剂、碘化银丙酮燃烧炉) 的成核率分析, 建议采用的播撒强度能够使过冷云中的冰晶浓度高于20/L³。

1.4.2 对流云人工增雨技术系统

在湖北进行了对流云外场观测和增雨试验。

建立了三维对流云人工增雨的引晶催化数值模式。改进的模式考虑了水汽、云水、雨水、冰晶、霰和冰雹等粒子形态的生成、增长等27种物理过程。模拟了引入冰晶或人工冰核后的物理反应。在模拟碘化银人工冰核的作用时, 考虑了凝华、凝结、冻结和浸入冻结4种核化过程。发现播撒部位和剂量对核化过程有重要影响。统计分析湖北省对流云人工增雨试验的雷达回波资料, 建立对流云演变过程中不同阶段的雷达回波特征, 提出人工增雨的条件判据和催化时机、催化部位、计量等作业技术参数, 建立了根据雷达回波数据进行实时指挥作业的技术系统。

研究了利用火箭、高炮释放碘化银冰核催化对流云的技术要点。在试验区初步形成了利用火箭和高炮催化对流云人工增雨的综合技术系统。

1.5 人工增雨技术研究及示范

“十五”期间, 由中国气象局郑国光主持、气科院人影所承担的国家重点科技攻关课题“人工增雨技术研究及示范”, 经过5年的攻关研究, 在人工增雨综合探测、云水资源评估、数值模拟、催化作业、效果检验技术、外场示范试验和综合技术集成示范应用等方面取得了一系列成果和应用效益, 形成了一套人工增雨综合技术。课题主要研究成果已集成到省级人影业务平台中, 在北京等示范区得到应用^[45-77]。

① 完成了人工增雨专用飞机“夏延ⅢA”的改装和机载综合探测仪器的集成, 实现了空地资料实时传输; 研制了卫星反演云物理参数的技术和人工影响天气无人驾驶飞机系统; 利用机载探测设备、卫星遥感、多普勒天气雷达、微波辐射计、加密探空等对示范区云降水结构和过程进行了综合探测和作业试验。

② 研究了示范区典型降水云系的宏微观特征和降水机制; 提出并改进了示范区云水资源和人工增雨潜力的评估方法; 建立并改进了示范区主要降水云系人工增雨概念模型, 为人工增雨作业的决策提供了重要的科学依据。

③ 研制并改进了可业务化的中尺度非静力增雨云系模式和具有人工增雨催化功能的降水粒子分档对流云模式以及地形云模式; 利用这些模式研究了层状云、对流云、地形云的云降水结构、作业条件、云中AgI和液态CO₂的输送、扩散、核化机理及其与增雨效果的关系、以及地形影响等, 为人工增雨作业条件和催化剂的选择提供重要依据。

④ 研制开发了AgI末端燃烧器、无人驾驶小飞机、液态CO₂播撒器等新型人工增雨催化工具, 并在外场进行了催化试验和应用; 优选了“三七”炮弹的高效催化剂配方, 其成核率有明显提高; 研制了可移动混合云室, 解决了外场催化剂成核率检测的难题; 研究了适用于不同催化条件的催化技术。

⑤ 利用聚类分析和雨量网格插值技术, 以及区域趋势控制协变量历史回归分析, 改进了人工增雨效果历史回归统计检验方法; 改进了人工增雨效果物理检验方法, 获得了催化云物理响应的证据; 建立了人工增雨作业效果的综合检验方法, 并对示范区人工增雨作业的效果进行了更科学的评估, 示范区人工增雨作业效果为8%~17%。

⑥ 集成了综合监测、预测、云水资源评估、催化决策、作业指挥和效果评估等技术, 研发了功能先进的人工增雨技术集成示范系统, 显著提高了示范区人工增雨作业指挥能力。

⑦ 课题主要研究成果在河南、北京、甘肃等8个示范区进行了示范和业务试用。

该项目研究成果获得2006年中国气象局研究开发奖一等奖。

2 雹云物理与人工防雹研究

自1958年开展人工增雨试验的同时, 中央气象局、中国科学院和一些地方政府也开始组织人工防雹的科学试验^[78]。20世纪70年代, 国产雷达相继投入人工影响天气外场试验使用, 对人工影响天气科学水平的提高起到了重要推动作用, 特别是在防雹试验中, 国产X波段雷达对雹云的探测识别和预警起到了非常重要的作用^[2-3,78]。1970年至1971年, 中央气象局观象台云雾物理研究室与中国科学院大气物理研究所协作并和当地气象人员一起在山西昔阳进行了人工防雹试验, 共遇冰雹20余次。1974年, 研究室成立了人工防雹课题组并购置了711雷达, 并分别于1976年和1977年在河北保定和河北遵化对冰雹云进行雷达观测试验研究, 同时在试验区增设了地面气象观测点、布置了地面冰雹取样点, 并对积雨云进行了9次探索性的高炮防雹试验, 获取了大量的强对流和冰雹云的雷达回波资料以及降雹过程的冰雹微结构及雹谱资料和其他地面观测资料, 为研究雹云结构和防雹技术方法提供了第一手资料。

20世纪80年代, 气科院人影所王雨增等在河北省满城县开展了雹云物理和防雹效果的协作研究, 利用雷达、探空、地面雹块尺度和雹胚等研究途径, 研究了雹云结构、冰雹微物理特征和防雹效果; 根据雹灾面积和雹块落地动能分析了防雹效果, 研究了防雹作业对降水的影响。该项目成果获河北省科技进步二等奖^[4,79-86]。

1986年以来, 气科院人影所分别在河北满城、山东德州、济阳、河南民权以及北京等地开展过冰雹和冰雹云的宏微观结构观测、雷达识别雹云技术、防雹作业技术方法以及作业效果检验等方面的试验研究工作, 取得了许多研究成果^[79-95]。张纪淮等深入研究了冰雹云的形成条件, 分析了多个试验个例, 综合归纳后, 提出雹云的形成与0 ℃~-30 ℃层之间的不稳定能量的强度有关, 其关系可作为区分冰雹云和雷雨云的重要参考, 即如果0 ℃~-30 ℃层是湿绝热不稳定, 则可能产生冰雹云, 如果0 ℃~-30 ℃层是湿绝热稳定, 则可能产生雷雨云。山西、内蒙古、甘肃等地的观测资料均证明了上述雹云的形成条件有其普遍意义^[96]。

气科院许焕斌、王思微、何观芳等在强对流和雹云的数值模拟方面做过许多工作, 取得了许多有意义的成果^[97-101]。中国科院大气物理研究所和气科院等单位从20世纪80年代到90年代先后建立和发展了一维、二维和三维冰雹云模式, 微物理过程有单参数、双参数和分档谱模式^[78]。

通过40多年的试验和实践, 我国已逐步建立和发展了一套适应现代科技发展的利用雷达监测识别和预警冰雹云、利用计算机通讯系统指挥作业、利用发射炮弹 (火箭弹) 播撒成冰催化剂的高炮 (火箭) 为作业工具的人工防雹技术系统。

3 雾结构观测与人工消雾研究

由于雾常给国民经济和社会生活带来重大损失, 我国自1958年以来一直重视雾的物理学研究和人工消雾试验^[102-103]。

我国冬春季节出现雾的频次较高, 北方多为过冷雾, 纯粹的冰晶雾出现很少; 南方多为暖雾, 过冷雾相对出现较少。消除冷雾通常选用碘化银、干冰和液氮等催化剂, 消除暖雾则选用吸湿性核如氯化钙等, 也可采用热力动力方法。机场、高速公路、港口码头等地区出现雾时, 往往造成航行视程障碍, 严重影响交通安全。气科院人影所郭恩铭、张纪淮等科研人员曾先后在庐山、福建、重庆、成都、上海和北京等地进行过雾的宏微观结构观测和人工消雾的试验工作^[104-107]。

气科院人影所利用喷撒氯化钙粉末、盐粉和耐火土等方法先后在江西庐山、重庆、成都、北京等地进行过消暖雾试验, 能改善局地能见度数分钟。1967年冬季在重庆进行过24次试验, 试验区面积为3000 m², 喷撒氯化钙粉末后30 s, 能见度一般开始转好, 最好一次能见度从20 m变到1000 m, 消雾面积达10⁴ m², 停止播撒后消雾区维持约5~8 min, 然后逐渐恢复原来状态。1971年在成都双流机场进行过飞机播撒氯化钙消雾试验, 1984年在北京南苑机场用直升机进行过播撒拌有耐火土盐粉的消雾试验, 均能在一定程度上改善机场的能见度, 但维持时间不长。

郭恩铭等研制了热力动力消暖雾技术。热力动力消雾系统主要由喷气发动机和调节仰角和方位角的油压装置构成, 它们固定在一个载重汽车上, 喷气发动机工作时在其尾部形成高温射流, 可形成一定范围的高温区, 其中的雾滴能被蒸发。1987年12月8—15日, 用热力动力消雾系统在成都双流机场进行了7次消暖雾试验, 取得了明显的消雾效果, 具有一定的应用前景^[104-105]。

在消除冷雾方面, 气科院人影所与北京市人工影响天气办公室合作用液氮在北京首都机场进行过多次消雾试验。例如, 1996年12月15日, 北京首都机场出现过冷雾, 能见度200 m, 用两辆液氮罐车在机场喷洒液氮, 作业后雾中出现冰晶, 并有雪花落地, 地面出现薄层积雪和米雪, 能见度逐渐转好, 消雾效果明显。

4 云的宏观结构研究与云图

由于云的宏微观结构对于气象观测、天气预报、航空气象、人工影响天气等领域均有重要的实际意义, 从早期的中央气象局观象台云雾物理研究室到现在的中国气象科学研究院人工影响天气研究所, 50年来, 云的宏观结构一直是主要研究对象之一。为了全面观测研究和深入分析云的宏观结构特征, 更加深入地了解云的发生发展和演变过程及其与气象条件的关系, 人影所研究人员深入野外实地考察, 足迹遍及全国 (包括青藏高原、西沙海域、飞行航线) 进行云的观测, 获取了大量的观测资料。经过多年的仔细研究、分类比较和分析整理, 人影所郭恩铭等先后编辑出版了《中国云图》、《西藏高原的云》、《航空云图》及《冰雹云图集》等著作, 这些云图集已经在全国气象业务中得到广泛的应用。

1972年出版的第一本《中国云图》^[108]应用在中国各地观测到的资料编辑而成, 主要满足气象观测的需要; 1983年出版的第二本《中国云图》增加了西藏高原、西沙海域及飞机上观测到的云的资料, 其中“华北一次冷锋云系分布的鬃积雨云”一图被世界气象组织选入1987年出版的《国际云图》第二卷中; 根据新的气象观测规范和人工影响天气作业的要求, 2004年出版了第三本《中国云图》^[109], 其中包括了全国各地区云的宏观图像及其微观物理结构的说明, 增加了珠穆朗玛峰旗云、南极、北极地区的云图及观测资料等。

西藏高原云的形成过程受地形影响十分明显, 高原云的形成、发展、演变和消失, 多在海拔3000~10000 m空间里, 也有的积雨云云顶可达到15000 m左右。过去记录西藏高原的云只有卷云、积雨云、高积云、淡积云、层积云等十几种云状, 实际上《国际云图》和《中国云图》中的29种云状在西藏高原均有出现。1985年出版发行的《西藏高原的云》^[110]一书中收录了许多西藏高原特有的云, 并进行了讨论, 为提高气象观测和云降水预报水平做出了贡献。

现代航空飞行与天气关系十分密切, 飞行员、航行管制人员和航空气象工作人员正确识别云并了解其物理特征及对飞行的影响, 对保障飞行安全是非常必要的。1989年编辑出版的《航空云图》^[111]正是为了满足这一需求。该图集已在民航气象台站的业务中广泛应用。

1996年编辑出版的《冰雹云图集》^[112], 其中包括淡积云、浓积云、积雨云、雷雨云和冰雹云及其宏微观特征、冰雹微物理结构、闪电、雷达探测冰雹云、卫星云图上识别冰雹云, 不稳定天气的指示性云等内容。该图集为人工防雹站点工作人员和各级人工防雹指挥人员识别雷雨云、冰雹云提供了直观的图像, 是进行人工防雹作业的实用图集。

5 云和降水数值模拟研究

气科院人影所胡志晋、许焕斌等领导的云降水数值模拟课题组, 自20世纪70年代以来系统地研制了将大气动力学和云微物理学相结合的对流云和层状云的CAMS云降水催化模式系列, 先后建立了一维、二维、三维动力框架的两相 (水、汽)、三相 (冰、水、汽) 云物理过程和人工催化过程的数值模式。在模式设计中提出了许多独到的云微物理方案和计算方法, 经过大量实例模拟显示了良好的模拟能力, 提高了对云降水物理、人工影响天气原理和催化方案的科学认识, 并在各地人工影响天气作业、中小尺度天气预测中开始应用^{[9-12,27-28,52-53,57-58,63-64,70,75,99,113-126]}。

在层状云研究方面, 20世纪80年代初建立了一维层状暖云和层状冷云模式, 研究了云中各参量对降水的作用, 并作了冷云人工引晶和暖云播撒盐粉的数值试验。80年代中期建立了一维三相层状云模式, 成功地模拟了中纬度气旋云系中不同雨带的云物理垂直结构。90年代初在中尺度天气预报模式的动力学框架上建立了三维静力平衡中尺度层状云模式, 模拟低涡、冷锋、台风等云系结构和降水过程, 模拟预报暴雨过程等, 并取得了一定的成功。模式还用于人工增雨的数值试验, 对作业原理、方法、效果等提出了重要的见解。21世纪开始, 在HLAFS国家气象中心有限区域业务预报模式中, 完善并建立了4套显式微物理方案:简化暖雨云降水显式方案, 双参数暖雨云降水显式方案, 简化混合相云降水显式方案和复杂混合相云降水显式方案; 在MM5中尺度模式框架内, 移植了简化的混合云云降水方案; 利用准隐式格式的一套比较完善全面的混合相双参数微物理雪晶方案, 将MM5 V3进行了调整, 完成了MM5中增加预报量的工作, 在原模式框架中增加了4个预报量。

在对流云研究方面, 20世纪80年代初建立了一维和二维弹性对流云模式, 适用于各种对流云降水过程和人工防雹模拟研究。1990年前后建立了三维弹性对流云模式, 这种三维大气非静力平衡模式是中小尺度天气模拟和预报的基础。此外, 还做了人工影响对流云的数值试验。21世纪开始, 发展了包含云、雨、冰晶、雪、霰和雹等比水量和比数浓度14个预报量、37个微物理过程的云模式, 完善了以往对流云模式中没有雪过程的不足, 可以适用于对流云和层状云的模拟研究。

胡志晋、许焕斌主持的“对流云和中小尺度大气模式的研制和应用”课题成果, 1994年获中国气象局自然科学奖二等奖; 胡志晋等完成的“中国气象科学研究院CAMS云分辨模式系列的研制和应用”成果, 2005年获中国气象局研究开发奖一等奖。

6 云物理室内实验与催化剂及催化技术研究

自气科院人影所1978年成立以来, 开展了各种类型云室研制、建设、开发和应用, 并开展了大量的云物理室内实验工作^[127-134]。张纪淮和郭恩铭等完成了中型云室各系统的安装调试和综合性的总调, 1985年底正式通过鉴定并投入使用, 1991年获国家气象局科技进步二等奖。张纪淮领导的研究组在中型云室中进行了一系列实验, 如“HJY-74防雹降雨子母弹火箭的研制和成冰核率的模拟检测”等, 取得了许多重要的研究成果。

1984年以来, 酆大雄领导的研究组先后进行了2 m³等温云室系统研制、自然冰核和人工冰核研究、爆炸对云滴碰并的影响、超声速气流产生冰晶、云中可溶性物质对冰核化的影响、细菌冰核在人工影响天气中应用的基础研究、不同气溶胶对冰云形成的影响等项课题的研究, 这些课题均围绕云中冰核化和播云催化剂开展研究工作。1985年建成的2 m³等温云室系统于1989年获得国家气象局科技进步三等奖。

1993年, 杨绍忠等研制并建成了静态扩散云室, 获国家气象局科技进步三等奖。陈汝珍等通过云室实验, 研究了云中的可溶盐类对冰核化的影响。“十五”期间, 杨绍忠等研制了可移动混合云室, 解决了外场催化剂成核率检测的难题。

在催化剂及催化技术研究方面, 酆大雄等与北京理工大学合作, 研制出BR-91-Y高效碘化银焰剂, 并具有高核化速率, 达到国际先进水平, 目前已安装在下投式焰弹及火箭中, 作为新型催化剂在业务作业中得到广泛的应用。王云卿、蒋耿旺等研制的机载碘化银发生器已在我国北方多个省的飞机播云作业中得到广泛应用。“十五”期间, 人影所对37高炮炮弹进行了较大改进, 同时还改进了催化剂的配方, 使37高炮炮弹的成核率提高近两个量级; 此外还研制开发了机载末端燃烧器及其催化焰剂, 并成功在夏延飞机上进行安装和使用, 该成果已于2002年开始在河南、河北、北京、青海等地得到应用。研究成果获得多项国家专利。

7 小结

中国气象科学研究院人工影响天气研究所及其前身中央气象局观象台云雾物理研究室, 围绕人工增雨技术研究与外场试验、雹云物理与人工防雹研究、雾结构观测与人工消雾研究、云的宏观结构研究与云图、云和降水数值模拟研究、云物理室内实验与催化剂及催化技术研究等方面开展了大量的研究工作, 取得了丰硕的研究成果。

1) 在全国很多地区多年开展云降水物理观测, 获取了大量的具有宝贵价值的有关云和降水的第一手观测资料; 在北方层状云人工降水试验中, 针对北方广大地区的云降水物理、人工降水资源及其自然背景等方面开展了外场考察和人工增雨试验研究, 发现供水云和催化云常由不同的动力学条件支配, 提出人工增雨作业宜对高层的冷云云体进行冷云催化, 给出了我国北方几类主要降水云系的多尺度云物理过程的综合图像, 建立了不同地区的几类降水云系的降水概念模型; 在研究南方夏季对流云微物理结构和人工增雨试验中, 提出了人工增雨量可以来自过冷水、水汽和暖区云水, 揭示了人工催化引起局地温度升高和升速增大的中尺度动力效应; “九五”期间通过外场试验、数值模拟研究, 建立了人工增雨综合技术系统, 包括催化条件的综合监测识别技术、催化指标以及作业决策系统; 通过“十五”攻关研究, 研制并改进了能够分辨云物理参量时空分布变化的人工增雨实时监测识别技术、河南和北京示范区云水资源和人工增雨潜力的评估方法及人工增雨概念模型、高效催化设备和适用于不同催化条件的催化技术、可业务化的中尺度非静力云系增雨模式和考虑了人工增雨催化过程的降水粒子分档对流云模式、人工增雨作业效果综合检验技术, 建立了功能先进的人工增雨技术集成示范系统, 并在河南、北京等示范区进行业务应用试验, 取得了显著的效益。

2) 建立和发展了一套适应现代科技发展的利用雷达监测识别和预警冰雹云、利用计算机通讯系统指挥作业、利用发射炮弹 (火箭弹) 播撒成冰催化剂的高炮 (火箭) 为作业工具的人工防雹技术系统。

3) 选用碘化银、干冰和液氮等催化剂消除冷雾, 选用吸湿性核或采用热力动力方法消除暖雾, 在人工消雾试验中取得了良好的效果。

4) 编辑出版了《中国云图》、《西藏高原的云》、《航空云图》及《冰雹云图集》等著作, 这些云图集已经在全国气象业务中得到广泛的应用。

5) 系统地研制了将大气动力学和云微物理学相结合的对流云和层状云的CAMS云降水催化模式系列, 先后建立了一维、二维、三维动力框架的两相 (水、汽)、三相 (冰、水、汽) 云物理过程和人工催化过程的数值模式。在模式设计中提出了许多独到的云微物理方案和计算方法, 经过大量实例模拟显示了良好的模拟能力。

6) 研发和建立了多种类型的云室, 并开展了大量的云物理室内实验工作, 为发展人工影响天气理论提供了坚实的基础; 研发了多种先进的催化剂及催化工具, 在全国人工影响天气作业业务中得到广泛的应用。