宁夏云物理与人工影响天气研究进展
Review of cloud physics and weather modification research in Ningxia
通讯作者: 胡文东(1966—),研究员,从事灾害性天气分析研究。E-mail:Hu.wendong@163.com。
收稿日期: 2025-04-28 修回日期: 2025-06-30
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Received: 2025-04-28 Revised: 2025-06-30
作者简介 About authors
舒志亮(1981—),正研级高工,从事人工影响天气研究。E-mail:8633204@163.com。
为应对宁夏气候干旱的现实问题,解决人工增雨和防雹工作中的技术难题,宁夏气象工作者经数十年持续努力,在云物理科学基础与人工影响天气业务领域取得了丰硕成果。本文从宏微观物理降水机制、云凝结核与冰核、人工增雨技术、人工防雹技术、大气水汽与地形对人工增雨的影响、雷达技术在人工影响天气中的应用,以及人工影响天气作业优化研究等方面进行回顾。以往工作对层状云微物理结构与地形动力抬升的协同作用机制、水汽分布与变化对人工影响天气的效应、空中云水资源开发潜力、不同类别凝结核特征与催化效果等关键问题逐渐形成了成熟认识;在人工影响天气作业安全保障、复杂背景下突发危险天气识别、不同天气形势下作业指标构建、人工影响天气作业体系构建等方面取得了重要成果;同时,积累了丰富的作业经验,建立了强大的专业队伍并取得显著成效。面向宁夏增雨防雹的迫切需求与持续发展的技术态势,探讨了未来进一步努力的方向。
关键词:
To address the reality of the arid climate in Ningxia and solve the technical problems in artificial rainfall enhancement and hail prevention work, the meteorological workers in Ningxia have made continuous efforts over several decades and have achieved fruitful results in the field of cloud physics science and artificial weather modification operations. This review synthesizes key research domains, including macro and micro physical precipitation mechanisms, cloud condensation nuclei and ice nuclei, technologies for artificial rain enhancement and hail prevention, the influence of atmospheric water vapor and topography on artificial rainfall enhancement, radar applications in monitoring and guiding operations, and optimization strategies for weather modification practices. Prior studies have established well-developed understandings of critical issues such as the synergistic effect mechanism of the microphysical structure of stratiform clouds and terrain dynamic uplift, the effect of water vapor distribution and changes on weather modification, the exploitable potential of aerial cloud water resources, and the characteristics and catalytic performance of different types of condensation nuclei. Substantial progress has also been achieved in ensuring operational safety, identifying sudden hazardous weather under complex meteorological conditions, developing situation-specific operational decision criteria, and constructing an integrated weather modification system. In light of Ningxia’s pressing demands for effective rain enhancement and hail mitigation, along with evolving technological capabilities, this paper further explores strategic directions for future research and development.
Keywords:
本文引用格式
舒志亮, 胡文东, 常倬林, 姚思源, 王瑞欣, 彭玉.
SHU Zhiliang, HU Wendong, CHANG Zhuolin, YAO Siyuan, WANG Ruixin, PENG Yu.
0 引言
宁夏回族自治区(简称“宁夏”)位于我国西北地区东部,黄河中上游,属温带大陆性干旱半干旱气候,总体呈现干旱少雨、蒸发强烈、日照充足、风力较大、沙尘较多、年温差较大的特征,年降水量175~650 mm,水资源相对匮乏,年人均水资源量仅570 m³,不足全国平均水平的三分之一。宁夏夏季对流活动旺盛,南部六盘山区丘陵沟壑纵横,是雹灾多发区,降雹次数占宁夏降雹总次数的57%(张晓茹等,2021),冰雹灾害对生命安全、农业生产及地区经济发展造成巨大影响。通过人工影响天气实施增雨防雹,是增加水资源、防范和减轻雹灾的有效手段,对宁夏国民经济发展和社会稳定具有重要意义。
人工影响天气指利用物理、化学手段影响大气系统中的水汽、云、降水等环节,实现增雨、防雹、降温、消雾、增雪等功能。1960年,宁夏南部山区遭遇夏秋连旱,为缓解旱情,宁夏气象局(简称“宁夏局”)采用盐粉作为催化剂,首次开展飞机增雨作业;1974年,宁夏局调用武汉空军C-46飞机,使用尿素和盐粉作为催化剂,实施8次飞行作业,取得良好效果;1974—1982年,宁夏局开展了跨区域飞机增雨工作,并利用云雾观测仪器收集数据(常倬林等,2023),为后续人工影响天气研究奠定了数据基础。
随着技术逐步成熟和人工影响天气研究的深入,宁夏人工影响天气研究逐渐拓展至多个方向,包括云宏微观物理降水机制、云凝结核与冰核、人工增雨技术、人工防雹技术、大气水汽与地形对人工增雨的影响、人工影响天气业务保障、雷达技术在人工影响天气中的应用,以及人工影响天气优化研究等。
1 云宏微观物理降水机制研究
1.1 云液态水含量与水凝物分布研究
云中液态水含量直接影响人工增雨效果,是评估增雨潜力的关键指标之一。然而,云液态水需满足特定条件才能转化为雨雪降落至地面。
高亮书等(2021)通过模拟六盘山区一次强降水过程,发现霰粒子融化和云水碰并是地面降水的主要来源。He等(2023)利用毫米波云雷达、微雨雷达和雨滴谱仪,对比分析了六盘山不同地形位置(迎风坡隆德站、山顶六盘山站和背风坡大湾站)云降水过程的垂直结构和微物理特征,发现层状云降水云垂直结构相似,而积状云和积层混合云结构变化较大。研究还表明,六盘山层状云降水在山顶区域的雨滴数浓度较大,平均体积直径较小(马思敏等,2023)。基于RaProM方法的毛毛雨和雨滴分布分类结果与地面观测的雨滴谱和雨强并不匹配,且相关阈值与现有观测差异显著;调整该方法参数阈值后,分类结果与实际观测更为吻合(孙钦宏等,2024)。在降水的弱、强、弱阶段,各类水凝物的垂直分布各异:0 ℃层以上主要为雪;弱降水时0 ℃层以下以毛毛雨为主,强降水时则以雨滴为主(Feng et al.,2025)。
1.2 云滴谱与雨滴谱观测
云滴谱与雨滴谱观测对于人工影响天气具有重要的理论意义和实用价值,不仅揭示降水的云微物理过程、评估人工增雨效果,还可为数值预报模型改进和雷达定量降水估算提供科学依据。
吴兑(1987b)在研究降水云系时,重点关注了云滴和雨滴的基本特性及其分布规律,发现云滴数浓度平均约1 000个·cm-3,暖层云云滴数浓度是冷层云的数倍。云滴谱的垂直变化表现为从云底至云体中上部,谱宽显著增宽,小滴数浓度逐渐降低,大滴比例和平均直径增大;暖层云中大云滴(直径>40 μm)出现概率大于59%,显著高于冷层云,为冰晶繁生提供了条件;云体中心区的云滴数浓度较边缘区高2~3倍,含水量显著增加。马思敏等(2023)通过对六盘山不同海拔的雨滴谱分布特征研究表明,层状云和积层混合云降水的雨滴谱特征参数随海拔升高而增大;而Gamma分布参数的斜率参数(λ)和截距参数(N₀)通常随海拔升高而减小,其拟合斜率与降水类型相关;随着海拔升高,雨滴的数浓度减小,平均尺度增大。在影响宁夏层状云降水的低槽冷锋型、青海低涡型和西风小槽型三类天气系统中,高层云的云滴谱可用赫尔吉安-马逊公式良好拟合(相关系数高),云滴数浓度等参数呈现垂直分布特征,雪晶平均谱具有单双峰特征,高层云平均含水量及其水平分布不均(牛生杰等,2002)。
1.3 地形对降水的影响
1.4 雾的微物理特征
雾的微物理特征主要涉及雾滴谱分布、浓度及其形成与演变的微观机制,对深入理解雾的物理过程及开展人工消雾工作具有重要意义。
六盘山气象站是雾的高发区,尤以秋季(特别是9月)和每日08:00(北京时,下同)时段的出现频率最高。该地区的冻雾和暖雾发生季节不同,对比雾滴特征发现,冻雾的粒子数浓度和液态水含量均高于暖雾,此外,冻雾的雾滴谱多呈单峰结构,而暖雾则多呈双峰结构(党张利等,2023)。总体而言,六盘山地区的雾滴微物理特征与其他地区存在显著差异。
1.5 大气边界层特性
大气边界层作为对流层底层直接接触地表,其特性研究在人工影响天气中具有重要意义。
对贺兰山东麓地区大气边界层特性的分析,揭示了该地区气溶胶扩散的关键影响因素。桑建人等(2000)利用内蒙古吉兰泰气象站和银川机场气象台的三维风速脉动量数据,分析发现沙漠地区的扩散参数具有明显的日变化特征:14:00达到最大值,03:00—06:00达到最小值,这种日变化反映了沙漠地区大气边界层在昼夜交替下的动力和热力变化,对理解该地区大气扩散能力和污染物传输意义重大。研究表明,混合层厚度和风速的变化在不同大气稳定度条件下对气溶胶扩散影响显著,混合层厚度与气温变化呈正相关,在强不稳定条件下可达到1 124.6 m(舒志亮等,2022)。对云中湍流特征的研究进一步揭示了湍流在云滴碰并增长中的关键作用,湍流显著提高了云滴的碰撞效率,对薄云降水形成尤为重要(田磊等,2023)。
1.6 云凝结核与冰核研究
气溶胶作为云凝结核和冰核的主要来源,其浓度与活化特性深刻影响着西北干旱区的云降水物理过程。宁夏作为沙尘传输通道与人为污染叠加作用的典型区域,其气溶胶-云相互作用研究对厘清人工增雨催化机制具有特殊科学价值。
在层状云中,云凝结核数浓度随高度变化较小,且对冷云降水及云滴谱分布有显著影响(岳岩裕等,2010)。云凝结核数浓度受人为活动影响显著,污染地区与清洁地区的云凝结核数浓度差异显著,且过饱和度越高,活化的云凝结核数浓度越大,对比宁夏银川和祁连山地区夏季的地面与高空观测结果显示,银川地区云凝结核数浓度较高,呈现大陆性污染特征,而祁连山地区则表现为清洁大陆性特征(赵永欣等,2010)。六盘山区年平均云凝结核数浓度为851个·cm-3,且随过饱和度增加而增大;春冬季云凝结核数浓度和内部混合度较高,夏秋季外部混合度较高;云凝结核数浓度与气压相关性弱,与温度呈正相关,与湿度呈负相关;采用HYSPLIT-4模型对六盘山区云凝结核48 h后向轨迹分析表明,因受季风影响明显,西北方向是六盘山区云凝结核的主要来源,由于供暖的影响,六盘山区东南和西南对云凝结核浓度的贡献在春季和冬季更为显著(Lin et al.,2022)。
沙尘气溶胶作为促进云滴形成与增长的云凝结核之一,也是众多专家学者研究的对象。岳岩裕等(2010)研究表明,沙尘气溶胶对云凝结核浓度的提升作用有限,但活化粒子数随过饱和度增加而增多。樊曙先和安夏兰(2000)利用热扩散型云凝结核计数器在贺兰山地区进行地面和空中云凝结核观测研究,该地区夏季地面平均云凝结核数浓度为610 个·cm-3,沙尘天气并未明显地增加其数浓度。牛生杰等(2001)在贺兰山两侧沙漠地区用激光空气动力学粒子谱仪观测大气气溶胶表明,同一地点沙尘气溶胶数浓度和质量浓度相差4~7倍,沙尘暴发展中期,数浓度和平均风速正相关,沙尘气溶胶粒子谱呈单峰型,峰值直径通常位于0.64~2.50 μm之间,符合对数正态分布。
冰核研究是人工影响天气的重要领域,涉及云降水过程、微物理特性及人工增雨技术应用。牛生杰等(2000)利用地面固定与飞机穿越结合的方法对贺兰山东西两侧大气冰核进行测量发现,银川(贺兰山东侧)的冰核数浓度(33 个·L-1)高于巴音浩特(贺兰山西侧)(14 个·L-1);冰核数浓度受天空状况影响,低云天气下较低,晴空和中高云天气下较高;除西南偏西风向时冰核数浓度稍低外,其他风向下冰核数浓度差异不显著;强降水时,降水冲刷作用会显著降低冰核数浓度;冰核数浓度随高度增加呈下降趋势,但在云顶水平飞行时出现较大差异,可能与人工催化作用有关。
2 人工影响天气技术研究
2.1 人工增雨作业条件与技术
人工增雨作业的成功实施依赖于特定的天气条件和技术支撑。这是一项科学性强、技术要求高的天气干预技术。
实施人工增雨作业需综合考虑自然云特征、作业条件、催化剂扩散效果及相关技术应用。宁夏自然云特征表明,人工增雨作业最佳高度应在5 000~6 000 m,作业区温度宜低于-4 ℃以促进冷云增雨效果(吴兑,1980)。马思敏等(2019)分析宁夏大范围连阴雨过程的人工增雨作业条件时,发现降水由锋区降水转变为南支槽配合副热带高压形成的连阴雨,水凝物充沛,较适宜开展人工增雨;模式分析云中微物理过程表明,冰相水凝物为雪和霰的生成提供了条件,云液态水含量的跃增现象可用于判断增雨时机。田磊等(2024)研究发现在六盘山区,地面碘化银催化剂的垂直扩散高度可达3 000 m,水平扩散距离为7 000 m,冬春季稳定上升气流较强,适宜开展增雨雪作业。
2.2 人工增雨作业装备及原理
目前全国业务化的人工增雨作业装备有飞机、火箭、地面烟炉,各地还尝试开展了带电粒子、无人机、声波、燃气炮等增雨科学试验。
人工增雨是通过飞机、火箭、地面烟炉等向云中播撒催化剂,改变云的微物理过程,促使云中更多水汽转化为降水的技术手段,飞机(或火箭弹)飞至云的合适高度(通常是冷云的中上层或暖云的关键区域),通过播撒催化剂或物理作用,增加冰晶数量,启动或加速贝吉龙(Bergeron)过程,强化云的降水微物理过程,使原本可能不降水或降水少的云产生更多降水。其应用场景包括缓解干旱、增加水库蓄水、改善生态环境,或在特定情况下(如森林灭火、缓解高温)实施应急作业。
2.3 人工增雨效果评估方法研究
人工增雨效果评估是确保人工影响天气工作科学性、有效性和安全性的关键环节。科学的评估方法和技术手段有助于更好地服务于农业抗旱、生态保护、经济发展等需求。
2.4 冰雹形成机制与时空分布
冰雹形成是一个复杂的微物理过程,深入理解冰雹胚胎形成机制为人工防雹提供了理论基础。冰雹胚胎切片分析表明,其主要包括霰胚和冻滴胚,霰胚的形成高度高于冻滴胚,且形成温度低于后者(陈玉山和牛生杰,1990)。此外,宁南地区冰雹干生长层和湿生长层的氘含量显著不同,干生长层氘含量高于湿生长层,且两者与冰晶体平均长度存在较好的统计相关性;高原内陆水汽氘含量偏低,与水汽来源和区域环境特性有关(杨颂禧等,1991)。陶涛等(2020b)针对六盘山区一次强对流降雹过程的研究发现,降雹时粒子的微物理特征量显著增大,粒子数浓度和平均动能通量分别增长6.3倍和13.0倍;降雹初期,较大冰雹粒子快速增长,后期随着能量释放,小粒子增多;Gamma型分布适合拟合粒子谱,粒子下落末速度公式拟合效果良好,相关系数超过0.98。
冰雹的时空分布特征反映了其形成和发展的规律,研究冰雹时空分布有助于更准确地识别高发区域和时段,为人工防雹作业提供科学依据。宁夏地区降雹多发期为20世纪60—80年代,主要发生在夏秋季;宁夏北部降雹高峰期集中于夏季,中南部则在春末夏初,两者相差约1个月;一天中大部分降雹发生在12:00—20:00,主要集中在六盘山区的固原地区(陶涛等,2020a)。
2.5 冰雹的雷达气象学特征研究
雷达在人工影响天气作业中至关重要,能实时监测天气变化,指示强对流等区域。冰雹云特征分析有助于制定科学的防雹作业方案。
雷达反射率因子与降水量具有较好相关性,雷达数据能较准确地估算降水量,为雷达定量降水监测奠定了基础(吴兑,1987c)。不同雨型(混合型、阵性、连续性降水)的雷达反射率与降水强度关系显著不同,其中混合型降水的微物理过程尤为复杂;雷达反射率与降水强度的相关系数均超过0.90,验证了关系式的可靠性(吴兑和刘永政,1989)。徐阳春(1991)通过分析宁南山区雷达回波资料,建立了冰雹云综合判别指标,判别成功率高达92.1%,有效提升了雷达识别冰雹云的准确性。陶林科等(2008)利用新一代天气雷达数据,研究揭示了宁夏对流云的生成、发展及衰减特征,并结合天气形势分析了低涡系统对对流天气的作用。牛生杰和马磊(1999)通过对宁夏冰雹谱的分析,提出了雷达等效反射率因子与冰雹落地动能通量之间的关系,并提出了基于雷达数据的定量降水估算方法,为提高降水监测和预报准确性提供了新手段。
2.6 人工防雹作业装备及原理
人工防雹通过各种途径抑制雹胚的生长,使雹胚不能成长为冰雹(或大冰雹),从而消除或减轻冰雹灾害,宁夏主要在冰雹发生发展路径(图1)和冰雹多发易发区开展火箭防雹和高炮防雹。
图1
图1
宁夏冰雹发生发展主要路径和近30 a降雹次数分布
Fig.1
Main developing trajectories of hailstorms and spatial distribution of hail frequency in Ningxia over the past 30 years
高炮防雹是指利用口径37 mm的高射炮将含有AgI催化剂的炮弹(又称人雨弹)发射至积雨云、雹云中爆炸,将催化剂播撒在云中,产生大量人工冰核,促使积雨云、雹云转化从而达到防雹效果,人雨弹爆炸还会破坏雹云中的上升气流,使得雹胚在未长大前提前降落,从而避免或减轻冰雹灾害(许焕斌等,2004)。
3 水汽与地形对人工增雨的影响
3.1 降水过程背景与环流形势
人工影响天气技术(如人工增雨、防雹)需在特定气象条件下实施。环流形势是降水形成的重要背景,而暴雨和强对流天气的复杂性决定了人工干预效果有限,该技术不能直接制造新天气系统或改变强对流的基本动力结构。
宁夏暴雨多与“东高西低”环流形势及台风、热带低压等天气系统相关,银川平原等地形易形成中低压系统,增加暴雨发生频率(吴俊明,1982)。这种“东高西低”型环流是宁夏5—8月降水性层状云的主要环流背景,为人工增雨提供了重要条件(吴兑,1987a)。六盘山区降水过程受“两槽一脊”环流形势及500 hPa短波槽和700 hPa切变的共同影响,低层辐合和高层辐散的动力场促进了降水(邓佩云等,2021b)。马思敏等(2023)模拟六盘山区暴雨过程时发现,蒙古冷涡低层冷空气与副热带高压西侧暖湿气流交汇,配合700 hPa切变线辐合,是引发暴雨的重要机制;此外,地形对降水量影响显著,迎风坡强降水更集中,地形抬升作用加强了上升气流和水汽垂直输送,因此,低层切变线、蒙古冷涡及地形抬升对六盘山区强对流发展具有重要作用。
2003年以来,宁夏地区小雨和中雨比例显著增加,大雨和暴雨比例有所减少(周积强等,2020)。强对流天气(如雹暴)发生前,降雹区通常会出现湿柱与干暖盖,湿柱是强对流的重要预兆,干暖盖则为强对流爆发提供了能量(李文源和孙纪政,1989)。李伟等(2022)研究发现贺兰山东侧的短时强降水主要由冷暖云交汇和垂直风切变引发的飑线引起,分析贺兰山东麓飑线天气过程发现,湖泊(宁夏沙湖、星海湖)水汽的垂直输送与贺兰山地形抬升气流促进了飑线发展。六盘山区发生短时强降水的主要云系对流云呈现回波强度强(顶高大于6 km,最大强度大于60 dBZ)及湿度“上干下湿”、温度“上冷下暖”的垂直结构特征(邹杰等,2024)。
3.2 水汽与云水资源特征
空中云水资源指大气中的液态水和固态水总量,主要分布于对流层,研究其时空分布特征,可科学评估区域云水资源开发潜力,为人工增雨作业提供依据。
六盘山顶云层出现频率最高为7月(61%),最低为12月(26%),主要结构为1层云、2层云和3层云;云底高度冬春季高于夏秋季,而云顶高度夏秋季较高;云层厚度年变化范围为1.6~3.6 km,春夏秋季白天云厚大于夜间,冬季则相反(邓佩云等,2022)。近30 a年来,六盘山区降水与空中水汽条件呈东高西低的分布特征,水汽主要源自低层孟加拉湾、南海及印度洋的暖湿气流;在地形影响下,东坡水汽抬升,高层辐散和低层辐合共同作用,影响降水和水汽条件的分布(邓佩云等,2021b)。舒志亮等(2023)构建六盘山区大气加权平均温度本地化模型,发现低层水汽是降水的重要来源,基于微波辐射计的本地化模型更具适用性。Zhu等(2024)研究发现六盘山区云系垂直方向呈“催化-供应”结构,迎风坡暖云层促进暖云降水,冷暖云共同作用增强降水。
3.3 地形对人工增雨的影响
地形对云的形成、发展和降水过程有显著影响。研究地形效应有助于优化作业时机、部位和催化剂量,提高人工增雨成功率与效果。不同地形条件下的降水过程差异,为制定更科学的作业方案提供了依据。
3.4 人工增雨潜力评估
人工增雨潜力评估需结合具体地区的气候条件、云系特征及降水机制进行分析,为作业规划提供科学依据。
宁夏年均降水量与自然降水率空间分布均呈南多北少态势,1971—2012年大气可降水量呈现阶段性波动,年均自然降水率仅为8%,显著低于中国其他地区,表明该地区人工增雨潜力巨大(田磊等,2016)。利用FY-2G卫星反演产品、自动站降水资料及微波辐射计数据的分析结果表明宁夏云液态水降水效率为53.9%,人工增雨潜力为46.1%,且云液态水降水效率夏季最高、冬季最低,宁夏云水资源具有较高的开发潜力(常倬林等,2022b)。Shu等(2022)利用GNSS/MET资料分析六盘山区大气可降水量发现,六盘山区大气可降水量的小时、月、季节变化规律明显,与气温变化密切相关,且受降水影响显著;在空间分布上呈现南多北少、东多西少的特征;山顶由于温度较低,造成饱和水汽压和水汽密度较低,使得山顶大气可降水量始终处于低值;同时与降水过程比较发现,降水开始前10 h内大气可降水量迅速增加,降水结束后20 h内缓慢下降。
4 人工影响天气业务技术保障
4.1 数值模式与数据质量控制
数值模式在人工影响天气作业条件、作业方案、效果评估及新技术新方法的模拟验证等方面都具有重要作用。高分辨率数值模式能较好地模拟混合云系的位置、范围及演变特征,可作为宁夏人工增雨条件决策的重要依据(马思敏等,2017)。Zheng等(2021)利用神经网络预测六盘山2020年整体自然降水量,发现在试验期间降水量增加约20%。马思敏等(2022)基于WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度数值模式,对六盘山区一次典型的暴雨天气过程进行模拟,发现改变地形对降水落区范围影响不大,而地形抬升为雪和霰的增长提供有利条件,使得降水量级显著增大。Zhu等(2024)选取典型降水过程,通过改变模式微物理参数化方案及初始场嵌套方案进行敏感性试验,发现WSM6和Thompson方案在模拟宁夏南部降水落区和雨强方面更准确。
气象数据质量直接影响人工影响天气工作的准确性与作业效率。孙艳桥等(2019)采用5种质量控制方法处理宁夏南部隆德县气象站地基微波辐射计的温度数据,并与甘肃平凉(离隆德县40 km)探空资料进行比对,发现质量控制方法能显著影响数据质量,且对控制参数敏感;晴空条件下质控后数据质量最佳,降水条件下质量控制效果最明显;各高度层数据质量较一致;晴空和云天条件下质控后的微波辐射计数据与探空资料的相关性较高。
4.2 雷达技术应用
天气雷达在人工影响天气中优势显著,能实时动态监测云层和降水系统的结构、强度及演变过程,为作业决策提供精准时空信息,其高时空分辨率和大范围监测能力,在保障作业安全、提高效益及支持区域联合作业等方面发挥着关键作用。通过分析雷达回波,可确定云层物理特征,评估作业条件,选择最佳作业时机和区域。
雷达基本反射率及其产品(如垂直液态含水量、回波顶高)与降水变化具有较好的对应关系,降水最强时,这些指标均明显增强,回波总面积及强回波面积变化与降水过程一致(胡文东等,2005)。田磊等(2018)通过研究冰雹云生命期内雷达回波特征参量的变化,提出利用实时分析雷达回波强度、顶高等指标优化防雹作业的方案,雷达可用于分辨云垂直结构及观测增雨作业效果,降水前云回波强度较弱,降水中出现明显的0 ℃层亮带,降水结束时云系逐渐消散。邓佩云等(2022)对一次作业效果分析时发现增雨作业后1 h,云顶高度上升,回波强度大值范围增大,表明增雨作业有效。研究发现,宁夏中北部干旱区强对流降水雷达的图像纹理较中国南方更弱、更细,清晰度较低,显示降水云团均一性更好,相对更稳定,更适宜作业(胡文东等,2007)。改进的微爆流指数(Micro Burst Index)能较好反映阵风锋特征,可指示其强度及移动方向,进而提示可能的次生雷暴触发点;结合本地水汽条件可判断实际产生的次生雷暴数量;阵风锋运动、挤压及地形抬升是触发新生对流异常强烈的关键因素(胡文东等,2021)。
丁建军等(2011)利用交叉相关算法(Tracking Radar Echoes by Correlation)处理银川新一代天气雷达数据,成功实现对强对流单体的追踪和预报。不同雷达在探测能力上各有优势:对比HMB-KPS型与HT101型云雷达在降水过程中的表现,发现前者在回波强度、信噪比、径向速度方面优于后者,而谱宽值低于后者(邓佩云等,2022)。对比新一代天气雷达与X波段双偏振雷达在冰雹天气中的表现,发现双偏振雷达的反射率因子偏大7 dBZ左右,且能提前18 min识别冰雹(党张利和李化泉,2022);对比激光云高仪和Ka波段云雷达的观测能力,发现激光云高仪受雾、霾、降水等天气影响较大,而Ka波段云雷达能更准确地描述云层结构(李笑等,2023)。
4.3 业务系统的研究与应用
业务系统是联系作业单元、指挥部门及空域管理部门的重要工具,直接关系到作业效率与安全,通过改进人工增雨技术与系统设计,并结合地方特色与需求,为提升气象灾害防御能力和水资源保障水平提供了有力支持。
宁夏人工影响天气指挥系统通过雷达识别冰雹云,计算发射参数(包括作业时间、作业点、仰角等),提高了人工增雨、防雹和消雨作业效率(肖云清等,2005)。舒志亮等(2009)通过系统优化与管理,融合雷达、卫星和地面观测数据,实现实时动态的多源信息叠加显示,进一步增强了人工增雨和防雹作业的科学性、时效性和安全性,为区域气象服务提供了坚实的技术支撑。田磊等(2017)提出通过标准化设备管理和信息共享平台建设,提高宁夏人工增雨与防雹业务的精准度和效率,强调区域联合作业和实时数据共享对提升作业效果的意义。李伟等(2020)介绍了基于物联网等技术的宁夏人工影响天气装备弹药管理系统,实现了作业弹药生产、运输、储存和使用全流程的实时监控与管理,大幅提升了作业安全性和效率。
5 展望
随着经济发展和生活水平提高,水资源需求持续增长,仅依靠现有水资源已远不能满足需求,因此必须加强人工影响天气领域的科学研究和业务探索。依托六盘山人工影响天气与云物理野外科学试验基地及宁夏气象防灾减灾重点实验室,未来宁夏大气物理与人工影响天气研究有望在以下方面取得突破:
(1)随着观测技术和数据分析方法的进步,冰雹研究有望在精细化、精准化、智能化方面取得突破,为减轻雹灾、保障农业生产和生态环境提供更有效的技术支持;
(2)推动卫星、雷达与地基观测数据的同化及其与数值模式的耦合,发展模拟结果与智能观测数据融合技术,实现从“潜力评估”到“智能播撒”的技术跨越;
(3)实现多波段雷达协同观测,发展人工智能驱动的回波特征自主识别技术,并通过“雷达-卫星-模式”数据联动,进一步缩短预警响应时间;
(4)深化人工智能算法与区块链技术的融合,推动“空天地一体化”智能作业网络建设,构建人工影响一体化智能服务体系;
(5)发展不受空域限制的电离、声波、激光等新型人工影响天气作业装备,建设大中型增雨(雪)无人机,提高作业效率;
(6)研制新型绿色人工影响天气作业催化剂,替代现有化学催化剂,实现人工影响天气“零污染”。
参考文献
Topographic effects on stratiform precipitation observed by vertically pointing micro rain radars at ridge and valley sites in the Liupan Mountains Area,Northwest China
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Analysis of microtopography atmospheric precipitable water vapour over the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau
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