引言

人工增雨的效果检验是当前工作亟待解决的重要课题之一，也是人工增雨作业中必不可少、难以回避的重要环节之一，客观地、科学地、定量地评价人工影响的效果是人工影响天气学科研究的重要组成部分^[1-3]。

目前效果评估方法主要有统计检验方法、物理检验方法和数值模拟方法等。效果的统计检验方法以数理统计为基础，它实际上是统计抽样理论的一种应用，能在一定的显著性水平上得出定量的增雨效果，便于评价作业的有效性^[4-7]。著名的以色列人工降雨随机交叉试验^[7]和我国福建省古田人工降雨回归试验^[3]等都是运用统计检验方法证明了作业的显著效果。

对于大多数的飞机人工增雨作业来说，由于抗旱减灾目的难以采用随机化设计方案，因此很难用统计方法评估作业效果。在这种情况下，采集与作业后物理过程变化有直接关系或间接关系的物理学信息进行物理检验，为评估人工催化效果提供物理学证据，对人工增雨科学原理的验证、作业方案的制定和催化技术的改进都具有重要价值^[9]。

人工影响天气在理论基础或基本原理上、在实验检验和在数值模拟论证上，三方面的结果还是一致的，可相互验证的。这些工作的特点是其中条件、状态和过程都是清楚的。但在实际的人工影响天气作业中，对作业云体的具体条件、状态、结构和过程还不够了解，个例物理检验就要作这一环节的探讨，它不仅可直接看到作业的效应，也是统计检验的物理基础。在不同的天气系统和不同地形条件下，云系的宏、微观结构和降水物理过程存在着多变性和复杂性^[10-11]，为了提高人工催化的效果和成功率，必须对云的宏观、微观物理结构有比较详细的了解，才能更好地选择催化作业时机和最佳作业部位^[12]。陶树旺等^[13]用PMS观测资料研究了云、降水微物理特征，并提出用PMS观测资料确定人工增雨可播度的指标。杨文霞等^[14]对1991年5月25日和1992年6月20—21日的两次天气过程的4架次飞行个例的PMS资料进行分析研究认为：河北省春季层状云降水系统存在不均匀性，表现之一为空中较强降水云带和地面降雨量分布具有很好的对应关系。于丽娟等^[15]根据2005年3月21日在河南进行的层状云飞机播云试验的探测资料，对人工增雨催化前后层状云的宏微观物理量进行对比分析，发现小云粒子数浓度和云液态水含量在催化后均减小，播撒层下方变化较之播撒层变化更加显著。张蔷等^[16]在北京奥运会人工消雨作业中分析了作业云不同档回波强度面积随时间的变化，得到回波变化的特征是强回波面积逐渐减少，而弱回波面积则在逐渐增加。彭亮等^[17]研究了河南一次个例的雷达回波高度、回波云顶高度等的变化，同时分析了作业前后谱型的变化认为，降水前云中粒子谱型主要为单峰型，随着云中微物理过程的发展和降水的形成, 粒子谱型逐渐转为双峰或多峰型, 粒子浓度明显增高, 粒子直径逐渐增大。本文根据2009年4月18日课题组在河北张家口的一次积层混合云降水过程的飞机作业探测资料，结合同期的天气、卫星资料以及雷达资料分析了该次降水的天气过程和云的宏、微观物理特征，并讨论了云带的水平及垂直结构、云中液态水含量、云粒子平均直径和粒子谱特征等。

1 天气背景 1.1 高空形势

2009年4月18日08时(北京时，下同)500 hPa形势图上，贝加尔湖附近呈两槽一脊型，在我国华北到贝加尔湖之间出现反位相环流，有弱的冷平流从新疆北部向华北输送，内蒙古到四川一带有一高空槽发展东移，华北、华东地区处于槽前，四川盆地至山东处于西南暖湿气流输送带；850 hPa形势图上，贵州北部、湖南、湖北至安徽南部存在一条明显的东北—西南向切变线，河南、河北和山东有西南急流输送水汽。高空形势的发展有利于河北山东和内蒙古地区降水，也是人工增雨的有利时机(图略)。

1.2 地面形势

在地面图上，内蒙古一带有低压发展并向东南方向移动，4月18日14—20时，不稳定低压环流，带着潮湿的水汽缓慢移动，从内蒙古、山西到陕西可以分析出一条明显的锋面，锋面前方有雷暴出现。在这种有利的大尺度环境条件下，地面的中尺度低压及相伴的中尺度辐合区对降水有重要作用(图略)。

1.3 卫星云图

从2009年4月18日14时北京时的红外云图(图 1)可以看出，36°N、109°E附近的黄河流域有带状的中低云区，其中有对流云团活动，这里是一个高湿带，与其北部的晴空区和低湿带形成鲜明对比。随着高空槽东移，中高层能量下传和地面低压向东偏南的移动和发展，长江以北的暖湿气流北送，黄河以北的对流云得到充分的发展。2009年4月1 8日14—20时(图 1b, 其他时刻略)，陕西和山西出现大面积的降水云带。在这类有高空环流背景和地面辐合上升气流天气形势下，进行人工增雨作业，有较高的成功率。

2 飞机飞行探测作业情况简介

本次2009年4月18日外场试验是在河北张家口地区开展的，探测的飞机采用的是夏延Ⅲ3625飞机，观测仪器是机载PMS粒子测量系统^[18](采样探头包括PCASP-100X、FSSP-100-ER、2D-C和2D-P)，以及GPS定位系统，使用的资料是由一维前向散射滴谱测量仪(FSSP-ER)、二维云粒子谱测量仪(2D-C)和二维降水粒子谱测量仪(2D-P)三个采样探头获得的。

飞行主探测区位于张北附近上空。航线是行唐—天镇—探测区—天镇—行唐。飞机从16:18起飞(图 2中蓝线)到了阜平上空大约4800 m高度开始平飞，在17:10(A)到达探测区，然后开始进行空中播撒作业到达B点(17:21) 开始掉头向南，到17:30(C)再一次掉头，在空中飞了两个来回，上升到5100 m，一直到18:11(Ⅰ)作业结束，飞机返航。作业持续1小时左右，详细飞行路线见图 2。

3 自然云微物理特征分析 3.1 大气和云的垂直结构

从张家口大气廓线的分析图可以看出，650 hPa、850 hPa相对湿度较高，750 hPa饱和水汽压较高，即水汽含量较多，850 hPa到750 hPa为逆温层(图 3)。这种温湿垂直结构可能易使水汽在低层聚积形成层云，然后随逆温层破坏而发生对流，演变成层积混合云；上升运动的抬升至650 hPa以上相对湿度较高的区域，水凝物粒子抬升到更有利于增长的高度，从而使降水粒子的平均直径增大。

图 4给出了2009年4月18日飞机上升阶段微物理参数的垂直分布(FSSP-ER资料)。可以看到：云具有不同的分层结构；垂直方向上具有明显的不均一性；在3000 m到4000 m是云水的丰水区。

从云滴浓度(N)、粒子平均直径(MND)以及液态含水量(LWC)的垂直分布来看，3200~3600 m高度云系分布也不均匀；3700~4100 m高度LWC随高度上升而增大，MND浓度随高度上升而减少，LWC高对应N和MND值减少，表明过冷云水未充分转化，云系正在对流发展，稍施加人工干扰可增强对流发展，将湿空气和水凝物粒子抬升至更高的高度，从而使降水粒子的平均直径增大。

3.2 可播性分析

云的可播性是指云是否具有人工增雨的必要条件，因而云是否具有可播性关系到播云的成功与否。陶树旺等^[12]综合分析了河南省2000年4—5月的4次层状冷云人工增雨过程的雷达、PMS探测资料以及GPS定位资料后，提出应以PMS的FSSP-100探头探测的云中粒子浓度以及2D-C探头探测的云中大粒子浓度作为判别云中可播性的主要技术参量，并发展了层状冷云飞机人工增雨实时监测指挥技术，指出FSSP-100探测的粒子浓度不小于20个·cm^-3的云区才具有一定的可播性，其中2D-C探测的大粒子浓度小于20个·L^-1时，可确定为强可播区，否则为可播区。参考上述判别指标，对2009年4月18日飞机作业资料进行云中可播性分析，可以看出本次作业云FSSP探测(这里采用的是FSSP-ER的资料)的粒子浓度不小于20个·cm^-3的云区占很大的比例(图 5a)，同时又发现2D-C探测的大粒子浓度小于20个·L^-1的强可播区存在(图 5b)，因此本次作业云是具有一定可播性的。

4 播撒前后的云微物理特征对比分析

要确定作业效果的难点在于确定作业前后观测的是否是同一片云，这样得到的结果才有一定可信度。鉴于现阶段还没有实现云移动和飞机实时跟踪指挥系统，本文使用的方法是根据雷达扫描数据的时间(6分钟一次)对应GPS的时间在雷达图上标记当时飞机所在的位置。将所有的点汇成一个近似云和飞机匹配的轨迹图，找到回波敏感区，确认是否受到污染，之后观察回波敏感区雷达回波的变化以及飞机轨迹确定催化后观测段。

结合本个例的飞行情况以及雷达CAPPI图和GPS的定位，对比的云选取的是图 6a所示的回波区域。17：24—17：30第一次穿过该回波区，飞行高度是4800 m，根据云的移动速度以及飞机飞行轨迹判断该段没有受到之前作业的影响，因此认为该段是飞机对自然云的观测。而17：42—17：48是作业后回穿该区域(图 6b)，根据云的移动速度以及飞机飞行轨迹判断所观测的是作业后的效果。

4.1 液态含水量的变化

本次作业的积层混合云具有较为明显的不均一性。图 7a和图 7b给出的是飞行所取得的FSSP探测的液态含水量变化图，催化前飞机位于4800 m左右的层状冷云中，液态水含量(LWC)起伏变化很大，有两个相对丰水区。LWC的第一个大值区出现在17:25:40—17:26:00，最大值为0. 84 g·m^-3。LWC的第二个大值区出现在17:26:34—17:27:00，最大的液态含水量是1.25 g·m^-3，平均为0.88 g·m^-3。说明作业云的云水含量比较丰富。催化后LWC平均值降低了一半以上；分布上，催化前是多峰分布，催化后分布比较均匀。

4.2 云滴平均直径以及数浓度的变化

催化前云滴平均直径为16.8~36.4 μm，平均值是20.4 μm(见图 8a)。与LWC分布形成鲜明的对比，LWC大值区对应平均直径的小值区，即液态含水量大的区域是由平均直径20 μm左右的小云粒子组成。催化后粒子平均半径增大到23.9 μm(图 8b)。而数浓度变化趋势与LWC变化基本一致，催化后粒子数浓度明显降低了(图 9)。说明催化后大粒子数是增多的，小粒子相对减少。

4.3 微物理效应的综合分析

图 10a为催化前LWC峰值前后的云滴谱变化图，可以看出在这个时段云滴是以小云滴为主。催化后云滴谱总体上趋于平衡的趋势，云滴粒子浓度降低了，尤其15~20 μm区间的粒子降低了一个量级左右。平均的云滴直径在20~25 μm区间，浓度量级在10⁵左右(图 10b)。

图 11~12给出了4800 m平飞时段相应的2D-C和2D-P变化趋势(2D-C探头测得的粒子是大云粒子(大云滴和冰雪晶)、2D-P探头测得的粒子是降水粒子)。由图可见，在LWC跃增前后，虽然冰晶和雪晶浓度也出现了相对的峰值，但是量级很低，说明云内冰晶并不是很充足，人工引晶后，降水粒子大量增加，平均值由催化前的12.6个·L^-1增加到21.1个·L^-1。

5 地面降雨量分析

人工影响天气播撒作业的空中效应固然重要，但这些效应能否形成地面增雨，还需分析地面降雨量。

根据飞行路线、风向以及云的移动方向判断飞机作业主影响区位于张北以及张家口附近地区，作业开始后，作业影响区逐渐出现不同程度的降水，从加密雨量图 13可以明显看出：降雨量第一个峰值出现在作业后1小时，最大雨量达到4.3 mm，位于张北的白庙滩；第二个峰值出现在作业后2小时，即19时左右，最大雨量达到2.4 mm。这和Rosenfeld对德克萨斯州播云实验效果评估的结果基本吻合^[11]，即：作业后2~3小时，效果就开始出现明显衰减。

6 结语

对2009年4月18日飞机作业个例PMS资料进行分析研究，得到主要结果如下:

(1) 这次作业云具有一定的可播性。FSSP探测的粒子浓度不小于20个·cm^-3的云区占很大的比例，同时发现2D-C探测的大粒子浓度小于20个·L^-1的强可播区存在。

(2) 4800 m高度作业前后的云微物理效应对比分析得到，LWC催化后平均值降低了一半以上；粒子谱分布上，催化前是不连续的多峰分布，催化后趋于平稳分布。粒子平均直径催化后增大到23.9 μm，说明在作业后时段内，大粒子数增多，小粒子相对减少。

(3) 作业改变了云粒子谱结构。催化前是以小云滴为主，催化后云滴谱总体上趋于平衡，云滴粒子浓度降低了，尤其15~20 μm区间的粒子降低了一个量级左右。平均的云滴直径在20~25 μm区间，浓度量级在10⁵左右。在LWC跃增前后，虽然冰晶和雪晶浓度也出现了相对的峰值，但是量级很低，说明的云内冰晶并不是很充足，经过人工引晶后，降水粒子大量增加，平均值由催化前的12.6个·L^-1增加到21.1个·L^-1。

(4) 影响区地面降雨量分布图表明，作业后1小时降雨量达到最大。最大雨量达到4.3 mm，位于张北的白庙滩；第二个峰值出现在作业后两小时，即19时左右，最大雨量达到2.4 mm。

从此个例分析中可以看出：

(1) 降水过程中的热力和微物理垂直结构是：650 hPa、850 hPa相对湿度较高，750 hPa绝对湿度较高，即水汽含量较多，850 hPa到750 hPa为逆温层。这种温湿垂直结构可能易使水汽在低层富积形成层云，然后随逆温层破坏而发生对流，演变成层积混合云；上升运动的抬升至650 hPa以上相对湿度较高的区域，水凝物粒子抬升到更有利于增长的高度，从而使降水粒子的平均直径增大。

(2) 降水粒子的可能增长机制：催化作业高度处，温度在-8~-3 ℃，催化前过冷水含量较丰富，且随高度升高而增大，而冰相粒子数目却随高度增加而减少，当通过人工播撒催化剂增加该层冰晶后，产生了更多的雨元冰晶，它们在丰富过冷水的支持下长大成降水粒子，造成地面雨量的增加。看来这次降水粒子是以凝华增长为主的。