引言

人工影响天气是在一定的有利时机和条件下，通过播撒催化剂等技术手段, 对局部区域大气中的云雾降水物理过程进行影响，达到人工增雨、防雹、消雾等目的。近年来，我国人工影响天气技术有了较大的发展，取得了明显的社会经济效益, 得到了各级政府和社会各界的充分肯定^[1]。人工影响天气的效果评估一直是一项世界难题，围绕人工增雨效果评估，国内外^[2-6]从地面降水量、雨滴谱、卫星云图、雷达回波等方面做了大量的工作，取得了丰硕的成果。

陈宝君等^[7]利用数值模拟方法研究了对强对流云实施碘化银催化的增雨降温效果结果表明，催化后, 地面降雹量减少、降雨量增加、贴地层气温降低。白卡娃等^[8]通过常州市一次火箭人工增雨降温作业过程进行分析，讨论了强对流云催化降温的机理和火箭增雨降温作业的着眼点应该放在发展的对流云上，促使对流云猛烈发展, 形成强而持续的下沉气流，将高空的冷空气带到地面。周德平等^[9]对一次层状云降水催化作业过程探测资料的分析，可以明显看到作业影响区的降雨量在催化2小时后出现了很大的峰值。杨文霞等^[10]利用河北省秦皇岛市单站地基GPS观测数据，对2006年5月21日在该站上风方实施的两次火箭人工增雨作业进行了分析。结果发现单站地基GPS上空层状云在人工催化开始后1~3 h左右，出现大气中可降水量(PWV)下降的同时逐时雨量增加等现象。利用雷达和飞机探测资料评价人影作业后的效果，国内一些学者^[11-13]也做了大量工作，结果表明人影作业后雷达回波、云粒子谱和半径都发生较大的变化。

这些都从某一个方面反映了采用人工对降水天气进行影响后降水和有关物理量的变化；如局地降水量增加、冰雹出现次数减少等。但到目前为止，国内外对人工影响天气后，地面气象要素(除降水外)有什么变化，特别是作业影响区的下风方，分析研究还不多。地面火箭大规模对降水云系进行影响后，地面气象要素的研究分析更是少之又少。一则由于探测手段有限，二则由于地面探测设备布点比较稀疏，无法获取更多的信息。

自动气象站是我国近年来大量布设的地面自动观测设备，是我国综合气象观测系统的重要组成部分。自动气象站具有获取资料准确度高、时间和空间分辨率强、并能获取空白区域资料的特点，使我国地面观测网对天气系统特别是中小尺度天气系统和灾害性天气系统的监测能力大大加强^[14]。王国荣等^[15]利用北京加密自动气象站观测资料对一次飑线天气过程进行分析，得到对预报局地强降水预报非常有益的结果。山义昌等^[16]利用自动气象站观测资料对一次人工增雨效果进行评价，得出了比较客观的结果。

2001年7月13日北京申奥成功后，北京市气象探测技术和探测网取得飞跃式的发展，气象探测的时空分辨率得到大大的提高。通过分析相应的探测资料，可以很好地捕捉影响北京地区的中小尺度系统，进而可以了解对降水天气系统进行人工影响后的作业效果。

2008年8月8日北京市为防止强对流天气影响北京奥运会开幕式，在北京及周边邻近的河北省保定、张家口地区进行大规模的人工影响天气作业。本文利用对比分析的方法，在分析2008年8月8日下午到夜间天气系统发展移动的同时，利用同期北京地区215个自动和非自动气象站的资料，分析了8月8日降水分布情况，并与2008年8月9日比较相似的天气过程进行对比。同时计算了有湿度探测的108个站逐5分钟的地面水汽压，并分析其时空变化，以便了解人工影响天气作业对下游地面湿度的影响。主要目的是为了解大规模进行人工影响天气作业后，作业区下游地面气象要素的变化特点，为我国今后进行人工影响天气作业提供理论支持。

1 人工影响天气作业情况和资料 1.1 人工影响作业情况

根据《北京2008年奥运会开、闭幕式人工消(减)雨作业实施方案》，围绕保护区——国家体育场，设置三道人工消减雨作业区，分别位于河北、天津和北京境内。

2008年8月8日由于受副热带高压和西风槽的影响，北京地区及周边邻近地区以强对流天气为主，天气系统主要来自北京的西南、西和西北^[18]。因此，人工影响天气作业区主要力量集中在河北省的张家口、保定以及北京的延庆、昌平、海淀、门头沟和房山等地区，从16：00到23：30(北京时，下同)，共发射火箭1110枚(北京地区作业点的具体分布情况见图 1)。从各区的地面火箭作业来看，下午17：30以前主要在北京西北部张家口进行人工增雨作业，在延庆对孤立对流云体进行以抑制对流发展为主的作业。17：30到18：30主要在北京西部门头沟境内进行作业。18：30以后在北京的西南部进行作业，大规模人工影响作业区主要位于北京房山地区一带。其中，2008年8月8日从18：45到21：45分别在河北保定、北京房山地区进行了8轮作业，发射179枚火箭，其中在20：05到20：12在房山作业区进行短时间大剂量作业(7分钟内共发射90枚火箭)。在21：45后，又在该区域进行了5轮作业，共发射火箭465枚。

1.2 资料

选用北京城区和郊区215个自动和非自动气象站的资料，进行降水分布研究；选用其中108个有湿度记录的站资料进行地面湿度变化分析，自动站及非自动站站点的大致分布情况见图 1。

人工对影响保护区的天气系统进行影响作业，其影响作业区域和作业点取决于天气系统的移动。为了解2008年8月8日下午到夜间天气系统的移动情况，利用NCAR中尺度数值预报模式MM5，以NCEP资料作为背景场，将北京及周边加密的探空、地面和非常规观测资料输入，进行模拟。模式采用双层嵌套，外层网格27 km，里层9 km，积分24小时。

结合实际天气图，逐小时分析数值预报模拟场的变化情况。可以看出，2008年8月8日从下午到夜间北京地区受两个系统的影响，一是副高外围在北京西北部的西风小槽，二是850 hPa的切变线，且分别在北京的西北部、西部和西南部产生强对流天气。如果北京西北部的西风小槽和850 hPa的切变线叠加，将会造成北京西北部的云系与北京西南部(850 hPa的切变线)云系打通，降水系统直接威胁国家体育场。

综合数值预报模式MM5模拟产品、卫星云图、雷达资料分析(图略)，可以看出，北京西北部的云移动到昌平北部后向北收缩后移动到密云境内，对北京城区影响不大，在17：30后没有在北京西北部进行人工影响天气作业。从上午到夜间北京城区和东部地区为副热带高压边缘西南气流控制。

图 2是中尺度数值预报模式MM5模拟的2008年8月8日20时500 hPa风场。从图中风场可以看出，2008年8月8日20：00后北京地区500 hPa的引导气流为西南—东北向。位于北京西南部，由850 hPa的切变线产生的对流云系受500 hPa的引导气流的影响有向北京城区移动直接威胁国家体育场的可能。因此，在北京地区西南部和河北省保定地区进行大规模人工影响天气作业拦截对流云系非常必要。

1.3 降水分布特点

北京地区地面自动站和非自动气象站资料显示，北京地区8月8日从下午开始，延庆、昌平、房山、门头沟、海淀、丰台、石景山、怀柔、密云、大兴都有降水出现。分析2008年8月8日北京地区18:00—00:00累计6小时降水量分布情况(见图 3)可以看出。

(1) 降水主要集中在北京的东北和西南部，北京东北部最大降水出现在密云县溪翁庄，降水量38.5 mm；西南部最大出现在房山张坊，降水量15.2 mm；是由南北不同的天气系统造成。

(2) 北京城区处在降水比较少的豁口处，主城区及其以东地区没有出现降水，北京奥林匹克公园没有降水。

1.4 水汽压计算公式

马格努斯饱和水汽压公式^[17]：

$ {E_水} = {E_0} \times {10^{(7.45t/235 + t)}} $

(1)

式中：E_水是清洁水面的饱和水汽压；E₀是温度为0℃时的饱和水汽压，为6.11 hPa；t为摄氏温度(但不考虑单位，只取其数值)。

对马格努斯饱和水汽压公式来说，将式(1) 中的温度改为露点温度，计算出的结果为露点温度下的饱和水汽压，即实际水汽压。本文利用式(1) 计算各站的实际水汽压及其变化。

2 对下游地面湿度影响的分析

为研究问题方便，沿着西南到东北方向的引导气流做三条平行的线，分别找出下游的影响站点，同时为分析影响的区域时间沿东西长安街做一条直线。在图 1中标注如下四条矢线(下文制作地面水汽压随时间演变曲线图分析时用到此直线)。

2.1 沿图 1矢线1各站的影响

图 4是沿图 1矢线1的方向(沿着主导风向在作业区的下风方)制作逐5分钟地面水汽压的时间演变曲线，考虑到站点的分布，取距离直线比较近的站点，即张坊、良乡、云岗、丰台气象局、老山、玉渊潭、大学生体育馆、奥体中心、小汤山等。

由图 4可以看出，沿着图 1矢线1地面水汽压的变化具有很明显的特点。

(1) 在图 4房山作业区的下风方，由西南到东北，从良乡到奥体中心、奥林匹克公园，地面水汽压的变化比较明显，都存在一个明显的“突变”(本文暂称持续25分钟左右，地面水汽压数值一直在降低，降低量为2.2 hPa或以上称为“突变”)，而奥林匹克公园以北的小汤山则没有这种变化。

(2) 除远离作业区的小汤山和奥体中心、奥林匹克公园外，地面水汽压前后变化均在5.0 hPa左右，且随着离大规模作业区距离越远，变化量总体是逐渐减小的，如奥林匹克公园地面水汽压的减小量已降到2.2 hPa。

(3) 进一步分析同期的降水资料，张坊在作业期及前后均有降水，良乡、云岗、丰台气象局、老山、玉渊潭、大学生体育馆、奥体中心、小汤山测站资料显示均无降水。表明良乡、云岗、丰台气象局、老山、玉渊潭、大学生体育馆、奥体中心、小汤山测站地面水汽压的变化不是由于降水造成的。

(4) 8月8日20时北京观象台探空资料分析表明，500 hPa高度风向为255°，8 m·s^-1。根据此高度风速大小，估算大规模作业区距离良乡、云岗、丰台气象局、老山、玉渊潭、大学生体育馆、奥体中心、小汤山测站的时间，发现以上测站地面水汽压的变化时间与由上游的空气柱移来的时间比较一致。

2.2 沿图 1矢线2各站的影响

图 5是沿着图 1矢线2做的地面水汽压时间演变曲线，也就是沿着紧邻作业区下风方的东边做地面水汽压时间演变曲线(即北臧村、西红门、先农坛体育馆、朝阳公园、楼梓庄、顺义气象局)。可以看出：

(1) 离大规模作业区比较近的北臧村自动站地面水汽压先降(开始时间为21：50)，随后是西红门、官园、天安门、先农坛。而朝阳区的朝阳公园及楼梓庄、顺义气象局地面水汽压变化比较平稳，没有出现“突变”现象，甚至出现上升的现象。

(2) 进一步分析图 1矢线2做的时间演变曲线以东站点，可以看出，庞各庄、大兴气象局(图略)和西红门等自动站具有与北臧村、西红门相似的特点，而这些地方以外的赢海、青云普、南郊观象台(图略)地面水汽压变化则不太明显(有变化，但变化量数值比较小，或不到20分钟，下同)。

丰台区的丽泽桥、新发地(图略)等与丰台气象局具有类似的特点，位于丰台东部的木樨园(图略)地面水汽压演变则不太明显。

北京城区先农坛、天安门以东的天坛、龙潭湖、古观象台(图略)的地面水汽压稍有变化，但已没有其西部地区的变化明显，这些站点更东的地方已没有这种特点。

(3) 分析同期的降水资料，以上测站均无降水。

(4) 根据此高度风速大小，估算大规模作业区距离以上测站的时间，发现以上测站地面水汽压的变化时间与由上游的空气柱移来的时间比较一致。

2.3 沿图 1矢线3各站的影响

图 6是沿着图 1矢线3做的地面水汽压时间演变曲线，也就是沿着紧邻作业区下风方的西边做地面水汽压时间演变曲线(即佛子庄、雁翅、北安河、太平庄、古将)。可以看出：

(1) 大规模作业区西北部的佛子庄在21：55后地面水汽压下降比较明显；雁翅以北的站(图略)均比较平稳，仅有稍微的波动。其中佛子庄22：15出现降水，与地面水汽压下降比较明显时间不一致。雁翅、北安河、太平庄、古将等测站资料反映无降水。

(2) 进一步分析图 1矢线3所做的地面水汽压时间演变曲线附近的站点，可以看出，潭柘寺和门头沟气象局(图略)演变特点比较明显，而以西的各站则不明显。但潭柘寺和门头沟气象局在22：05—22：25出现降水，与21：45—22：00地面水汽压下降比较，明显时间不一致。

门头沟北部的海淀区，其香山、永丰(图略)以西地面水汽压变化演变不明显，以东的箭亭桥、紫竹桥、车道沟(图略)等变化演变比较明显，以上各测站均无降水。同时海淀以北的昌平地区演变也不明显。

(3) 根据此高度风速大小，估算大规模作业区距离以上测站的时间，发现以上测站地面水汽压的变化时间与由上游的空气柱移来的时间比较一致。

2.4 沿图 1矢线4各站的影响

为进一步了解大规模作业区下风方地面水汽压的变化情况，沿东西方向(图 1中矢线4，即齐家庄、斋堂、石景山、玉渊潭、官园、天安门、四惠桥、潞城一线)做地面水汽压时间演变曲线(见图 7)。由图 7可以看出。

(1) 齐家庄、斋堂地面水汽压基本没有明显的变化，有些波动变化主要是局地的作业影响，石景山、玉渊潭、官园地面水汽压变化比较明显，天安门稍有变化，但变化时间推后。四惠桥以东的几个站(图略)都没有明显的变化。

(2) 逐5分钟降水资料分析表明，以上测站没有明显有量降水。

(3) 根据此高度风速大小，估算大规模作业区距离以上测站的时间，发现以上测站地面水汽压的变化时间与由上游的空气柱移来的时间比较一致。

为进一步了解沿图 1各矢线方向相关站点地面水汽压的变化是否具有较大的偶然性，我们分别对2008年8月9日及以后的几次降水过程(均未进行人工影响天气作业)，特别是8月9日的，其天气形势和云图逐时次的演变与8月8日比较相近，但没有如8月8日类似的特点，甚至出现上升的特点(如8月9日夜间矢线2方向的)。

2.5 地面湿度下降量及开始下降时间的平面分布

规定地面水汽压下降量在25分钟左右，地面水汽压连续下降，就用变化最大的数值作为地面水汽压下降量；否则，地面水汽压下降量就按0.0 hPa来处理。逐站分析各站地面水汽压这种变化量，了解地面湿度下降量的平面分布特点。

图 8是根据地面水汽压下降量绘制的北京地区2008年8月8日开幕式期间地面水汽压下降量的平面分布情况。可以看出，(1) 地面水汽压下降量在0.0 hPa以上的分别位于密云、平谷一带和从房山到怀柔西南—东北走向的带状区域。地面水汽压下降量在2.2 hPa以上的主要分布在40°N以南。其中，位于北京地区北部的比较大的地面湿度下降量，可能与北部地区有比较大的降水和张家口、延庆一带也进行人工影响天气作业，以及北部的延庆、怀柔、密云、平谷以及昌平北部地区地形比较复杂有关。(2)2.2hPa等值线以内各站地面水汽压在25分钟左右时间内有较大的变化；在下降量2.2 hPa等值线以外，也受到影响，但明显滞后(下降开始和结束时间推后)，水汽压下降量明显减小。

图 9是根据各站地面湿度的数值在25分钟左右连续下降的开始时间制作的平面示意图，考虑到绘图方便，将时间进行处理，即将时间的分钟数换算为小时数，如20：30换算为20.5时。由图可以看出：经过大规模的人工影响天气作业，(1) 地面湿度发生较大的变化时间随着距离大规模作业区的远近，时间明显推后；(2) 大规模人工影响天气作业后对地面湿度影响的距离，在由西南向东北的方向比较远，而其他方向稍近一点。

3 小结与讨论

2008年8月8日下午到夜间，北京市和河北省人工影响天气部门针对北京地区西北部、西部和西南部强对流天气进行大规模的人工影响天气作业，作业区主要力量集中在河北省的张家口、保定以及北京的延庆、昌平、海淀、门头沟和房山等地区。从16：00到23：30，共发射火箭1110枚。从各区的地面火箭作业量来看，人工消减雨大规模影响天气作业区主要位于北京房山地区一带。结合500 hPa风场，利用北京城区和郊区108个有湿度记录的自动站及非自动站资料对大规模人工影响天气作业后的地面湿度进行分析。

(1) 2008年8月8日夜间北京地区500 hPa的引导气流为西南—东北向，影响作业保护区的天气系统基本沿西南-东北向移动。

(2) 2008年8月8日在20：05到20：12在房山作业区7分钟内共发射90枚火箭。在21：45以后，又在该区域进行了5轮作业，共发射火箭376枚。

(3) 北京地区8月18：00—00：00之间6小时累计降水量呈东北-西南带状分布，北京城区恰处在东北和西南两个降水区的豁口处，北京奥林匹克公园没有降水。

(4) 为了解大规模人工影响天气作业后地面水汽压的变化情况，根据引导气流分别对不同方向上自动站的地面水汽压进行时空时间演变曲线分析，并分析出相应的影响区域。结果表明，在人工影响天气作业区及下游，由北京西南部的房山向东北到昌平南部的带状范围内地面水汽压出现明显的变化。表现在以下几个方面。

(a)在带状区域中心轴线上，25分钟左右的时间内地面水汽压有一个明显的减小过程，减小量由西南往东北逐渐减小，且这种减小的开始时间逐渐推后。

(b)在带状区域两侧西南到东北的轴线上，也有与中心轴线上类似的特点，但减小量比中心轴线上小，影响范围也小。

(c)带状区域东西方向地面水汽压的减小量在中心轴线上最大，距离中心轴线越远，地面水汽压减少的数值越小，开始和结束时间越推后。

(d)同期降水资料分析表明，大规模作业区下风方测站地面水汽压的突变与降水之间的关系不大，大多数测站没有降水，或没有形成明显的有量降水。

(e)根据此高度风速大小估算大规模作业区距离分析地面水汽压发生较大变化测站的时间，发现测站地面水汽压的发生较大变化时间与由上游空气柱移来的时间比较一致。

以上分析表明，大规模作业区下游测站地面水汽压的发生较大变化与测站是否有降水关系不明显，主要是由上游大规模作业区移动而来的。

(5) 本文给出的事实表明，人工影响天气作业后，地面水汽压发生了较大的变化。究其地面水汽压这种变化特征，主要是由于2008年8月8日下午到夜间在河北省保定和北京市房山地区进行大规模地面火箭播撒碘化银催化作业，短时间高密度的火箭作业大量催化剂播撒云中，雨滴谱产生两极分化，大的雨滴降落，或迅速长大后降落(这点现场作业人员的报告也得到证实)，形成下沉气流(大气流场被破坏)，下沉气流将高层的干冷空气带到低层引起地面水汽压减小(这点从同期微波辐射计的资料分析也得到证实，在此不赘述)；同时火箭弹尾喷激起的强大扰动作用等也对流场有较大的影响。此下沉气流沿着引导气流向下游传播，在传播过程中逐渐衰减。

(a)此下沉气流在沿着引导气流由西南往东北移动过程中不会形成明显的降水，因此在大规模作业区的下风方保护区(国家体育场)及邻近地区的城区没有出现降水。

(b)此下沉气流在向下游地区移动过程中，所经测站湿度就会下降。

(c)由于此下沉气流在移动中不断与周边空气混合、交换，因此地面水汽压变化量呈现出距离大规模作业区越远越小，时间越推后的现象。

(d)与8月8日天气形势和云系演变比较相似的8月9日，没有进行人工影响天气作业则没有这种现象。

(e)本文仅是从观测的现象出发，做一些现象成因的探索。由于探测手段和时空分布的限制，无法达到全天候、立体的监测大气中水汽的变化，因此结论还有待于进一步挖掘其他探测资料佐证，在此不赘述。