引言

人工影响天气效果的物理检验为评估人工影响天气的效果提供物理依据。物理检验的途径和方法，是按对云施加影响后所可能产生的一系列物理过程变化有敏感响应的关键参数的测量要求而选择的。云和降水的各种宏微观物理参量，是受众多因素影响和制约的，它们在试验中并非唯一地决定于催化方式和强度，存在着相当大的自然变差，而且不同类型的云物理参量和演变也有很大的差别(Woodley et al, 2003a; 2003b；Rosenfield et al, 2004)。因此若想使飞机作业效果的物理检验行之有效，就离不开云和降水物理观测量与观测技术的发展(李大山等，2002；Hobbs et al, 1975)。

近些年来，在对云的宏微观物理特征及云结构分析的基础上，播云催化前后所产生的物理效应越来越被关注并取得了一定的进展。于丽娟等(2009)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由小云粒子计算的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。周德平等(2004)对1995年辽宁省一次个例催化前后分析，发现在催化高度层产生了大量冰晶，冰晶与过冷云滴共存，导致了过冷小云滴减少，冰雪晶数密度增大，冰雪晶含水量明显增加；同时催化作业改变了云中各粒子谱结构，云滴谱小滴端明显下降，大值端上抬，作业层下部数密度明显减少, 还结合辽宁省1992—2004年6—8月对东北冷涡云系人工增雨作业效果进行了分析，得到了作业后冰雪晶粒子的数浓度均有明显增加，粒子谱型也变宽了。金德镇等(2007)根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构，结合卫星、雷达和常规天气资料，分析得到作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加, 上升气流将小冰晶带到较高处, 冰晶在空中停留时间增长, 有利于冰晶的长大, 冰晶和冰晶聚合体下落到零度层附近融化成雨滴, 进而增加地面降水。张佃国等(2007)利用北京地区2003年8—9月飞机观测的PMS资料, 研究了探测云系的云粒子浓度、尺度和含量的垂直与水平分布特征和粒子谱分布状况，了解该地区中各种云粒子浓度、含量的时空分布特征, 提高对云降水形成机理和云中粒子转换的认识。彭亮等(2007)借助于雷达、卫星等多种遥感探测手段, 结合飞机的云中观测，对2004年河南云降水观测外场试验区的一次云降水过程实施了综合探测, 分析得到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。

人工增雨效果物理检验通常采用两种途径寻找物理证据，一种是分析催化云和对比云物理参量的变化和差异，宜采用对比分析和双比分析；另一种是通过分析催化前后所观测到的物理参数变化、差异(自身比较)。本文采用的是第二种方法，即自身比较。

第一种方法优点是排除了自然变异的影响，难点在于寻找状况相近的两块云，对比云还要未受到播撒的污染，如果对比区离的比较远，还要考虑自然降雨量在时空分布是否是平稳的。第二种方法优点在于可以获得同一片云催化前后的影响效应，缺点在于不能排除自然变异的影响。要确定作业后的物理效应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性。最理想的是有飞行轨迹和雷达图同步显示的工具，这样有利于捕捉同一片云作业前后的移动状况，进而了解云微物理的状况变化。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 min·次^-1)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，同时需要确定云的移动速度和移动方向来寻找对比区。

本文根据2009年5月1日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，针对作业播撒的特点与云的移动速度和方向，尝试了从不同高度上寻找对比区，来进行作业效果的物理检验。

1 天气背景 1.1 高空形势

2009年5月1日08时500 hPa高空槽在作业区的上空，正是过境时刻。槽后的偏西北气流逐渐向东移去。张家口处于湿区，而湿区中心位于河北南部。整个湿区分布呈西南—东北走向。高空水汽条件充沛，云发展很旺盛，有较好的水汽输送，比较适合人工作业(胡志晋，2001)。850 hPa图上，可以清楚地看到自西南往东北方向的水汽输送带，正好经过张家口(图 1和图 2)。

1.2 地面形势

从2009年5月1日05和08时地面图的锋面低槽移动来看，作业区正处在锋面附近，锋面以每小时50 km左右的速度向东东南方向移动，云系正在作业区上空发展，有降水云系出现，作业区内出现偏西北风，降水天气持续，其形式在一定程度上有利于进行人工增雨作业(图 3和图 4)。

1.3 卫星云图

2009年5月1日09时的红外云图反映，在张家口附近有降水云系发展东移，探测云是积层混合云，探测区域为发展成熟阶段西风槽云系中部，为降水云系中部发展成熟阶段。

2 飞机飞行探测作业情况简介

这次2009年5月1日外场试验是在河北张家口地区开展的，是国家科技支撑项目组专门组织的具有综合探测与联合多机飞行的一次外场试验，这次试验主要装备包括改装过的夏延ⅢA3625飞机，多普勒雷达探空站和自动雨量站等，以获得相应的探测资料。

观测仪器是机载PMS粒子测量系统[采样探头包括气溶胶探头(PCASP-100X)、云粒子探头(FSSP-100ER)、二维灰度云粒子探头(OAP-2D-GA2)、二维灰度降水粒子探头(OAP-2D-GB2)](王维佳等，2011；张瑜等，2012)，以及GPS定位系统，使用的资料是由云粒子探头(FSSP-100ER)、二维灰度云粒子探头(OAP-2D-GA2) 和二维灰度降水粒子探头(OAP-2D-GB2)3种采样探头获得的。

表 1详细列举了各探头探测的主要粒子类型即尺度范围等参数。FSSP-100ER探头主要用于测量云粒子，其测量的粒子直径范围为1~95 μm，分为4个量程，每个量程内又等分为15个测量通道，该探头的最小分辨率为1 μm，有效采样面积为0.310 mm²，它可以直接测量运动速度为20~125 m·s^-1的粒子，本次探测试验采用的是量程1。

飞行主探测区位于张家口附近上空。航线是行唐—天镇—张家口—崇礼—张家口—天镇—行唐。飞机从08:27起飞(图中蓝线)后爬升，到达4800 m高度在云中平飞，云带位于张家口东，呈东北—西南方向，09:27在4800 m高度的云中点燃第一根焰条，09:37同时点燃两根焰条，飞机保持在4800 m高度来回作业一次。09:41飞机从张家口掉头开始爬高至5400 m平飞探测，09:56飞机到达张家口之后掉头，然后开始爬升至6000 m平飞探测(6000 m云量3~4，基本接近云顶，飞机在5400和6000 m两个高度的平飞只探测不作业)，10:04飞机到达张家口开始脱离作业区，之后在6000 m平飞到天镇之后开始下降高度到4800 m，10:51又开始在另一个区域进行作业(非本文讨论的作业区)，此时高空风27.8 m·s^-1，11:01作业结束开始返航。详细飞行路线见图 6。

3 云微物理特征对比分析

根据此次飞机观测记录，云带呈东北—西南方向，从西北向东南方向移动，移动速度大约是30~40 km·h^-1。飞机保持在4800 m高度沿万全—崇礼一线平飞作业，在5400和6000 m两个高度平飞只探测不作业。

通过前文对天气形势的分析，发现作业点西边5000 m高空附近是槽前西西南气流，这为4800 m高度的云粒子的上升运动提供了有利的条件，这就提示飞机在4800 m高度的云中播撒作业后，可能在5400 m的飞机平飞观测资料中看到催化作业的物理响应，而且两个高度上的飞行轨迹在沿航线方向有较长的上下重合，时间间隙也不大于10 min。因此对比分析这两个高度上的观测资料是具有一定物理检验意义的。

另外通过对各种雷达扫描图像产品进行分析，研究作业的目标云催化前后的变化，目标云与对比云的异同等特征，可以在一定程度上判断作业的效果(周勇等，2001)。所以对雷达图也做相应统计分析，可以发现，作业后10 min内每一层最大高度都有所升高，云在垂直方向上也有所发展(09:27开始作业)(表 2)，从图 7也发现作业后低层回波减弱，高层有所发展，出现强中心。

尝试从同一块云的不同高度上寻找对比区，来进行作业效果的物理检验，是此次检验的基本设想，之前的天气形势分析为这一设想提供了可以实现的基本前提；作业播撒的特点与云的移动速度和方向，又使通过对比分析两个高度上的观测资料来进行飞机作业的物理检验具有了一定的研究意义；通过对表 2和图 7中各种雷达扫描图像产品的分析，又再一次地、相对定量地为该设想的合理性加以佐证。

结合当天的天气形势和各种雷达扫描图像产品的分析结果，加上受到播撒的影响，本文将结合这次飞行作业路线针对同一块云在4800和5400 m两个不同高度的云微物理特征进行分析，来进一步探究发生变化的原因。

3.1 不同高度FSSP计算液态含水量的变化

夏延ⅢA3625飞机在09:24到达张家口上空，在4800 m高度平飞，云顶有阳光，决定催化，高度4800 m，温度-10℃，09:27点第一根焰条，09:37同时点两根焰条，09:41飞机在张家口掉头开始爬高至5400 m，09:58开始上升到6000 m，10:04飞机到达张家口开始脱离作业区，之后在6000 m平飞到天镇之后开始下降高度到4800 m。

国外的一些气象学家们曾利用罗斯曼积冰探测仪(Cober et al，2001；Kovolev et al，2003；McFarquhar et al，2007)或综合地面雷达观测(Field et al，2004；Lawson et al，2003)对0℃层以上云的相态(液态过冷水云、冰云、冰水混合态云)进行判定，然后通过各相态云中FSSP谱分布的差异来说明FSSP量程内云粒子的相态(液相、冰相)。对于液态云和冰水混合态云来说，液态含水量(LWC)的最佳测量仪器是热线液态含水量仪King-LWC-5(简称King), 但是由于这次积层混合云降水过程的飞机作业探测所使用仪器的限制(没有使用King探头)，精确、定量地界定这次探测中FSSP-100ER量程内云粒子相态存在一定难度，对FSSP-100ER量程内(本次作业使用量程1) 云粒子相态进行定性分析成了当务之急。

先假设FSSP-100ER该量程测量的云粒子全为液相(不包含冰相粒子)，计算液态含水量LWC的值，如图 8所示，整个过程液态含水量值相对比较低，云中的可降水量较小，开始作业阶段LWC平均值只有0.03 g·m^-3, 作业后11 min左右(4800 m)液态含水量达到一个峰值(图 8a)，分析含水量的初值和峰值都比较小，有理由认为这与该云粒子探头没有设在“满”量程有直接关系。分析图 8b发现5400 m高度液态水含量的峰值为0.048 g·m^-3，该时刻大约为09:43，由于09:41飞机掉头开始爬高到5400 m平飞，再结合飞机GPS三维轨迹图(图 6)，可以推断峰值区(时刻为09:43) 近似在作业区上空(可以认为是同一块云)。作业前云顶高度略大于5000 m左右，作业后发现5400 m出现液态含水量的一个峰值，而且两个高度的峰值均明显大于其他值。

如果猜测液态含水量增多原因是实施作业在一定程度上促进了上升运动，似乎证据不足，因为潜热释放导致的动力效应在如此短的飞行时间内是无法探测到的，何况这次探测的飞机没有进行“返回”观测，所以在这么短的时间内，造成液态含水量不减反增的原因很有可能是因为探测到的FSSP-100ER量程内云粒子相态不唯一，所以有理由推翻之前的假设，肯定温度在-10℃时，FSSP-100ER量程1(测量范围为2~47 μm)测量的云粒子中并不全是液相的，也有一定冰相云粒子存在。

近年来，许多国外的混合云综合外场观测研究都对FSSP量程内测量的云粒子相态进行了判断。比如，Korolev等(2003)对加拿大锋面层状云系的观测研究表明液态过冷水云中的平均体积直径为10~12 μm，冰云中的在20~35 μm之间变动，Cober等(2001)在加拿大冻雨试验Ⅰ和Ⅲ的观测研究中发现混合态云中冰晶粒子的平均体积直径大于30 μm，Field等(2004)还发现英国混合态云和冰云中的平均体积直径都大于30 μm。不同地区、云系中云粒子的相态差异还是比较大的。

这次飞机飞行探测作业采用冷云催化原理，使用反证法的思路，发现FSSP-100ER量程内测量的云粒子除了液相的以外还有冰相粒子共存，推翻了产生的错误假设以及错误结论，即催化区域液态含水量不减反增。该过程的合理解释可以归纳为催化过程中，云中产生大量冰相粒子，且浓度陡增，理论上有利于大冰粒子浓度的增加，进而有可能下落后形成降水，增加地面降水的强度。这一结论也在一定程度上印证了冷云催化的基本原理。

接着本文将继续对OAP-2D-GA2和OAP-2D-GB2浓度的变化进行分析(OAP-2D-GA2探头测得的粒子是大云粒子(大云滴和冰雪晶)、OAP-2D-GB2探头测得的粒子是降水粒子。

3.2 不同高度FSSP粒子浓度以及粒子平均直径的变化

从图 9可以看到：FSSP-100ER测得云粒子(其中包含部分冰相云粒子)陡增的时刻为09:38:44(此时飞行高度为4800 m)和09:43:16(此时飞行高度为5400 m)，4800 m粒子浓度14×10⁷个·m^-3，粒子平均直径大约是18 μm；5400 m粒子浓度接近15×10⁷个·m^-3，粒子平均直径大约是25 μm。

结合前文的分析，可以发现，不同高度粒子浓度的急速增大的时刻与冰相云粒子陡增的时刻是趋于一致的，且粒子的平均直径随高度的增加也有所增长。

3.3 大云粒子和降水粒子的变化

图 10给出了4800~6000 m飞行时段相应的OAP-2D-GA2和OAP-2D-GB2变化趋势(OAP-2D-GA2探头测得的粒子是大云粒子(大云滴和冰雪晶)、OAP-2D-GB2探头测得的粒子是降水粒子)，由图 10可见，测得的大云粒子的浓度比降水粒子要大两个量级；而且对于两种粒子而言，4800 m高度粒子浓度比5400 m要高，粒子浓度随高度的升高而明显下降。

从大云粒子和降水粒子的浓度变化曲线，可以发现，飞机进行低层播撒(4800 m)时的粒子浓度是很大的，所以可以初步估计，低层播撒对大云滴粒子和冰雪晶粒子的形成还是起到了一定的促进作用，使得云中的过冷水含量有所下降，降水粒子逐渐形成增多，且浓度相对会有所增加，随后下落后形成降水。

4 地面降雨量分析

图 11给出了作业开始到结束4个小时内的降雨量分布图。该图是对加密自动站的降雨量数据插值到地形图上得到的。从几个时次降雨量分布可以看出：09时左右开始作业，此时在作业区已出现降雨，最大是5 mm，非催化对比区降雨量最大是3 mm。作业1小时之后，影响区以及对比区降雨量都明显地减少。作业影响区的最大降雨量降低到3 mm，虽然降雨量减少，但是降雨区域面积比原来扩大了。非催化对比区10时以后已无降雨。

由上文分析可知，此次探测的第一次作业持续了将近15 min。虽然地面降雨量并没有增加，但是降雨幅度减缓了，降雨区域面积扩大了一些。综合分析，也可以在某种程度上说明作业确实收到了一定的效果。

5 结语

此次云带位于张家口东，呈东北—西南方向，从西北向东南方向移动，移动速度大约是30~40 km·h^-1。飞机保持在4800 m高度来回作业，作业区域是云系的中部，属于“低层播撒”，在5400和6000 m只探测不作业。考虑到作业时间、部位和上升气流的状况，认为飞机先在4800 m的播撒，可能在其后的5400 m的观测资料中看到物理响应，而且两个高度上的飞行轨迹上下重合，时间间隙也不大于10 min。通过对各种雷达扫描图像产品进行分析，发现作业10 min后每一层最大高度都有所升高，云在垂直方向上也有所发展，且作业后低层回波减弱，高层有所发展，出现强中心，所以本文尝试从同一块云的不同高度上寻找对比区进行作业效果的物理检验。

飞机保持4800 m来回作业一次，再爬升到5400和6000 m高度来回探测一次但是不作业。对不同高度的云微物理的特性进行了对比分析。

(1) 利用反证法的思路，发现FSSP-100ER量程内测量的云粒子除了液相的以外还有冰相粒子共存，催化后云中产生一定数量的冰相粒子，且浓度陡增，理论上有利于大冰粒子浓度的增加，进而有可能下落后形成降水，增加地面降水的强度，同时在一定程度上印证了冷云催化的基本原理。

(2) 不同高度粒子浓度的急速增大的时刻与冰相云粒子陡增的时刻是趋于一致的，且粒子的平均直径随高度的增加也有所增长。在FSSP-100ER测得冰相云粒子陡增的时刻，4800 m粒子浓度14×10⁷个·m^-3，粒子平均直径大约是18 μm；5400 m粒子浓度接近15×10⁷个·m^-3，粒子平均直径大约是25 μm。

(3) 分析4800~6000 m飞行时段相应的OAP-2D-GA2和OAP-2D-GB2变化趋势，发现测得的大云粒子的浓度比降水粒子要大两个量级；而且对于两种粒子而言，粒子浓度随高度的升高而明显下降。

(4) 虽然地面降雨量并没有增加，但是降低幅度减缓了，降雨区域面积扩大了一些。在某种程度上说明作业收到了一定的效果。