中天山試驗(yàn)區(qū)人工增雨（雪）試驗(yàn)：方案設(shè)計(jì)與初步結(jié)果

■劉恩弘 楊璟 銀燕 李斌 李圓圓 景曉琴 陳魁 王紅磊 楊軍 陳倩

試驗(yàn)初期，完成了多部雷達(dá)的架設(shè)、觀測和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控。在2019年夏季以烏魯木齊牧試站為基地成功觀測了多個(gè)降水過程，完成了氣溶膠和冰核的連續(xù)地面觀測以及無人機(jī)觀測；在2019—2020年冬季成功觀測兩次降雪過程，并進(jìn)行了煙爐增雪作業(yè)。

新疆位于我國西北部，地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候不受季風(fēng)系統(tǒng)的直接影響，新疆北部是阿爾泰山脈，南部是昆侖山脈，中部有橫貫全境的天山山脈，三山環(huán)抱塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地形成三山夾兩盆的獨(dú)特地形。研究發(fā)現(xiàn)，新疆西部和北部的氣候主要受西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響，在天山、帕米爾高原等地則出現(xiàn)多雨帶，山區(qū)年降水量一般超過400 mm，個(gè)別地方超過500 mm，所以天山山地也被稱為干旱區(qū)的“濕島”，是新疆重要的水資源來源。姚俊強(qiáng)等指出天山空中擁有豐富的云水資源，運(yùn)用人工增雨（雪）技術(shù)來提高云水資源降水轉(zhuǎn)化率，可以極大改善西北部干旱缺水的情況，增加河流徑流量，增加山區(qū)積雪、冰川儲(chǔ)水量。

在人工增雨（雪）研究中，催化劑在大氣中的擴(kuò)散是近年來研究的主要問題之一。如Boe等基于地面冰核計(jì)數(shù)器以及飛機(jī)冰核采樣發(fā)現(xiàn)，冬季地面播撒的催化劑粒子基本只在近地面的邊界層內(nèi)傳播，通常垂直傳播高度在距地面600 m以內(nèi)，同時(shí)表明催化劑的擴(kuò)散角度大約為10°。Xue等通過大渦模擬發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜地形地區(qū)，地形引起的近地面湍流是碘化銀垂直傳播的主要機(jī)制。另外一個(gè)重要的研究方面是催化劑在云內(nèi)增強(qiáng)降水的物理機(jī)制。Jing等通過冬季地面播撒碘化銀實(shí)驗(yàn)，以及雙偏振雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在冬季，不論是層云還是淺對流云，播撒碘化銀后，云霧中冰晶增長的主要方式是貝吉龍過程。French等在美國愛達(dá)荷通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冬季地形云中播撒碘化銀粒子后，在受到碘化銀影響的區(qū)域粒子譜明顯變寬，雷達(dá)回波反射率增大。

對人工增雨（雪）的效果驗(yàn)證也是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。王婉等基于區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計(jì)方法對北京市2006年的人工增雨效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果表明人工增雨效果約為13%。李斌等基于1957—2016歷年12月份的歷史降水?dāng)?shù)據(jù)對新疆克拉瑪依人工增雨（雪）的效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明人工增雪效果為24.5%。Rasmussen等基于13年的地面降水觀測和模擬研究表明地面播撒碘化銀的增雪效果為5%。

在天山地區(qū)，由于綜合觀測資料的缺乏，對地形云降水的形成機(jī)制和物理特征還不夠清楚，也缺乏對人工播撒碘化銀引起的云物理過程變化的相關(guān)研究，從而導(dǎo)致該地區(qū)人工增雨（雪）效果還有較大不確定性。新疆自治區(qū)人工影響天氣辦公室聯(lián)合南京信息工程大學(xué)、成都信息工程大學(xué)于2018年開始在中天山試驗(yàn)區(qū)開展了為期三年的人工增雨（雪）試驗(yàn)，基于飛機(jī)、遙感和地面觀測平臺對中天山北坡地形云降水發(fā)生演變過程進(jìn)行綜合觀測，分析研究天山山區(qū)降水過程宏觀、微觀物理結(jié)構(gòu)，并對人工播撒碘化銀的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。具體科學(xué)目標(biāo)包括：

1） 中天山地區(qū)不同季節(jié)典型地形云降水系統(tǒng)的特征及其形成機(jī)制；

2） 不同天氣條件下人工播撒碘化銀擴(kuò)散到云內(nèi)起到增雨（雪）效果的過程；

3） 人工播撒碘化銀引起的地形云內(nèi)物理特征變化；

4） 人工播撒碘化銀的增雨（雪）效果是否能夠從復(fù)雜的自然變化中觀測及其效果大小。

1 試驗(yàn)場背景和儀器

1.1 試驗(yàn)場背景

已有研究表明新疆地區(qū)夏季水汽輸送量最大，冬季水汽輸送量最小，由于新疆三面環(huán)山，四季均為對流層中層水汽輸送量最大。大量的暴雨個(gè)例分析指出有三條主要水汽輸送路徑，一支為西風(fēng)氣流和影響系統(tǒng)本身攜帶的西風(fēng)水汽輸送，另一支為中亞低槽或低渦南伸槽前西南氣流攜帶的偏南水汽輸送，還有一些極端情況在合適環(huán)流配置下阿拉伯海水汽以接力輸送方式輸送水汽，這三支水汽在新疆匯合造成暴雨。除了考慮水汽輸送條件外，天山地區(qū)人工增水試驗(yàn)區(qū)的選擇應(yīng)充分兼顧可行性、科學(xué)性及其對經(jīng)濟(jì)，環(huán)境，生態(tài)文明建設(shè)的影響。

依據(jù)已有的研究成果，選擇在烏魯木齊市西南方中天山北坡地區(qū)建設(shè)天山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地外場試驗(yàn)區(qū)（圖1）。該地區(qū)相對來說水汽條件較好，在西北或偏北氣流的背景下，水汽通過中天山北坡地形抬升作用形成地形云。此外，該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施較為完善、氣象觀測基礎(chǔ)條件好，已有較多的觀測儀器，通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以利用此區(qū)域的地形云作業(yè)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)（紫色框內(nèi)）和氣象站點(diǎn)（紅色三角）

1.2 儀器介紹和布設(shè)

為了觀測地形云降水系統(tǒng)的三維宏觀特征、精細(xì)的微觀特征，并分析地形對云降水產(chǎn)生的作用，需要采用不同波段的雷達(dá)，包括云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、降水雷達(dá)等，并通過飛機(jī)觀測云內(nèi)微物理特征。通過微波輻射計(jì)、GNSS/MET、探空氣球等觀測氣象條件，從而更好得分析地形云形成的背景。此外，在中天山北坡從山腳到山頂布設(shè)的氣象站進(jìn)行梯度觀測，研究從山腳到山頂?shù)慕邓兓Ｓ糜诓ト龅饣y的地面煙爐主要布設(shè)在中天山北坡山腳和山腰處。

具體儀器布置如圖2所示，觀測設(shè)備如表1所示。

表1 天山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地設(shè)備

圖2 試驗(yàn)區(qū)地形及地面儀器位置分布

在位于天山白楊溝風(fēng)景區(qū)中天山草地生態(tài)氣象監(jiān)測站對天山氣溶膠數(shù)濃度粒徑分布和云凝結(jié)核（CCN）進(jìn)行連續(xù)觀測，氣溶膠數(shù)濃度觀測儀器使用美國MSP公司生產(chǎn)的寬范圍顆粒粒徑譜儀（WPS），測量粒徑范圍為0.01～10 μm，觀測中使用的時(shí)間分辨率為5 min。CCN數(shù)濃度觀測采用的是美國DMT公司的CCNC-100。對冰核的觀測采用自行搭建的大氣冰核高壓靜電采樣器作為大氣冰核主要的采樣工具，利用抽氣泵使含有大氣冰核的空氣通過采樣片，在高壓靜電的作用下，大氣冰核吸附在采樣片上，將采集的樣本于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行不同條件的活化實(shí)驗(yàn)（即離線觀測），得到大氣冰核濃度。

此外，在空域允許的情況下，設(shè)計(jì)了飛機(jī)播撒催化劑和云微物理觀測方案（見2.3節(jié)），機(jī)載儀器包括：

1）機(jī)載Ka波段云雷達(dá)觀測，用于提供飛行剖面的云降水系統(tǒng)的特征，可以探測到地面，包括雷達(dá)回波和多普勒速度，幫助理解云物理過程和動(dòng)力的相互作用；

2）飛機(jī)基本氣象要素觀測：提供溫度、氣壓、風(fēng)速、濕度等的氣象要素測量；

3）飛機(jī)微物理探頭觀測：用于研究云中微物理過程，包括云滴和冰晶粒子的生成及其微觀形態(tài)特征、云中液態(tài)水含量、云微物理過程和環(huán)境之間的相互作用等。

飛機(jī)微物理探測設(shè)備即觀測目的：

1）云粒子譜探頭CDP：觀測直徑為1～50 μm的云滴粒子譜；

2）云 降 水 粒 子 探 頭C I P：觀 測 直 徑 為50～2000 μm的云與降水粒子二維圖像；

3）降水粒子探頭PIP：觀測直徑大于2000 μm的降水粒子二維圖像；

4）氣溶膠粒子譜儀PCASP：觀測直徑為0.1～3 μm的氣溶膠粒子譜；

5）熱線液態(tài)含水量儀：觀測云中云滴液態(tài)含水量。

6）高壓靜電冰核采樣器：采集氣溶膠粒子，用于后期實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水汽靜力擴(kuò)散云室實(shí)驗(yàn)，分析冰核數(shù)濃度及其理化特征。

2 試驗(yàn)方案

2.1 地形云地面觀測

利用自動(dòng)氣象站、氣象探空、微波輻射計(jì)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）等設(shè)備，收集不同天氣地形云的水平及垂直方向大氣的濕度、溫度資料，開展觀測研究，為精確實(shí)施人工增雨作業(yè)提供依據(jù)。通過再分析資料、中尺度模式結(jié)果研究并獲取水汽場氣候特征，并開展不同云型的水汽綜合觀測對比試驗(yàn)，分析垂直方向不同設(shè)備針對地形云探測的水汽變化特征，比較設(shè)備之間的誤差并研究訂正算法，結(jié)合衛(wèi)星資料開展地形云云水資源和降水效率研究。

降水期間使用Ka波段云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、X波段降水雷達(dá)和C波段天氣雷達(dá)對地形云降水系統(tǒng)的三維宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合觀測，分析云內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，并結(jié)合再分析資料和模式模擬結(jié)果研究地形對云宏觀、微觀和微物理過程的影響。C波段天氣雷達(dá)位于烏魯木齊站，天氣雷達(dá)可以提供大范圍的四維立體云降水回波特征可以同時(shí)探測到播撒區(qū)和非播撒區(qū)。云雷達(dá)和X波段雷達(dá)架設(shè)在烏拉斯臺，其中，云雷達(dá)采用RHI連續(xù)掃描，掃描時(shí)間間隔為5 min，在夏季，由于降水過程中，風(fēng)向多為偏北風(fēng)和西南風(fēng)，因此掃描方向設(shè)置為南北向。在冬季，風(fēng)向多位偏西風(fēng)，因此掃描方向設(shè)置為東西向。X波段雷達(dá)采用體掃，其波長為3 cm，可以較好地探測降水結(jié)構(gòu)，與云雷達(dá)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了大范圍的云降水系統(tǒng)同步觀測。微雨雷達(dá)架設(shè)在牧試站，提供垂直向上的連續(xù)觀測資料，時(shí)間間隔設(shè)置為30 s。

2.2 氣溶膠和冰核觀測

結(jié)合現(xiàn)有儀器設(shè)備新增設(shè)1個(gè)氣溶膠超級觀測站點(diǎn)，主要觀測氣溶膠粒徑譜分布、CCN數(shù)濃度、霧滴譜、冰核、中流量或者小流量的濾膜采樣、氣象要素、黑碳等要素，用于分析地形云生消過程及人影作業(yè)期間云的物理化學(xué)演變特征。這種站點(diǎn)進(jìn)行夏、冬季連續(xù)觀測，用于研究人影增雨和增雪，每次觀測的連續(xù)有效時(shí)間為20天左右。此外，可利用已有的觀測設(shè)備進(jìn)行東北—西南朝向的梯度觀測。若氣流為偏西氣流時(shí)，此區(qū)域的儀器也可對下風(fēng)區(qū)的氣象環(huán)境要素及降水情況進(jìn)行觀測，并可以用于驗(yàn)證人工增雨（雪）的效果。此外，在夏季選取2～3次過程使用超級站的儀器設(shè)備對烏魯木齊市區(qū)和天山試驗(yàn)區(qū)加密觀測，期間進(jìn)行人工增雨（雪）作業(yè)，用于補(bǔ)充氣象站梯度觀測數(shù)據(jù)，還進(jìn)行冰核數(shù)濃度及其化學(xué)特性的觀測，通過對比上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的冰核數(shù)濃度，用來研究人工催化劑的擴(kuò)散范圍。將采集的樣本于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行不同條件的活化實(shí)驗(yàn)，建立冰核參數(shù)化方案。

2.3 地面人工增雨（雪）及觀測

選取中亞槽型、北支槽型、西北氣流型、橫槽型4種典型天氣類型，利用試驗(yàn)區(qū)建設(shè)的高炮、火箭、和煙爐開展人工增雨（雪）試驗(yàn)。如圖2所示，煙爐和火箭等設(shè)備大部分布設(shè)在試驗(yàn)區(qū)山腳和山腰處。火箭所播撒的碘化銀通常能直接打入云中，并隨氣流抬升。煙爐所播撒的碘化銀隨著爬坡氣流抬升，并通過邊界層湍流和對流混合到地形云內(nèi)。為了觀測碘化銀的影響，需要通過不同波段的雷達(dá)進(jìn)行觀測。實(shí)驗(yàn)中，車載X波段雷達(dá)采用體掃模式，探測半徑約50 km，播撒后進(jìn)行平行于風(fēng)向的剖面掃描，分析人工增雨（雪）對降水的增強(qiáng)作用及對降水粒子生長過程的影響。此外，車載Ka波段云雷達(dá)探測距離為30 km，采用RHI掃描模式，可以用于判斷云頂高度、云層結(jié)構(gòu)，尤其是在隨機(jī)播撒碘化銀期間云層結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。根據(jù)高炮、火箭、煙爐實(shí)施的催化作業(yè)綜合探測結(jié)果，分析催化云和對比云的背景場、宏觀特征、微觀特征和降水特征及其演變的差異，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，分析差異的合理性，確定合理差異的物理參量，用于驗(yàn)證催化作業(yè)效果，分析得出不同典型天氣型，不同播散方式，不同催化方式的最佳播撒時(shí)機(jī)、最佳播撒部位、最佳播撒劑量和催化影響范圍。

2.4 飛機(jī)人工增雨（雪）及觀測

夏季和冬季觀測方案的設(shè)計(jì)如圖3。

夏季，天山北坡主要盛行偏北風(fēng)，使用觀測飛機(jī)沿藍(lán)色線進(jìn)行梯度觀測（圖3a），最北側(cè)飛行路徑在作業(yè)飛機(jī)路徑的上風(fēng)向，飛行高度在作業(yè)飛機(jī)上方，保持安全距離。從上風(fēng)向到下風(fēng)向的相鄰飛行路徑之間高度差約為300 m。橘黃色區(qū)域?yàn)槭艿降饣y影響的區(qū)域，藍(lán)色飛機(jī)觀測線路能夠覆蓋到該催化區(qū)和非催化區(qū)。此外，觀測飛機(jī)可沿風(fēng)向進(jìn)行剖面觀測，用于研究地形云沿山體的發(fā)展過程，如圖3a藍(lán)色線所示。為了評估飛機(jī)對云內(nèi)冰晶生成的影響，作業(yè)飛機(jī)應(yīng)在作業(yè)之后關(guān)閉碘化銀播撒系統(tǒng)，但仍然沿著紅色線來回飛行一定次數(shù)。所得數(shù)據(jù)用于分析飛機(jī)的飛行本身是否會(huì)使得云內(nèi)冰晶數(shù)濃度增加，從而更好地評估碘化銀的作用。若飛機(jī)作業(yè)條件不具備，可將移動(dòng)高炮和移動(dòng)火箭布置在圖3a紅線所示位置進(jìn)行地面作業(yè)，催化區(qū)范圍同樣為圖3a中橘黃色區(qū)域。若此時(shí)觀測飛機(jī)無法飛行，只能依靠地面觀測。

冬季觀測方案則針對偏西氣流設(shè)計(jì)（圖3b），當(dāng)偏西氣流帶來水汽時(shí)，在此區(qū)域的上風(fēng)區(qū)進(jìn)行飛機(jī)來回播撒催化劑作業(yè)，飛行溫度區(qū)間在-10～-20 ℃，所播撒的催化劑隨西風(fēng)向東擴(kuò)散，會(huì)形成折線形帶狀降水增強(qiáng)帶。該實(shí)驗(yàn)的目的是通過飛機(jī)觀測降水增強(qiáng)帶，同時(shí)結(jié)合地面儀器，分析氣流及催化劑沿著三座連續(xù)山脈的傳播過程，以及三座連續(xù)山脈的云降水物理過程，尤其是可以針對帶狀降水增強(qiáng)區(qū)進(jìn)行微物理觀測，并和降水未增強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行對比，分析人工增雨（雪）作業(yè)導(dǎo)致的云中微物理過程的變化。

圖3 2019年夏季（a）和冬季（b）試驗(yàn)方案示意圖（紅色線為飛機(jī)播撒催化劑的路徑，藍(lán)色線為觀測飛機(jī)的路徑，橘色區(qū)域?yàn)榇呋瘎╇S偏西氣流的擴(kuò)散區(qū)域）

3 結(jié)果分析

3.1 概述

實(shí)驗(yàn)初期，完成了多部雷達(dá)的架設(shè)、觀測和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控。在2019年夏季以烏魯木齊牧試站為基地成功觀測了多個(gè)降水過程，完成了氣溶膠和冰核的連續(xù)地面觀測以及無人機(jī)觀測；在2019—2020年冬季成功觀測兩次降雪過程，并進(jìn)行了煙爐增雪作業(yè)。完成了冬季地面氣溶膠和冰核連續(xù)采樣，并進(jìn)行了氣溶膠和冰核的飛機(jī)觀測，設(shè)計(jì)了不同的飛行方案（圖4）。除了利用地面氣象站進(jìn)行基本氣象要素的梯度觀測，還進(jìn)行了冰核數(shù)濃度及其化學(xué)特性的觀測，具體觀測個(gè)例情況如表2所示。各個(gè)儀器設(shè)備均能正常工作，提供了較好的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析地形云及降水結(jié)構(gòu)提供了支持。研究結(jié)果將有助于加深理解中天山地區(qū)氣溶膠和冰核的垂直分布結(jié)構(gòu)，以及不同高度氣溶膠和冰核的物理化學(xué)特性。

表2 天山研究試驗(yàn)個(gè)例Table 2 list of Tianshan area test cases

圖4 四次氣溶膠和冰核飛機(jī)觀測飛行軌跡

3.2 地形云觀測個(gè)例初步分析

對2019年7月27日一次中天山地區(qū)典型降水過程進(jìn)行了觀測，根據(jù)烏魯木齊牧試站點(diǎn)記錄，從27日18—20時(shí)，27日23時(shí)—28日00時(shí)有降水記錄，最大小時(shí)降水量發(fā)生在18時(shí)，約為0.8 mm。

2019年7月26日20時(shí)500 hPa高度上，歐亞大陸中高緯地區(qū)為三槽兩脊型，兩脊分別位于里海和貝加爾湖，三槽為西西伯利亞至里海的長波槽，蒙古高原的低壓槽和我國東北沿海的低壓槽，槽脊隨西風(fēng)帶向東移動(dòng)；7月27日14時(shí)500 hPa高度上，隨著里海高壓脊向北發(fā)展加強(qiáng)至50 °N，致使西西伯利亞槽轉(zhuǎn)豎并分裂為兩個(gè)分別位于巴爾喀什湖和中西伯利亞短波槽，由于巴爾喀什湖短波槽較弱，此時(shí)天山山區(qū)受槽前西風(fēng)氣流控制。在800 hPa高度上水平流場可以看出西風(fēng)氣流遇天山被阻擋而分成南北兩支氣流繞過天山山脈，南支氣流翻越山體，北支氣流受中天山北坡阻擋，在山前堆積或回流，促使對流產(chǎn)生，與南側(cè)移過來的高層云系混合，北支的低層氣流有較充足的水汽向上輸送產(chǎn)生降水。

從C波段天氣雷達(dá)的雷達(dá)反射率和多普勒速度圖可以看出云團(tuán)宏觀特征（圖5），17時(shí)雷達(dá)西南側(cè)有較大的對流單體生成，回波強(qiáng)度在10～35 dBz，在偏西氣流引導(dǎo)下向東移動(dòng)并進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 2019年7月27日C波段雷達(dá)PPI掃描17：03（a）和17：35（b）雷達(dá)反射率及17：03（c），17：35（d）徑向速度（x表示云雷達(dá)位置，+表示C波段雷達(dá)位置，仰角2.4°）

從Ka波段云雷達(dá)RHI掃描的反射率因子及徑向速度可見本次過程既有較低的暖云降水也有較高層的混合相態(tài)云降水，紅線為通過ERA5再分析資料得到的0 ℃線。16：56時(shí)高低層云發(fā)生混合，5 km以上位置有零星的強(qiáng)回波（＞30 dBz），對應(yīng)到此時(shí)的徑向速度可知，這一高度存在上升氣流，云內(nèi)粒子在對流中增長，產(chǎn)生降水。在雷達(dá)北側(cè)上空4 km左右觀測到零度層亮帶，但回波強(qiáng)度分布并不連續(xù)，存在團(tuán)狀強(qiáng)回波（＞30 dBz），同時(shí)與高低層風(fēng)切變的高度對應(yīng)較好，表明風(fēng)切變層可能存在湍流對降水的增強(qiáng)。

圖6 a為微雨雷達(dá)垂直指向雷達(dá)反射率隨時(shí)間和高度變化，可以看出本次觀測期間主要表現(xiàn)為混合相態(tài)云降水和低層暖云降水交替出現(xiàn)。17時(shí)左右近地面回波較強(qiáng)，雷達(dá)反射率在10 dBz以上，說明降水相對較強(qiáng)，此時(shí)云頂高度較高，為混合相態(tài)云降水，18：16左右和19：06同樣云頂高度較高，為混合相態(tài)云降水，對比低層暖云降水，混合相態(tài)云降水在0 ℃層以下回波強(qiáng)度較強(qiáng)，可達(dá)25 dBz以上，對應(yīng)近地面回波也比低層云降水強(qiáng)5～10 dBz，但持續(xù)時(shí)間較短。 圖6b和6c為本次云頂較高的混合相態(tài)云和低層暖云降水過程中微雨雷達(dá)平均雨滴譜隨高度的變化，可以看出在0 ℃層以下，混合相態(tài)云降水小粒子數(shù)濃度隨高度降低而迅速減小，大粒子數(shù)濃度隨高度降低而增大；低層暖云降水小粒子隨高度降低而增大，大粒子數(shù)濃度隨高度降低而減小，這是由于低層較為干燥，環(huán)境相對濕度低，近地面蒸發(fā)作用明顯，使得垂直雨滴譜隨高度降低而變窄。

圖6 2019年7月27日16：36—20：46微雨雷達(dá)反射率因子（a）及16：52—17：14（b），17：45—18：00（c）平均雨滴譜的垂直分布

本次實(shí)驗(yàn)的觀測結(jié)果表明，通過結(jié)合不同波段的雷達(dá)、以及微波輻射計(jì)等設(shè)備進(jìn)行綜合觀測，可以對天山地形云降水物理過程進(jìn)行詳細(xì)研究，為檢驗(yàn)人工播撒碘化銀的增雨（雪）效果及其引起的物理過程變化提供支撐。

4 結(jié)論

在新疆天山地區(qū)進(jìn)行人工增雨（雪）的效果目前仍有較大不確定性，且對播撒碘化銀引起的地形云物理過程變化不夠清楚。本試驗(yàn)的實(shí)施，可以為研究該地區(qū)典型地形云降水過程和檢驗(yàn)人工增雨（雪）作業(yè)效果提供可靠的觀測資料，以達(dá)科學(xué)目標(biāo)，包括：1）闡明中天山地區(qū)不同季節(jié)典型地形云降水系統(tǒng)的宏微觀特征及其形成機(jī)制；2）闡明不同天氣條件下人工播撒碘化銀的擴(kuò)散方式；3）加深理解人工播撒碘化銀對地形云內(nèi)微物理過程的影響；4）檢驗(yàn)在不同類型地形云中進(jìn)行人工增雨（雪）的效果。

為了保證試驗(yàn)的成功，本試驗(yàn)采用了飛機(jī)、遙感、地面等多種觀測儀器進(jìn)行綜合觀測，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了人工播撒碘化銀作業(yè)和觀測方案。試驗(yàn)中采用云雷達(dá)對云內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，采用微雨雷達(dá)和C波段天氣雷達(dá)對降水宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，采用飛機(jī)微物理探頭對云內(nèi)微物理特征進(jìn)行觀測，采用微波輻射、GNSS/MET等對溫度、水汽等背景條件進(jìn)行觀測，采用地面自動(dòng)站對地形云降水進(jìn)行梯度觀測，并對氣溶膠和冰核進(jìn)行地面和飛機(jī)采樣。 按照所設(shè)計(jì)的方案對不同典型天氣過程的地形云降水過程進(jìn)行觀測，并對各觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，可以詳細(xì)研究中天山試驗(yàn)區(qū)地形云的宏微觀特征，以及人工播撒碘化銀引起的云降水過程變化，并檢驗(yàn)人工增雨（雪）作業(yè)的效果。

通過對一次地形云降水綜合觀測個(gè)例進(jìn)行了初步分析。觀測結(jié)果表明，該個(gè)例為一次由地形熱力強(qiáng)迫作用形成的對流云過程，西風(fēng)氣流東移遇天山山脈阻擋分為南北兩支氣流繞流，在地形的作用下在中天山輻合，形成局地對流。此次過程中同時(shí)存在暖云降水和混合相態(tài)云降水。混合相態(tài)云的云滴在云內(nèi)迅速增大產(chǎn)生降水，在零度層以下，小粒子數(shù)濃度隨高度降低而迅速減小，大粒子數(shù)濃度隨高度降低而增大。該過程中存在明顯風(fēng)切變，并在風(fēng)切變層觀測到了團(tuán)簇回波，表明風(fēng)切變引起湍流，增強(qiáng)降水。該個(gè)例的觀測說明，通過結(jié)合多種儀器的綜合觀測，可以對天山地形云降水物理過程進(jìn)行詳細(xì)研究，為檢驗(yàn)人工播撒碘化銀的增雨（雪）效果及其引起的物理過程變化提供支撐。

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