常倬林 朱浩然 李得勤 田磊 党张利
（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；
2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；
3.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166）
地形云是由含有一定水汽的湿空气块在盛行气流作用下，经地形作用抬升达到饱和而形成的云［1］。地形云是云物理研究的天然实验室，平原地区的地形云难以被探测，在地形云多发地区，可依托地形抬升区布设多种探测设备，对云体进行探测，从而直接获取云内气象资料［2-3］。
民间谚语：“一山分四级，南北两重天”，说的就是地形对大气降水的影响。地形云作为重要的降水云系，其产生的降水是很多重要河流、冰川形成的主要来源，同时也是产生暴雨、泥石流、滑坡等灾害的重要因素，与人们的生活、生产密切相关。针对地形云催化导致地面降水的增加，很多播云试验中得到了验证［4］。世界气象组织人工影响天气声明中指出：“就当前的认识水平而言，用成冰性催化剂催化气流越过山而形成的地形云，可增加其降水量，具有最好的经济前景”［5］。大量播云试验结果也表明，地形云是人工增雨效率较高的催化作业云系，只要云的物理条件、催化部位和催化剂量选择合适，增雨量可达10%—15%［6］。中国西北地区是我国缺水最严重的地区［7］，其降水主要集中在山区，靠山区降水转化成山区冰雪，或与冰雪融水相汇合，形成强大的地表径流，一部分汇聚盆地，一部分渗入地下，成为滋润广大绿洲的宝贵水源。因此开发利用山区的空中云水资源，人工催化山区地形云降水成为西北地区人工影响天气作业的重点。
目前，由于观测资料的缺乏，对于地形云降水机制的研究还存在许多不足，其中，地形云降水的微物理机制及水汽循环机制、地形云人工增雨防雹效率提升技术、地形云作业效果评估方法、山脉干扰地面风以及改变不同气候区降水模式的各种物理机制、山地波的传输等一系列地形云雾物理与云水资源开发中的科学问题亟待进一步解决。因此需要回顾国内外大量地形云野外科学试验，总结地形云开发利用中的关键技术问题，开展地形云野外科学试验，并提出相应对策和建议。
1949年，Bergeron［8］在考虑对各类云进行有效人工影响的可能性时指出，相对固定的地形强迫作用，尤其是稳定的冬季气流特征，特别有助于简化云和降水形成的动力条件，而冬季风暴中存在的活跃的云和降水微物理过程，提供了一个自然状态下适于研究云系动力学的微物理场所。1955年，Ludlam［9］提出了冬季地形云人工增雨的概念模型，其核心是自然地形云中所含的冰晶数浓度不足，为了截流由地形抬升形成的云中过冷水，需要通过人工播撒碘化银和干冰，使人工冰核活化产生冰晶，影响过冷水滴向冰晶转移水分的过程，从而影响地形云发展进程，使地形云在通过山脊之前产生或增加降雨（雪）。该理论成为地形云人工增雨的科学基础。
表1 国际主要地形云催化降雨外场试验一览表Table 1 A list of field tests of internationalmain topographic cloud catalytic p recipitation enhancem ent
近60 a来，随着气象探测技术快速发展，国际上开展了许多山地气象相关的野外观测（部分见表1），这些试验开展的区域包括了加利福尼亚州的内华达山脉（Sierra Nevada）［10-13］，科罗拉多州的帕克山脉（Park Range）［14-15］，犹 他 州 的 瓦 萨 奇（Wasatch）［16-18］，爱 达 荷 州 的 帕 耶 特 山（Payette Mountains）［19］，华 盛 顿 州 的 喀 斯 喀 特 山 脉（Cascades）［20-21］，怀俄明州的梅迪辛博山脉（Medicine Bow Mountains）［22-24］，澳大利亚的大分水岭及雪山［25］，日本的中央山脉［26-27］等。学者们在上述试验中研究了如何利用大气动力学和热力学方程、数值模拟、同位观测及遥感方法来解释地形效应；
探索了山脉改变风场以及不同气候区降水模式的各种物理机制；
讨论了山地波在对流层向平流层、中间层和热层的垂直传播等科学问题，取得了一系列地形云研究成果。
其中，由美国科罗拉多州立大学在落基山脉开展的Climax计划（1960—1965年，1965—1970年）通过统计分析，在一定的显著性水平下讨论了增加降水的可能性，并对降水效率和云顶温度关系以及播撒日降水与云顶温度的关系做了系统研究，论证了用提高降水效率的办法增加降水的有效性，以及使用云顶温度作为作业指标的可行性。该试验是少数在统计上具有显著性并在物理上获得一定解释的播云增雨成功试验之一，证实了地形云人工催化增加降水是可行的，标志着广泛进行地形云作业的开始。20世纪60—70年代以Hobbs主持的喀斯喀特山冬季云和降水观测及其人工影响试验为先驱，在试验设计和实施中对播云的效应进行了直接观测，发现地形过冷水主要出现在山体迎风坡和山脊顶，离地表越近，过冷液水含量越高［20］，开启了基于物理检验的非随机化播云试验新方法。紧随其后出现了一系列注重物理检验的人工催化地形云试验，如1995年亚利桑那计划，研究了山谷重力波与气流相互作用的动力学、热力学和微物理场特征，建立了重力波预报识别方法，提高了地形云人工播云作业决策水平。
相比而言，中国专门针对地形云开展的大规模外场观测试验较为稀少。20世纪50年代后期至70年代，科学家们在衡山、泰山、庐山、祁连山等地开展了云雾观测，并在1972年筹建了庐山云雾物理试验室，这些观测总结了云雾中垂直速度及云微物理量的特点，分析了中国南方层状云的雨滴谱和含水量的特征，发现中国南方层状云中云滴谱宽呈现双峰的特征［28］。在20世纪80年代中国气象科学院开展的北方层状云人工降水试验研究中，对新疆天山地区的系统性层状云和地形云进行了综合外场观测研究，分析了云水资源情况、云和降水物理过程、人工增雪及人工催化的方法和途径，建立了云系的概念模型，提出了多项人工增雨作业的指标［29］。21世纪初，随着抗旱减灾的实际需要以及国家在人工影响天气业务及科研上投入的增加，对于地形云和降水的探测及机理研究有了更多的进展。近年来，气象学者们针对祁连山地形云开展了较多的观测研究［30］。如付双喜等［31］发现祁连山区强降水是在有利的天气尺度环流背景下和特殊地形叠加下形成的，这与一般的过山气流形成的地形云不尽相同。陈添宇等［32］提出了祁连山地形云发展和演变的概念模型。郑国光等［5］发现祁连山地区夏季云量丰富，平均云量在6成以上，西南气流天气背景下总云量多达8成，山区站出现积雨云的比率达50%—60%，比川区站出现的比率高10%—40%。从2018年开始，在西北人工影响天气能力建设等项目的支持下，祁连山、天山、六盘山地区开展了一系列地形云野外科学试验，研究者也借此对地形云天气气候背景和云宏观微观结构特征有了更多了解。可以预见，对于地形云的研究将随着探测技术手段的不断发展而逐渐深入，其研究结果也愈发体现出定量、精细、综合的特点。
通过播云增强地形云系统降水的最为根本的假设在于：云的降水效率可以通过播云将过冷液态水转化为冰粒子而被提高，增加地面的降水量。其中静态播云的物理依据是：当温度相同且低于0℃时，冰面的饱和水汽压要低于过冷液态水的饱和水汽压。因此，在低于0℃时，一块液水饱和的云将会相对于冰相变得超饱和，其结果是在一块原本已经饱和且存在过冷水的液态水云中，其冰相粒子迅速成长达到可以降水的尺度，而过冷水滴则逐渐蒸发，转变为冰晶的增长。
在地形云人工增雨试验中，首要的一点是判断在地形云系统中过冷液态水存在于何时以及何处，山脉存在的地区是研究者重点关注的地区，这是因为过冷液态水通常存在或者富集于地形抬升处。探究过冷液态水云在云内的分布是一系列探测试验的焦点。研究表明［33］，过冷液态水最常出现的云区中通常伴随着强烈的上升气流，冷凝物的供应率大于冰的扩散增长率。观测表明，这样的上升气流存在于：①较为陡峭的地形抬升区域［14］。②在云顶产生的单体且云顶温度大于-25℃时［34-36］。③在与重力波相关的上升气流中［37-38］。④在靠近山体表面，由局地地形引发的湍涡或者是风切变区域的上升湍流［39-41］。⑤过冷水还有可能在云顶温度暖于-25℃的浅层对流中产生［11-12］。⑥在地形云的云底低于融化层且地形引起的云水抬升穿过0℃层［21，42-43］。
事实上，仅仅知道过冷液态水在云中的分布是不够的，山地云系的微物理过程演变与中尺度动力结构有密切的关联，而这反过来又作用于锋和急流相关的环流。因此，降水过程中另一个需要关注的问题是自然状态下的降水过程以及哪部分地形云适用于用催化剂来增加降水。近几十年来，学者们在多山地区进行了许多的外场试验来研究自然降雨过程，并对地形云的可播性进行了评价。
深厚的地形云系统经常出现在锋前，其主要特征为云顶的冰核成核过程，并伴随有下降至地面过程中的扩散增长以及冰粒子的聚集过程。在喀斯喀特山［20，44］，科罗拉多州北部落基山脉［45］，圣胡安山脉［46］，澳大利亚南部山脉［25］这些试验中，均支持这一基本的微物理演变。凇附作用是微物理过程中较为重要的一个过程，凇附作用发生时，通常局限于过冷水滴出现的区域，特别是在强上升区。云顶高度大于-15℃的浅层地形云也能产生冰粒子，但在浓度上不足以消耗云内的过冷水，除非是地表的雪被吹入系统中来补充冰粒子［40，47-48］，或者是云顶存在云泡出现含有冰晶的烟羽［49-51］。对于浅层地形云而言，在某些时候它们可以持续几个小时，在怀俄明州的ASCII试验以及爱荷达州的SNOW IE试验中，利用空载的W波段云雷达的反射率廓线可以发现，在对流发生的时候，常呈现弱的静力稳定度以及低层潜在的不稳定［52-53］。上述事实表明，对于地形云自然降水过程的分析有助于帮助判断上升气流、雨滴落区的分布等降水特征，进而对催化剂的播撒区域起到指导作用。
六盘山区是中国国家生态主体功能区“两屏三带”的“黄土高原—川滇生态屏障”的重要组成部分和国家级14个集中连片扶贫区之一，是中国黄土高原西部具有代表性的温带山地森林生态系统和宁夏、甘肃中部和陕西渭北高原近千万人口的水源涵养地，同时也是黄河水系泾河、清水河、葫芦河的发源地，在涵养水源、调节气候、保持生态平衡等方面起着重要作用。位于该区域中心的六盘山气象站，海拔高度2842 m，日均温度1.5℃，日均风速达5.8 m·s-1，近1/3的时段吹6级以上的大风，年均相对湿度高达69%，常年雾日高达153 d，雨日高达127 d，雪日达65 d，雷暴日数达30 d，年均出现对流性云70次。六盘山独特的区位和地形地貌，以及特殊的天气气候特点，可以便于对西风带与季风交汇处的半湿润半干旱过渡带天气气候背景条件下地形云降水机理、地形云宏微观物理结构特征及形成机制、地形云—辐射—气溶胶—降水的相互作用、地形云人工增雨（雪）效率提高的机制等问题进行研究。鉴于此，宁夏回族自治区气象局在六盘山区建立了六盘山地形云野外科学试验基地。
3.1 试验基地建设目的
根据六盘山独特的地理位置和地形地貌，以及特殊的天气气候特点，充分考虑人工影响天气面临的关键科技问题，采用野外观测试验、理论分析和数值模拟的技术手段，基地拟解决的问题为：①开展西风带与季风交汇处的半湿润半干旱过渡带天气气候背景条件下地形云降水机理的观测试验，建立地形云降水概念模型，分析地形、天气、气候等因素对地形云形成及降水的影响机理。②开展地形云宏微观物理结构特征及形成机制，以及云—辐射—气溶胶—降水相互作用的观测试验，探索地形云云微物理参数化方案和地形云次网格参数化方案，研究地形云降水效率。③开展地形云人工增雨、防雹作业及效果评估观测试验，并建立相应的作业和效果评估方案。④开展复杂地形下垫面陆面过程长期定位观测研究，发展人工影响天气对生态影响的观测试验，研究人工增雨对生态环境和地表水资源影响。⑤开展针对新型探测设备和新型催化设备的适用性观测试验，研究制定相应的技术标准。据此，在国内首次提出了在六盘山区开展“西风与季风交汇对地形云形成及灾害性天气形成影响试验计划”、“地形云—气溶胶—降水的相互作用观测试验计划”、“地形云人工增雨防雹关键技术提升试验计划”这三大观测试验计划。
3.2 试验基地主要功能布局
根据开展的试验计划，试验基地建设了“一主二翼三辅助”试验站，从多维度对云和降水系统进行多要素、连续跟踪监测。其中，“一主”为六盘山气象站，布设有多普勒天气雷达、微雨雷达、云雷达、雨滴谱仪、三维超声测风仪、激光云高仪、GNSS/MET站、云凝结核计数器、雾滴谱。“二翼”为河东飞机增雨基地和固原长城梁观测站。河东飞机增雨基地位于宁夏银川市兴庆区（106.35°E、38.48°N，海拔高度为1121 m），负责保障人工增雨探测飞机。固原长城梁观测站位于宁夏固原市长城梁生态保护区内（106.13°E、36.02°N，海拔高度为1839 m），负责保障无人机催化探测作业等。“三辅助”为隆德县气象观测站、泾源县气象观测站和泾源大湾人工影响天气标准化作业点。各站布设有微波辐射计、微雨雷达、GNSS/MET站、三维超声测风仪、云雷达、雨滴谱仪、激光云高仪等探测仪器。另外，在六盘山东西两侧分别按照垂直高度200 m左右的间隔共设置8套梯度观测站。每个观测点布设涡度相关观测系统、6要素自动气象站（带固态降水）、雨滴谱仪，主要用于在山体不同高度上同时直接观测降水量、近地面垂直风和地面湍流的变化特征，结合云雾—降水观测及气溶胶观测，便于更好地研究高山地区大气边界层和自由大气交换过程对气溶胶、云、雾和降水以及它们之间相互作用的影响，综合评估六盘山对云及降水的地形效应。以主试验站六盘山气象站多普勒天气雷达为核心，在其西北及东北两侧分别布设了X-波段双偏振雷达，在其东南及西南两侧分别布设了3 km和6 km风廓线雷达，共同构成试验基地的雷达探测网。
3.3 试验开展情况及研究进展
基于六盘山地形云野外科学试验基地，宁夏气象工作者也开展了地形云催化增雨的系列研究工作。初步成果体现在：①对特种观测资料的质量控制［54-55］，针对微波辐射计资料，设计垂直变化强度极值检查、标准差检查、极值检查、奇异值检查和僵值检查等5种检查方法，选用不同阈值进行质量控制；
综合利用宁夏六盘山区微雨雷达、云雷达和微波辐射计资料，建立了最优融化层亮带识别方法；
对不同类型云雷达的产品进行对比分析，明确其性能的差异性及其在六盘山区的探测能力，针对不同信号处理方法及数据收发机制下的云雷达产品进行对比分析；
对不同型号激光雨滴谱仪反演降水与雨量计测得的降水进行对比订正；
对不同降水情况下GNSS/MET反演大气水汽含量与探空资料反演大气水汽含量进行对比分析，订正GNSS/MET反演结果精度。②地形云水资源评估问题。引入水汽标高概念，在国内首次利用GNSS/MET站资料和自动气象站数据计算大气水汽标高，填补了宁夏地区高时空分辨率水汽垂直分布特征研究的不足；
基于微波辐射计、GNSS/MET、ERA-Interim等资料多角度分析研究六盘山区空中水汽条件、降水效率及增雨潜力，将ERA Interim再分析资料插值到了六盘山区的各站点中，明确近30 a平均态下六盘山区各站点的空中水汽条件特征，为该地云水资源开发提供参考。③地形云宏微观结构特征问题［56-59］。使用最优融化层亮带识别及概率分布统计方法，对比分析了六盘山区夏秋季山脊和山谷典型对流云、层状云和浅积云降水过程中的云宏观特征及层状云降水融化层亮带特征，并针对六盘山区夏秋季典型层状云降水对比分析了山脊站和山谷站的融化层亮带特征和各层的滴谱分布特征；
对长时间序列、多降水个例的不同高度雨滴谱特征进行了分析，发现对于对流云降水样本不同高度雨滴谱未呈现规律特征，而对于层状云稳定性降水样本分析发现不同高度雨滴谱参量及分布特征较为明显。综合FM-120雾滴谱仪和散射式能见度仪观测资料分析，发现六盘山站雾发展、消散阶段持续时间短，成熟阶段持续时间长，具有谱宽拓宽现象；
过冷雾的滴谱呈单峰分布，暖雾的滴谱呈双峰分布。④地形对区域降水分布影响及地形降水概念模型建立。根据降水量山体海拔高度、与主体山峰距离的统计关系，结合中低层气流场与山地地形的相互作用分析和中尺度模式，模拟得出六盘山地形对区域降水分布的影响机理。⑤地形云催化人工增雨作业指标研究［59］。利用RPG-HATPRO-G4微波辐射计，研究六盘山地区94个不同类型降水个例降水前云液态水含量的跃变时间，阵性降水开始前15 min发生跃增；
连续性小雨无明显跃增；
连续性中雨40 min内有2个先增后减的过程；
连续性大雨降水前10 min和3 min各有一次剧烈跃增；
间歇性降水前12 min出现跃增。基于新一代天气雷达资料，研究制定了人工防雹预警及作业指标。上述研究为区域地形云云水资源的高效开发利用奠定了基础。
借鉴国内外开展地形云野外科学试验经验，地形云催化试验中的关键科学问题，针对六盘山地形云催化野外科学试验中得出结论及存在的问题，提出如下对策与建议。
4.1 增强地形云野外科学试验针对性
近代大气科学之所以取得迅速发展，一个重要原因是新观测技术的应用和观测系统的建设。对地形云开展系统性的观测试验可以为人工影响天气理论发展提供科学依据。通过建立适宜开展地形云野外科学试验的基地，如六盘山地形云野外科学试验基地，可以实现对地形云相关若干要素和自然过程长期、系统的监测，为地形云研究中关键技术问题，如地形云与灾害性天气形成机理、地形云—气溶胶—降水的相互作用、地形云人工增雨观测指标的建立等提供观测数据支撑。在六盘山地形云野外科学试验中，虽然建设了大量新型观测设备，但是试验的目的性、针对性不够，导致试验中只给出了一般性对云宏微观特征等的认识结论。在后期的试验中，一方面要加强对野外科学试验的针对性设计，如Climax试验针对冬季积雪开展试验，亚利桑那试验针对重力波开展试验［60］；
另一方面要增加空地立体试验，租用高性能飞机配合六盘山区地面探测设备开展地形云野外科学试验。
4.2 强化地形云内物理过程及地形云降水的定量化研究
对于地形云的研究，目前的认识仍然处在半定量化阶段，数值天气预报模式中对地形云和降水微物理过程的描述和定量化预报仍存在很多不确定性，人工增雨的机理和效果检验等问题也亟待建立定量化的指标。地形云的定量化研究可以从云宏观结构、云微物理过程、降水过程、人工增雨作业和效果检验指标［61］4个方面开展，从而更精细地评估地形引起的降水增强或再分配效应同地形降水和环境要素的关系，建立具有较高准确度和实用性的地形云人工增雨作业及效果检验指标。
4.3 重视地形云催化数值模式的发展和改进
地形对大气降水的影响、地形云云水资源的高效开发利用等是人工影响天气研究中的重要问题。与此同时，国内外在天气和气候模式、云物理模式和人工催化增雨模式的物理过程和资料同化技术方面也取得了显著进展。随着计算能力的不断进步，更高分辨率的数值模式被广泛用于云和降水的机理研究，也为研究地形云的结构及降水机理、人工催化增雨技术提供了良好的条件。因此，在加强地形云人工影响天气外场试验的同时，应加强云—降水模式改进和模拟的精细化程度，改进天气预报模式中云微物理过程参数化方案，增强对气溶胶—地形云—降水关键物理过程模拟水平，进而提高天气预报模式对复杂地形影响下降水过程的模拟能力。
4.4 加强各部门协作创新，推动地形云成果转化与共享
地形云增雨研究涉及到理论研究、观测网络、政府决策等诸多方面的协同合作。因此，探索推动跨领域、跨部门、跨区域的协同创新合作机制，推进科技资源的开放共享，打破部门所有，实行“一基地服务多部门”，有助于研究的顺利进行。此外，还可以组织国内外地形云研究的相关专家组成地形云野外科学试验指导委员会，指导全国地形云野外科学试验的开展，提出科技发展咨询建议，吸引和集聚地形云及相关领域的科技人才集中攻关。跟踪国际学科动态，营造创新氛围，推动地形云成果转化与共享。
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