所谓人工增雨，即人工向云中引入催化剂改变云和降水形成过程以增加地面降水量的活动。向云中引入催化剂的工具有高炮、火箭和机载播撒设备。引入的催化剂有充当冰核的碘化银粒子和充当凝结核的盐粉等。我国北方人工增雨的主要对象是层状云，一般是向云中播撒冰核，通过核化产生冰晶，冰晶通过贝吉龙过程和凝华过程消耗过冷水和冰面过饱和水汽增长，然后进一步通过撞冻过冷水增长形成降水粒子，它们下降经过云中暖区融化成水滴降至地面。然而，自然云及其降水形成过程是复杂的，通过人工增雨的方式改变云中降水形成过程而且要增加地面降水也是很复杂的科学问题。并不是所有的层状云都适合做人工增雨，可以做人工增雨的云体要符合一定条件,对不符合作业条件的云催化既浪费人力物力,也不会取得增雨效果,有时反而减少降水,适得其反。因此,人工増雨条件评估技术是人工增雨的一项关键技术。

一、我国及北方人工增雨现状

20世纪50年代出于抗旱的需要，我国开始研究人工增雨问题，开展了一系列云雾降水的外场观测研究和人工增雨的外场试验研究。80年代，中国气象科学院进行北方层状云人工降水试验研究，飞机飞行区域跨19个省区市，获得大量云和降水的微物理资料，结合其他资料，分析了云系宏观特征、微物理结构以及降水形成过程，建立了云系的概念模型，提出了一些人工增雨作业的物理判据。90年代末，国家开始加大对人工增雨及其试验研究的投入，国家“九五”科技攻关项目支持“人工增雨农业减灾技术”研究课题，研究建立了人工增雨概念模型和人工增雨综合技术系统。21世纪初，处于抗旱防灾、减灾和改善生态环境的需要，我国人工增雨呈现快速发展势头，国家也增大了对人工影响天气研究的支持力度，分别在2000年和2005年和2010、2015年启动了多个人工增雨研究项目。

通过近30多年的科学研究、场外试验、室内实验，云和降水物理以及人工影响天气的理论和技术研究取得明显进展，数值模式的模拟研究水平有了长足的进步。在云和降水物理过程和降水机制研究、云的微物理结构、云水资源和人工增雨潜力判别技术等研究取得了进展，我国人工增雨的科技水平有了一定提高，初步形成了以飞机、高炮和火箭为主要手段的人工增雨作业体系。

目前我国人工影响天气的规模已达世界之最，全国有31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团开展了人工增雨和人工防雹工作。近几年，人工影响天气已纳入国家重大规划和政策计划，全国6大区域的人工影响天气格局和体制机制初步建立，提高了人工增雨业务保障和区域联合作业能力。

但是，目前人工增雨存在的最大问题是，诸如人工增雨条件评估技术、催化作业技术和效果检验技术等核心技术还没有很好解决。

首先做人工增雨，就要对催化作业云系的整体增雨潜力进行评估，也就是判断值得不值得大规模的催化作业，对没有増雨潜力或潜力不大的云系催化，可能不划算，不能产生规模效益。

其次，对有潜力的云系虽然可以做人工催化作业，由于云系不同部位的云的宏观和微观物理条件不同，并不是处处都可以催化作业的，要选择具有催化条件的部位进行催化，因此就要研究人工增雨的催化条件。

第三，对符合催化条件的云催化，还需要科学的催化方法和技术，例如要掌握催化部位、催化剂量和催化时间等。

第四，为了改进人工增雨技术，还要研究催化效果的评估方法，只有正确的效果评估才能为改进人工影响天气的技术提供科学依据，对没有人工增雨潜力，或没有催化条件的云催化，又或者没有用正确的技术催化，效果评估就没有意义。

上述人工增雨的潜力评估、催化条件评估、催化技术选择和效果评估等技术都是人工增雨的关键技术。因此，2021年4月国办下发〔2020〕47号文件，要求集中力量攻关，解决核心技术问题。尤其中国科学院在研究解决人工影响天气关键技术上发挥重要作用。对于我国北方层状云而言，特别需要解决人工增雨条件评估问题。

我国北方，尤其是京津冀地区水资源匮乏，特别在春季更容易发生旱灾，缺水已成为常态。层状云系是我国北方重要降水云系，也是最为主要的人工增雨作业的目标云系。

但目前我们还没有充分科学依据来回答：什么样的层状云可以做人工增雨作业？进而采用什么样的催化作业技术才能增加降水？催化作业能否增加地面降水？人工增雨和减雨的催化的分界剂量是多少？为了提高层状云人工增雨的有效性，我们必须要解决这些问题，尤其是催化作业条件问题。只有对符合催化作业条件的云系中的一些部位或云系中的部分区域催化才能增加地面降水。虽然很多地区都建立了人工增雨作业指挥系统，指挥人员会依据卫星、雷达等探测资料做出是否开展人工增雨作业的判断，但这个判断往往是经验性的，没有进行过严格的、科学的论证。要提高北方层状云人工增雨的科技水平，如何识别人工增雨条件是一个十分关键的绕不开、躲不掉的科学问题。否则，我们可能不是做人工增雨，而是减雨，造成人力物力的极大浪费。

二、研究人工增雨条件的基础

经过近二十年的发展，我国已具备优越的人工增雨条件评估技术研究基础。

1.具有科技力量较强的团队。我国北方几个省份、尤其是北京市的人影事业拥有一只科技力量较强、学历高、年龄结构合理的研究队伍。

2.已建立人影综合业务体系，初步构建了人影业务指挥系统。系统拥有包括卫星、各种类型的雷达、微波辐射计和机载粒子探测系统等较为先进的监测、探测装备，监测、探测的技术水平显著提高，已将中尺度催化数值模式用于人影研究；较为科学地布设了人工影响天气的地面作业站点，形成了人影空地立体作业平台、空地一体化观测系统和包括天气预报、催化作业条件监测和作业指挥、实施的人影业务流程。

3.具有较为先进的观测和试验平台。北京市和河北省依托人影综合科学试验基地，配套了国际一流的云降水物理综合实验室，装备了冰核观测仪、雾滴和雨滴谱仪、微波辐射计、测雨雷达、云雷达和风廓线雷达等。建立了大中和小型云室，可开展云室冷暖云实验、冰雹机理研究、气溶胶核化过程研究等，飞机观测平台装备了云物理、大气化学、气体、云物理结构遥感等多种探测仪器。

4.已开展的人影科技研究为人工增雨条件研究奠定了坚实基础。近几十年的研究，我国北方几个省和北京市人影机构利用综合探测资料，研究了云系的微物理结构、降水机制，研究结果为人工增雨核心技术研究奠定了基础。

三、人工增雨条件评估

（一）层状云人工增雨条件的要素

1、“催化—供给”云结构。北方降水性层状云系统，在垂直方向上具有分层结构，其降水微物理过程基本符合“催化—供给”云相互作用产生降水的物理过程，暖性层状云虽然通过云水的自动转化和随后的碰并过程可以形成降水，但一般比混合相云的降水弱的多。云高层冰粒子降落进入过冷层，冰粒子通过贝吉龙过程和撞冻增长过程长大，然后降落到暖层融化并碰并云水进一步增长，这样云水转化成降水的效率就会大为提高。因此，具有完整三层的“催化-供给”云云水转化效率较高，有利于降水的形成，也有利于人工催化增加降水，可以作为人工增雨条件要素。

2、冷云降水机制。层状云人工增雨一般采用引晶催化方法，通过影响冷云物理过程达到增雨的目的。因此自然云的降水机制与增雨条件有关，只有对冷云过程在降水形成过程中起重要作用的云进行催化，才有可能取得好的催化效果。冷云降水机制是层状云人工增雨的基本条件要素。

3、过冷水含量。在“催化-供给”云体系中，作为供给云的冰水混合层对地面降水的贡献达到40%~50%，因而是研究增雨条件不能不考虑的云层。从高层降落到这一层的冰相粒子通过贝吉龙过程和撞冻过程增长，都要消耗过冷水。冰水混合层过冷水含量大小直接影响到冰相粒子的增长，它与地面降水强度呈正相关关系，因此过冷水含量高的层状云有利于降水形成，过冷水含量可以作为增雨条件要素。

4、冰面过饱和水汽量。所谓冰面过饱和水汽量，就是水汽量中大于冰面饱和的部分。冰相层冰面饱和水汽量大，有利于高层冰晶凝华增长，降到冰水混合层的冰晶尺度大，有利于撞冻增长。数值模拟研究表明，冰面过饱和水汽量厚度变化趋势与降水强度基本一致，冰面过饱和水汽量厚度较大，相应的地面雨强大，说明两者有密切的关系。

事实上，云中除贝吉龙过程使过冷水转化为降水外，冰晶通过凝华增长还使一部分冰面过饱和水汽转化为降水，有时其垂直累积量远大于过冷水量，肯定了冰面过饱和水汽和凝华增长在冰相粒子增长中的作用。实验研究指出，固相雨胚的形成过程不仅转化过冷云水，还可转化冰水面饱和水汽密度差。因此只要冷云过程在降水中起重要作用，冰粒子的凝华增长就不能不考虑。因此冰面过饱和水汽量的大小对降水的形成有直接关系，当然也与增雨条件有关，可以作为人工增雨条件要素。

5、冰晶浓度。人工增雨要向云中引入人工冰晶（冰核），影响冷云过程以增加地面降水，其前提是云中缺少冰晶，尤其是层状云冰水混合层缺少冰晶。因此云中的冰晶浓度应该成为人工增雨条件要素。

6、云暖区云的厚度和云水含量。冰相粒子在过冷云区经过凝华和撞冻增长，降落到云暖区还可以通过收集液态水而进一步增长。如果供给云暖区云水含量大、云的厚度大，融化粒子的增长量就大，有利于降水的增大。此外，云的暖区还可以通过暖云过程形成降水，云水含量高、云的厚度大有利于暖云过程形成降水，因此云暖区云的厚度和含水量也可以作为人工增雨条件要素。

7、降水效率。降水效率通常是指云中降水量与凝结量的比值。然而，降水量是由冷云过程和暖云过程两者贡献的。对于人工增雨，应该分别计算凝结水和凝华水的降水效率。人工增雨催化作业的目的是提高云的降水效率，因此催化作业只针对降水效率比较低的云体。降水效率也是人工增雨条件要素之一。

8、动力、低层辐合和水汽输送。云系和降水的形成需要有利的动力条件，其中包括天气尺度的低值系统配合，如低涡、低槽-冷锋、低槽-切变系统等，并存在低层辐合，这些都是有利的动力条件，此外要有足够的水汽。这样低值天气系统才能起到集中和输送水汽的作用，为云和降水的形成系统提供较充足的水汽。

上述8个要素都可以用来评估人工增雨条件，用这些要素评估人工增雨条件，要注意一下问题。

1、要考虑人工增雨条件要素应用的可行性，已提出的要素是依据自然云和降水形成过程的理论提出的，有一些要素无法通过探测确定，这样给要素的使用带来困难，如过冷水含量、冰面过饱和水汽压、降水机制和降水效率等。

2、要注意人工增雨条件要素获得的时效性。云系是发展和变化的，获得这些要素的时间与实施人工增雨作业的时间存在差异，时间差可达数小时甚至更长，实施人工增雨作业时条件要素值可能已经改变。虽然层状云较为稳定的、发展较慢，也要尽快评估人工增雨条件。

3、人工增雨条件的选择问题。提出的人工增雨条件要素有多个，每个要素都可以成为人工增雨的条件，是否需要全部考虑？或选择哪些要素做综合评估？需要进一步考虑这些要素在综合判定人工增雨条件时的权重，要依据当地实际情况选择最为重要的几个要素做综合评估，而且选择的要素在人工增雨业务中要容易获取，因此要尽可能考虑气象雷达、探空、地面观测数据以及业务数据的再计算获得的一些重要要素。

4、关注人工增雨条件要素之间的相关性。例如，对于三层连成一体的深厚的“催化-供给”云，冷云降水机制对降水形成应该有重要贡献，因此对于深厚的“催化—供给”云，就不需要再考虑冷云降水机制这个要素了；又例如，过冷水的存在说明缺少冰晶；对于定性评估，如考虑过冷水这个要素，就不需考虑冰晶浓度了；若要定量评估出催化剂量，则应该考虑冰晶浓度。

5、应考虑层状暖云的人工增雨条件。在北方，春季暖性层状云通过云水的自动转化和随后的碰并过程也可以形成稳定有效降水。如2021年5月14日，华北一次大范围层状云降水云顶温度接近零度，暖雨过程为主，24小时降水量平均25毫米左右，具有暖云催化潜力。

6、要考虑“催化—供给”云的复杂性。“催化-供给”云中的三层有不同的配置，如何使用这个要素，这个问题值得深入研究。例如催化层和供给层之间存在无云区，催化层的冰晶不会降落到供给云中去；或者只存在催化层和液水层，缺少冰水混合层；或者不存在催化层，在这样情况下有没有催化条件？

7、要提出判别“催化-供给”结构的方法。最好是利用现有的探测装备，例如卫星云图、雷达和探空资料，来识别“催化—供给”云，以便在实际中应用。

（二）人工增雨条件综合评估思考

依据人工增雨条件要素，提出一种以我国北方层状冷云为对象的定性综合判断增雨条件的方法。总的来说，云系具有较为有利的发展环境，动力条件和水汽供应条件较好，具有“催化-供给”云结构、冷云降水机制对降水贡献大、过冷水含量高、冰晶浓度低、冰面过饱和水汽量大、降水效率低的云系符合人工增雨条件，可以进行催化作业。具体对我国北方层状冷云人工增雨条件怎么进行综合定性评估，事实上，前面提出的7个要素都可以使用，这里选择一些要素提出一种综合定性评估人工增雨条件的方法供人工增雨业务部门参考。

第一，分析云和降水形成的天气形势、动力条件和水汽供应条件。有明显的低值天气系统，存在明显的水汽输送带；云中有比较深厚的上升气流，水汽垂直输送通量较大，可以视为具有较好的动力和水汽条件。

第二，分析云系的垂直分层结构。一般具有“催化-供给”云结构的云系有可能符合人工增雨条件，其中催化云和供给云连成一体的云系最有可能具有好的人工增雨条件。可以将“催化-供给”云结构作为具有较好人工增雨条件的必要判据。

第三，分析降水机制。对于深厚的“催化-供给”云，可以不考虑降水机制，因为这样的云体冷云降水机制应该是重要的；但对于一般的这类云体，则冷云降水机制是降水形成的主要过程，才符合催化条件；若供给云的冰水混合层较薄，而液水层（暖层）较厚，则有利于暖云催化。

第四，分析过冷水含量和冰面饱和水汽量。冰水混合层有过冷水存在，且含量高，有利于催化作业；虽然过冷水的存在意味着水汽处于冰面饱和状态，但冰面过饱和水汽量大，有利于人工冰晶的增长。

第五，分析云暖区厚度和含水量。暖区厚度较大，含水量较高，人工增雨条件较好。

以上分析表明，在层状云人工增雨作业条件判别时一定要分析动力和水汽条件，考虑云的垂直结构，也就是说要选择具有“催化—供给”云结构的层状云催化作业；其次还要看降水形成机制，只有冷云物理过程在降水形成中起重要作用的“催化—供给”云才可以作为催化目标。如果上述条件满足，还要看看冰水混合层过冷水含量、冰面过饱和水汽量等参数。

（三）用探测资料评估人工增雨条件

目前，卫星云图和雷达回波以及探空资料是常用的容易获取的资料，可以用这些资料来判断云层的垂直结构。

（1）用红外卫星云图判别冰相层。冰相层位于“催化-供给”云的高层，云中应该有自然冰晶形成，对冰水混合层可以起到催化作用。只要这个云层有冰晶形成，就认为存在冰相层。根据冰核浓度与温度关系的研究（B.J.梅森.1978.云物理学[M]，北京：科学出版社,181-185）,在-12°C时，冰核浓度为1/m3。因此将冰相层的上界温度，即云顶温度设定为-12°C，就是说低于这个温度才符合存在冰相层的条件，冷云过程才有可能成为降水形成的主要机制。云顶温度可以用红外卫星云图判断。

（2）用雷达RHI回波亮带判别冰水混合层。冰水混合层位于云中0°C层之上，是由冰相粒子与过冷液水组成的云层，这里降水粒子通过撞冻过冷水和聚并增长。在它们降落到0°C层以下的暖区融化成雨滴的过程中，表面先融化形成具有一定厚度的水膜，使雷达散射能力约增加5倍。加上融化冰粒子的聚并作用、速度效应和冰粒子形状作用，0°C层以下附近的雷达回波强度可以比冰水混合层高得多，因而形成了雷达亮带。如果层状云的RHI雷达回波出现亮带，说明有冰相粒子降落进入云的暖区。若亮带回波强度较高，考虑到回波强度正比于，说明正在融化的冰粒子尺度较大、浓度较高，在云中0°C层之上的经历了撞冻过冷水的增长过程，就是说云中存在回波强度高的亮带意味着存在冰水混合层和过冷水。因而可以用雷达亮带及其强度判断冰水混合层的存在。至于雷达亮带与冰水混合层和过冷水的关系，或者雷达亮带的强度达到多高时才存在冰水混合层，这需要通过层状云的雷达和负温区微物理探测研究确定。

此外，层状云中的雷达亮带常常具有不均匀性，较强的雷达亮带一般不均匀性更为明显，也意味着冰水混合层和过冷水的存在。

（3）用雷达低层RHI回波判别液水层。层状云中的液水层位于0°C层之下，是由云滴、雨滴和融化的冰相粒子组成。只要这一层出现雷达亮带回波强度随高度降低而增大的现象，说明粒子在下降过程中发生了碰并增长，这意味着云系存在暖层，即液水层。用探空资料确定云底高，进而确定液水层的厚度。

（4）“催化-供给”云的冷云降水机制判别。雪、霰和聚合体等降水粒子主要是在冰水混合层形成的，凝华、撞冻和聚合，尤其是撞冻是降水粒子形成的主要过程，它们降落通过0°C层到达云的暖区要融化，会形成雷达亮带。亮带的回波强度高意味着冰粒子的尺度大、浓度高，亮带的回波强度与冷云降水机制有关系，高强度的雷达亮带说明降水有冷云物理过程参与。

还有一些评估要素无法用常用的探测资料来计算、反演或判断，只能在今后不断完善和改进。

目前，数值模式已用于人工增雨条件的预报，在数值模式中，上面提出的所用评估要素模式都可以预报。因此，可以选择一些评估要素来综合判断人工增雨催化区。

四、结语

人工增雨条件评估技术是一项人工增雨的关键和核心技术，是提高人工增雨效果、增加科学性和减少盲目性的必需技术。人工增雨在我国发展已有几十年的历史，其核心技术仍然没有解决，人工增雨条件评估或识别技术只是其中之一。面对这个难题，本研究报告依据目前掌握的云降水物理和人工影响天气基础知识，结合近几年的研究成果以及专家们的咨询意见，提出了北方层状冷云的人工增雨条件评估要素和相关分析，并举例给出一种人工增雨条件的综合评估方法，只是供人工影响天气研究和业务部门进一步研究人工增雨条件评估技术的参考。

任何一项科学难题，都是在正确的研究思路指引下，不断探索，日积月累才难取得进展的。从事人影研究和业务人员要勇敢面对，知难而上，不攻克关键技术这个难题，人影的科学水平难以提高。

按照目前的探测条件，研究报告提出的一些评估要素虽然还不能在实际作业中应用，但只要努力探索，随着探测技术的发展，一定会直接探测或反演得到这些要素值。我们可以先建立简单的评估方法，用的评估要素少些，虽然较粗，总比没有的要好，可以在研究中完善和深化。可以利用本报告给出的评估方法，先做评估试验，在试验中修正和完善，亦或寻求其他评估方法。

参考文献：

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