銀燕 李子華 刁一偉 朱彬 牛生杰 馬革蘭 陸春松 張其林 郭鳳霞 李煜斌 陳景華 劉曉莉 蔣惠 師正 侯學(xué)偉 康漢卿

摘要 著重對南京信息工程大學(xué)建校60年來在云霧理化特性及微結(jié)構(gòu)、冰雹形成微物理機(jī)制、電線積冰機(jī)理、人工影響天氣理論與實(shí)踐、大氣氣溶膠的理化特性及其對云降水的影響、大氣邊界層物理以及雷電過程等大氣物理學(xué)領(lǐng)域的幾個主要方面所開展的科學(xué)研究工作做簡要回顧。

關(guān)鍵詞 大氣物理;積層混合云;冰雹;冰核;氣溶膠-云相互作用

1 云霧理化特性及微結(jié)構(gòu)觀測研究

1.1 關(guān)于霧的研究

早在“七五”期間，李子華與重慶市氣象局等單位合作，承擔(dān)國家科委重點(diǎn)課題“重慶市區(qū)霧害成因及潛勢預(yù)報警報服務(wù)系統(tǒng)”。組織了當(dāng)時國內(nèi)少有的大規(guī)模外場綜合觀測試驗(yàn)，對重慶市冬季霧進(jìn)行了兩次多學(xué)科綜合探測，詳細(xì)分析了地形、山谷風(fēng)、河流、輻射和城市熱島等因子的作用，揭示了復(fù)雜地形條件下重慶霧的許多獨(dú)有的物理化學(xué)特性，對霧形成的物理過程和酸霧機(jī)理提出了新的認(rèn)識，為霧的預(yù)測和污染治理提供了科學(xué)依據(jù)。研制的重慶市區(qū)霧的潛勢預(yù)報警報服務(wù)系統(tǒng)，采用多種方法綜合分析預(yù)報，考慮因子全面，預(yù)報成功指數(shù)達(dá)84.5%，取得明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。研究發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇（李子華，2014）。王鵬飛先生當(dāng)時認(rèn)為該研究在重慶霧的宏微觀結(jié)構(gòu)及其成因、城市熱島及空氣污染對霧的雙重效應(yīng)等方面，提出了不少新的觀點(diǎn)并有許多重大發(fā)現(xiàn)，這對重慶霧的認(rèn)識有了一個可喜的深化。部分研究成果獲得1992年國家氣象局科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎。

1997年冬季，李子華與云南省氣象局合作，在國家自然科學(xué)基金資助下，在西雙版納的景洪站和勐養(yǎng)站進(jìn)行了霧的觀測。觀測人員主要是我校大氣物理專業(yè)師生。這次研究發(fā)現(xiàn)西雙版納霧常常先形成于低空而后及地，而且具有雙層結(jié)構(gòu)和爆發(fā)性發(fā)展特征。西雙版納自20世紀(jì)70年代末起的近20 a，生態(tài)環(huán)境變化特別巨大。從而導(dǎo)致霧日明顯減少，起霧時間推遲，霧消時間提前，霧水含量減小。研究揭示了生態(tài)環(huán)境變化對霧的影響，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)于西雙版納霧的研究結(jié)果發(fā)表在《氣象學(xué)報》《南京氣象學(xué)院學(xué)報》等期刊（李子華，2001）?！拔麟p版納地區(qū)輻射霧物理化學(xué)特征及其成因研究”獲云南省2001年科學(xué)技術(shù)獎三等獎。

霧能夠顯著影響大氣能見度，從而對交通運(yùn)輸產(chǎn)生重要影響。滬寧高速公路通車以后，因大霧造成的災(zāi)害時有發(fā)生。李子華與江蘇省氣象研究所合作，于1996年11—12月在滬寧高速公路進(jìn)行霧的觀測，利用霧滴譜儀等儀器獲得了滬寧高速公路湯山站霧的生消過程中邊界層與霧微物理特征的變化特征，揭示了幾種使霧爆發(fā)增強(qiáng)的觸發(fā)因子和邊界層結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)濃霧常與重污染共存，故而提出了大量PM2.5在過飽和條件下凝成霧滴，而SO2、NO2等污染氣體在低溫高濕條件下，發(fā)生氣粒轉(zhuǎn)化，進(jìn)而形成霧滴的科學(xué)設(shè)想（李子華，2001，2014），為強(qiáng)濃霧的預(yù)報提供了重要指標(biāo)。研究第一次提出霧爆發(fā)性發(fā)展及空氣污染物影響霧的微結(jié)構(gòu)等新的觀點(diǎn)。對高速公路霧的預(yù)報預(yù)警都提供了有力的科學(xué)支撐。

長江三角洲地區(qū)是我國霧的高發(fā)區(qū)之一，為了深入研究該地區(qū)霧形成的物理機(jī)制和監(jiān)測預(yù)警方法，牛生杰等在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“持續(xù)性濃霧爆發(fā)性增長的高分辨率觀測和大渦模擬”和科技部公益性行業(yè)（氣象）專項(xiàng)“長江三角洲霧害監(jiān)測預(yù)警及災(zāi)情評估研究”資助下，對長三角地區(qū)輻射霧微物理結(jié)構(gòu)與其形成的邊界層特征以及它們演變過程中結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了系統(tǒng)、深入地研究，取得了重要研究成果（Niu et al.，2010a，2010b;Liu et al.，2011;趙麗娟和牛生杰，2012;牛生杰等，2016）。陸春松等（2011）對南京地區(qū)冬季霧多發(fā)期的邊界層特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的逆溫、較低的溫度和較小的近地層風(fēng)速是南京冬季霧形成的背景條件，霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展是湍流促使水汽向上輸送、在上層逆溫下累積并伴隨大幅降溫引起的;近地層冷平流降溫導(dǎo)致飽和水汽壓減小和上層系統(tǒng)性的下沉增溫引起逆溫增強(qiáng)而導(dǎo)致的水汽累積是地面霧濃度爆發(fā)性增強(qiáng)的原因（陸春松等，2010）。這些研究促進(jìn)了我們對濃霧形成的認(rèn)識，為長三角大霧的預(yù)報預(yù)警提供了有力的科學(xué)支撐。據(jù)《氣象科技進(jìn)展》統(tǒng)計，南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院李子華、牛生杰、楊軍為全國發(fā)表霧主題論文最多的作者。牛生杰（2014）出版了以霧為主題的專著《霧物理化學(xué)研究》。

1.2 梅雨鋒積層混合云觀測研究

梅雨鋒降水是江淮地區(qū)主要降水系統(tǒng)之一。梅雨持續(xù)期的長短、降水量的多少和這個地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著密切的關(guān)系。搞清梅雨特征以及發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，有著十分重要的意義。為此，1980、1981年的梅雨時期，李子華等在安徽省中部的白湖地區(qū)，利用711測雨雷達(dá)以及雨量站網(wǎng)，對梅雨鋒降水回波和降水量進(jìn)行了比較系統(tǒng)的觀測。在觀測梅雨時，發(fā)現(xiàn)常有對流云嵌入大片層狀云，這類云常能產(chǎn)生暴雨。李子華等（1986a）將之定名為積層混合云。觀測發(fā)現(xiàn)，積層混合云降水最多，約占70%，積層混合云降水回波在0 ℃層等溫線的下方可能存在一個幾百米厚的融化層。在層狀云的融化層以上，強(qiáng)積層混合云的反射率因子Z的對數(shù)值隨高度下降而線性陡增。對一次梅雨鋒強(qiáng)降水過程進(jìn)行的綜合探測發(fā)現(xiàn)，新的積層混合云回波帶的產(chǎn)生與輻合線的形成密切相關(guān)—鋒前暖區(qū)回波帶出現(xiàn)強(qiáng)降水時，常在它的南側(cè)產(chǎn)生一條輻合線，繼而在輻合線上形成許多對流單體，并逐漸發(fā)展成強(qiáng)積層混合云回波帶（李子華等，1986b）。當(dāng)強(qiáng)積層混合云降水持續(xù)或加強(qiáng)時，輻合線上對流單體也隨之發(fā)展，形成新的強(qiáng)積層混合云回波帶，且出現(xiàn)對應(yīng)的新雨區(qū)，替代原來的強(qiáng)降雨區(qū)（李子華等，1986c）。由于積云與周圍層狀云比較起來，冰相粒子大，上升氣流強(qiáng)，含水量豐富，因?yàn)榉e云部位亮帶強(qiáng)度要比周圍層狀云大得多，這就導(dǎo)致了積層混合云亮帶的不均勻結(jié)構(gòu)（李子華等，1986d）。把梅雨鋒降水分為四個主要類型：1）積層混合云降水，即在大片層狀云降水內(nèi)嵌入對流云降水;2）純層狀云降水;3）積雨云帶降水，即強(qiáng)對流云降水;4）小積云單體降水，即弱對流云降水，單體尺度較小，一般不足10 km，垂直發(fā)展較低，一般小于7 km。

李子華等的后續(xù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，積層混合云亮帶回波與純層狀云比較起來，有許多明顯的差異，結(jié)構(gòu)不均勻，厚度和強(qiáng)度也超過國外觀測的數(shù)據(jù)。根據(jù)117份雷達(dá)回波照片的外形特征，梅雨鋒云系亮帶可分為兩種類型：1）連續(xù)均勻的亮帶。在RHI顯示上，表現(xiàn)為一條完整的均勻的水平強(qiáng)回波帶。亮帶中無明顯可辨的強(qiáng)區(qū)和弱區(qū)，各處厚度大體相等。這一類大約占梅雨鋒云系亮帶的32%;2）不均勻的亮帶。它包括下列兩種情況：第一種是連續(xù)的亮帶，但各處回波強(qiáng)度不均勻，有強(qiáng)區(qū)和弱區(qū)，或者各種回波厚度不等，有厚有薄。梅雨鋒降水期間，這一種亮帶比較多，約占49%。第二種是由若干亮點(diǎn)構(gòu)成的亮帶，這些亮帶水平排列在一條直線上，兩亮點(diǎn)之間有明顯的弱回波間隔。這一種比較少，約占19%。綜合分析的結(jié)果認(rèn)為：1）梅雨鋒暴雨常屬于強(qiáng)積層混合云降水，即在大片層狀云內(nèi)嵌入比較強(qiáng)的積雨云降水;2）在大別山地區(qū)，由于地形影響，常有對流單體新生、發(fā)展，與大片積層混合云降水回波合并后，常造成較大局地降水。這是強(qiáng)積層混合云降水持續(xù)發(fā)展的一個重要因素;3）強(qiáng)積層混合云降水的降雨量多、雨強(qiáng)大。這與周圍層狀云持續(xù)不斷地向積雨云供應(yīng)水汽和小水滴有關(guān)。所以強(qiáng)積層混合云中積雨云單體生命史比較長，降水時間比較長，雨強(qiáng)比較大;4）強(qiáng)積層混合云降水中，在層狀云的融化層以上，10 lgZ隨高度下降而線性陡增。這與嵌入的積雨云對層狀云的自然“播撒”作用是分不開的（李子華等，1986d）。

1.3 冰雹微結(jié)構(gòu)及形成的物理機(jī)制研究

王鵬飛發(fā)表的“冰雹移動規(guī)律初探”（中央氣象局，1973），對冰雹移向和天氣形勢、山區(qū)地形、平原地貌等的關(guān)系作了探討，從原理上闡述冰雹移動及發(fā)展動向，對理解雹云移向的變化及防雹活動，有較大的參考價值。王鵬飛和李子華發(fā)表的《巨淞形成機(jī)制的探討》《大雹乎？巨淞矣——一種罕見的天氣現(xiàn)象》和《再論巨淞的形成》三文（王鵬飛和李子華，1980，1982a，1982b），提出了一種罕見的氣象現(xiàn)象（巨淞），解決了內(nèi)蒙古、山西、東北等地山谷出現(xiàn)巨大冰塊的來源及形成機(jī)理，指出巨淞與大雹在形成及結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。

為研究冰雹和人工增雨，李子華教授組織了包括雷達(dá)、探空、閃電等項(xiàng)目的綜合觀測，并注意收集雹塊和雨滴譜樣品，事后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。1975—1978年的4 a中，李子華等在內(nèi)蒙古林西地區(qū)雷達(dá)觀測到33次冰雹過程，雖然其中超級單體雹云只有4次，占12%。但超級單體的危害很大，4 a中林西地區(qū)雹災(zāi)面積63萬畝中由超級單體雹云至災(zāi)的就有54萬畝，占這個地區(qū)全部雹災(zāi)面積的85%。李子華等著重分析了林西地區(qū)的3次超級單體雹云的雷達(dá)資料、探空資料以及其他常規(guī)氣象觀測資料，并討論了影響它發(fā)展的動力條件和先兆過程（李子華，1981）。普查了1976—1977年6—9月出現(xiàn)的115塊雷暴單體，其中降雹回波36塊、非雹云回波79塊。對每塊回波單體的外形結(jié)構(gòu)特征、回波頂高度及回波頂高度處的環(huán)境溫度、強(qiáng)回波高度及強(qiáng)回波頂處的環(huán)境溫度、回波厚度、負(fù)溫區(qū)厚度、正溫區(qū)厚度及它們的比值、最大反射率因子等進(jìn)行了分析和統(tǒng)計。結(jié)果表明，回波外形結(jié)構(gòu)特征、回波頂高度、強(qiáng)回波高度、負(fù)溫區(qū)厚度和最大反射率因子等五個因子比較好。它們具備相互獨(dú)立、與雹云回波相關(guān)性好的條件。因此，確定了雹云回波的具體指標(biāo)。在對許多冰雹云的觀測后，李子華等（1979）發(fā)現(xiàn)許多有別于雷雨云的特征，從而提出了雷達(dá)識別冰雹云的綜合指標(biāo)方法。

1981年5月1日，長江下游地區(qū)出現(xiàn)一次罕見的雹暴和龍卷，使蘇皖兩省20多個縣遭受風(fēng)、雹襲擊，被破壞的莊稼有175萬畝，房屋68 372間，1 304人受傷，17人死亡。李子華和王鵬飛立即帶隊前往調(diào)查。1977級大氣物理班學(xué)生鄭國光在李子華指導(dǎo)下，做了不同大小的冰雹樣品，用氣球帶入秧田上空，做下落實(shí)驗(yàn)，研究雹塊與洞的大小之間的關(guān)系，定量分析了雹塊大小與環(huán)境溫度、含水量及垂直氣流速度等關(guān)系，討論了雹塊增長的特征，由地面雹塊微結(jié)構(gòu)的分析推論其生長條件，得到雹云內(nèi)一定的信息（李子華等，1984，1986e）;實(shí)驗(yàn)室對冰雹樣品做了切片分析。由此開始，鄭國光在王鵬飛先生和李子華指導(dǎo)下，研制出了當(dāng)時國內(nèi)第一個用于碰凍增長實(shí)驗(yàn)的風(fēng)洞裝置，并進(jìn)一步討論了微物理參數(shù)與碰凍生長條件之間的關(guān)系，豐富了利用自然雹塊微物理結(jié)構(gòu)研究其生長過程的資料，有助于科學(xué)地認(rèn)識冰雹的生長過程。1985年，“雹云雹譜及雹塊微結(jié)構(gòu)研究”獲江蘇省人民政府科學(xué)技術(shù)獎。當(dāng)時任國家局云霧所所長的郭恩銘認(rèn)為，這是迄今為止，國內(nèi)最完整、系列的研究，尤其是對圓錐形冰雹塊的空氣動力學(xué)特征及其增長過程的研究，與國外相比，獨(dú)具特色，有所創(chuàng)新。1988年，“圓錐形冰雹微結(jié)構(gòu)及其理論和實(shí)驗(yàn)研究”獲江蘇省人民政府科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎。

2 冰凍雨雪與電線積冰研究

2008年冬季，我國南方連續(xù)發(fā)生了4次持續(xù)性冰凍雨雪天氣，高壓輸電線路因積冰中斷，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。為了研究持續(xù)性冰凍雨雪天氣的成因，科技部下達(dá)了由湖北省氣象局主持的國家科技支撐計劃項(xiàng)目“南方冰雪災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警評估技術(shù)研究”，我校牛生杰團(tuán)隊承擔(dān)第一課題“南方冰凍雨雪天氣野外觀測試驗(yàn)研究”。在觀測電線積冰形成氣象條件的同時，增加了霧滴譜、雨滴譜及通量等物理觀測;進(jìn)行了傳統(tǒng)的積冰架觀測和高壓輸電線路上架設(shè)四要素自動氣象站及拉力器等的積冰實(shí)時觀測。金沙、恩施2009年初路面溫度和氣象條件的變化特征顯示，較高的地面和空氣濕度、低于0 ℃的路面溫度和弱風(fēng)力促進(jìn)了路面積冰（李蕊等，2011）。Zhou et al.（2012）采用湖北實(shí)際高壓線路積冰觀測資料研究了實(shí)際線路覆冰的氣象條件，發(fā)現(xiàn)實(shí)際線路的表面溫度高于環(huán)境溫度，因此在接近0 ℃的氣溫下不會產(chǎn)生積冰，實(shí)際開始產(chǎn)生積冰的氣溫約為-2 ℃。研究還發(fā)現(xiàn)，云霧含水量較高時對應(yīng)冰厚增長速度較快，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.62（Niu et al.，2012）?；旌现卤鶙l件下冰累積機(jī)制更為復(fù)雜，例如凍霧中混合出現(xiàn)凍毛毛雨，則凍毛毛雨通過兩種方式影響積冰，一種是直接貢獻(xiàn)冰增長，另一種是通過影響霧滴譜來間接貢獻(xiàn)冰增長（Zhou et al.，2013）。以此為基礎(chǔ)，牛生杰教授研究團(tuán)隊延用湖北實(shí)際線路積冰觀測資料分別研究了兩次積冰個例的氣象要素，發(fā)現(xiàn)積冰易出現(xiàn)在風(fēng)速低于2 m/s、南風(fēng)風(fēng)向、濕度超過90%、氣溫低于0 ℃的環(huán)境條件下（劉丹和牛生杰，2015;劉雪靜和牛生杰，2016）。項(xiàng)目建立了電線積冰、道路積冰和地面積雪預(yù)報的物理模型并投入業(yè)務(wù)使用。改善后的積冰預(yù)報模型對于凍雨、濕雪和過冷霧影響下積冰厚度的預(yù)報均更符合實(shí)際（Wang et al.，2019）。

3 關(guān)于大氣冰核的研究

大氣冰核濃度和時空分布對云降水物理過程及云的輻射氣候效應(yīng)具有重要影響，但總體上我國在此方面的影響比較弱，特別在我國南方地區(qū)，大氣冰核觀測幾乎為空白。為此，銀燕團(tuán)隊自主搭建了真空靜力水汽擴(kuò)散云室（蘇航等，2014）和大氣冰核高壓靜電采樣器，分別在南京（楊磊等，2013a，2013b;高任杰等，2017）、黃山不同高度（Jiang et al.，2014，2015）、泰山（Jiang et al.，2020;Chen et al.，2021）、新疆（Jiang et al.，2016）以及河北（He et al.，2021）等地區(qū)進(jìn)行了地面、高山以及飛機(jī)采樣觀測，取得了大量的寶貴資料。研究發(fā)現(xiàn)：大氣冰核濃度隨實(shí)驗(yàn)溫度的降低、過飽和度的增加而呈增加的趨勢;南京地區(qū)大氣冰核濃度的日變化特征與大氣中顆粒物的生成和清除過程有關(guān)，降水過程對冰核清除作用明顯，并且在臺風(fēng)過程中冰核濃度增加;黃山不同高度的冰核觀測結(jié)果表明大氣冰核濃度隨高度的增加而減小，春秋季節(jié)冰核濃度高于夏季，是由于夏季較多的雨水對大氣中顆粒物的沖刷作用;新疆地區(qū)沙塵天氣過程中觀測到的大氣冰核濃度比平時要高出1到2個量級，并且通過不同粒徑段氣溶膠粒子數(shù)濃度與大氣冰核的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)大于0.5 μm的氣溶膠粒子更容易充當(dāng)冰核;通過飛機(jī)在不同高度的采樣觀測研究發(fā)現(xiàn)，冰核濃度在相同高度層內(nèi)也有著較大的變化，但總的來說，冰核濃度隨高度的升高呈遞減的趨勢;粒徑大于0.5 μm的氣溶膠粒子的活化率隨著高度的升高而增大，意味著在較高的高度采到的大粒子具有更好的成冰活性;通過大量的外場觀測資料，團(tuán)隊改進(jìn)了大氣冰核參數(shù)化方案，并應(yīng)用到WRF模式中研究不同的云凝結(jié)核和冰核濃度在冰雹演化過程中的各自作用（Chen et al.，2019;Liu et al.，2021）。研究發(fā)現(xiàn)冰核數(shù)量的增加幾乎不影響暖化過程，但導(dǎo)致冰晶濃度的增大和Bergeron過程的增強(qiáng)。研究得到3項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（包括國家基金重大項(xiàng)目課題1項(xiàng)）、1項(xiàng)高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金和1項(xiàng)中國氣象局局校共建項(xiàng)目的資助，項(xiàng)目成果獲批4項(xiàng)國家發(fā)明專利，發(fā)表高水平論文數(shù)十篇。

4 氣溶膠-云降水相互作用及其對區(qū)域氣候的影響

氣溶膠-云降水相互作用及其輻射氣候效應(yīng)是近三十年來國際大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是氣候變化評估中最不確定的因子。銀燕教授團(tuán)隊發(fā)展和運(yùn)用分檔氣溶膠-云微物理模式，探討了沙塵氣溶膠對不同干燥程度大氣環(huán)境下的混合性對流云形成和發(fā)展物理過程的可能影響，獲得了揚(yáng)沙和沙塵暴天氣條件下云微物理結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性以及降水形成對氣溶膠變化的響應(yīng)機(jī)制，揭示了沙塵氣溶膠輸送過程中在不同大氣背景環(huán)境條件下對云內(nèi)冰相粒子形成、發(fā)展和降水過程的影響（Yin and Chen，2007）。更進(jìn)一步，他們探討了沙塵氣溶膠作為云凝結(jié)核（CCN）和大氣冰核（IN）對我國新疆一次冰雹云發(fā)展的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沙塵作為CCN參與云的發(fā)展時，會促進(jìn)冰雹降水，而當(dāng)沙塵作為有效的IN時，會抑制冰雹發(fā)展（Chen et al.，2019）。

系統(tǒng)地研究了氣溶膠對地形云微物理結(jié)構(gòu)和降水的影響。在單組分氣溶膠絕熱氣塊分檔云模式基礎(chǔ)上，銀燕團(tuán)隊發(fā)展了多種化學(xué)組分氣溶膠的絕熱氣塊分檔云模式，結(jié)合2011年6—7月在黃山頂取得的氣溶膠和云微物理參數(shù)觀測資料以及同時期氣溶膠離子成分?jǐn)?shù)據(jù)對對流云進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了多化學(xué)組分氣溶膠對暖云微物理特征的影響，揭示了氣溶膠顆粒物濃度和尺度分布對云微物理特性和降水的影響特征。他們的結(jié)果證實(shí)了在氣溶膠譜一定時，不同天氣形勢影響下，氣溶膠的化學(xué)組分隨尺度分布不同，對氣塊的最大過飽和度和氣溶膠臨界過飽和度產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而活化出不同云滴數(shù)濃度和云滴譜（秦彥碩等，2012）。進(jìn)一步將分檔云微物理方案耦合到中尺度WRF模式，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溶膠作為云凝結(jié)核時，隨著初始?xì)馊苣z濃度背景從清潔大陸背景變化到污染背景，地形降水增加10%，并且降水區(qū)域向下游方向移動。在污染背景下，有更多氣溶膠活化成小云滴，這些小云滴主要集中在直徑10～30 μm范圍內(nèi)，抑制大液滴形成，從而導(dǎo)致降水延遲。另外，凇附過程和貝吉隆過程在污染背景下變得更加有效，促進(jìn)冰相粒子增長，而且冰相粒子的增長反過來促進(jìn)凇附過程。大量10～30 μm小液滴被上升氣流輸送到凍結(jié)層以上，促進(jìn)凇附過程和貝吉隆過程，從而促進(jìn)冰相粒子增長，最終融化成大于100 μm的液滴，尤其是大于400 μm的液滴。這些大粒徑液滴促進(jìn)液滴間碰并過程，從而增強(qiáng)降水（Xiao et al.，2014，2015）。

還通過分析CO、O3、NO、NOx的飛機(jī)探測資料，揭示深對流云對污染物的垂直輸送特征和深對流系統(tǒng)的一些重要宏觀特征（銀燕等，2010）;利用區(qū)域氣候模式模擬研究了黑碳?xì)馊苣z和沙塵氣溶膠對我國區(qū)域氣候的影響（陳麗和銀燕，2008;張靖和銀燕，2008;Guo and Yin，2015）。部分研究成果被評為江蘇省2013年度科技成果三等獎。

5 云中起電、放電機(jī)制及雷擊過程電磁輻射特征與耦合機(jī)制的研究

大氣電學(xué)作為大氣物理的一個重要方向，雷電物理則是大氣電學(xué)的重要主題。2008年大氣物理學(xué)院成立以來，學(xué)院雷電物理研究取得了較快的發(fā)展，得益于閃電探測和計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，用于研究雷電物理相關(guān)領(lǐng)域的觀測資料和模擬水平的不斷提高。學(xué)者們對雷電的電磁效應(yīng)、雷電物理特征和結(jié)構(gòu)、雷電形成的規(guī)律和機(jī)制、雷電與云降水等天氣氣候變化過程的相互作用等相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列成果。

雷電作為一種電磁干擾源，其強(qiáng)大的瞬態(tài)電磁輻射環(huán)境一直是雷電物理、雷電探測、以及電磁兼容等領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。多項(xiàng)研究表明雷電電磁場測量的準(zhǔn)確性不僅受地面電導(dǎo)率和土壤色散效應(yīng)的影響，也會受到山地的高低起伏特征的影響，這會給利用閃電輻射的電磁場特性來遙測雷電的放電參數(shù)帶來不必要的誤差，進(jìn)而給雷電流放電參數(shù)的反演、地閃的強(qiáng)度和落點(diǎn)位置等方面帶有很大的不確定性。Zhang et al.（2012a，2012b，2012c，2012d）通過考慮地表面雷電電磁波傳播路徑的復(fù)雜性、電離層底層參數(shù)的各向異性，建立了雷電電磁波在地球-電離層波導(dǎo)中傳播的二維和三維時域有限差分算法，系統(tǒng)性地研究了多頻段、多尺度雷電電磁場傳播規(guī)律，以及對流層大氣和中高層大氣之間的電動力耦合效應(yīng)，為廣域雷電探測技術(shù)和雷電放電參量的遙感等方面的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。主要研究工作包括：

1）對雷電電磁傳輸近似算法的推廣和檢驗(yàn)（Zhang et al.，2012a，2012b）?；谟^測事實(shí)中雷電流和閃電通道的傳輸特征，利用多尺度坐標(biāo)系下的FDTD方法建立了三種典型地表電導(dǎo)率復(fù)雜分層結(jié)構(gòu)下的雷電電磁傳輸模型，并對光滑地表在復(fù)雜電導(dǎo)率分層情況下的雷電電磁場傳輸特性進(jìn)行分析，最后基于上述模型對Wait算法在近距離內(nèi)進(jìn)行推廣和檢驗(yàn)，并提出適用于光滑海-陸交界混合路徑下的新算法。

2）基于粗糙分形地表的雷電電磁傳播特性研究（Zhang et al.，2012c，2012d，2013）?；诂F(xiàn)代分形理論將地表的高低起伏特征加入FDTD雷電電磁模型研究之中，建立粗糙分形地表下的雷電電磁傳輸模型，然后分別對粗糙分形陸地和粗糙分形海面下的雷電電磁場的傳輸特征進(jìn)行分析，提出適用于粗糙有限電導(dǎo)率地表和粗糙海-陸交界地表下的雷電電磁理論近似新算法，最后利用FDTD模型結(jié)果對其適用精度和范圍進(jìn)行檢驗(yàn)。

3）研究了山體和地球曲率對雷電LF頻段地波傳播的影響（Zhang et al.，2014a;Hou et al.，2019）。當(dāng)雷擊山頂時，由于雷電電磁波在山腳處的反射作用，使得遠(yuǎn)距離垂直電場和水平磁場增強(qiáng)，山體越高越陡，增強(qiáng)越顯著。傳播路徑上高度小于1 km的山體對遠(yuǎn)場的影響可以近似忽略;而當(dāng)山體高度大于1 km時，山體的影響比較顯著。當(dāng)觀測距離小于200 km時，地球曲率的影響可以忽略?？紤]土壤電導(dǎo)率和地球曲率的影響時，遠(yuǎn)場峰值與理想地面情況下（電導(dǎo)率無限大，平坦地面）的比值近似以指數(shù)形式衰減。當(dāng)雷電電磁波沿海面?zhèn)鞑r，傳播距離每增加100 km，電磁波到達(dá)觀測點(diǎn)的時間和峰值點(diǎn)時間分別延遲0.1 μs和0.64 μs;而雷電電磁波沿陸地表面?zhèn)鞑r，傳播距離每增加100 km，電磁波到達(dá)觀測點(diǎn)的時間和峰值點(diǎn)時間分別延遲0.36 ms和0.96 ms。

4）研究了雷電電磁波在電離層D層中激發(fā)的感應(yīng)電流密度的時空演變特征，基于二次輻射理論，解釋了一次天波的極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象以及向西傳播時的“雙峰”現(xiàn)象（Hou et al.，2020）。利用高速攝譜儀獲得的閃電回?fù)?、連續(xù)電流和M分量的高時間分辨光譜，分析揭示了閃電光譜特征與放電特征之間的相關(guān)性，以及放電通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)與輻射光譜的對應(yīng)關(guān)系，并闡釋了回?fù)敉ǖ涝诜逯惦娏鲿r的有關(guān)物理特性。

不過由于觀測實(shí)驗(yàn)無法全面呈現(xiàn)整個雷暴云過程細(xì)節(jié)，因此雷暴云內(nèi)電過程與動力、熱力和微物理過程之間的關(guān)系一直是大氣電學(xué)領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。而隨著電子計算機(jī)性能的提高，利用數(shù)值模擬方法研究雷暴云微物理發(fā)展、起電和放電過程成為可能。雷暴云的動力-電耦合數(shù)值模擬有助于進(jìn)一步認(rèn)識雷暴中起電和放電的特征及本質(zhì)。隨著起電機(jī)制實(shí)驗(yàn)室研究的發(fā)展，大量的感應(yīng)和非感應(yīng)起電參數(shù)化方案被提出。很多研究者開始嘗試在云模式中加入各種起電機(jī)制的參數(shù)化方案，模擬雷暴云內(nèi)電荷的產(chǎn)生、分布及電場變化的演變特征。郭鳳霞等（2010）在三維強(qiáng)風(fēng)暴動力-電耦合數(shù)值模式中對比分析了不同起電參數(shù)化方案對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的影響。Shi et al.（2015）利用二維高分辨率雷暴云起放電模式討論了不同相態(tài)水成物粒子之間的感應(yīng)起電過程對雷暴云電過程的作用。隨著不同的起電機(jī)制方案的提出和發(fā)展，數(shù)值模擬工作通過模擬得到了與實(shí)際觀測結(jié)果相似的最大電場強(qiáng)度、電場垂直廓線以及空間電荷結(jié)構(gòu)。因此，進(jìn)一步分析雷暴云動力和微物理過程與電活動之間的相互關(guān)系成為了可能。在此基礎(chǔ)上，大量研究揭示了溫濕層結(jié)、中底層風(fēng)速、氣溶膠等環(huán)境因子影響雷暴云動力、微物理及電過程的物理原因（郭鳳霞等，2004，2014;Shi et al.，2015;Zhao et al.，2015;Tan et al.，2017;Shi et al.，2020）。隨著對雷暴云內(nèi)起電活動認(rèn)識的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)如果不引進(jìn)合理的放電過程，只能模擬第一次閃電發(fā)生前的云內(nèi)電特征，而不能模擬閃電發(fā)生后雷暴云內(nèi)的電特征，因此研究和引入合理的放電參數(shù)化方案是完善雷暴云電過程數(shù)值模擬的基本要求。Tan et al.（2006a，2006b）發(fā)展了二維高分辨率的雙向隨機(jī)放電模型，闡明了空間電荷分布對各種類型閃電發(fā)生和發(fā)展的影響規(guī)律（Tan et al.，2012，2014;Guo et al.，2016）。此外，Tan et al.（2019）在觀測的基礎(chǔ)上，提出了上行閃電放電參數(shù)化方案，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有的雷暴云模型中模擬上行閃電放電。

6 關(guān)于大氣邊界層物理的研究

高志球課題組針對不同下墊面的邊界層特征進(jìn)行了大量觀測，包括城區(qū)和郊區(qū)邊界層，農(nóng)田邊界層、極地邊界層和水體邊界層等（Liu et al.，2020），認(rèn)清了其中與邊界層相關(guān)物理參量的特性，并依據(jù)觀測對邊界層中相關(guān)算法進(jìn)行了改進(jìn)，包括土壤熱通量算法（Gao et al.，2017）、邊界層高度算法（Zhang et al.，2014b）和表面層通量算法（Li et al.，2014）;改進(jìn)后的算法被世界主流大氣數(shù)值模式所采用（如中國的BCC模式和美國的WRF模式）。高志球教授課題組還針對大氣污染-大氣邊界層相互作用進(jìn)行了深入研究，認(rèn)清了大氣污染狀況下的大氣邊界層特征，并解析了大氣邊界層對大氣污染的作用機(jī)制（Wang et al.，2019）。

7 人工影響天氣理論與技術(shù)研究

南京信息工程大學(xué)前身南京氣象學(xué)院的開拓者之一——王鵬飛先生，在大氣物理學(xué)和天氣導(dǎo)變學(xué)（人工影響天氣學(xué)）方面的研究成果，在國內(nèi)外享有盛名，是我國現(xiàn)代大氣物理學(xué)研究開拓者之一。20世紀(jì)60年代，王鵬飛首先表示“氣態(tài)直接凝為固態(tài)”的術(shù)語“凝華”一詞，不僅在氣象學(xué)界，而且成為我國廣大科學(xué)工作者普遍使用的，作為自然科學(xué)各學(xué)科共用詞匯。王鵬飛和李子華編撰的《微觀云物理學(xué)》（氣象出版社，1989）全面細(xì)致且透徹地闡述了云霧降水中微物理過程及原理，填補(bǔ)了我國在這方面的空白。

李子華在內(nèi)蒙古林西縣組織和指揮過5 a的人工防雹試驗(yàn)，明顯減少了該縣的雹災(zāi)損失，為此遼寧省政府授予“在氣象科技工作中取得優(yōu)異成績”獎。在此期間，提出雷達(dá)識別冰雹云的綜合指標(biāo)方法，在全國得到廣泛應(yīng)用，并被編入多種雷達(dá)氣象教材。以后又參加安徽巢湖、貴州威寧、河南南陽、遼寧沈陽等地的人工影響天氣試驗(yàn)，為防災(zāi)減災(zāi)做出了貢獻(xiàn)。

2005年，牛生杰獲批國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“層狀云降水物理過程及其人工催化物理效應(yīng)的觀測研究”。該項(xiàng)目通過飛機(jī)觀測，獲得了華北地區(qū)云霧的微物理參數(shù)，并通過觀測資料對人工催化過程中層狀云微觀粒子的演變特征、可播性性以及潛力區(qū)進(jìn)行了討論（楊文霞等，2005;封秋娟等，2007;王元等，2017）。吳香華等（2015）利用統(tǒng)計模擬方法“bootstrap”分析自然降水變異及其對人工增雨效果評估的影響，研究表明可以通過增加催化樣本量、刪除異常點(diǎn)和選取降水結(jié)構(gòu)相似的對比單元等三種方法來控制自然降水變異的影響;催化樣本量越大，自然降水變異的影響和催化效果的檢出下限越小，并且人工增雨作業(yè)的效果和降水量大小沒有直接聯(lián)系，而其波動幅度隨著降水量增加而逐漸越小。劉曉莉等（2006）利用數(shù)值模式對人工催化對層狀云微物理的影響做了分析，發(fā)現(xiàn)模式云被催化后，云中過冷水在200 min表現(xiàn)出恢復(fù)趨勢，云中水汽對過冷水的恢復(fù)過程做出了貢獻(xiàn);在過冷水較多的區(qū)域播撒液態(tài)二氧化碳可以取得較好的催化效率。這些研究直接獲得了層狀云微物理特征并觀測到了人工催化前后云微物理特征的變化，這為人工影響天氣業(yè)務(wù)開展和理論研究都提供了寶貴的支撐和資料。與遼寧省合作在沈陽、鞍山開展了“東北冷渦天氣系統(tǒng)人工增雨技術(shù)”的研究，該研究成果被收入《東北冷渦云物理及導(dǎo)變技術(shù)》。

銀燕科研團(tuán)隊一致致力于云微物理過程的研究，自2010年以來通過數(shù)值模擬，對人工催化對云的微物理垂直結(jié)構(gòu)、水汽的垂直分布、降水形成的影響等方面做了一系列的工作（Wang et al.，2013;Chen and Yin，2014;劉佩等，2019）。王黎俊等（2013）通過對三江源地區(qū)一次人工增雨作業(yè)前后的微物理參數(shù)分析，提出了一個針對該地區(qū)的人工增雨作業(yè)定量化指標(biāo)。劉佩等（2019）通過數(shù)值模擬試驗(yàn)討論了在不同階段播散吸濕性核對對流云降水的影響，研究發(fā)現(xiàn)在云的發(fā)展階段早期播撒能起到更好的減雨效果，播撒時間越早對大粒子生長過程的抑制作用越強(qiáng)，且隨著播撒劑量的增加，減效果更加顯著，甚至能達(dá)到消雨的效果。通過三維云模式討論了人工播散對水汽穿破對流層頂對平流層的輸送的影響，發(fā)現(xiàn)通過播散適量的人工冰核，能夠影響到水汽對平流層的輸送，這將對的氣候存在著潛在的影響（Chen and Yin，2014）。同時，團(tuán)隊也結(jié)合實(shí)際人工播撒試驗(yàn)，對氣候變化下人工防雹效果檢驗(yàn)等課題進(jìn)行了探討（王黎俊等，2012）。這一系列的研究成果推動了我們對人工催化理論的認(rèn)識，也為人工影響天氣試驗(yàn)的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

2014年夏季，南京承辦“第二屆青年夏季奧林匹克運(yùn)動會”。開、閉幕式均有降雨，我校李子華被江蘇省氣象局聘為人工消減雨專家組組長，銀燕為專家組成員。參與指揮了人工消減雨工作。獲得了減雨效果，保障了開、閉幕式正常運(yùn)行。銀燕參加國慶70周年人工影響天氣保障，受到中央軍委的表彰。在2008年召開的中國人工影響天氣事業(yè)50周年紀(jì)念大會上，李子華被中國氣象學(xué)會表彰為“開創(chuàng)和發(fā)展我國人工影響天氣工作做出突出貢獻(xiàn)的專家”。2019年我校大氣物理學(xué)院被評為全國人工影響天氣先進(jìn)單位，同時，銀燕被評為全國人工影響天氣先進(jìn)個人。

8 結(jié)語

大氣物理學(xué)是南京信息工程大學(xué)（原南京氣象學(xué)院）1960年建校以來設(shè)置的幾個主要專業(yè)（方向）之一。在過去的60 a，培養(yǎng)了一大批享譽(yù)國內(nèi)外的高級業(yè)務(wù)、科研和管理人才，在科學(xué)研究方面完成了一批國家級重要研究項(xiàng)目，特別是在云霧降水物理與人工影響天氣、大氣氣溶膠的理化特性及其環(huán)境氣候效應(yīng)等方面，取得了一大批具有重要影響力的創(chuàng)新性成果。云霧降水物理學(xué)是大氣物理學(xué)重要的研究內(nèi)容之一，也是災(zāi)害性天氣預(yù)報、氣候變化和環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容，其研究成果對中國地區(qū)大氣水循環(huán)和淡水資源的影響研究具有重要的科學(xué)意義和社會現(xiàn)實(shí)意義。

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This paper reviews the advances on selected subjects of atmospheric physics in Nanjing University of Information Science and Technology （NUIST） during her 60 years of development，including the physical and chemical properties and microphysical structure of cloud and fog，the microphysical mechanisms of hail formation，the mechanisms of wire icing，the theory and practice of weather modification，the physical and chemical properties of atmospheric aerosols and their influence on cloud and precipitation，the atmospheric boundary layer physics，and the atmospheric electrical processes.

atmospheric physics;cumulus imbedded in stratiform clouds;hailstone;ice nucleus;aerosol-cloud interaction

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201208001

（責(zé)任編輯：袁東敏）