方春剛 段婧 李圓圓 李寶梓 岳治國 田磊 田建兵 黃山 陳添宇 陳寶君 李集明

（1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002；3 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020；4 陜西省人工影響天氣辦公室，西安 710014；5 中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川750002；6 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001）

0 引言

西北地區(qū)是我國重要的生態(tài)保護(hù)屏障，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，水資源是決定西北干旱地區(qū)環(huán)境脆弱問題的根源。天山山區(qū)降水是中亞地區(qū)“水塔”，該地區(qū)降水的變化深刻影響中亞地區(qū)的生態(tài)及人文環(huán)境；祁連山區(qū)降水是河西走廊及其下游地區(qū)重要的水源，地形云降水在該地區(qū)總降水中所占比例非常高；青海三江源素有“中華水塔”之稱，對中國的生態(tài)狀況及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用，在西部大開發(fā)生態(tài)環(huán)境的治理保護(hù)中擔(dān)負(fù)著重要責(zé)任。但是在氣候變暖的背景下，山地冰川資源加劇消融退縮，冰川數(shù)量和規(guī)模均呈減少趨勢。為了應(yīng)對日益增長的水資源需求，氣象部門通過人工影響天氣等技術(shù)尋求開發(fā)利用大氣中的淡水資源，其中地形云增雨（雪）是重要的手段之一。

地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)在世界范圍內(nèi)廣泛開展,例如美國西部山區(qū)的Climax試驗(yàn)、Cascade試驗(yàn)、以色列試驗(yàn)、懷俄明人工影響天氣試驗(yàn)等，這些計(jì)劃和試驗(yàn)的開展有利地推進(jìn)了人工影響天氣的發(fā)展，增加了對地形云降水過程的認(rèn)識。作為增加冬季地形云系統(tǒng)降水量的一種方法，人工增雨（雪）的基本假設(shè)是通過將過冷水轉(zhuǎn)化為冰晶，并使新產(chǎn)生的冰粒子能夠在目標(biāo)區(qū)域生長為雪粒子，從而提高云的自然降水效率。然而地形云播撒還存在很多不確定性：1）如何確定云中存在過冷水，如何確定過冷水的出現(xiàn)時間和位置；2）如何確定自然降水過程是否適合人工播撒；3）確定地面釋放或空中釋放的AgI能夠到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的云層；4）如何確定播撒后是否有助于降水增加，這些不確定性需要有計(jì)劃長時間的外場試驗(yàn)來評估和驗(yàn)證。

我國很早就開展了地形云外場觀測試驗(yàn)，在20世紀(jì)60年代就開始在青藏高原、天山以及雅魯藏布大峽谷等地展開科學(xué)考察, 研究山地對大氣和大氣運(yùn)動的作用。陳添宇等利用2007年夏季在祁連山中段冷龍嶺南北兩側(cè)同時進(jìn)行的地形云觀測試驗(yàn)資料，從風(fēng)場、濕度場和不穩(wěn)定能量的分布等方面，分析了西南氣流背景下祁連山地形云的演變特征。王穎使用衛(wèi)星、網(wǎng)格化地面降水資料、FY系列衛(wèi)星反演產(chǎn)品分析了祁連山地區(qū)云參數(shù)的時空特征；并結(jié)合增雨潛力綜合分析了適合進(jìn)行人工增雨作業(yè)的時間和區(qū)域。岳治國等利用NPP/VIIRS衛(wèi)星格點(diǎn)對流云微物理自動反演，得到了高原對流云的宏、微觀物理特征。但是由于西北地區(qū)地形復(fù)雜，現(xiàn)有的氣象觀測站點(diǎn)稀少、代表性差，同時缺乏針對人工影響天氣的特種觀測設(shè)備，靠現(xiàn)有觀測設(shè)備研究西北地區(qū)地形云的形成和演化以及人工影響天氣機(jī)理非常困難。

針對以上問題，西北人影工程在西北地區(qū)選擇具有代表性的山地區(qū)域設(shè)計(jì)建設(shè)了適合實(shí)施人影作業(yè)、指揮和效果評估需求的降水云系的宏微觀物理特征的觀測站點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的氣象觀測業(yè)務(wù)共同構(gòu)成較為完善的人影業(yè)務(wù)觀測系統(tǒng)，開展該地區(qū)綜合觀測試驗(yàn)和人工影響天氣外場試驗(yàn)，對西北地區(qū)地形云人工增雨作業(yè)起到很好的研究示范作用。本文將從功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、觀測系統(tǒng)等方面介紹西北區(qū)域人工影響天氣試驗(yàn)示范基地設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體布局

按照地理區(qū)域代表性和服務(wù)保障需求類型分類的原則，建設(shè)祁連山、天山、三江源地形云試驗(yàn)示范基地，六盤山地形云外場試驗(yàn)點(diǎn)和紅堿淖濕地、陜甘寧果業(yè)區(qū)及內(nèi)蒙古巴彥淖爾防雹外場試驗(yàn)點(diǎn)。在不同地理區(qū)域針對各區(qū)域典型的天氣類型和云系開展作業(yè)試驗(yàn)，為西北地區(qū)提供示范和指導(dǎo)，以提高我國西北區(qū)域人工影響天氣的作業(yè)水平和作業(yè)效益。

祁連山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地以甘肅張掖為中心，民樂縣為核心區(qū)，覆蓋甘肅張掖市、嘉峪關(guān)市、酒泉市、金昌市和武威市所轄部分區(qū)縣；天山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地以新疆烏魯木齊為中心，覆蓋烏魯木齊縣東、西白楊溝、水西溝和小渠子等；三江源地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地覆蓋青海省果洛州達(dá)日縣和班瑪縣；外場試驗(yàn)點(diǎn)包括寧夏六盤山區(qū)水源涵養(yǎng)地、紅堿淖濕地、陜甘寧果業(yè)區(qū)及內(nèi)蒙古巴彥淖爾（圖1）；試驗(yàn)示范基地觀測系統(tǒng)依托現(xiàn)有基地綜合觀測系統(tǒng)布局，面向效果檢驗(yàn)需求，布設(shè)相關(guān)觀測設(shè)備；基地業(yè)務(wù)平臺布局在區(qū)域中心，由區(qū)域中心統(tǒng)一設(shè)計(jì)開發(fā)，各基地進(jìn)行本地化部署。

圖1 試驗(yàn)示范基地總體布局Fig. 1 The layout diagram of the experimental base

1.2 功能設(shè)計(jì)

1.2.1 監(jiān)測功能

人工影響天氣主要針對自然降水過程，將催化劑播撒到云中過冷水區(qū)域從而產(chǎn)生新的冰晶，從而影響自然降水過程。西北區(qū)域人工影響天氣試驗(yàn)示范基地需要在西北區(qū)域不同地理特征和人工增雨（雪）業(yè)務(wù)及人工防雹業(yè)務(wù)需要，建立中尺度水汽和風(fēng)場監(jiān)測、云降水宏觀場監(jiān)測、云降水微觀場探測的中尺度—小尺度—微尺度疏密合理、要素齊全、時空匹配的大氣、云和降水宏微觀三維結(jié)構(gòu)及濕熱力、動力綜合監(jiān)測網(wǎng)。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集處理功能

試驗(yàn)示范基地通過北斗衛(wèi)星和地面基礎(chǔ)通信設(shè)施實(shí)現(xiàn)對示范基地地面觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、裝備管理，并通過氣象信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)氣象局其他常規(guī)觀測資料的收集、整理，并對采集的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.2.3 人工影響天氣檢驗(yàn)試驗(yàn)功能

基地具備開展針對各地典型降水云系的人工增雨（雪）、人工防雹理論與應(yīng)用技術(shù)、效果評估技術(shù)的人工增雨（雪）、人工防雹條件預(yù)報(bào)、監(jiān)測、跟蹤作業(yè)催化及效果檢驗(yàn)試驗(yàn)的功能。試驗(yàn)示范基地具備云物理觀測和數(shù)據(jù)采集處理能力，依托已建的作業(yè)指揮系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)，結(jié)合地形云數(shù)值模擬，能夠?qū)ξ鞅钡貐^(qū)祁連山、天山、三江源、六盤山、紅堿淖濕地、陜甘寧果業(yè)區(qū)及內(nèi)蒙古巴彥淖爾等地區(qū)典型降水過程進(jìn)行條件預(yù)報(bào)、監(jiān)測，有計(jì)劃的實(shí)施人工影響天氣作業(yè)，并完成作業(yè)前后的云降水系統(tǒng)的宏微觀特征觀測，具備完善的人工影響天氣檢驗(yàn)試驗(yàn)功能。

1.2.4 效果檢驗(yàn)功能

效果檢驗(yàn)是通過合理設(shè)計(jì)隨機(jī)催化試驗(yàn)和對比催化試驗(yàn)，對云和降水的宏微觀物理量的變化進(jìn)行定量觀測分析從而評價人工影響天氣的影響效果，是當(dāng)前國內(nèi)外人工影響天氣面臨的亟待解決的重大科技問題之一。

基地依托試驗(yàn)示范基地對比區(qū)和播撒區(qū)設(shè)計(jì)催化試驗(yàn)，通過示范基地建設(shè)的觀測系統(tǒng)的精細(xì)化觀測，結(jié)合常規(guī)氣象要素觀測信息和云物理探測信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對人工增雨（雪）和人工防雹作業(yè)進(jìn)行科學(xué)有效的效果檢驗(yàn)，并對社會、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評估。

1.2.5 人工影響天氣作業(yè)示范功能

基地能夠結(jié)合數(shù)值模擬，建立不同區(qū)域典型降水云系的概念模型與增雨（雪）和防雹作業(yè)模型，形成不同天氣類型和云系特征、不同季節(jié)、不同地域開展人工增雨（雪）和防雹作業(yè)的成套技術(shù)，進(jìn)行作業(yè)示范。為人工增雨（雪）和防雹作業(yè)方案的科學(xué)設(shè)計(jì)，作業(yè)條件的監(jiān)測識別，作業(yè)決策和作業(yè)效果的科學(xué)評估，提供科學(xué)依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

西北區(qū)域人工影響天氣試驗(yàn)示范基地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地、試驗(yàn)示范基地觀測系統(tǒng)和基地業(yè)務(wù)平臺，三者有機(jī)結(jié)合。其中地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地包括祁連山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地、天山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地、青海三江源地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地和陜甘寧果業(yè)、寧夏六盤山區(qū)水源涵養(yǎng)地、紅堿淖濕地及內(nèi)蒙古巴彥淖爾等試驗(yàn)示范點(diǎn)。觀測系統(tǒng)包括：自動氣象站、降水類天氣現(xiàn)象觀測儀、微波輻射計(jì)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)、車載C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、車載X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)及移動式毫米波云雷達(dá)等?；貥I(yè)務(wù)平臺包括數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和裝備管理子系統(tǒng)。地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地是外場試驗(yàn)場所，屬于地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地建設(shè)觀測系統(tǒng)，依托現(xiàn)有的通信和基礎(chǔ)設(shè)施作為基礎(chǔ)支撐，將試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)傳輸給基地業(yè)務(wù)平臺，同時業(yè)務(wù)平臺還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和裝備的遠(yuǎn)程管理；在外場試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)示范基地與作業(yè)指揮系統(tǒng)和地面作業(yè)系統(tǒng)相互依托，作業(yè)指揮系統(tǒng)依托試驗(yàn)示范基地的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)條件識別和作業(yè)方式選擇，試驗(yàn)示范基地依托作業(yè)系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)完成人工影響天氣作業(yè)，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)示范基地結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The structure diagram of the experimental base

1.4 信息流程

1.4.1 自動氣象站

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)的自動氣象站通過地面氣象寬帶網(wǎng)或無線通信方式，將數(shù)據(jù)直接傳輸至各省氣象信息中心國家綜合氣象信息共享平臺（China Integrated Meteorological Information Service System，CIMISS）存儲，供人影和其他氣象業(yè)務(wù)共同使用。

1.4.2 降水類天氣現(xiàn)象觀測儀

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)的降水類天氣現(xiàn)象觀測儀，布設(shè)在國家級氣象站的，依托當(dāng)?shù)貧庀笸ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；布設(shè)在氣象站以外的降水類天氣現(xiàn)象觀測儀，傳輸方式采取通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）通信方式或依托當(dāng)?shù)毓W(wǎng)，將數(shù)據(jù)直接傳輸至各省氣象信息中心CIMISS存儲和使用。

1.4.3 微波輻射計(jì)

微波輻射計(jì)主要布設(shè)在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有人值守的自動站內(nèi)，因此利用站址內(nèi)現(xiàn)有的氣象網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過地面氣象寬帶網(wǎng)將觀測數(shù)據(jù)傳輸至各省氣象信息中心CIMISS存儲和使用。

1.4.4 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)G P S（Global Position System）的氣象探測火箭系統(tǒng)獲得的現(xiàn)場綜合氣象探測資料及探測設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息經(jīng)GPRS無線通信或地面通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳至各省氣象信息中心CIMISS存儲和使用，并納入資料數(shù)據(jù)庫。同時基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)（包括氣象數(shù)據(jù)和探測站所在地理位置等的地理信息數(shù)據(jù)）均可通過遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)街髡?，這些數(shù)據(jù)能夠提供氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)測系統(tǒng)使用。

1.4.5 車載X、C波段雙偏振多普勒雷達(dá)系統(tǒng)

車載X、C波段雙偏振多普勒雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品可利用配備的衛(wèi)星通信設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時向各省氣象信息中心傳輸。

1.4.6 移動式毫米波云雷達(dá)

移動式毫米波云雷達(dá)利用配備的衛(wèi)星通信設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時向各省氣象信息中心傳輸觀測資料。

1.4.7 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）站

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）站獲得的數(shù)據(jù)，通常布設(shè)在自動氣象站內(nèi)，可以通過地面氣象寬帶網(wǎng)，將水汽觀測原始數(shù)據(jù)和水汽產(chǎn)品上傳至各省氣象信息中心CIMISS存儲和使用。

1.4.8 基地業(yè)務(wù)平臺

基地業(yè)務(wù)平臺主要依托西北區(qū)域人影中心的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息傳遞。

1.5 關(guān)聯(lián)與接口設(shè)計(jì)

試驗(yàn)示范基地建設(shè)中涉及自動氣象站、降水類天氣現(xiàn)象觀測儀、移動X、C波段雷達(dá)、微波輻射計(jì)、基地業(yè)務(wù)平臺等部分內(nèi)容，主要的接口類型包括：硬件接口、軟件接口、通信接口、數(shù)據(jù)接口、系統(tǒng)接口等，依不同分系統(tǒng)的不同組成提供或支持不同接口類型，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)示范基地關(guān)聯(lián)與接口設(shè)計(jì)圖Fig. 3 The design diagram of association and interface of the experimental base

1.6 外場試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托試驗(yàn)示范基地業(yè)務(wù)系統(tǒng)，統(tǒng)籌布局觀測設(shè)備和地面作業(yè)裝備，針對祁連山、天山、青海三江源以及試驗(yàn)示范點(diǎn)不同云系典型天氣系統(tǒng)，有計(jì)劃地開展空地一體的外場作業(yè)試驗(yàn)，總結(jié)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，形成可指導(dǎo)試驗(yàn)示范基地運(yùn)行的業(yè)務(wù)規(guī)范，并提供可支撐人影業(yè)務(wù)運(yùn)行的試驗(yàn)成果，將通用的試驗(yàn)成果推廣應(yīng)用到其他區(qū)域。

具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

1.6.1 天氣分析

影響祁連山和天山試驗(yàn)示范基地的主要天氣系統(tǒng)有高原低槽型、西風(fēng)槽型、副熱帶高壓型、西西伯利亞低槽、烏拉爾山大槽、北方橫槽、中亞低值等。依據(jù)未來24～72 h預(yù)報(bào)，將有天氣過程影響試驗(yàn)示范基地時，通過試驗(yàn)示范基地觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，判斷該天氣過程天氣系統(tǒng)類型和對試驗(yàn)示范基地的可能影響范圍、時間及降水情況，確定是否開展地形增雨作業(yè)試驗(yàn)以及試驗(yàn)的作業(yè)區(qū)和對比區(qū)。

1.6.2 作業(yè)試驗(yàn)開展

作業(yè)試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)示范區(qū)觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和地形云模式的結(jié)果，利用地形云增雨作業(yè)指標(biāo)確定作業(yè)試驗(yàn)云系的增雨潛力區(qū)分布及演變情況，確定開展作業(yè)試驗(yàn)的區(qū)域、時段、部位和作業(yè)方式等，制定飛機(jī)和地面增雨作業(yè)試驗(yàn)方案。并實(shí)時跟蹤作業(yè)情況，依據(jù)天氣實(shí)況對作業(yè)方案進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。

1.6.3 效果檢驗(yàn)

1）物理檢驗(yàn)

根據(jù)云和降水形成原理和人工影響的機(jī)制，利用直接探測、遙感探測和示蹤技術(shù)等各種探測技術(shù)，測量催化導(dǎo)致的宏觀動力效應(yīng)和微觀物理效應(yīng)等播云的直接效果。在試驗(yàn)示范區(qū)主要利用以下觀測資料開展效果的物理檢驗(yàn)。

① 機(jī)載觀測系統(tǒng)資料：機(jī)載觀測系統(tǒng)可以隨作業(yè)飛機(jī)直接入云中探測云的微物理參量，通過分析云滴譜、雨滴譜、云水含量、冰晶數(shù)濃度等微物理參量的變化，得到人工增雨作業(yè)的直接效果。

② 激光云雷達(dá)資料：激光云雷達(dá)資料能獲取作業(yè)目標(biāo)的云粒子大小、滴譜分布、冰與液態(tài)水含量等微觀參數(shù)，分析其變化，人工增雨作業(yè)的直接效果。

③ 多普勒雷達(dá)資料：多普勒雷達(dá)能夠?qū)崟r對作業(yè)云進(jìn)行立體觀測，通過分析作業(yè)目標(biāo)的回波頂高、回波體積、最大反射率、垂直累積液態(tài)水含量、降水通量等物理量的變化，得到人工增雨作業(yè)的效果。

2）統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的主要評估對象是地面降水量，比較未進(jìn)行作業(yè)的自然降水量和作業(yè)后的降水量的差值并分析差值的顯著性，得到增雨作業(yè)的效果。試驗(yàn)示范基地現(xiàn)有和新建的自動氣象站能夠提供比較精細(xì)的地面降水信息，滿足統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)效果評估的需求。試驗(yàn)示范區(qū)采用區(qū)域歷史回歸分析對作業(yè)試驗(yàn)的效果進(jìn)行評估。

區(qū)域歷史回歸分析是建立在作業(yè)期作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)降水量的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系與歷史上二區(qū)降水量的區(qū)域相關(guān)性相同的假定基礎(chǔ)上，借助于一個或一個以上的對比區(qū)，根據(jù)歷史樣本建立作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)自然降水量的回歸方程，然后將作業(yè)期對比區(qū)的實(shí)測降水量代入方程求得作業(yè)期作業(yè)影響區(qū)自然降水量的估計(jì)值，并與實(shí)測值進(jìn)行比較以確定增雨效果。該方法的最大困難在于作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)的關(guān)系缺乏穩(wěn)定性，導(dǎo)致評估結(jié)果穩(wěn)定性較差。然而，如果對比區(qū)選擇得當(dāng)，可用樣本資料足夠多，這種方法仍具有較高的評估功效。

絕對增雨：將作業(yè)期對比區(qū)實(shí)測降水量代入回歸方程求出作業(yè)期作業(yè)影響區(qū)自然降水量的估計(jì)值，再與其實(shí)測降水量進(jìn)行比較確定增雨效果。

絕對增雨量可以表示為：

相對增雨率可以表示為：

由于目前試驗(yàn)區(qū)域的觀測站點(diǎn)較少，在統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)過程中會出現(xiàn)顯著性水平不高的情況，一方面我們通過將觀測站點(diǎn)歷史資料中小時降水觀測作為單獨(dú)樣本來充實(shí)樣本庫提高顯著性水平，另一方面通過在試驗(yàn)示范基地建設(shè)的更加密集的雨滴譜儀和自動氣象站不斷積累觀測降水個例完善樣本庫。同時，將雷達(dá)反射率、衛(wèi)星觀測參量等遙感觀測數(shù)據(jù)作為評估對象也是統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的新的方向。

1.6.4 預(yù)期成果

針對試驗(yàn)示范基地典型的天氣過程，通過項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營期內(nèi)多年的地形云增雨作業(yè)試驗(yàn)，提煉總結(jié)成熟的地形云增雨作業(yè)試驗(yàn)技術(shù)方法，用于支撐人影業(yè)務(wù)并能推廣示范，預(yù)期成果可包括：

1）建立地形云增雨作業(yè)指標(biāo)體系，包括云的微物理量指標(biāo)（云粒子濃度、含水量、粒子譜等特征）、雷達(dá)資料指標(biāo)（強(qiáng)度、面積、VIL、回波高度等）、云宏觀信息（云狀、云高、云頂溫度等）、常規(guī)天氣指標(biāo)（

T

-

T

、

e

-

E

、0℃層高度等）、水汽含量、液態(tài)水含量、地面降水及雨滴譜等資料的指標(biāo)。

2）對地形云增雨作業(yè)試驗(yàn)期間的增雨效果進(jìn)行分析，給出增雨效果評估報(bào)告；對典型天氣過程的地形云增雨試驗(yàn)進(jìn)行效果分析，給出典型天氣過程的地形增雨作業(yè)試驗(yàn)的增雨率。

3）對典型天氣過程增雨作業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行個例分析，形成總結(jié)報(bào)告。

4）通過多年的地形云增雨作業(yè)試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)形成地形云增雨作業(yè)試驗(yàn)規(guī)范。

2 觀測系統(tǒng)

2.1 功能設(shè)計(jì)

面向人工增雨作業(yè)試驗(yàn)和效果檢驗(yàn)需求，針對統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)、數(shù)值模式檢驗(yàn)所需觀測數(shù)據(jù)高時空密度及高精度要求，在試驗(yàn)示范基地建設(shè)降水類天氣現(xiàn)象觀測儀、6要素自動氣象站（含固態(tài)降水觀測）、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)、移動式毫米波云雷達(dá)、微波輻射計(jì)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）站及車載C和X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)等人影專項(xiàng)探測設(shè)備，所選探測設(shè)備基本為技術(shù)成熟產(chǎn)品。具體功能如下：

2.1.1 能夠滿足人工增雨作業(yè)試驗(yàn)所需觀測資料

在試驗(yàn)示范基地外場試驗(yàn)區(qū)，依托已有觀測系統(tǒng)，補(bǔ)充布設(shè)車載C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、降水類天氣現(xiàn)象觀測儀和微波輻射計(jì)等探測設(shè)備。在作業(yè)試驗(yàn)前，可以獲取作業(yè)區(qū)及周邊天氣狀況、云系宏微觀特征及云中液態(tài)水含量等觀測信息，為選擇作業(yè)時機(jī)、確定作業(yè)位置和作業(yè)強(qiáng)度等提供科學(xué)指導(dǎo)。

2.1.2 能夠獲取統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)所需的地面降水資料

在試驗(yàn)示范基地和外場試驗(yàn)區(qū)，依托現(xiàn)有區(qū)域自動氣象站，加密布設(shè)自動氣象觀測站和降水類天氣現(xiàn)象觀測儀，形成密度較高的地面降水觀測網(wǎng)，通過長期連續(xù)開展外場觀測試驗(yàn)，積累長時間序列高密度的地面降水量信息，以滿足開展人工增雨效果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的需要。

2.1.3 能夠獲取物理檢驗(yàn)所需云的宏微觀物理量資料

在試驗(yàn)基地和外場試驗(yàn)區(qū)內(nèi)建設(shè)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)和機(jī)載云粒子觀測系統(tǒng)，能夠獲取時空分辨率較高的云的宏觀和微觀物理量信息。利用雷達(dá)觀測的作業(yè)前后云宏觀變化（云的體積、云頂高度、云的形狀、云的運(yùn)動速度等）、微觀變化（云中粒子相態(tài)、云的反射率因子、云中液態(tài)水含量等）和機(jī)載云粒子觀測系統(tǒng)觀測的作業(yè)前后云微觀變化（云中粒子大小、粒子濃度、粒子相態(tài)、粒子譜等）等可為人影作業(yè)效果提供物理證據(jù)。并且C波段和X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)能夠?qū)崟r跟蹤作業(yè)云系統(tǒng)，并隨時進(jìn)行垂直剖面掃描，滿足人影作業(yè)需求。

2.1.4 能夠滿足數(shù)值模式檢驗(yàn)所需高時空分辨率的水汽場、風(fēng)場資料

根據(jù)人工增雨（雪）外場試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)示范基地和外場試驗(yàn)區(qū)，依托現(xiàn)有探空站、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）站等高空觀測設(shè)備，增加建設(shè)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)、微波輻射計(jì)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）站，可實(shí)時獲取試驗(yàn)示范基地高時空分辨率水汽場和云水場信息及空間分辨率更高的高空風(fēng)場資料，能夠?yàn)閿?shù)值模式檢驗(yàn)提供必要的氣象背景場資料。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)示范基地觀測系統(tǒng)包括宏觀背景場觀測和云降水物理場觀測兩部分組成。主要建設(shè)：宏觀背景場觀測設(shè)備主要包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測（GNSS/MET）站、微波輻射計(jì)、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對水汽場、動力場和宏觀云場的觀測。云降水物理場觀測設(shè)備開展云降水宏微觀物理特征探測，主要觀測設(shè)備包括C波段雙偏振多普勒雷達(dá)、云雷達(dá)、X波段雙偏振多普勒雷達(dá)（移動）、降水類天氣現(xiàn)象儀、雨滴譜儀、自動氣象站等，開展云降水物理場觀測能夠?qū)崿F(xiàn)云宏觀結(jié)構(gòu)特征、水凝物粒子譜、云滴譜和降水粒子譜的探測，構(gòu)建探測空間范圍覆蓋主要降水云系移動路徑帶，時間范圍覆蓋云初生、發(fā)展、成熟、消亡整個生命周期的大氣要素空間觀測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對云發(fā)展演變過程中風(fēng)場、水汽場等環(huán)境場要素和云中水凝物的全程觀測。由降水類天氣現(xiàn)象觀測儀、6要素自動氣象站（含固態(tài)降水觀測）、基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS的氣象探測火箭系統(tǒng)等觀測設(shè)備構(gòu)成（圖4）。

圖4 試驗(yàn)示范基地觀測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 The structure diagram of the observation system ofthe experimental base

2.3 布局設(shè)計(jì)

天山和祁連山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地現(xiàn)有自動氣象站93套，新一代天氣雷達(dá)2部，充分依托現(xiàn)有觀測系統(tǒng)和地面作業(yè)裝備布局，按照人工增雨（雪）作業(yè)效果檢驗(yàn)對觀測資料的需求，優(yōu)化地面觀測站網(wǎng)布局，配合飛機(jī)探測作業(yè)，開展地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)。在六盤山、陜甘寧果業(yè)、寧夏六盤山區(qū)水源涵養(yǎng)地、紅堿淖濕地及內(nèi)蒙古巴彥淖爾等試驗(yàn)示范點(diǎn)增加建設(shè)GNSSMET站和6要素自動氣象站。

天山和祁連山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地現(xiàn)有和新建觀測設(shè)備布局見圖5。

圖5 試驗(yàn)示范基地觀測系統(tǒng)布局Fig. 5 The layout diagram of the observation system of theexperimental base

3 基地業(yè)務(wù)平臺

3.1 功能

圍繞人影試驗(yàn)示范基地業(yè)務(wù)，立足祁連山、天山和三江源地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地及試驗(yàn)示范點(diǎn)，面向西北區(qū)域，根據(jù)人影試驗(yàn)示范需求，構(gòu)建基地業(yè)務(wù)平臺，為人影科研人員及相關(guān)業(yè)務(wù)人員提供統(tǒng)一、集成、面向試驗(yàn)示范全過程的業(yè)務(wù)平臺，充分發(fā)揮各類已建、在建和將建觀測設(shè)備的效益，服務(wù)于試驗(yàn)示范業(yè)務(wù)開展?；貥I(yè)務(wù)平臺主要由數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和裝備管理子系統(tǒng)組成。其中，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為整個基地業(yè)務(wù)平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境，裝備管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)區(qū)的裝備信息登記入庫、查詢和更新維護(hù)，以及實(shí)時監(jiān)控基地各種裝備的運(yùn)行情況。

3.2 結(jié)構(gòu)

基地業(yè)務(wù)平臺建設(shè)所需硬件共用市級指揮中心硬件平臺，軟件依托西北區(qū)域指揮系統(tǒng)軟件，僅增加外場試驗(yàn)所需的功能模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

包括數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)存儲與管理模塊，它為整個決策服務(wù)平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境。

1）數(shù)據(jù)采集與處理模塊

主要是根據(jù)人影業(yè)務(wù)和試驗(yàn)的需求，通過各種網(wǎng)絡(luò)連接方式，自動從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)備中采集各種數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)初步處理。觀測數(shù)據(jù)的采集與CIMISS的通信系統(tǒng)對接，數(shù)據(jù)初步處理和質(zhì)量控制納入到CIMISS統(tǒng)一的處理流程。

2）數(shù)據(jù)存儲與管理系模塊

依托CIMISS平臺對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理。建立資料的索引目錄和資料采集日志，能方便的對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、對比、分析；提供對數(shù)據(jù)的維護(hù)與管理功能，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除等操作；數(shù)據(jù)備份功能，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容和作業(yè)目的的不同定制備份方案，在一個試驗(yàn)和作業(yè)過程結(jié)束后，系統(tǒng)將相關(guān)資料進(jìn)行打包備份，以便供后期工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和個例研究。

3.2.2 裝備管理子系統(tǒng)

包括裝備信息模塊和實(shí)時監(jiān)控模塊。其中，裝備信息模塊，主要是對試驗(yàn)區(qū)的各種裝備進(jìn)行登記入庫，記錄使用、維護(hù)信息，進(jìn)行綜合查詢；實(shí)時監(jiān)控各種的裝備的運(yùn)行情況。

1）裝備信息模塊

設(shè)備技術(shù)檔案管理：將設(shè)備出入庫信息、安裝地點(diǎn)、場址環(huán)境、設(shè)備信息和相關(guān)技術(shù)文檔等信息資料進(jìn)行管理，方便查詢設(shè)備相關(guān)信息。

設(shè)備日常維護(hù)管理：對設(shè)備的小修和大修、技術(shù)改造、標(biāo)定及年檢等信息進(jìn)行詳細(xì)記錄。

設(shè)備故障管理：主要記錄設(shè)備故障發(fā)生的日期、持續(xù)時間、故障維修方式及故障類型等情況。

設(shè)備使用管理：管理設(shè)備使用信息，包括申請使用人、用于的科研項(xiàng)目、負(fù)責(zé)人及使用計(jì)劃等信息。

2）實(shí)時監(jiān)控模塊

實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，并對異常狀況進(jìn)行報(bào)警。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理，并將設(shè)備運(yùn)行日動態(tài)及設(shè)備使用者反饋信息等資料輸入數(shù)據(jù)庫中。

3.3 部署

基地業(yè)務(wù)平臺由西北區(qū)域人影中心牽頭組織開發(fā)，部署于祁連山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地、天山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地和青海三江源地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)示范基地，并根據(jù)各基地具體開展的外場試驗(yàn)性質(zhì)和作業(yè)示范目的進(jìn)行本地化安裝。