气候预测与人工影响天气--新疆气象手册（10）第1篇2章6-7节

20191219

6 气候预测

6．1 主要气候过程

天气预报的实质是对天气过程演变规律的认识、掌握和应用。显然，有物理根据的气候预测的实质是对气候过程演变规律的认识、掌握和应用。在复杂的气候系统中，在气候系统各组成部分内部以及各组成部分之间，存在着多种气候过程（见下图），其中对气候变化起主导作用的气候过程有：

 气候过程示意图 （转引自参考文献3，第194页）

6．1．1 辐射过程

气候系统的辐射收支是系统的主要能量成员。太阳活动有可能改变达到大气顶部的太阳辐射强度；大气成分（如二氧化碳、水汽、臭氧等）和气溶胶可以影响大气中的辐射传输；云通过它对辐射的反射、散射、吸收和透射等过程有非常复杂的影响；地球表面的辐射过程主要受植被、冰雪覆盖状况和土地利用状况的影响，它们主要是改变地面的反射率，影响对太阳辐射的吸收能力。

6．1．2 云过程

云通过凝结、蒸发以及感热和潜热的释放，使大气动力过程与水分循环过程相耦合，也可以通过对太阳辐射的影响把水汽相变与大气辐射过程相耦合，通过降水与地面水文过程相耦合。云与辐射的相互作用，云过程的参数变化是气候模拟中一个十分重要的问题。

6．1．3 陆面过程

陆地表面因不同的土壤特性和植被类型、雪盖状况和土地利用状况而具有不同的物理特性，如反射率、粗糙度和土壤湿度等，它们影响地面与大气之间的动量、能量和物质交换，从而影响气候，已有的研究证明，大范围陆地表面的持续异常是大气环流和气候变化中的一个重要因子。

6．1．4 海洋过程

海洋在几乎所有时间尺度的气候变化中有重要作用，气候变化及其预测问题只有充分了解大气和海洋耦合动力学的基础上才有可能解决。热带海洋与大气之间有最强烈的耦合，是产生年际气候变化的强信号。世界大洋环流的缓慢变化及相应的能量和物质输送，海气之间的各种交换过程，包括能量、水分和二氧化碳等微量气体的交换，对十年或更长时间尺度的气候变化有十分重要的作用。

6．1．5 冰雪圈过程

从季到百万年时间尺度的地球表面最显著、范围最广的变化是冰雪圈的变化。冰雪的存在增大地表的反射率，减少地面与大气之间的热输送；海冰的存在抑制海洋内的动力混合和海气之间的辐射和潜热交换。因此，持续的大范围的海冰和积雪范围的异常对气候有重要的影响。

6．1．6二氧化碳过程

前两节已经叙述，二氧化碳在大气“其它成分”中含量较多并对红外辐射有较强的吸收能力而成为最重要的温室气体。工业化所带来的大气中二氧化碳和其它温室气体含量剧增是人类活动影响气候的主要方式之一。气候系统中大气–海洋–陆地生态系统之间二氧化碳的生物地球化学循环与物理气候过程之间的相互作用是气候长期变化的最重要的过程之一。

6．2 气候系统内的主要反馈机制

从本质上来说，气候的形成和它的变化，就是组成气候系统的各部分之间的相互作用、物理、化学与生物过程相互作用的结果，任何加于这个系统的“外力”，也必须通过系统内部的相互作用来实现。存在于气候系统中的各类反馈机制，就是上述相互作用过程的具体表现。这里列举几类重要的反馈机制，其中有些反馈过程有使系统变化振幅加大的作用，称之为正反馈，另一类反馈过程有使系统变化阻尼的作用，称之为负反馈。

6．2．1 温度—冰—反射率的反馈

当空气温度降低到一定程度时，有利于极区冰雪面积的扩展，由于冰雪大的反射率，使得地面吸收的太阳辐射减少，使温度进一步降低。另一方面，如果在原有冰雪覆盖区，由于某种原因，冰雪溶化，这样使得地表面的反射率迅速变小，吸收的太阳辐射增加，从而使温度升高，进一步加速冰雪溶化过程，显然，这是一类能使初始变化的振幅加大的正反馈，可能是冰期或间冰期维持发展的一类机制，但是，必然有其它的机制存在才可能出现冰期与间冰期之间的转换。

6．2．2 水汽—辐射反馈

当地面温度升高时，蒸发加大，使大气中水汽含量增大。由于水汽在红外波段的光学性质，即水汽对长波辐射的不透明性，产生了温室效应，从而使地表进一步增暖，蒸发进一步加大。这是又一类正反馈过程。二氧化碳是一种重要的温室气体，但在陆地上它不具有这一类反馈机制，因为陆地–大气CO₂的通量与陆面温度无直接的关系。

6．2．3 云—辐射的反馈

当地面温度升高，蒸发加大，大气中水汽含量增加时，往往也可以产生更多的云。但云量的增加，将会减少地面吸收的太阳辐射，使地表降温，因此这是一类阻尼的负反馈过程。但是，另一方面，云也阻挡地表向外长波辐射的作用，如果这种影响超过它对短波辐射的影响，也可以产生一类正反馈过程，此外，不同类型、不同高度的云对辐射的影响也是不同的。因此，云–辐射相互作用是一类很复杂的过程，也是当前气候模式中最为困难的一个问题。

6．2．4 生物地球物理反馈

副热带是全球主要沙漠所在地。除了地理的原因外，还存在着一类正反馈机制：干旱少雨地带，植被稀少，那里干涸的裸地（沙、岩石等）有很大的反射率，因此比周围地区反射更多的太阳辐射；另一方面，沙漠表面往往又比周围更热，在无云天气条件下，地表的长波辐射非常强烈，其总的结果是，沙漠地区相对四周而言是热辐射的汇。为了要维持这种平衡，那里的空气一定要下沉、压缩增暖。由于下沉的空气十分干燥，使得沙漠地区进一步变干，植被进一步破坏。这一类反馈机制曾被用于解释非洲萨赫勒地区20世纪70年代以来的持续干燥。

事实上，还可以列举一些其它的反馈机制。在大气环流气候模式（GCM）中，已经包含了许多气候反馈机制，它们彼此间相互作用，构成了气候系统的整体行为。

6．3 可预报期限

依据17世纪创立的牛顿力学定律，自然界宏观物体的未来的情况完全由它的过去状况和规律所确定。这是严格服从因果律、确定论的，并且在天体力学领域获得了惊人的巨大成功。20世纪初产创立的量子理论认微观粒子运动规律还包含非决定论的成分，物质运动的未来不能完全从它的过去和规律中唯一确定。这个理论在解释微观粒子运动规律方面也取得成功。可它动摇了决定论。

在这种新的认识论基础上，人们承认天气预告的时效不能是无限长，而是有一定的限度。从而提出了“可预报期限”这个重要概念。

6．4 天气气候的可预报性

6．4．1 初值的敏感性与混沌

靠计算机计算的天气预报，其误差部分随着预报时间的拉长而加大，或者说初始状态的很小的变化会引起预报结果很大的不同（在预报的比较长的那些时段），即天气预报对初值的敏感性。现在对大气运动的可预报性已经有了成熟的认识，那就是逐日天气形势预报的可预报期限是2周，这是理论的上限。天气预报时效拉得再长，它已经没有可信的成分了。在自然界中，“对初始条件的敏感性”是一种更为普遍的现象，非正式地叫“蝴蝶效应”（当东京的一只蝴蝶振翅时，可能导致一个月后佛罗里达的一场飓风）。它与行为的高度不规则性密切相关。任何真正规则的东西，据定义都是完全可预言的。但对初始条件的敏感性却使行为不可预言–从而不规则。因此，呈现对初始条件敏感性的系统被称为混沌系统。混沌行为满足确定的定律，但它又如此不规则，看起来显得杂乱无章。事实上，混沌不是无规，它是由精确规律产生的貌似无规的行为。混沌是隐秘形式的秩序。

混沌的发现是由许多人作出的。它的出现，是由3个相互独立的进展汇合而成的。第一个是科学注重点的变化，从简单模式（如重复的循环）趋向更复杂的模式。第二个是计算机，它使得我们能够容易和迅速地找到动力学方程的近似解。第三个是关于动力学的数学新观点–几何观点而非数值观点。

6．4．2 外部环境的影响及其变化尺度

整个气候系统的外部环境是宇宙太空、地球内部和人类活动，若仅考察气候系统内部，把大气圈作为“自身”，其它四个圈则是它的外部系统。四圈对大气圈的影响参数化后，人们发现海面温度、土壤温度和湿度、海冰和雪盖范围等外界参数通过热力过程和动力过程相耦合，对大气圈的影响最直接，也最显著。

6．4．3 理想的数学模型

当实际大气为理想的数学模型所代替，并对数学模型进行深入研究，结果表明：第一，假如这些外界参数不随时间改变，大气将很快与地表特征相适应，呈现出一定的统计特征，即气候要素的平均值。因此，在理想化的近似意义下，不妨把大气的统计特征看成是由外参数决定的。第二，实际上，这些外界参数是随时间改变的，其变化的时间尺度大约有月、季的长度。第三，大量研究成果表明，月、季尺度环流形势演变的总体结果（表现为月、季平均形势的距平）与某一地区相应尺度外界参数变化而形成的气候变化（表现为月、季大气“统计特征”的距平）有着显著的对应关系。

综上所述，气候的可预报性，确切地说就是一个较长但有限的一定时段内的大气统计特征是否可能预报，经研究发现，月、季尺度的大气运动统计特征的预报是有物理根据的。

6．5 气候数值模式

短期气候变化是由大气外部的热力和动力影响通过大气内部的运动产生的，设计和制作月、季尺度的气候模式，开展数值模拟、试验、平均形势场及其距平场预报是有物理根据的，也是有意义的。

20世纪70年代中期以后，已经设计、制作了很多气候数值模式。这些模式在参考上述的外界参数对大气圈的作用外，还要考虑太阳辐射、CO₂等温室气体急剧增加等因素的影响和作用。

研究表明，月预报效果的优劣与初始场的形势有关，持续稳定的形势，如阻塞形势，其月预报效果就好，持续稳定性差的形势，其预报效果则不佳。

6．6 “气候噪音”和“信噪比”

大气圈“自身”的每日天气样本变率是不能用来作气候预报的，被称为“气候噪音”；实际的月、季天气统计特征的变化恰好是信息和噪音共同造成的，通过资料分析和理论研究充分揭示“信噪比”的时空分布特征，认识和掌握气候预报准确性的理论限度，进而确定改进气候预报的任务，那就是尽可能接近这一限度。

6．7 气候预测方法

目前国内外气候预测的主要对象是短期气候变化。在全球变暖的大背景下，对年代际（10a间）变率，甚至对未来百年气候变化趋势都高度关注；年际变率即一年到几年的变化，当前一个突出重点是ENSO事件（厄尔尼诺与南方涛动）；气候异常一般指月到季气温、降水的异常，这是气象部门预测的主要业务，以往称之为长期天气预报。

由于影响短期气候变化的因素很多，其相互关系又非常复杂，所以中国短期气候预测多年来一直采用多种因子的综合分析和多种方法的综合应用，预测方法归纳起来为三大类，即经验预测方法、物理统计方法和动力数值方法，主要有以下五个方面：

6．7．1 经验预测法

曲线法：绘制站、分片的旬、月、季、年的温度、气压、降水等要素的时间变化曲线图，分析温度、降水在长期演变过程中的持续性、相关性、相似性、周期性、转折性等“五性”特征；点聚图、单相关、复相关等简易相关法；自然天气周期、自然天气季节、以及新疆提出的“综合周期”等概念的应用；找相似以及大气韵律活动等。

6．7．2 数理统计预测法

统计预测方法的基本预测模式是：预测对象=趋势项+统计规律+气候噪音。关键是要以数理统计为手段和工具，探求统计规律。数理统计预测法主要有两大种：样本序列自身的统计规律和预测对象与预报因子场的相互关系；其方法有六大类：即多元分析、时间序列、正交分解、模糊数学方法、灰色系统模型、聚类分析等。其中的自回归、逐步回归、二级判别、逐步判别、谐波分析、最大熵谱分析、经验正交展开、聚类分析等是在短期气候预测业务中应用最广的方法。另外，在相关相似和统计分析的基础上，建立综合性的典型相关法、相似分析法、回归分析法、周期分析法等。

6．7．3 物理因子分析法

在分析主要影响因子以及它们的相互关系、使用条件的基础上，建立了天气气候学或物理意义比较清楚的预测概念模型。例如，新疆建立的春季干旱、夏季洪水、秋季低温预测概念模式等。

6．7．4 动力气候模式法

前面从气候可预性角度已对气候数值模式作过简单介绍。若按模式设计的基本思想来划分，大体可以分为以下四种基本气候模式：辐射–对流模式（RCM）；能量平衡模式（EBM）；纬向平均动力模式（ZADM）；大气环流模式（GCM），包括海洋耦合模式。在短期天气预测中，利用各种时间尺度的动力气候模式，预测月、季环流形势和气候要素，比如预报月环流形势的动力延伸预报模式、季节长期数值预报模式、OSU气候预报模式以及地温热力学模式等，在业务使用中表现出一定的预报技巧。

6．7．5 综合集成决策法

根据短期天气预测的特点，建立具有一定数学基础的统计集成决策方法，对各种物理统计方法和动力气候模式的预测产品进行客观的综合集成。如权重集成法、正权决策法等。

显然，集合预报方法的应用将是短期气候预测研究的重要方向。应该指出，对数年或数十年甚至数百年时间尺度的气候预测问题，目前尚无可预报性理论，但考虑到人类活动对气候的影响，并通过数值模拟、数值试验，其预估结果亦有重要参考价值。通过档案部门收集的历史记载，对树木年轮、冰芯、湖泊和海洋中生物沉积遗体的分析研究，对这种时间尺度的气候的演变可有一定了解，用来作这种预报的方法是统计方法，但其科学性、可靠性有限。一些经验预报方法，虽然一般都说不清原因，但如确实行之有效应予以肯定，但要特别谨慎小心。

6．8 未来100年全球和中国气候变化的预估

科学家使用31个复杂气候模式，对6种代表性温室气体排放条件下未来100a的全球气候变化进行了预估。结果表明：

⑴ 全球地表气温到2100年将比1990年上升1.4～5.8℃。这一增温值将是20世纪内增温值（0.6℃左右）的2～10倍，可能是近10000年中增温最显著的速率。

⑵ 21世纪全球平均降水将会增加，而且大部分年平均降水增加的区域很可能同时出现大的年际变化。

⑶ 北半球雪盖和海冰范围将进一步缩小。

⑷ 全球平均海平面到2100年将比1990年上升0.09～0.88m，各个区域的上升值将有较大的差异。

⑸ 一些极端事件（如高温天气、强降水、热带气旋强风等）发生的频率会增加。

中国科学家使用国际上先进的全球气候模式和国内区域气候模式，在假定大气二氧化碳继续增加和气溶胶浓度改变的条件下，预估了中国未来气候的变化。结果表明：

⑴ 气候将继续变暖。到2020～2030年，全国平均气温将上升1.7℃；到2050年，全国平均气温将上升2.2℃；当大气中二氧化碳浓度加倍时，全国平均气温将上升2.9℃。

⑵ 气候变暖的幅度由南向北增加。到2030年，西北地区气温可能上升1.9℃～2.3℃，西南可能上升1.6℃～2.0℃，青藏高原可能上升2.2℃～2.6℃。

⑶ 不少地区降水出现增加趋势，东南沿海增加值最大。长江中下游地区出现变干的趋势，华北和东北南部等一些地区出现继续变干的趋势。

7 人工影响天气

7．1 人工影响天气概述

人工影响天气是指在适当的天气条件下，通过人工干预，使天气过程发生符合人类愿望的变化。目前，主要是指人工增雨、人工防雹、人工消云、消雨、消雾、引雷和人工防霜等。

干旱、洪涝、冰雹、雷暴、初、终霜冻等气象灾害给人类造成严重损害。“呼风唤雨”、“控制天气”是人类自古以来的美好愿望。对天气过程施加人工影响的现实方法就是利用自然过程某种特定的不稳定性，通过播入催化剂造成很小的人为扰动从而较大地改变云雾的微结构和云、雾及降水天气过程的自然演变。其最主要的方法是播云（在已经存在的云中播入干冰、碘化银等催化剂）。播云有三种手段：一是地面播撒，通过空气运动，带入云中。此法虽然简易，但催化剂从何处入云，能有多少入云，都很难掌握。二是将催化剂装入火箭弹头或高射炮弹内，发射到云中的预定部位。此法虽迅速和直接，但是载量有限。三是用飞机将催化剂直接播入云内。此法机动性强，载量也大，但有时受飞行安全的限制。

按人工影响天气对象的性质不同，所用的催化剂也不同。催化过程可分为两类：冷云催化和暖云催化。在实际催化中，将面临很多技术难点，其根本原因在于自然界情况的复杂性。因此，只有依靠科学技术，人们才能对云和降水有更清楚的了解，提供更强的催化作业手段，并要对作业的后果有更清晰的认识和把握。

据世界气象组织的统计资料，目前有包括中国在内的30多个国家进行100多项人工增雨（雪）、防雹和消雾工作。美、俄、以色列等国在对当地云降水的科学认识、人工影响天气的科学概念模型、作业的监测、催化仪器装备以及作业设计和效果检验等方面处于世界前列。根据他们的试验资料，确认了人工增雨和人工防雹的效果：日雨量平均增加6%～15%，投入产出比为1:6.5，减少雹灾60%～90%。新疆人工影响工作起步早，规模大，效果显著，深得各级政府的大力支持和广大群众的赞誉欢迎，正由全国人影工作大省（区）向人影工作强省（区）迈进，其主要技术服务手段是人工增雨（雪）和人工防雹。

7．2 人工增雨（雪）

7．2．1 重要意义

人工增雨（雪），从战术上说是气象防灾、减灾（防旱抗旱、森林灭火、防冻安全等）的有效手段；从战略上说是合理开发利用空中水资源、缓解水资源短缺的重要途径。

7．2．2 科学原理

人工增雨（雪）是在云中播撒一定的催化剂促使大雨滴或冰晶的生成，使更多的云水转化为雨水，或者在一定范围内促进大气的上升运动，使云体增大得到更多降水。到目前为止，人工增雨（雪）的原理有静力催化和动力催化两个方面。静力催化理论认为，冷云降水是由冰晶过程开始的，并通过“冰–水”转化的贝吉隆过程及随后的凇附或碰并过程完成。有些云的降水效率不高或根本无降水，是因为自然云中缺乏足够的冰晶，通过播撒干冰或碘化银的人工引晶技术（每克催化剂可形成10¹¹～10¹⁵个冰晶）可弥补冷云中自然冰晶不足，促使降水过程得以有效发动和进行，进而达到增雨目的。动力催化理论则假设，若在孤立积云的过冷却部位大量播撒冷云催化剂，可使过冷云中迅速冰晶化，释放冻结潜热，使云的浮力增大并随空气加速上升，云体增高变大，使云的生命期更持久，从而可预期更多的降雨。此外，对积云群体实施过量播撒，还可促使云体合并，有可能大大增加区域降雨量。该理论还认为，动力催化降水的同时，也将增强降水引起的冷湿气流下沉，从而激发出新的对流单体，进而延长云降水系统的生命期，增加总降水量。在自然暖云中播撒吸湿性颗粒可以增加一定数量的大云滴，加速云滴碰并增大成雨的过程。应该指出，人工催化自然发展较弱的云，激发的降水量很小，缺乏经济价值。自然发展较强的云会产生一定降水，人工催化后可以增加雨量，达到实用目的。

7．2．3 播云试验

国外一些建立在静力和动力催化概念上的随机播云试验表明：云降水系统有较大的地域差异；云的结构和演变十分复杂，对催化时机、部位和剂量也十分敏感；催化引起的各种微物理变化和动力效应有时是互相抵触的，并不总能达到增加降水目的。这表明，已有的播云催化假说还需进一步试验验证予以完善，同时也需加强对基本的云动力和微物理过程的监测和模拟研究。

7．3 人工防雹

7．3．1 重要意义

冰雹是气象灾害中最具破坏性的灾害之一。冰雹降自雷暴云中的冰雹云，这类云的云体和一般打雷闪电的雷暴云无异，但其闪电多横闪（即云体之间放电）；而雷声沉闷、且连续不断。冰雹灾害经常是出现一条雹击带（即下雹的地区），冰雹粒质量和下降速度都远大于云滴，因而产生强大的动量，对农作物、建筑物甚至人畜生命安全造成直接的巨大的危害。同时，伴随降雹而至的大风，其致灾范围比雹击带成灾范围广，更加剧了冰雹产生的危害。开展人工防雹具有重要意义。

7．3．2 科学原理

直到现在，人工防雹基本上依据如下两种想法：一是争食过冷云水，使冰雹长不大。其思路是在可发展成冰雹云的云中引入人工冰核。使它生成冰雹胚和自然雹胚竞争，大量消耗云中的过冷却水，长成小冰雹，从而抑制自然大冰雹的形成，即使形成降雹，也因雹块小，而且在温度高于0℃的云层中和云下空气层中能融化，或者只是“发育不良”的“小软雹”，落地时不致造成灾害。另一种想法是：只着眼于争食可提供给冰雹生长区的过冷云水。其思路是在雹云形成的早期，将可供给冰雹生长区的低层云水，通过人工影响，使其提早形成降水，既减少了供给冰雹生长区的过冷云水量，又因降水而抑制了上升气流的强度。另外，还有爆炸影响冰雹生长的想法。由于冰雹形成的过程十分复杂，雹云又变化多端，强弱差异非常大。防雹的原理和方法还需深入研究与完善。

7．3．3 防雹方法

中国防雹方法主要是在地面发射携带碘化银药剂的37高炮炮弹或火箭，通过爆炸、发烟技术，形成含碘化银冰核。

7．4 人工影响天气的关键技术

人工影响天气技术的发展很大程度上需依赖气象科学中的最新监测、遥感和数值模拟技术，并需综合利用多参数气象雷达、大气探测飞机（装有多种先进设备和粒子测量系统）、气象卫星（反演云含水量和相态技术）、微波辐射仪（用于复杂天气条件下监测云体总含水量）和化学示踪技术（判断催化剂扩散和是否有效核化）等构成云雨监测识别和催化后物理响应的技术体系，包括：

⑴ 人影的实时监测技术；

⑵ 数值模拟和数值天气预报技术；

⑶ 高效的催化作业技术；

⑷ 科学的外场试验方案设计；

⑸ 综合效果检验和预测技术。

7．5 人工影响天气系统工程

人工影响天气是一项复杂的系统工程，涉及多学科、多部门、多行业，需要周密计划和科学组织。人影的成败在于能否抓住有利的天气条件（包括适当的云况），在适当的部位和时机实施适当的催化。云和降水的变化很快，所以严密的天气、云况监测预测和识别、迅速的信息传送、正确的决策指挥和及时准确与高效的催化作业是人影取得良好效果的基本保证。人影作业一般是在天气自然变化的背景下进行的，要从自然多变的背景下把作业的效果评估出来有相当的难度，但又是必不可少的。因此，人工影响天气系统一般包括：

⑴ 天气、云况监测预报系统；

⑵ 催化技术系统，其中有催化决策系统、高效催化系统、催化工具系统；

⑶ 数值模拟系统，其中有云雾降水模式和自然过程的模拟预测、人影催化模式和作用效果的模拟预测、实时数值模拟预测系统；

⑷ 人影作业指挥系统；

⑸ 效果评估系统，包括统计评估、物理评估、经济效益评估；

⑹ 人影技术支持系统，包括应用基础研究、技术开发研究、人影重点实验室建设、科学示范试验和基地建设。

应该指出，在加强人影系统工程建设的同时，必须积极实施人影趋利避害作业，努力提高人影服务的社会、经济、生态效益。