人工增雨作为抗旱减灾的手段之一，在我国发展很快。由于云降水过程复杂多变，如何识别适宜的催化作业对象，跟踪其演变，对增强作业科学性提高作业效益，具有现实意义。

国内外从天气形势、遥测、入云观测、数值模式等方面分析云降水特征，判断适宜人工增雨作业的云系。国外主要从云顶温度、过冷水含量、冰晶浓度、水汽条件等分析增雨条件，Grant and Elliott(1974)提出了播云温度窗的概念，指出当云顶温度处于－10～－24 ℃时具有可播性；Hudak and List(1988)指出，热带海洋气团的云顶温度高于－20 ℃时具有可播性；Rokicki and Young(1978)提出了对于一定状态的云，其最充分的降水对应于最佳冰晶浓度；Cooper and Marwitz(1980)将增雨潜力与不稳定能量联系起来，Hill(1980)观测分析指出－22 ℃的云顶温度为地形云增雨的分界线，Vali et al.(1988)在西班牙进行云探测时将过冷水含量大于0.05 g/m³和冰晶浓度小于0.1 L^–1的航线占总探测航线的百分比作为指标，指标值越大增雨潜力越大；Sassen and Zhao(1993)用过冷水含量和云底温度分析了增雨潜力，Long and Carter(1996)用云中水平过冷水通量与地面垂直降水通量研究地形云增雨潜力。汪学林等(1987)、曾光平等(1990)、张连云等(1996)、冯彬等(2000)、龚佃俐和边道相(2001)从天气形势的结构上分析了云降水特征，认为降水效率低的云具备较好的增雨潜力。李大山等(1998)、雷恒池等(2001)、陶树旺等(2001)、德力格尔等(2002)、王以琳等(2002)利用水汽云图、微波辐射计、雷达、机载PMS、探空等资料，从云系结构、降水特征、水汽等分析了增雨潜力，并给出了可播度指标。洪延超和周非非(2006)、李宏宇等(2006)利用数值模式研究了人工增雨潜力，认为“催化—供给”云结构、降水机制、冰面过饱和水汽量是新的增雨潜力要素。王宏等(2004)、孙海燕等(2005)、Guo et al.(2007)利用云模式对对流云的催化研究发现，在对流云的发展阶段，最大上升气流和含水量区催化增雨效果好。胡志晋(2001)指出，应在层状云的发展或持续阶段，具有较深厚的上升气流、云厚底低、过冷水丰富、冰晶浓度低的区域实施人工增雨，提出根据云降水的宏观特征(云顶、云底高度和温度，过冷层厚度，云中升速)和云微物理特征(冰面过饱和水汽区、过冷水、冰晶浓度)来识别作业云体。通常过冷层状云增雨潜力都与云厚、云顶温度、丰富过冷水缺乏冰晶相联系，卫星很容易探测到这些量，所以将卫星运用于增雨条件识别是一种值得尝试方法。

近年来卫星应用技术发展迅速，极轨和静止卫星均搭载了多种探测仪器，探测波段覆盖紫外、可见光、红外和微波，与飞机和地基雷达相比，卫星具有大范围、多通道、多时次、资料获取便利等优势，通过多光谱资料反演出多种云特征参数，如云光学厚度、有效半径、云顶温度、相态、云分类等，据此分析云微物理特征(Nakajima and King， 1990; Pavolonis et al., 2005; 余兴等，2005; 戴进等，2006)。Rosenfeld and Lensky(1998)提出了用云顶温度(T)和有效半径(R_e)分析云垂直结构及降水形成过程的方法，利用此方法，Rosenfeld(1999，2000)研究了气溶胶对降水的影响，戴进等(2010，2011)研究了陕北暴雨过程和高原雷暴的云物理特征，刘贵华等(2009，2011a，2011b)分析了不同纬度陆地和海洋上典型积云的微物理特征，和地形云人工增雨条件、陕西春季层状云增雨条件及作业效果。

过冷层状云是我国北方春秋季主要降水云系和人工增雨对象，也是人影学科重点关注云系，根据北方不同地区的一些观测，You(1991)建立了几种主要的云场物理概念模型，由于不同地区、不同季节云场差异较大，仅通过常规天气和卫星黑体亮度温度(TBB，Temperature of Brightness Blackbody)分析很难准确把握作业时机。本文针对不同过冷层状云，通过卫星多光谱分析云系结构，结合地面降水特征，归纳人工增雨卫星指标，将厚的且过冷水丰富冰晶缺乏的云标识为适宜的催化对象，跟踪云系演变，进一步确定有利作业时机，为利用卫星资料指导人工增雨作业提供新的方法。 2 卫星资料定标反演和多光谱云微物理分析方法 2.1 3.7 μm反射率和Re反演方法

卫星资料通过定标生成几何数据(太阳天顶角、卫星天顶角、太阳卫星相对方位角)、可见光反射率、红外亮温数据后，计算3.7 μm反射率。由于卫星接收到的3.7 μm辐射包含热辐射和太阳反 射辐射两部分，首先扣除像元热辐射项，同时此通道辐射上行至卫星接收器过程中受大气中水汽影响较大，还需进行水汽订正。在R_e反演之前，利用辐射传输模式(Nakajima and King， 1990)，建立3.7 μm反射率与R_e的查算表。假定像元视场内布满均一性质的云，将3.7 μm反射率和视场几何数据作为输入量，查找查算表并插值计算R_e。为了避免地表辐射对3.7 μm的影响，只计算光学厚度较厚云像元的R_e(刘贵华等，2009)。 2.2 反映云微物理特征的RGB合成图

可见光反射率反映了云的密实程度，3.7 μm反射率反映云顶Re大小，11 μm亮温反映云顶温度(高度)，将可见光反射率赋予红色(R)，3.7 μm反射率赋予绿色(G)，11 μm通道亮温赋予蓝色(B)，生成三基色组合的真彩图(RGB合成图)。那么，RGB合成图就包含了云厚、云粒子大小、顶高的3层信息，云的宏、微观特征差异就会在RGB图上反映出来。例如，利用3.7 μm通道冰为水吸收率2倍特点识别云的相态，当温度低于0 ℃时，冰云呈红色，水云呈黄色。 2.3 多光谱云微物理分析方法

一是利用反演值(可见光反射率、T、R_e等物理量)定量分析云特征，二是利用RGB合成图可视化分析云特征，三是利用时空转换假定 [Lensky and Rosenfeld(2006)证实了这一假定] 分析云的垂直结构。多光谱云微物理分析方法拓宽了卫星应用领域，为研究云的微物理特征和降水形成过程提供了一种有用的工具，结合其他资料，有助于更好地了解云系结构和演变特征。 3 结果分析 3.1 个例分析 3.1.1 有低云无高云的非降水过冷层状云

2008年1月10～14日，受较强冷空气影响，西北地区东南部、黄淮、汉水流域、西南地区东部和长江中下游出现降水过程，降水主要发生在1月11～13日。图 1中主体为黄色和粉红色云区，可见光反射率为40%～80%，分裂窗温度差0.0～0.6 ℃，表明云较厚，R_e为3～11 μm(粉红色云区的R_e为 8～11 μm，黄色云区的云滴很小R_e为3～5 μm)，云顶温度－4～－10 ℃(南暖北冷)，为过冷水云。由汉中站(57127)和西安站(57131)08:00(北京时间，下同)和20:00探空资料分析得出，云底温度约0 ℃，底高1200 m，可以估计较厚的云达到1500 m厚度(根据湿绝热递减率0.65 ℃/100 m估算)。左上和右下红色云区云顶R_e大于25 μm，温度低于－30 ℃，为顶部冰晶化的高云。边缘发黄部分为薄卷云(卫星接收到卷云和其下部云的信息)，地表为蓝色。从20:00的6 h降水分析得知，黄色和粉 红色云区对应的地面未产生降水(部分微量降水)，说明这类较厚的过冷水丰富缺冰的层状云，云水向雨水转化不够，自然降水不充分，具备一定的增雨潜力，也符合冷云催化假定。

图 1

Fig. 1

图 1 陕西关中和陕南地区2008年1月10日14:10 AQUA 卫星RGB 合成图 Fig. 1 RGB composite image of the middle and southern parts of Shaanxi Province from EOS/MODIS AQUA at 1410 LST on 10 Jan 2008

RGB合成图(图 2a)中，中高云为红色，低云为黄色。由15日08:00和20:00探空资料得知，白天整层以西南风为主，汉中站(57127)700 hPa以上为西南风，风速8 m/s，850 hPa为东南风，风速2 m/s，至夜间500 hPa以下转为偏东风，400 hPa以上转为西北风，640～600 hPa有一逆温层厚500 m(温差5 ℃)。这说明白天中低层风速小，西南暖湿气流经过秦岭受阻，中低云系(黄色云区)主要在秦岭山脉以南，且为过冷层状云。逆温层导致高云与中低云间存在干层，高云(见图 2a)越过秦岭至关中，西安地区大部晴空表明高云过山后的下沉致大滴或冰晶降落，小云滴蒸发引起云体消散，而在约1 h前NOAA卫星观测(图略)西安地区还是高云密布。由地面14:00和20:00的6 h降水得知，秦岭、关中及渭北地区无降水，仅陕南南部巴山部分地区有微量降水，说明高层冰云在无低云配合时也不能产生较好的降水，这类云系不具有增雨潜力。

图 2

Fig. 2

图 2 2007年2月15日14:15陕西中部和南部地区(a)AQUA 卫星RGB 合成图(区域1红色云为越过秦岭的高云，区域2黄色云为山脉顶的中低过冷云 水聚集)和(b)11 μm 红外亮温图Fig. 2(a)RGB composite image from EOS/MODIS AQUA(the red cloud in area 1 is high cloud，the yellow cloud in area 2 is accumulated middle and low cloud over the Qinling Mountain top) and (b)gray scale of brightness temperature at 11 μm wavelength of middle and southern part of Shaanxi Province at 1415 LST on 15 Feb 2007

由图 2b可见，白亮区域为高云，灰色为中低云，地表为黑色。同图 2a相比，红外亮温灰度图层次少，且无法区分冰云和水云，尤其是中高层(图 2a区域2红黄相间的部位，位于秦岭山脉顶部)的冰云和过冷水云。 3.1.3 高低云配置降水性过冷层状云

图 3中的黄色为过冷水云，红色为冰云，右上紫色云的云顶温度较高、粒径较大，为暖冰。高层红色云区云顶温度低达－56 ℃，云底1 ℃，高云深厚，云顶R_e大于25 μm。低云底0 ℃，底高1 km，低云顶－10 ℃，顶高约3 km，低云厚约2 km[高低云底温度、底高和云厚主要由汉中站(57127)08:00和20:00探空资料综合估算，其余值由卫星定标反 演取得]。由地面20:00的6 h降水得知，高云移过区域降水1～5 mm，其余降水小于1 mm。表明低云在无高层配合时，云水向雨水转化不够充分，地面降水量小；有高层配合时，高层冰云的引晶作用可以加快云水向雨水转化，地面降水增强，一定意义上说明了引晶催化有利于过冷层状云降水。

图 3

Fig. 3

图 3 甘肃和陕西交界地区2008年1月11日11:34 TERRA 卫星RGB 合成图Fig. 3 RGB composite image of the boudary of Ganshu and Shaanxi provinces from EOS/MODIS TERRA at 1134 LST on 11 Jan 2008

在河南南部有两块较大呈圆形的红色区域(图 4区域1)，水平尺度达100～150 km，云顶温度 －40 ℃左右，比周围黄色云区低15～20 ℃，高出低云3～4 km，云顶R_e大于25 μm，为冰晶化高云，从纹理上看出对流性状。而黄色区域云顶温度－10～－25 ℃，R_e为5 μm左右，说明云滴小、云顶温度低，为过冷水云。由阜阳站(58203)和徐州站(58027)08:00和20:00探空资料分析得出，云底温度约－1 ℃，底高500 m，可以估算低层云厚度 为1100～3700 m，表明低层水云深厚。由地面20:00的6 h降水得知，河南南部红色云区及偏东区域地面降水达5～20 mm，而黄色云区地面降水仅1 mm。安徽和江苏中部(图 4区域2)有较多水平尺度为10～30 km的对流泡，在RGB合成图上呈红色，云顶温度－30 ℃左右，Re大于25 μm(上部少量黄色云区为新生云，滴小)。20:00的6 h降水表明安徽和江苏中部达10 mm，说明对流泡中冰晶的引晶作用导致了可观的降水。从这个意义上说，如果对相似条件的黄色云区播撒冰晶(或冰核)启动冰水转化的贝吉龙过程，可望产生较好的降水，起到增雨的作用。安徽北部和江苏北部(图 4区域3)为大片的红色云区，云顶温度－40 ℃左右，20:00的6 h降水为5～10 mm，进一步证实高层冰云引晶作用 有利产生降水。

图 4

Fig. 4

图 4 2008年1月11日13:10河南中南部、安徽和江苏大部AQUA 卫星RGB 合成图(区域1为河南南部降水云系，区域2为安徽和江苏中部层积混合降 水云系，区域3安徽北部和江苏北部系统性降水云系)Fig. 4 RGB composite image of the middle part of Henan Province，Anhui Province， and most Jiangsu Province from EOS/MODIS AQUA at 1310 LST on 11 Jan 2008(the area 1 is the perceptible cloud system located in southern part of Henan，area 2 is the mixing cloud system of cumulus with stratus located in Anhui and middle part of Jiangsu， and the area 3 is the clouds of precipitation system located in northern parts of Anhui and Jiangsu)

以上分析得知，较厚的过冷层状云在无高层冰云作用时，通常难以产生较好的降水(6 h雨量 1 mm以上)，在有高层冰云作用时都有助于产生较好的降水，结合冷云催化假定，归纳出过冷层状云人工增雨作业的判据为：云厚大于1.5 km(云越厚云滴增长环境越好)，过冷水丰富且缺乏冰晶(云水向雨水转化不充分)。 3.3 人工增雨卫星指标与播云等级

根据人工增雨作业的判据，利用可见光反射率和云底、顶温度差确定云厚，即当可见光反射率大于55%且云底、顶温度差大于10 ℃时，符合云层厚度条件(云厚大于1.5 km)。根据T和R_e找出过冷水丰富且缺乏冰晶的区域，即T为－5～－15 ℃时、R_e小于25 μm，或T为－15～－25 ℃时、R_e小于15 μm。据此建立层状云人工增雨播云等级(如表 1所示)，当云顶温度为－10～－20 ℃、R_e为 10～15 μm时为适宜播云作业条件(播云等级为3)，当T为－5～－10 ℃、R_e为10～15 μm，或T为－10～－15 ℃、R_e为5～10 μm、15～25 μm，或T为－15～－20 ℃、R_e为5～10 μm、15～20 μm，或T为－20～－25 ℃、R_e为5～15 μm时为较好播云作业条件(播云等级为2)。

图 5为利用播云等级生成的人工增雨作业适宜区图。图像是在利用Aqua极轨卫星资料反演生成的多光谱合成图基础上进行作业区域叠加。其中亮绿色区域为最佳作业区，对应表 1中的播云等级3；绿色区域为较好作业区，对应表 1中的播云等级2；暗绿色区域为一般作业区，对应表 1中的播云等级1。右边中、下部云区云顶较暖、Re太小或云不够厚，不适宜作业；上部红色云区云顶温度低、顶部冰化，自然冰晶充分，无需进行作业。

图 5

Fig. 5

图 5 2011年4月1日13:55 Aqua 卫星RGB 合成图上叠加适宜人工增雨作业区域Fig. 5 RGB composite image from EOS/MODIS AQUA superimposed with favorable areas for operational precipitation enhancement at 1355 LST on 1 Apr 2011

表 1(Table 1)

表 1 层状云人工增雨播云等级 Table 1 Levels of favorable layer cloud seeding

表 1 层状云人工增雨播云等级 Table 1 Levels of favorable layer cloud seeding

FY2静止卫星携带的探测器具有与AVHRR和MODIS相似的可见光、近红外、红外窗区通道，采用与极轨卫星相同的反演方法和色彩组合，生成了RGB合成图(图 6a)，对应区域的TERRA卫星 RGB合成图如图 6b。FY2生成的图像较模糊，色彩层次相对要少，但是粉红色和黄色的过冷水云清晰可见，与MODIS相一致，说明FY2能较好反映云系状况。

图 6

Fig. 6

图 6 2009年2月7日卫星资料RGB 合成图：(a)FY2C 11:00；(b)TERRA 11:29FigFig. 6 RGB composite images from(a)FY2C at 1100 LST and (b)EOS/MODIS TERRA at 1129 LST on 7 Feb 2009

由于FY2静止卫星具有高时间分辨率的优势(双星每半小时1次资料，汛期每15分钟一次资料)，跟踪云系演变优势明显。当云顶温度降低、可见光反射率增大时，表明云体加厚，粒子增长环境更好，形成降水条件更好，更利于增雨作业；当有效半径增大时，表明云内冰晶或大滴增加，形成自然降水能力增强，增雨潜力减弱。因此，通过跟踪云系演变，进一步确定播云部位和时机，指导人工增雨作业。刘贵华等(2011a)利用FY2反演结果跟踪地形云演变，发现地形云维持时间达3 h，云体较厚Re稳定少变，具有较好的增雨潜力。刘贵华等(2011b)利用FY2跟踪2009年2月7日层状云的演变，云系维持时间达30 h，白天少量降水说明这类云的自然降水不充分，白天到夜间云层增厚Re稳定少变，增雨潜力增强，作业选择在傍晚到夜间云层厚、云顶温度较低的时段实施。 4 结论和讨论

对不同过冷层状云及其降水特征的综合分析表明，层状云降水机制复杂，单阈值判别人工增 雨作业区域容易出现误判。卫星具有多光谱的优势，利用反演结果可以从宏观和微观两方面对作业区域进行判定。本文运用多光谱云物理卫星综合分析方法，归纳分析出适宜过冷层状云人工增雨作业的卫星判据为：云厚大于1.5 km，T为－5～－15 ℃时，Re小于25 μm；或T为－15～－25 ℃时，Re小于15 μm。利用可见光反射率、云顶温度和有效半径多阈值建立了层状冷云人工增雨播云等级，并实现了播云等级区域的可视化显示。

极轨卫星资料具有较高的空间分辨率和精度，但是过境次数少，无法对云系进行跟踪。静止卫星资料虽然空间分辨率和精度较低，但是高的时间分 辨率可以跟踪各种云特征量的演变，根据云体发展趋势和可作业区域的演变，进一步确定播云部位和时机。二者结合应用，可以有效确定播云部位和跟踪作业时机，指导飞机和地面人工增雨作业。

实际操作中，应结合地面和探空资料，分析云的层次，当存在多层云时，每层云相对较薄，并不利于降水的发展。当低云条件较好(云厚底低)、缺乏大滴或冰晶，而高云引晶作用不强时，实施人工增雨作业，可望取得较好的增雨效果。