精確“觀云測雨”把天上云水資源“捅下來”

　　2021年9月15日21時35分，第十四屆全國運動會開幕式在熱烈的氣氛中圓滿結束。10分鐘后，一場大雨如期而至。

　　據氣象部門預測，當晚有一次強降水過程。如果在國家領導人致辭、運動員入場、文藝演出或火炬點燃傳遞等任一環節下雨，都會影響開幕式的效果。為此，國家及陜西省、西安市的人工影響天氣中心做了大量工作，采用各種科技手段，硬是把大雨“扛”到了開幕式結束。

　　“實際上，人影（人工影響天氣）能做的遠不止這些。比如，我國水資源嚴重短缺，尤其是西北、華北干旱半干旱地區，如果能干預天氣，將空中寶貴的水資源探明并‘用’在最需要的地方，將產生巨大的社會經濟效益。”西安理工大學副校長華燈鑫教授告訴《中國科學報》，“而這一切的前提是我們能‘觀云測雨’，準確掌握云下大氣的溫度、濕度、速度、方向等參數，實現對云的狀態問診把脈，提出科學有效的應對方案。”

　　探明天上“戰略資源”

　　在普通人看來，天空中云的作用不過能短暫蔽日，或徒增“游子之意”。但在華燈鑫眼里，每一片云都是一座飄在空中的“水庫”。

　　“多數人認為石油、煤炭才是資源，實際上，對我們這樣一個水資源嚴重短缺的國家來說，天上飄過的云也是重要的戰略資源，即云水資源。”華燈鑫說，“云飄在空中，誰有辦法把它‘捅下來’，這些水資源就是誰的。”

　　大氣物理學家認為，全球水循環本身就是自然界的水在太陽能和大氣運動共同驅動下“降水-徑流-蒸發-水汽輸送”無限循環的一個閉合系統。如果能夠人為干預，讓雨水在需要的地方落下來，或者避開不需要的地方（遇到洪澇災害區域提前或延遲下雨）將產生巨大的經濟和社會效益，造福人類。

　　但人工干預天氣并非易事。事實上，數年前天氣預報的準確性還廣受詬病。很多地方在人工增雨過程中用飛機、大炮將凝固劑、碘化銀等播撒到空中，雨卻沒下來，或者沒有下到人們期望的地方。

　　“其根本原因是我們對頭頂的云不了解，缺乏有效的方法去評估或測量云中水汽含量、垂直水汽輸送過程。”華燈鑫補充說，“實際上，云中水汽含量和云底幾個大氣參數密切相關，而這幾個參數恰是常規探測的難點。”

　　2005年，在日本深耕激光遙感技術12年的華燈鑫回國。次年，他獲得國家自然科學基金資助，開始組建研究團隊，圍繞激光雷達、遙感探測技術開展新理論、新技術與新方法研究。

　　隨著在激光遙感領域的經驗不斷積累，華燈鑫對大氣溫度、濕度，氣溶膠、氣流運動探測有了獨到的認識。隨著社會經濟的飛速發展，人們對天氣預報和人工影響、干預天氣的需求越來越迫切。

　　“了解到我國大氣物理科學中‘測云’的種種困難和人工影響天氣作業面臨的巨大障礙，我就想能不能利用先進的遙感技術（激光雷達）把這片云搞清楚。”華燈鑫說。

　　以創新應對挑戰

　　云水資源就像公海中游蕩的魚群，“捉住”它的前提是要有“漁網”——先進的云底大氣探測設備。

　　華燈鑫認為，科學評估云系降水潛力是我國云水資源開發利用國家戰略和人工影響天氣的重要需求，而準確評估云水資源及人工增雨的潛力，需要定量觀測進入云體的可凝結水量，進而獲得云中可降水量指標，否則人工影響天氣作業具有較大盲目性。

　　遺憾的是，在這一領域，國際上一直缺乏觀測手段。特別是云下垂直氣流、溫濕度及顆粒物粒譜等參數，以前氣象學界常用的毫米波雷達、微波雷達無法對其精確測量。

　　“通常上升氣流很微弱，只有零點幾米每秒至幾米每秒。而這幾個參數正好是激光雷達探測的優勢，所以我們就提出用激光遙感技術，把云底溫度、從地表到云底的溫度變化和水蒸氣擴散變化、垂直氣流、云下顆粒物大小等基本數據測出來，通過這些數據計算出水汽向上或向下的輸送量，并計算出水凝結量。”華燈鑫解釋說。

　　臨淵羨魚，不如退而結網。

　　2017年，在國家自然科學基金重大科研儀器研制項目——“研究云系降水潛力的全天時云底溫濕度和上升速度探測激光雷達”的資助下，華燈鑫團隊開始了探測激光雷達相關儀器軟硬件系統的研制。

　　觀測實踐中，人們探測不同數據要使用不同雷達，各種雷達的適用尺度、靈敏度、時空分辨率都不一樣，甚至不同雷達的探測原理也不盡相同。該團隊要研發一套全天候、多指標綜合測量系統，把溫度、濕度、風速風向、氣溶膠測量等雷達做在一個系統里。而且，還要克服白天“太陽背景”（太陽光譜和雷達光譜重疊）、電信號噪聲過大等一系列難題，其中的挑戰不言而喻。

　　最終，團隊將雷達研制領域幾十年的技術積累與最新的深度學習、智能算法等融合，創新性地實現了這一系列功能。

　　“所有挑戰都是鍛煉和成長的機會。”該團隊成員、西安理工大學教授閆慶說，“從申請青年科學基金項目到后來參與華老師的國家重大科研儀器研制項目，自然科學基金一直伴隨著我的成長，我們也始終圍繞一個科學目標不斷努力，做出成果。”

　　與氣球和蝴蝶“較勁”

　　2020年5月，該團隊完成激光雷達樣機研發，并開始在西安理工大學進行調試。這是全球首臺可移動式全天時大氣溫濕度和上升速度探測激光雷達系統樣機，也就是說，如果按照現有國家技術標準與校正規范，就沒有高一級的設備能對該樣機的數據指標進行標定或者校正。

　　為此，研究人員和西安市氣象局合作，將儀器拉到涇河國家基本氣象站探空氣球發射場，每天早、晚7點，在氣球升空的同時，探測并記錄相關數據，繪制數據曲線，開展比對驗證。

　　“探空氣球在空中飄忽不定，有一點兒風它就能飄出一二百公里，我們進行定標和校正時做了大量‘追氣球’的實驗和數據比對。”該項目技術總執行人、西安理工大學教授狄慧鴿介紹說，“標定數據總算有了滿意結果，但沒想到小蟲子也跳出來‘搗亂’。”

　　系統測試時，研究人員發現有段時間信號異常，因為測量對象看不見摸不著，而引起雷達信號異常的原因又很多，甚至大氣自身的特殊狀態也可能導致信號異常，這讓團隊困惑了很久。

　　“一直找不到問題，我們只好從激光器輸出到整個光學與電學等模塊逐一排查，最后發現是一只蝴蝶把光闌口堵上了。”狄慧鴿說，“這也提示我們要注意設備在野外工作的適應性，后來我們加設保護罩改善密封狀態，又利用遠程操作技術對儀器進行自檢測清理，避免‘故障’再次發生。”

　　作為全球首臺云系降水潛力探測系統研制團隊，華燈鑫等人實際上一直在與自己“較勁”。從2021年開始，該系統持續穩定監測了西安地區的云水資源，為云水資源研究提供了寶貴的數據支持。項目執行中，取得ZL授權11項，其中美國發明ZL1項；發表論文70余篇；獲省部級科學技術獎勵3項，高等學校科學技術獎1項；國家級教師團隊1個、省級創新團隊2個。在人才培養方面，培養碩、博研究生48名。

　　2022年5月，國家自然科學基金委組織專家驗收時，該項目得到專家組高度肯定，項目驗收結論“優秀”。

　　“取得這樣的成績，科學基金功不可沒，發揮了重要的引導作用，培養了如狄慧鴿這樣一批年輕的激光遙感科技領軍人才及一個國家級教師團隊。”華燈鑫說，“科學基金的長期穩定支持給了我們一個平臺，讓大家圍繞一個科學目標，不斷提升整體科研水平，并最終在基礎理論和原始創新上取得突破。”

　　《中國科學報》：該儀器目前在國際上處于怎樣的水平？

　　華燈鑫：這是國際首臺具有完全獨立知識產權的云系降水潛力評估雷達系統。

　　我們在國際上首次提出利用激光遙感探測垂直方向進入云中的大氣可凝結水量新方法，突破了定量評估云中水汽通量的瓶頸；研發了國際首臺綜合激光遙感觀測系統，實現了大氣溫濕度、垂直氣流及氣溶膠與云的全天時、同步、高精度的測量與識別；提出并實現了云底雨滴譜剔除方法與云底垂直氣流速度的精細數據反演技術，解決了現有雷達云底垂直氣流測不準的技術問題；自主研制了具有用戶端二次開發的遠程測量控制與數據傳輸、反演等多功能的軟件系統。

　　目前，該設備持續穩定運行兩年多，獲得了一系列可靠的科學數據，為西安市云水資源利用、重污染天氣保障提供了準業務化服務。

　　《中國科學報》：下一步，團隊的研究重點或該領域的發展方向是什么？

　　華燈鑫：下一步，我們將繼續主攻先進激光雷達技術與應用，對接大氣科學、氣象與環境科學開展交叉研究，將云宏微觀特性探測從云下擴展到云內，為云物理探測與研究提供新技術、新方法及科學儀器；繼續開展云降水潛力的評估，結合人影部門需要，推進云水資源利用開發并整理形成規范的數據集，推進大氣科學研究。與此同時，開展科研成果的產業轉化，落實該科學基金項目的宗旨，為人工影響天氣以及大氣科學等發展提供中國創造的最新科研儀器與服務，并和企業一起推動該行業標準的制定。