精确“观云测雨”把天上云水资源“捅下来”

　　2021年9月15日21时35分，第十四届全国运动会开幕式在热烈的气氛中圆满结束。10分钟后，一场大雨如期而至。

　　据气象部门预测，当晚有一次强降水过程。如果在国家领导人致辞、运动员入场、文艺演出或火炬点燃传递等任一环节下雨，都会影响开幕式的效果。为此，国家及陕西省、西安市的人工影响天气中心做了大量工作，采用各种科技手段，硬是把大雨“扛”到了开幕式结束。

　　“实际上，人影（人工影响天气）能做的远不止这些。比如，我国水资源严重短缺，尤其是西北、华北干旱半干旱地区，如果能干预天气，将空中宝贵的水资源探明并‘用’在最需要的地方，将产生巨大的社会经济效益。”西安理工大学副校长华灯鑫教授告诉《中国科学报》，“而这一切的前提是我们能‘观云测雨’，准确掌握云下大气的温度、湿度、速度、方向等参数，实现对云的状态问诊把脉，提出科学有效的应对方案。”

　　探明天上“战略资源”

　　在普通人看来，天空中云的作用不过能短暂蔽日，或徒增“游子之意”。但在华灯鑫眼里，每一片云都是一座飘在空中的“水库”。

　　“多数人认为石油、煤炭才是资源，实际上，对我们这样一个水资源严重短缺的国家来说，天上飘过的云也是重要的战略资源，即云水资源。”华灯鑫说，“云飘在空中，谁有办法把它‘捅下来’，这些水资源就是谁的。”

　　大气物理学家认为，全球水循环本身就是自然界的水在太阳能和大气运动共同驱动下“降水-径流-蒸发-水汽输送”无限循环的一个闭合系统。如果能够人为干预，让雨水在需要的地方落下来，或者避开不需要的地方（遇到洪涝灾害区域提前或延迟下雨）将产生巨大的经济和社会效益，造福人类。

　　但人工干预天气并非易事。事实上，数年前天气预报的准确性还广受诟病。很多地方在人工增雨过程中用飞机、大炮将凝固剂、碘化银等播撒到空中，雨却没下来，或者没有下到人们期望的地方。

　　“其根本原因是我们对头顶的云不了解，缺乏有效的方法去评估或测量云中水汽含量、垂直水汽输送过程。”华灯鑫补充说，“实际上，云中水汽含量和云底几个大气参数密切相关，而这几个参数恰是常规探测的难点。”

　　2005年，在日本深耕激光遥感技术12年的华灯鑫回国。次年，他获得国家自然科学基金资助，开始组建研究团队，围绕激光雷达、遥感探测技术开展新理论、新技术与新方法研究。

　　随着在激光遥感领域的经验不断积累，华灯鑫对大气温度、湿度，气溶胶、气流运动探测有了独到的认识。随着社会经济的飞速发展，人们对天气预报和人工影响、干预天气的需求越来越迫切。

　　“了解到我国大气物理科学中‘测云’的种种困难和人工影响天气作业面临的巨大障碍，我就想能不能利用先进的遥感技术（激光雷达）把这片云搞清楚。”华灯鑫说。

　　以创新应对挑战

　　云水资源就像公海中游荡的鱼群，“捉住”它的前提是要有“渔网”——先进的云底大气探测设备。

　　华灯鑫认为，科学评估云系降水潜力是我国云水资源开发利用国家战略和人工影响天气的重要需求，而准确评估云水资源及人工增雨的潜力，需要定量观测进入云体的可凝结水量，进而获得云中可降水量指标，否则人工影响天气作业具有较大盲目性。

　　遗憾的是，在这一领域，国际上一直缺乏观测手段。特别是云下垂直气流、温湿度及颗粒物粒谱等参数，以前气象学界常用的毫米波雷达、微波雷达无法对其精确测量。

　　“通常上升气流很微弱，只有零点几米每秒至几米每秒。而这几个参数正好是激光雷达探测的优势，所以我们就提出用激光遥感技术，把云底温度、从地表到云底的温度变化和水蒸气扩散变化、垂直气流、云下颗粒物大小等基本数据测出来，通过这些数据计算出水汽向上或向下的输送量，并计算出水凝结量。”华灯鑫解释说。

　　临渊羡鱼，不如退而结网。

　　2017年，在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目——“研究云系降水潜力的全天时云底温湿度和上升速度探测激光雷达”的资助下，华灯鑫团队开始了探测激光雷达相关仪器软硬件系统的研制。

　　观测实践中，人们探测不同数据要使用不同雷达，各种雷达的适用尺度、灵敏度、时空分辨率都不一样，甚至不同雷达的探测原理也不尽相同。该团队要研发一套全天候、多指标综合测量系统，把温度、湿度、风速风向、气溶胶测量等雷达做在一个系统里。而且，还要克服白天“太阳背景”（太阳光谱和雷达光谱重叠）、电信号噪声过大等一系列难题，其中的挑战不言而喻。

　　最终，团队将雷达研制领域几十年的技术积累与最新的深度学习、智能算法等融合，创新性地实现了这一系列功能。

　　“所有挑战都是锻炼和成长的机会。”该团队成员、西安理工大学教授闫庆说，“从申请青年科学基金项目到后来参与华老师的国家重大科研仪器研制项目，自然科学基金一直伴随着我的成长，我们也始终围绕一个科学目标不断努力，做出成果。”

　　与气球和蝴蝶“较劲”

　　2020年5月，该团队完成激光雷达样机研发，并开始在西安理工大学进行调试。这是全球首台可移动式全天时大气温湿度和上升速度探测激光雷达系统样机，也就是说，如果按照现有国家技术标准与校正规范，就没有高一级的设备能对该样机的数据指标进行标定或者校正。

　　为此，研究人员和西安市气象局合作，将仪器拉到泾河国家基本气象站探空气球发射场，每天早、晚7点，在气球升空的同时，探测并记录相关数据，绘制数据曲线，开展比对验证。

　　“探空气球在空中飘忽不定，有一点儿风它就能飘出一二百公里，我们进行定标和校正时做了大量‘追气球’的实验和数据比对。”该项目技术总执行人、西安理工大学教授狄慧鸽介绍说，“标定数据总算有了满意结果，但没想到小虫子也跳出来‘捣乱’。”

　　系统测试时，研究人员发现有段时间信号异常，因为测量对象看不见摸不着，而引起雷达信号异常的原因又很多，甚至大气自身的特殊状态也可能导致信号异常，这让团队困惑了很久。

　　“一直找不到问题，我们只好从激光器输出到整个光学与电学等模块逐一排查，最后发现是一只蝴蝶把光阑口堵上了。”狄慧鸽说，“这也提示我们要注意设备在野外工作的适应性，后来我们加设保护罩改善密封状态，又利用远程操作技术对仪器进行自检测清理，避免‘故障’再次发生。”

　　作为全球首台云系降水潜力探测系统研制团队，华灯鑫等人实际上一直在与自己“较劲”。从2021年开始，该系统持续稳定监测了西安地区的云水资源，为云水资源研究提供了宝贵的数据支持。项目执行中，取得ZL授权11项，其中美国发明ZL1项；发表论文70余篇；获省部级科学技术奖励3项，高等学校科学技术奖1项；国家级教师团队1个、省级创新团队2个。在人才培养方面，培养硕、博研究生48名。

　　2022年5月，国家自然科学基金委组织专家验收时，该项目得到专家组高度肯定，项目验收结论“优秀”。

　　“取得这样的成绩，科学基金功不可没，发挥了重要的引导作用，培养了如狄慧鸽这样一批年轻的激光遥感科技领军人才及一个国家级教师团队。”华灯鑫说，“科学基金的长期稳定支持给了我们一个平台，让大家围绕一个科学目标，不断提升整体科研水平，并最终在基础理论和原始创新上取得突破。”

　　《中国科学报》：该仪器目前在国际上处于怎样的水平？

　　华灯鑫：这是国际首台具有完全独立知识产权的云系降水潜力评估雷达系统。

　　我们在国际上首次提出利用激光遥感探测垂直方向进入云中的大气可凝结水量新方法，突破了定量评估云中水汽通量的瓶颈；研发了国际首台综合激光遥感观测系统，实现了大气温湿度、垂直气流及气溶胶与云的全天时、同步、高精度的测量与识别；提出并实现了云底雨滴谱剔除方法与云底垂直气流速度的精细数据反演技术，解决了现有雷达云底垂直气流测不准的技术问题；自主研制了具有用户端二次开发的远程测量控制与数据传输、反演等多功能的软件系统。

　　目前，该设备持续稳定运行两年多，获得了一系列可靠的科学数据，为西安市云水资源利用、重污染天气保障提供了准业务化服务。

　　《中国科学报》：下一步，团队的研究重点或该领域的发展方向是什么？

　　华灯鑫：下一步，我们将继续主攻先进激光雷达技术与应用，对接大气科学、气象与环境科学开展交叉研究，将云宏微观特性探测从云下扩展到云内，为云物理探测与研究提供新技术、新方法及科学仪器；继续开展云降水潜力的评估，结合人影部门需要，推进云水资源利用开发并整理形成规范的数据集，推进大气科学研究。与此同时，开展科研成果的产业转化，落实该科学基金项目的宗旨，为人工影响天气以及大气科学等发展提供中国创造的最新科研仪器与服务，并和企业一起推动该行业标准的制定。