控制论与人工影响天气II.工程控制论在人工增雨作业中的应用与建模

人工增雨已有60余年历史,虽已取得很多成绩,仍存在很多亟待解决的科学技术问题,典型问题如作业具有一定的主观性及其与效果检验有脱节.控制论研究如何对系统施加控制作用使其表现出预定行为.作者研究工程控制论在人工增雨作业中的应用与建模问题,将工程控制论引入人工增雨作业,称作“局部控制”方法.以冷云的人工催化过程为例,以单容加延迟的过程来简化单块冷云催化核化过程,建立了有反馈的冷云催化框架模型.根据效果调整催化剂的播撒率以实施控制作用,使作业后的雨云关键参数达到预期值.这种“局部控制”方法,可使现有作业更科学化和客观定量化,只在作业设备中增加一通讯单元和作为传感/变送器以及控制器的一套专业软件即可.“局部控制”方案也可嵌入以自然控制论为框架的大范围全面全程控制问题中,简化作业的方案.     

徐州地区层状云火箭人工增雨潜势区判别

为了提高人工增雨作业的作业水平和增雨效率,利用2010—2012年徐州市人工增雨作业中的多种观测资料,在分析徐州地区地形特征、增雨作业习惯的基础上,研究出适合本地区使用的人工增雨效果检验方法,建立人工增雨潜势分析模型,对未来12h的人工增雨潜势和临近增雨潜势进行逐步分级判断,将增雨潜势区分为两级:级别Ⅰ增雨潜势较小和级别Ⅱ增雨潜势较大,并指导人工增雨作业。2013年徐州人工增雨作业实践表明,人工增雨12h潜势预报模型和临近预报模型具有较高的准确率。以增雨潜势预报模型为基础,修改徐州地区人工增雨作业流程,提高指挥人员的工作效率,并提高人工增雨作业的效率。     

新一代天气雷达在人工增雨作业中的应用

将雷达资料传输到人工增雨作业指挥系统,指挥中心可以根据作业云的方位、距离、云高、云厚及其移向移速等雷达观测信息和先前输入指挥系统的作业点位置,自动计算出作业方位、作业距离、作业仰角,有效的指挥增雨作业;通过雷达跟踪观测,雷达回波的动画显示,作业前后的回波强度比较,作业点与非作业点之间的比较,还可以科学检验人工增雨作业的效果。     

非随机化人工增雨作业功效数值分析和效果评估

用自然复随机化方法对北京市人工增雨作业非随机化试验进行功效数值分析.结果表明不同统计检验方案功效差别较大,序列试验功效最差,当作业样本数较多时对比试验功效较高,其次为区域历史回归试验和双比分析方案,当作业样本数较少时区域历史回归试验功效比其他两种方案更高.功效与增雨效果、历史样本数、作业样本数都有关系,当作业样本数或历史样本数增多时,功效都会增大,但是增大的程度会随着样本数目的增多而趋缓.分类统计不一定可以提高检验功效值,要采用分类统计方案首先就要保证分类后的作业样本数下的功效值大于合并后作业样本数下的功效值.在综合分析影响功效的各种因素基础上选择区域对比试验、双比分析和区域历史回归试验对北京市2002～2007年人工增雨作业进行效果总评价,结果均表明相对增雨效果在10％左右,采用复随机化方案进行显著度检验,结果表明3种方案下显著度水平均达0.05.     

控制论与人工影响天气 I: 人工增雨作业中的正反问题及最优调控

利用自然控制论的观点,重新审视了人工影响天气诸多方面的问题,提出了人工调控有限区域天气的正问题和反问题,并对最优调控问题,根据观测实例进行了分析讨论.结果表明,自然控制论是指导开展人工影响天气的一个好的理论框架,不仅要加强观测以了解自然降水过程,发展数值模式以更好的模拟实际降水过程,更需要开展反问题的研究;对最优调控的讨论表明,不能仅仅局限于有无催化可能,更应全面考虑降水云系的结构.     

人工增雨农业减灾技术研究

该项目在河南、山东、吉林3省建立了层状云人工增雨外场观测作业试验区，研制了层状云数值模式，结合分析得出了层状云人工增雨新的概念模型、相应的催化条件判据和作业指标；研制了催化条件的飞机实时识别技术和地面综合集成识别技术；建立了中尺度层状云系数值模拟预报的实时业务和省级的人工增雨综合技术系统（催化条件综合识别判据、实时监测识别技术、催化指标和作业决策系统等），提出了相应的作业流程。 在鄂西北（十堰市）对流云人工增雨作业试验区进行了大量外场观测和作业试验，用研制的三维对流云催化模式进行实时预报和催化数值试验，初步提出了催化的最佳部位、时机和剂量；开发应用了高成核率火箭；用雷达识别作业条件并建立了指挥作业的技术流程，因而大大减少了作业的盲目性，提高了对流云人工增雨作业的科学性。     

人工增雨研究和作业的进展以及提高科学化的可行途径——“人工增雨研究专辑”前言

我国人工增雨研究有很好的成果,有大规模作业的丰富经验,近年来又有很大进步。"人工增雨研究专辑"选登其中一些具有普遍意义的成果和经验,以及未来近期内可以再进一步提高的一些思考和建议。作者试图先对这些经验和问题进行归纳概述和分析讨论。大体上说,这些成功的研究成果和作业经验有:选择有利于增雨的历史天气—气候背景条件、临近作业时对作业云的判断、机理的数值模拟、凝结核和雨滴及它们的谱分布规律和新催化剂的研制等。未来近期内应该做、而且可以有结果的使作业进一步科学化的工作,除结合经验介绍而指出的一些外,关键是:1)尽量做到观测—预报—作业—效果检验一体化;直接面对增雨作业效果本身进行检验,这样才能使作业和效果检验科学化。为此应用控制论的观点和方法(尤其是工程控制论和自然控制论)是可行的。2)要开展暖性对流云催化作业的研究。3)一定要对已有的工作经验进行系统总结,并一定要将研究工作和作业实践密切结合起来。4)一定要气象和水利部门协调起来,才能充分有效地解决四度空间的水资源利用问题。此外,还涉及其他一些人工影响天气的问题,如防雹、消雾等。     

飞机人工增雨分层历史回归效果检验方法探讨

在飞机人工增雨中,为提高作业决策和效果检验的客观性,用冰面饱和区、0℃层以上水汽积分量≥9 mm区域和水汽向上输送区作为确定作业目标区指标;用碘化银粒子浓度q≥10 L-1的区域作为确定作业影响区的范围;用作业目标区、总雨量等值线和相关系数检验等约束条件选择对比区.在建立回归方程时,用天气系统分型和相同作业时段等方法确定回归样本.采用单次活动对比区和影响区分层历史回归方法建立飞机人工增雨效果检验系统并在业务中使用,该方法物理意义明确,在决策作业和效果检验的实践中有重要意义.     

江西省人工增雨作业指数预报研究

根据人工增雨作业需求和作业工具布局．结合全省精细化天气预报定量产品和多普勒雷达回波等资料。研究确定了江西省人工增雨作业指数及其计算方法。并建立了相应的业务运行及发布系统。研究结果表明,人工增雨作业指数的发布包括定时发布和不定时发布2种。并可分为可作业区（3级）、作业准备区（2级）、作业关注区（1级）、不适合作业区（0级）4个等级;针对这4个等级。为各地人影办提供了相应的措施和对策。另外。在TS评分标准的基础上。研究制订了该指数预报效果的评定方案。并对2003年的作业情况进行了效果评估。评估结果表明。所提供的作业指数预报产品直观、指导性强．提高了人工增雨的作业效率。减少了不必要的劳动和消耗。     

湖南人工增雨作业效果统计检验与分析

人工增雨作业效果检验手段很多,而统计检验是较常见的检验手段。以2018年4月湖南郴州增雨作业个例,采用序列分析、区域对比分析和区域历史回归统计方法等统计检验方法,对其作业效果进行检验,从中分析这几种方法的优劣势,为人工增雨效果统计检验提供依据和参考。     

江西省BL-1型火箭增雨作业技术方法研究

在对BL-1型增雨火箭特性进行分析的基础上。结合江西全年增雨作业的特点，对BL-1型火箭的人工增雨作业技术进行了分析研究。旨在提高一线火箭作业人员的业务技术，进而提高人工增雨作业的成功率和降水效率。     

雷电探测资料在人工影响天气作业中的应用研究

利用2002~2005年XDD 03A型雷电探测系统的DDW资料,结合广西人影作业资料和其它气象资料,对雷电资料如何在人影作业中的应用进行了分析和探讨。结果表明,雷电系统可以比雷达和卫星探测提前约1h反映对流云的移动,同时在识别过冷层厚度,把握地面增雨防雹作业时机等方面也具有一定的指导作用。     

甘肃省飞机人工增雨天气系统分型和天气特点

选用2000～2003年3～10月,甘肃省实施飞机人工增雨的116架次资料为样本,以增雨当日08时500hPa资料为主,根据冷空气入侵甘肃的不同路径,将有利飞机人工增雨的天气系统分为5种类型：高原低槽型、西南气流型、平直气流型、西北气流型和北方低槽型,并分析了不同系统的特征。     

青海省人工影响天气综合指挥系统

应用气象常规资料和卫星云图、雷达等多种现代观测技术建立人工增雨，防雹作业微机决策系统。在作业的有利天气系统，云系条件，作业时机，作业高度选择等方面对各种要素进行优化处理，实现了作业指挥定量化，客观化。该文主要介绍了该系统建立的思路，结构，及各子系统的特点和功能。     

CINRAD CB产品与自动站资料在人工增雨中的应用

利用高空、地面环流形势图和新一代天气C波段雷达产品中的反射率因子、径向速度产品以及自动站资料,对2011年7月29日大同地区一次大范围降水过程中人工增雨作业条件和效果进行综合分析.在同一环流背景条件下,通过雷达跟踪监测、雷达回波动画显示、作业前后回波强度比较、作业点与未作业点之间的比较,利用自动站数据,对增雨作业的效果进行综合分析比较结果表明此次大范围连续性降水的形成与适宜的人工增雨有一定相关性.     

安全射界图技术在人工影响天气指挥系统中的应用

为了进一步提高人工影响天气作业的安全性,利用雷达回波外推TREC、TITAN技术和安全射界图技术,生成人工影响天气预警产品、建议产品。利用雷达外推30min、60min产品与作业点最大射程的位置关系,输出作业预警产品。利用当前回波与作业点的位置关系,生成对空射击的仰角、方位角信息,利用安全射界技术进行筛选,生成实时、客观的作业建议产品,以此进行决策指挥,避免了人工决策安全射区可能出现的误差,达到了安全、高效作业的目的。     

地基GPS水汽总量在人工增雨中的应用

利用成都市地基GPS综合应用网的观测数据,反演出大气水汽总量,并结合多普勒天气雷达探测的垂直积分液态水含量(VIL),分析了这两种新型大气水汽探测资料在人工影响天气作业中的变化特征,初步得出了GPS大气水汽总量(GPS PWV)与人影作业前后降雨量的关系。研究表明:GPS PWV与人工增雨过程有较好的对应关系,人影作业后1～3h伴随小时雨量的增大GPS PWV有下降,体现了催化剂将空中部分冰面过饱和水汽凝华核化转化为降水过程。GPS反演的水汽资料结合新一代多普勒天气雷达探测的液态水资料在指导人工影响天气作业和短临天气预报方面具有良好的应用前景。     

人工智能技术在数值天气预报中的应用

当前,人工智能迎来第3次发展浪潮并在多个领域大数据分析中取得巨大成功,这为人工智能技术与数值天气预报结合提供了契机。已有大量研究尝试将人工智能技术用于数值天气预报的初值生成、预报和产品应用过程中,涉及观测资料预处理、资料同化、模式积分、后处理以及高性能计算,通过误差估计、参数估计和局部代理等手段使预报结果,得到改进且计算速度大幅提升,展示出良好的应用前景,一些神经网络模型也表现出纯数据驱动预报的可能性,在短时强对流天气、降水以及气候预测中已有较为理想的应用实例。然而,人工智能技术在数值天气预报中的应用与发展仍面临一些挑战,主要包括深度学习的弱解释性、不确定性分析以及两者的耦合等,除了应对这些挑战,未来两者的深度结合还需要在理论指导下的人工智能模型设计、高时空分辨率人工智能预报模型设计以及使用更多新型人工智能技术等方面深入探索。