南京信息工程大學60年來在大氣物理學領域的若干重要研究進展

銀燕 李子華 刁一偉 朱彬 牛生杰 馬革蘭 陸春松 張其林 郭鳳霞 李煜斌 陳景華 劉曉莉 蔣惠 師正 侯學偉 康漢卿

摘要 著重對南京信息工程大學建校60年來在云霧理化特性及微結構、冰雹形成微物理機制、電線積冰機理、人工影響天氣理論與實踐、大氣氣溶膠的理化特性及其對云降水的影響、大氣邊界層物理以及雷電過程等大氣物理學領域的幾個主要方面所開展的科學研究工作做簡要回顧。

關鍵詞 大氣物理;積層混合云;冰雹;冰核;氣溶膠-云相互作用

1 云霧理化特性及微結構觀測研究

1.1 關于霧的研究

早在“七五”期間，李子華與重慶市氣象局等單位合作，承擔國家科委重點課題“重慶市區霧害成因及潛勢預報警報服務系統”。組織了當時國內少有的大規模外場綜合觀測試驗，對重慶市冬季霧進行了兩次多學科綜合探測，詳細分析了地形、山谷風、河流、輻射和城市熱島等因子的作用，揭示了復雜地形條件下重慶霧的許多獨有的物理化學特性，對霧形成的物理過程和酸霧機理提出了新的認識，為霧的預測和污染治理提供了科學依據。研制的重慶市區霧的潛勢預報警報服務系統，采用多種方法綜合分析預報，考慮因子全面，預報成功指數達84.5%，取得明顯的社會經濟效益。研究發表學術論文十余篇（李子華，2014）。王鵬飛先生當時認為該研究在重慶霧的宏微觀結構及其成因、城市熱島及空氣污染對霧的雙重效應等方面，提出了不少新的觀點并有許多重大發現，這對重慶霧的認識有了一個可喜的深化。部分研究成果獲得1992年國家氣象局科學技術進步三等獎。

1997年冬季，李子華與云南省氣象局合作，在國家自然科學基金資助下，在西雙版納的景洪站和勐養站進行了霧的觀測。觀測人員主要是我校大氣物理專業師生。這次研究發現西雙版納霧常常先形成于低空而后及地，而且具有雙層結構和爆發性發展特征。西雙版納自20世紀70年代末起的近20 a，生態環境變化特別巨大。從而導致霧日明顯減少，起霧時間推遲，霧消時間提前，霧水含量減小。研究揭示了生態環境變化對霧的影響，為保護生態環境提供了科學依據。關于西雙版納霧的研究結果發表在《氣象學報》《南京氣象學院學報》等期刊（李子華，2001）。“西雙版納地區輻射霧物理化學特征及其成因研究”獲云南省2001年科學技術獎三等獎。

霧能夠顯著影響大氣能見度，從而對交通運輸產生重要影響。滬寧高速公路通車以后，因大霧造成的災害時有發生。李子華與江蘇省氣象研究所合作，于1996年11—12月在滬寧高速公路進行霧的觀測，利用霧滴譜儀等儀器獲得了滬寧高速公路湯山站霧的生消過程中邊界層與霧微物理特征的變化特征，揭示了幾種使霧爆發增強的觸發因子和邊界層結構特征，發現了強濃霧常與重污染共存，故而提出了大量PM2.5在過飽和條件下凝成霧滴，而SO2、NO2等污染氣體在低溫高濕條件下，發生氣粒轉化，進而形成霧滴的科學設想（李子華，2001，2014），為強濃霧的預報提供了重要指標。研究第一次提出霧爆發性發展及空氣污染物影響霧的微結構等新的觀點。對高速公路霧的預報預警都提供了有力的科學支撐。

長江三角洲地區是我國霧的高發區之一，為了深入研究該地區霧形成的物理機制和監測預警方法，牛生杰等在國家自然科學基金項目“持續性濃霧爆發性增長的高分辨率觀測和大渦模擬”和科技部公益性行業（氣象）專項“長江三角洲霧害監測預警及災情評估研究”資助下，對長三角地區輻射霧微物理結構與其形成的邊界層特征以及它們演變過程中結構的變化進行了系統、深入地研究，取得了重要研究成果（Niu et al.，2010a，2010b;Liu et al.，2011;趙麗娟和牛生杰，2012;牛生杰等，2016）。陸春松等（2011）對南京地區冬季霧多發期的邊界層特征進行了分析，發現較強的逆溫、較低的溫度和較小的近地層風速是南京冬季霧形成的背景條件，霧頂的爆發性發展是湍流促使水汽向上輸送、在上層逆溫下累積并伴隨大幅降溫引起的;近地層冷平流降溫導致飽和水汽壓減小和上層系統性的下沉增溫引起逆溫增強而導致的水汽累積是地面霧濃度爆發性增強的原因（陸春松等，2010）。這些研究促進了我們對濃霧形成的認識，為長三角大霧的預報預警提供了有力的科學支撐。據《氣象科技進展》統計，南京信息工程大學大氣物理學院李子華、牛生杰、楊軍為全國發表霧主題論文最多的作者。牛生杰（2014）出版了以霧為主題的專著《霧物理化學研究》。

1.2 梅雨鋒積層混合云觀測研究

梅雨鋒降水是江淮地區主要降水系統之一。梅雨持續期的長短、降水量的多少和這個地區工農業生產有著密切的關系。搞清梅雨特征以及發生、發展規律，有著十分重要的意義。為此，1980、1981年的梅雨時期，李子華等在安徽省中部的白湖地區，利用711測雨雷達以及雨量站網，對梅雨鋒降水回波和降水量進行了比較系統的觀測。在觀測梅雨時，發現常有對流云嵌入大片層狀云，這類云常能產生暴雨。李子華等（1986a）將之定名為積層混合云。觀測發現，積層混合云降水最多，約占70%，積層混合云降水回波在0 ℃層等溫線的下方可能存在一個幾百米厚的融化層。在層狀云的融化層以上，強積層混合云的反射率因子Z的對數值隨高度下降而線性陡增。對一次梅雨鋒強降水過程進行的綜合探測發現，新的積層混合云回波帶的產生與輻合線的形成密切相關—鋒前暖區回波帶出現強降水時，常在它的南側產生一條輻合線，繼而在輻合線上形成許多對流單體，并逐漸發展成強積層混合云回波帶（李子華等，1986b）。當強積層混合云降水持續或加強時，輻合線上對流單體也隨之發展，形成新的強積層混合云回波帶，且出現對應的新雨區，替代原來的強降雨區（李子華等，1986c）。由于積云與周圍層狀云比較起來，冰相粒子大，上升氣流強，含水量豐富，因為積云部位亮帶強度要比周圍層狀云大得多，這就導致了積層混合云亮帶的不均勻結構（李子華等，1986d）。把梅雨鋒降水分為四個主要類型：1）積層混合云降水，即在大片層狀云降水內嵌入對流云降水;2）純層狀云降水;3）積雨云帶降水，即強對流云降水;4）小積云單體降水，即弱對流云降水，單體尺度較小，一般不足10 km，垂直發展較低，一般小于7 km。

李子華等的后續研究結果發現，積層混合云亮帶回波與純層狀云比較起來，有許多明顯的差異，結構不均勻，厚度和強度也超過國外觀測的數據。根據117份雷達回波照片的外形特征，梅雨鋒云系亮帶可分為兩種類型：1）連續均勻的亮帶。在RHI顯示上，表現為一條完整的均勻的水平強回波帶。亮帶中無明顯可辨的強區和弱區，各處厚度大體相等。這一類大約占梅雨鋒云系亮帶的32%;2）不均勻的亮帶。它包括下列兩種情況：第一種是連續的亮帶，但各處回波強度不均勻，有強區和弱區，或者各種回波厚度不等，有厚有薄。梅雨鋒降水期間，這一種亮帶比較多，約占49%。第二種是由若干亮點構成的亮帶，這些亮帶水平排列在一條直線上，兩亮點之間有明顯的弱回波間隔。這一種比較少，約占19%。綜合分析的結果認為：1）梅雨鋒暴雨常屬于強積層混合云降水，即在大片層狀云內嵌入比較強的積雨云降水;2）在大別山地區，由于地形影響，常有對流單體新生、發展，與大片積層混合云降水回波合并后，常造成較大局地降水。這是強積層混合云降水持續發展的一個重要因素;3）強積層混合云降水的降雨量多、雨強大。這與周圍層狀云持續不斷地向積雨云供應水汽和小水滴有關。所以強積層混合云中積雨云單體生命史比較長，降水時間比較長，雨強比較大;4）強積層混合云降水中，在層狀云的融化層以上，10 lgZ隨高度下降而線性陡增。這與嵌入的積雨云對層狀云的自然“播撒”作用是分不開的（李子華等，1986d）。

1.3 冰雹微結構及形成的物理機制研究

王鵬飛發表的“冰雹移動規律初探”（中央氣象局，1973），對冰雹移向和天氣形勢、山區地形、平原地貌等的關系作了探討，從原理上闡述冰雹移動及發展動向，對理解雹云移向的變化及防雹活動，有較大的參考價值。王鵬飛和李子華發表的《巨淞形成機制的探討》《大雹乎？巨淞矣——一種罕見的天氣現象》和《再論巨淞的形成》三文（王鵬飛和李子華，1980，1982a，1982b），提出了一種罕見的氣象現象（巨淞），解決了內蒙古、山西、東北等地山谷出現巨大冰塊的來源及形成機理，指出巨淞與大雹在形成及結構上的區別。

為研究冰雹和人工增雨，李子華教授組織了包括雷達、探空、閃電等項目的綜合觀測，并注意收集雹塊和雨滴譜樣品，事后進行實驗室分析。1975—1978年的4 a中，李子華等在內蒙古林西地區雷達觀測到33次冰雹過程，雖然其中超級單體雹云只有4次，占12%。但超級單體的危害很大，4 a中林西地區雹災面積63萬畝中由超級單體雹云至災的就有54萬畝，占這個地區全部雹災面積的85%。李子華等著重分析了林西地區的3次超級單體雹云的雷達資料、探空資料以及其他常規氣象觀測資料，并討論了影響它發展的動力條件和先兆過程（李子華，1981）。普查了1976—1977年6—9月出現的115塊雷暴單體，其中降雹回波36塊、非雹云回波79塊。對每塊回波單體的外形結構特征、回波頂高度及回波頂高度處的環境溫度、強回波高度及強回波頂處的環境溫度、回波厚度、負溫區厚度、正溫區厚度及它們的比值、最大反射率因子等進行了分析和統計。結果表明，回波外形結構特征、回波頂高度、強回波高度、負溫區厚度和最大反射率因子等五個因子比較好。它們具備相互獨立、與雹云回波相關性好的條件。因此，確定了雹云回波的具體指標。在對許多冰雹云的觀測后，李子華等（1979）發現許多有別于雷雨云的特征，從而提出了雷達識別冰雹云的綜合指標方法。

1981年5月1日，長江下游地區出現一次罕見的雹暴和龍卷，使蘇皖兩省20多個縣遭受風、雹襲擊，被破壞的莊稼有175萬畝，房屋68 372間，1 304人受傷，17人死亡。李子華和王鵬飛立即帶隊前往調查。1977級大氣物理班學生鄭國光在李子華指導下，做了不同大小的冰雹樣品，用氣球帶入秧田上空，做下落實驗，研究雹塊與洞的大小之間的關系，定量分析了雹塊大小與環境溫度、含水量及垂直氣流速度等關系，討論了雹塊增長的特征，由地面雹塊微結構的分析推論其生長條件，得到雹云內一定的信息（李子華等，1984，1986e）;實驗室對冰雹樣品做了切片分析。由此開始，鄭國光在王鵬飛先生和李子華指導下，研制出了當時國內第一個用于碰凍增長實驗的風洞裝置，并進一步討論了微物理參數與碰凍生長條件之間的關系，豐富了利用自然雹塊微物理結構研究其生長過程的資料，有助于科學地認識冰雹的生長過程。1985年，“雹云雹譜及雹塊微結構研究”獲江蘇省人民政府科學技術獎。當時任國家局云霧所所長的郭恩銘認為，這是迄今為止，國內最完整、系列的研究，尤其是對圓錐形冰雹塊的空氣動力學特征及其增長過程的研究，與國外相比，獨具特色，有所創新。1988年，“圓錐形冰雹微結構及其理論和實驗研究”獲江蘇省人民政府科學技術進步三等獎。

2 冰凍雨雪與電線積冰研究

2008年冬季，我國南方連續發生了4次持續性冰凍雨雪天氣，高壓輸電線路因積冰中斷，造成了巨大經濟損失。為了研究持續性冰凍雨雪天氣的成因，科技部下達了由湖北省氣象局主持的國家科技支撐計劃項目“南方冰雪災害天氣監測預警評估技術研究”，我校牛生杰團隊承擔第一課題“南方冰凍雨雪天氣野外觀測試驗研究”。在觀測電線積冰形成氣象條件的同時，增加了霧滴譜、雨滴譜及通量等物理觀測;進行了傳統的積冰架觀測和高壓輸電線路上架設四要素自動氣象站及拉力器等的積冰實時觀測。金沙、恩施2009年初路面溫度和氣象條件的變化特征顯示，較高的地面和空氣濕度、低于0 ℃的路面溫度和弱風力促進了路面積冰（李蕊等，2011）。Zhou et al.（2012）采用湖北實際高壓線路積冰觀測資料研究了實際線路覆冰的氣象條件，發現實際線路的表面溫度高于環境溫度，因此在接近0 ℃的氣溫下不會產生積冰，實際開始產生積冰的氣溫約為-2 ℃。研究還發現，云霧含水量較高時對應冰厚增長速度較快，二者相關系數達0.62（Niu et al.，2012）。混合致冰條件下冰累積機制更為復雜，例如凍霧中混合出現凍毛毛雨，則凍毛毛雨通過兩種方式影響積冰，一種是直接貢獻冰增長，另一種是通過影響霧滴譜來間接貢獻冰增長（Zhou et al.，2013）。以此為基礎，牛生杰教授研究團隊延用湖北實際線路積冰觀測資料分別研究了兩次積冰個例的氣象要素，發現積冰易出現在風速低于2 m/s、南風風向、濕度超過90%、氣溫低于0 ℃的環境條件下（劉丹和牛生杰，2015;劉雪靜和牛生杰，2016）。項目建立了電線積冰、道路積冰和地面積雪預報的物理模型并投入業務使用。改善后的積冰預報模型對于凍雨、濕雪和過冷霧影響下積冰厚度的預報均更符合實際（Wang et al.，2019）。

3 關于大氣冰核的研究

大氣冰核濃度和時空分布對云降水物理過程及云的輻射氣候效應具有重要影響，但總體上我國在此方面的影響比較弱，特別在我國南方地區，大氣冰核觀測幾乎為空白。為此，銀燕團隊自主搭建了真空靜力水汽擴散云室（蘇航等，2014）和大氣冰核高壓靜電采樣器，分別在南京（楊磊等，2013a，2013b;高任杰等，2017）、黃山不同高度（Jiang et al.，2014，2015）、泰山（Jiang et al.，2020;Chen et al.，2021）、新疆（Jiang et al.，2016）以及河北（He et al.，2021）等地區進行了地面、高山以及飛機采樣觀測，取得了大量的寶貴資料。研究發現：大氣冰核濃度隨實驗溫度的降低、過飽和度的增加而呈增加的趨勢;南京地區大氣冰核濃度的日變化特征與大氣中顆粒物的生成和清除過程有關，降水過程對冰核清除作用明顯，并且在臺風過程中冰核濃度增加;黃山不同高度的冰核觀測結果表明大氣冰核濃度隨高度的增加而減小，春秋季節冰核濃度高于夏季，是由于夏季較多的雨水對大氣中顆粒物的沖刷作用;新疆地區沙塵天氣過程中觀測到的大氣冰核濃度比平時要高出1到2個量級，并且通過不同粒徑段氣溶膠粒子數濃度與大氣冰核的相關性分析，發現大于0.5 μm的氣溶膠粒子更容易充當冰核;通過飛機在不同高度的采樣觀測研究發現，冰核濃度在相同高度層內也有著較大的變化，但總的來說，冰核濃度隨高度的升高呈遞減的趨勢;粒徑大于0.5 μm的氣溶膠粒子的活化率隨著高度的升高而增大，意味著在較高的高度采到的大粒子具有更好的成冰活性;通過大量的外場觀測資料，團隊改進了大氣冰核參數化方案，并應用到WRF模式中研究不同的云凝結核和冰核濃度在冰雹演化過程中的各自作用（Chen et al.，2019;Liu et al.，2021）。研究發現冰核數量的增加幾乎不影響暖化過程，但導致冰晶濃度的增大和Bergeron過程的增強。研究得到3項國家自然科學基金項目（包括國家基金重大項目課題1項）、1項高等學校博士學科點專項科研基金和1項中國氣象局局校共建項目的資助，項目成果獲批4項國家發明專利，發表高水平論文數十篇。

4 氣溶膠-云降水相互作用及其對區域氣候的影響

氣溶膠-云降水相互作用及其輻射氣候效應是近三十年來國際大氣科學領域的研究熱點，也是氣候變化評估中最不確定的因子。銀燕教授團隊發展和運用分檔氣溶膠-云微物理模式，探討了沙塵氣溶膠對不同干燥程度大氣環境下的混合性對流云形成和發展物理過程的可能影響，獲得了揚沙和沙塵暴天氣條件下云微物理結構、光學特性以及降水形成對氣溶膠變化的響應機制，揭示了沙塵氣溶膠輸送過程中在不同大氣背景環境條件下對云內冰相粒子形成、發展和降水過程的影響（Yin and Chen，2007）。更進一步，他們探討了沙塵氣溶膠作為云凝結核（CCN）和大氣冰核（IN）對我國新疆一次冰雹云發展的影響，結果發現，當沙塵作為CCN參與云的發展時，會促進冰雹降水，而當沙塵作為有效的IN時，會抑制冰雹發展（Chen et al.，2019）。

系統地研究了氣溶膠對地形云微物理結構和降水的影響。在單組分氣溶膠絕熱氣塊分檔云模式基礎上，銀燕團隊發展了多種化學組分氣溶膠的絕熱氣塊分檔云模式，結合2011年6—7月在黃山頂取得的氣溶膠和云微物理參數觀測資料以及同時期氣溶膠離子成分數據對對流云進行了數值模擬，獲得了多化學組分氣溶膠對暖云微物理特征的影響，揭示了氣溶膠顆粒物濃度和尺度分布對云微物理特性和降水的影響特征。他們的結果證實了在氣溶膠譜一定時，不同天氣形勢影響下，氣溶膠的化學組分隨尺度分布不同，對氣塊的最大過飽和度和氣溶膠臨界過飽和度產生不同的影響，進而活化出不同云滴數濃度和云滴譜（秦彥碩等，2012）。進一步將分檔云微物理方案耦合到中尺度WRF模式，研究發現，當氣溶膠作為云凝結核時，隨著初始氣溶膠濃度背景從清潔大陸背景變化到污染背景，地形降水增加10%，并且降水區域向下游方向移動。在污染背景下，有更多氣溶膠活化成小云滴，這些小云滴主要集中在直徑10～30 μm范圍內，抑制大液滴形成，從而導致降水延遲。另外，凇附過程和貝吉隆過程在污染背景下變得更加有效，促進冰相粒子增長，而且冰相粒子的增長反過來促進凇附過程。大量10～30 μm小液滴被上升氣流輸送到凍結層以上，促進凇附過程和貝吉隆過程，從而促進冰相粒子增長，最終融化成大于100 μm的液滴，尤其是大于400 μm的液滴。這些大粒徑液滴促進液滴間碰并過程，從而增強降水（Xiao et al.，2014，2015）。

還通過分析CO、O3、NO、NOx的飛機探測資料，揭示深對流云對污染物的垂直輸送特征和深對流系統的一些重要宏觀特征（銀燕等，2010）;利用區域氣候模式模擬研究了黑碳氣溶膠和沙塵氣溶膠對我國區域氣候的影響（陳麗和銀燕，2008;張靖和銀燕，2008;Guo and Yin，2015）。部分研究成果被評為江蘇省2013年度科技成果三等獎。

5 云中起電、放電機制及雷擊過程電磁輻射特征與耦合機制的研究

大氣電學作為大氣物理的一個重要方向，雷電物理則是大氣電學的重要主題。2008年大氣物理學院成立以來，學院雷電物理研究取得了較快的發展，得益于閃電探測和計算機技術的不斷進步，用于研究雷電物理相關領域的觀測資料和模擬水平的不斷提高。學者們對雷電的電磁效應、雷電物理特征和結構、雷電形成的規律和機制、雷電與云降水等天氣氣候變化過程的相互作用等相關問題進行了深入研究，并取得了一系列成果。

雷電作為一種電磁干擾源，其強大的瞬態電磁輻射環境一直是雷電物理、雷電探測、以及電磁兼容等領域關注的焦點。多項研究表明雷電電磁場測量的準確性不僅受地面電導率和土壤色散效應的影響，也會受到山地的高低起伏特征的影響，這會給利用閃電輻射的電磁場特性來遙測雷電的放電參數帶來不必要的誤差，進而給雷電流放電參數的反演、地閃的強度和落點位置等方面帶有很大的不確定性。Zhang et al.（2012a，2012b，2012c，2012d）通過考慮地表面雷電電磁波傳播路徑的復雜性、電離層底層參數的各向異性，建立了雷電電磁波在地球-電離層波導中傳播的二維和三維時域有限差分算法，系統性地研究了多頻段、多尺度雷電電磁場傳播規律，以及對流層大氣和中高層大氣之間的電動力耦合效應，為廣域雷電探測技術和雷電放電參量的遙感等方面的發展奠定了基礎。主要研究工作包括：

1）對雷電電磁傳輸近似算法的推廣和檢驗（Zhang et al.，2012a，2012b）。基于觀測事實中雷電流和閃電通道的傳輸特征，利用多尺度坐標系下的FDTD方法建立了三種典型地表電導率復雜分層結構下的雷電電磁傳輸模型，并對光滑地表在復雜電導率分層情況下的雷電電磁場傳輸特性進行分析，最后基于上述模型對Wait算法在近距離內進行推廣和檢驗，并提出適用于光滑海-陸交界混合路徑下的新算法。

2）基于粗糙分形地表的雷電電磁傳播特性研究（Zhang et al.，2012c，2012d，2013）。基于現代分形理論將地表的高低起伏特征加入FDTD雷電電磁模型研究之中，建立粗糙分形地表下的雷電電磁傳輸模型，然后分別對粗糙分形陸地和粗糙分形海面下的雷電電磁場的傳輸特征進行分析，提出適用于粗糙有限電導率地表和粗糙海-陸交界地表下的雷電電磁理論近似新算法，最后利用FDTD模型結果對其適用精度和范圍進行檢驗。

3）研究了山體和地球曲率對雷電LF頻段地波傳播的影響（Zhang et al.，2014a;Hou et al.，2019）。當雷擊山頂時，由于雷電電磁波在山腳處的反射作用，使得遠距離垂直電場和水平磁場增強，山體越高越陡，增強越顯著。傳播路徑上高度小于1 km的山體對遠場的影響可以近似忽略;而當山體高度大于1 km時，山體的影響比較顯著。當觀測距離小于200 km時，地球曲率的影響可以忽略。考慮土壤電導率和地球曲率的影響時，遠場峰值與理想地面情況下（電導率無限大，平坦地面）的比值近似以指數形式衰減。當雷電電磁波沿海面傳播時，傳播距離每增加100 km，電磁波到達觀測點的時間和峰值點時間分別延遲0.1 μs和0.64 μs;而雷電電磁波沿陸地表面傳播時，傳播距離每增加100 km，電磁波到達觀測點的時間和峰值點時間分別延遲0.36 ms和0.96 ms。

4）研究了雷電電磁波在電離層D層中激發的感應電流密度的時空演變特征，基于二次輻射理論，解釋了一次天波的極性反轉現象以及向西傳播時的“雙峰”現象（Hou et al.，2020）。利用高速攝譜儀獲得的閃電回擊、連續電流和M分量的高時間分辨光譜，分析揭示了閃電光譜特征與放電特征之間的相關性，以及放電通道內部結構與輻射光譜的對應關系，并闡釋了回擊通道在峰值電流時的有關物理特性。

不過由于觀測實驗無法全面呈現整個雷暴云過程細節，因此雷暴云內電過程與動力、熱力和微物理過程之間的關系一直是大氣電學領域的研究難點。而隨著電子計算機性能的提高，利用數值模擬方法研究雷暴云微物理發展、起電和放電過程成為可能。雷暴云的動力-電耦合數值模擬有助于進一步認識雷暴中起電和放電的特征及本質。隨著起電機制實驗室研究的發展，大量的感應和非感應起電參數化方案被提出。很多研究者開始嘗試在云模式中加入各種起電機制的參數化方案，模擬雷暴云內電荷的產生、分布及電場變化的演變特征。郭鳳霞等（2010）在三維強風暴動力-電耦合數值模式中對比分析了不同起電參數化方案對雷暴云電荷結構的影響。Shi et al.（2015）利用二維高分辨率雷暴云起放電模式討論了不同相態水成物粒子之間的感應起電過程對雷暴云電過程的作用。隨著不同的起電機制方案的提出和發展，數值模擬工作通過模擬得到了與實際觀測結果相似的最大電場強度、電場垂直廓線以及空間電荷結構。因此，進一步分析雷暴云動力和微物理過程與電活動之間的相互關系成為了可能。在此基礎上，大量研究揭示了溫濕層結、中底層風速、氣溶膠等環境因子影響雷暴云動力、微物理及電過程的物理原因（郭鳳霞等，2004，2014;Shi et al.，2015;Zhao et al.，2015;Tan et al.，2017;Shi et al.，2020）。隨著對雷暴云內起電活動認識的深入，科學家們發現如果不引進合理的放電過程，只能模擬第一次閃電發生前的云內電特征，而不能模擬閃電發生后雷暴云內的電特征，因此研究和引入合理的放電參數化方案是完善雷暴云電過程數值模擬的基本要求。Tan et al.（2006a，2006b）發展了二維高分辨率的雙向隨機放電模型，闡明了空間電荷分布對各種類型閃電發生和發展的影響規律（Tan et al.，2012，2014;Guo et al.，2016）。此外，Tan et al.（2019）在觀測的基礎上，提出了上行閃電放電參數化方案，實現了在現有的雷暴云模型中模擬上行閃電放電。

6 關于大氣邊界層物理的研究

高志球課題組針對不同下墊面的邊界層特征進行了大量觀測，包括城區和郊區邊界層，農田邊界層、極地邊界層和水體邊界層等（Liu et al.，2020），認清了其中與邊界層相關物理參量的特性，并依據觀測對邊界層中相關算法進行了改進，包括土壤熱通量算法（Gao et al.，2017）、邊界層高度算法（Zhang et al.，2014b）和表面層通量算法（Li et al.，2014）;改進后的算法被世界主流大氣數值模式所采用（如中國的BCC模式和美國的WRF模式）。高志球教授課題組還針對大氣污染-大氣邊界層相互作用進行了深入研究，認清了大氣污染狀況下的大氣邊界層特征，并解析了大氣邊界層對大氣污染的作用機制（Wang et al.，2019）。

7 人工影響天氣理論與技術研究

南京信息工程大學前身南京氣象學院的開拓者之一——王鵬飛先生，在大氣物理學和天氣導變學（人工影響天氣學）方面的研究成果，在國內外享有盛名，是我國現代大氣物理學研究開拓者之一。20世紀60年代，王鵬飛首先表示“氣態直接凝為固態”的術語“凝華”一詞，不僅在氣象學界，而且成為我國廣大科學工作者普遍使用的，作為自然科學各學科共用詞匯。王鵬飛和李子華編撰的《微觀云物理學》（氣象出版社，1989）全面細致且透徹地闡述了云霧降水中微物理過程及原理，填補了我國在這方面的空白。

李子華在內蒙古林西縣組織和指揮過5 a的人工防雹試驗，明顯減少了該縣的雹災損失，為此遼寧省政府授予“在氣象科技工作中取得優異成績”獎。在此期間，提出雷達識別冰雹云的綜合指標方法，在全國得到廣泛應用，并被編入多種雷達氣象教材。以后又參加安徽巢湖、貴州威寧、河南南陽、遼寧沈陽等地的人工影響天氣試驗，為防災減災做出了貢獻。

2005年，牛生杰獲批國家自然科學基金重點項目“層狀云降水物理過程及其人工催化物理效應的觀測研究”。該項目通過飛機觀測，獲得了華北地區云霧的微物理參數，并通過觀測資料對人工催化過程中層狀云微觀粒子的演變特征、可播性性以及潛力區進行了討論（楊文霞等，2005;封秋娟等，2007;王元等，2017）。吳香華等（2015）利用統計模擬方法“bootstrap”分析自然降水變異及其對人工增雨效果評估的影響，研究表明可以通過增加催化樣本量、刪除異常點和選取降水結構相似的對比單元等三種方法來控制自然降水變異的影響;催化樣本量越大，自然降水變異的影響和催化效果的檢出下限越小，并且人工增雨作業的效果和降水量大小沒有直接聯系，而其波動幅度隨著降水量增加而逐漸越小。劉曉莉等（2006）利用數值模式對人工催化對層狀云微物理的影響做了分析，發現模式云被催化后，云中過冷水在200 min表現出恢復趨勢，云中水汽對過冷水的恢復過程做出了貢獻;在過冷水較多的區域播撒液態二氧化碳可以取得較好的催化效率。這些研究直接獲得了層狀云微物理特征并觀測到了人工催化前后云微物理特征的變化，這為人工影響天氣業務開展和理論研究都提供了寶貴的支撐和資料。與遼寧省合作在沈陽、鞍山開展了“東北冷渦天氣系統人工增雨技術”的研究，該研究成果被收入《東北冷渦云物理及導變技術》。

銀燕科研團隊一致致力于云微物理過程的研究，自2010年以來通過數值模擬，對人工催化對云的微物理垂直結構、水汽的垂直分布、降水形成的影響等方面做了一系列的工作（Wang et al.，2013;Chen and Yin，2014;劉佩等，2019）。王黎俊等（2013）通過對三江源地區一次人工增雨作業前后的微物理參數分析，提出了一個針對該地區的人工增雨作業定量化指標。劉佩等（2019）通過數值模擬試驗討論了在不同階段播散吸濕性核對對流云降水的影響，研究發現在云的發展階段早期播撒能起到更好的減雨效果，播撒時間越早對大粒子生長過程的抑制作用越強，且隨著播撒劑量的增加，減效果更加顯著，甚至能達到消雨的效果。通過三維云模式討論了人工播散對水汽穿破對流層頂對平流層的輸送的影響，發現通過播散適量的人工冰核，能夠影響到水汽對平流層的輸送，這將對的氣候存在著潛在的影響（Chen and Yin，2014）。同時，團隊也結合實際人工播撒試驗，對氣候變化下人工防雹效果檢驗等課題進行了探討（王黎俊等，2012）。這一系列的研究成果推動了我們對人工催化理論的認識，也為人工影響天氣試驗的設計提供了理論指導。

2014年夏季，南京承辦“第二屆青年夏季奧林匹克運動會”。開、閉幕式均有降雨，我校李子華被江蘇省氣象局聘為人工消減雨專家組組長，銀燕為專家組成員。參與指揮了人工消減雨工作。獲得了減雨效果，保障了開、閉幕式正常運行。銀燕參加國慶70周年人工影響天氣保障，受到中央軍委的表彰。在2008年召開的中國人工影響天氣事業50周年紀念大會上，李子華被中國氣象學會表彰為“開創和發展我國人工影響天氣工作做出突出貢獻的專家”。2019年我校大氣物理學院被評為全國人工影響天氣先進單位，同時，銀燕被評為全國人工影響天氣先進個人。

8 結語

大氣物理學是南京信息工程大學（原南京氣象學院）1960年建校以來設置的幾個主要專業（方向）之一。在過去的60 a，培養了一大批享譽國內外的高級業務、科研和管理人才，在科學研究方面完成了一批國家級重要研究項目，特別是在云霧降水物理與人工影響天氣、大氣氣溶膠的理化特性及其環境氣候效應等方面，取得了一大批具有重要影響力的創新性成果。云霧降水物理學是大氣物理學重要的研究內容之一，也是災害性天氣預報、氣候變化和環境變化研究的重要內容，其研究成果對中國地區大氣水循環和淡水資源的影響研究具有重要的科學意義和社會現實意義。

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This paper reviews the advances on selected subjects of atmospheric physics in Nanjing University of Information Science and Technology （NUIST） during her 60 years of development，including the physical and chemical properties and microphysical structure of cloud and fog，the microphysical mechanisms of hail formation，the mechanisms of wire icing，the theory and practice of weather modification，the physical and chemical properties of atmospheric aerosols and their influence on cloud and precipitation，the atmospheric boundary layer physics，and the atmospheric electrical processes.

atmospheric physics;cumulus imbedded in stratiform clouds;hailstone;ice nucleus;aerosol-cloud interaction

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201208001

（責任編輯：袁東敏）