本发明涉及人工影响天气的现代化技术系统。

目前，美国、加拿大和日本等发达国家采用的人工影响天气技术系统所采用的探测设备主要是采用各种雷达，多通道微波辐射计，各种风廊线仪等，这些设备比较先进，但价格比较昂贵，不适合发展中国家的推广应用。

本发明的任务的以我国的财力、物力的实际情况出发，设计一种以中尺度气象为基础，兼容可能检测到的小尺度、微尺度资料，借以大尺度气象为背景，从而建立一套技术系统。

本发明的任务是以如下方式实现的：本发明的系统包括：a、建立人工增雨和人工防雹天气时机选择专家系统，采用专家系统指导人工降雨防雹作业;b、设计了MIGS中尺度图形图象工作站应用软件，将其移植到为实时指挥增雨防雹作业非实时各项研究工作提供资料库及图形、图像库;C、采用SSF双通道微波辐射计，对环境水气、云雾微物理结构、大气水气结构进行观测分析、收集资料;d、建立中尺度数值模拟系统，对原始资料 处理和诊断分析，提供每隔3小时的地面气压、降水和等压面的高度、温度、风场、云场微物理量、催化可行性等，并根据需要选择输出图形;e、采用GMS卫星云图全自动接收处理系统，逐小时自动启动的接收程序，接收卫星云图信号并进行实时红外或可见光显示，非实时资料存入数值库，并通过有线、无线传送给基地、外场作业区;f、采用713数字化雷达回波资料传输反演，通过有线或无线传输方式指挥作业;g、采用PMS数据处理系统;h、建立人工影响天气计算机通信网络;I、采用了一批云降水物理数值模拟;Z、开发SUN工作站;K、利用软件将常规资料处理系统移植到人工影响天气;L、将各系统的数据首先：

1，输入：

（1）多种信道送入地面报及雷达资料道入IBM机进行处理，

（2）省台（W）通过有线传入的电报、高空报、地面报、雷达拼图报、物理量网格点报、台风报、雨量报、旬月报、各地请字空域报，作业情况汇报等直接通过有线送入APPLE-Ⅱ，

（3）W发送的静止卫星云图、卫星雷达数字化结果及各种实况图、预报图通过有线送入高速传真机;

（4）CZ-80传真机接收各地有关传真图表;

（5）试验研究基地G传入的各种资料及预处理结果;

（6）加密探空，雨量网点及自动气象站资料。

2、处理

（1）处理试验基地传入或所需的各种资料分析、作业方案专家系统，效果分析专家系统，冰雹云判断专家系统等;

（2）APPIE-Ⅱ机完成自动选报和雷达拼图;

（3）SUPER机完成：①运行人工降雨防雹作业时机选择专家系统，②计算一维层状云和积状云定常，时变模式，③为小型机计算二维积云模式做预处理机;

（4）IBM-PC/AT机完成：①中尺度诊断分析和雷达回波分析显示打印14个物理量并绘图;②大尺度背景诊断分析，显示打印8个物理量并填图;③高空资料处理，显示打印41个物理量并绘图，分析探空资料，绘制各站的T-1np图;④4小时短时预报专家系统;⑤高空报、地面报的自动选报;⑥按专家系统对所有输入的各种图表、资料进行综合分析。

3、输出

①试验基地所需各种处理结果;

②通过APPIE-Ⅱ机答复各地空域情况，下发各种作业指令和零度层及实况电报、雷达拼图结果电报;

③通过高速传真机将云图等有关各种图表下发到所需站台;

④通过高频电话，短波电台答复尚不能用有线联系台站，关于空域情况和下达作业指挥命令;

⑤整理各种资料，为试验提供各种资料，图象计算结果。

本发明通过对卫星、气象资料、冰雹资料的大量统计、分析了水资源状况，冰雹发生规律和有利降雨和防雹天气过程，摸清了人工影响天气的背景条件，从而利用燃弹能准确地进行人工控制天气。

附图为整个系统的框图;

本发明的一个最佳实施例，本发明所采用的人工增雨天气时机选择系统，该系统使用的硬件环境为IBM兼容机8088，80286，80386，80486均可运行，软件环境：MS-DOS或PC-DOS操作系统，CCDOS汉字操作系统，GCLISP语言编程。所采用的知识库的构成是通过总结人工影响天气多年来外场作业中空中实验，雷达观测，高空地面探测和卫星资料等途径，得出一些判据，指标和条件，可催化机率是根据多次地面作业、飞行作业和雷达回波照片资料，求出各条因子和各逻辑值之间由“如果”和“而且”两种条件分别打分的累积平均数，得出关于可催化机率的统计。设因子，规则完备时，如果人工催化与自然激发共同效果最佳的各例定为可催化机率为100%，完全无催化根据或无效，则定可催化机率为零。按上述原则，选择8个因子，经过筛选编制了36条规则。

专家系统知识库因子表

序号                                        因子名                        内容

1                                                温                                        1、云顶温度在－10℃－－20℃

                                                        YW                                    2、500hPa在-4℃－－12℃

2                                                作业部位                1、作业部位－6℃－－12℃

                                                    温度ZW                        2、700hPa温度为-4℃－－12℃

3                                                云厚                                1、≥2.5KW

                                                    YH                                        2、云底高度在1000m左右；云顶高

                                                                                                                度在5.0km左右

4                                                云状                                        1、浓积云发展阶段

                                                                                                            2、积云发展阶段

                                                                                                            3、地形云发展阶段

                                                                                                            4、降水性层状云增厚

5                                                实况                                        1、三小时内自然降水0.0～0.2mm

                                                        SK                                            2、云状云量发展，即将降水

                                                                                                            3、处于系统雨区前部边缘

6                                        天气背景                                1、东北低压锋面雨区前部

                                                            TB                                        2、河套例槽雨区前部

                                                                                                            3、蒙古气旋冷锋雨区前部

                                                                                                            4、台风或变性低压前部

                                                                                                            5、高空东北冷涡东南部，地面有系

                                                                                                                        统配合

                                                                                                                6、高空槽前地面有系统配合

7                                                雷达回波                        1、40dB

                                                    强度LQ                                2、30dB

                                                                                                                                    3    、20dB

8                        云体尺度                                                        1、积云单体水平尺度达到4km×4km

                                YC                                                                            2、深厚系统，积状云，单体联成群

                                                                                                                                体云体尺度≥6km×6K

三、系统软件结构

系统软件由因子库、规则库、实时数据库、历史数据库及四个程序块即知识编译器、推里机、专家、解释系统组成。

图1软件系统结构示意图

1、因子的表达方法

因子库中是以框架结构的形式表示的，用于描述预报知识的广义因子。例如用推架结构表示法对尺体度的描述。

（YC008“云体尺度”）

（&DATA）

（①“积云单体水平尺度达到4km×4km”）

（②“深厚系统积状云，单体联成群体，云体尺度≥6km×5km”）

用这种方法将多个因子排列起来一目了然。

2、规则库与多级知识网络

规则库是以产生式规则的形式，表示作业可催化机率预报知识。形式如：

Rn、F1∧F2∧F5∧F6→C1∧C2…Cm

其中：Rn-规则名

Fn-表示因子Fn（在因子库中描述）取值ⅰ，

Cm-表示结论。其含义是若F1、F2、F3、F4…Fn都满足，则Rn中的C1，C2…Cm都成立。

例如第26号规则：

若TB3-蒙古气旋冷锋雨区前部，

LQ3-雷达回波强度为20dB，

YC3-云体尺度为深厚系统，积状云，单体联成群体，云体尺度≥6km×6km，

YW2-500hpa温度为-0.8℃--20℃，

ZW2-作业部位温度700hpa温度为-4℃--12℃，

YH2-云底高度在1000m左右，云顶高度在5.0km左右，

YZ2-云状为积雨云发展阶段，

SK2-实况表明云状云量发展，即将降水。

则：C-可催化机率79%。

在规则库中每条规则都有序号，且顺序排列，查找和修改都非常方便。

3、系统软件工作流程

当用户使用系统对问题求解时，系统软件根据知识 网络，因子库和输入数据，动态地生成一棵“推里树”进行天气时机选择的。推里过程采用了人工智能理论中的深度优先和部分启发性搜索策略。

工作流程见图3

开始

↓

输入日期,因子库、规则

网络库、数据库名

↓        N

因子库名是*?        →调因子

↓

不调因子库,从数据

库调实况资料

↓

调规则网络

↓

调数据库(历史)

↓

ROOT

↓

在ROOT中造一个NODE结点

↓        N

以NODE        该结点存在        →        返回

N        ↓

为ROOT        ←        是结论

↓

输出结论

↓

←        继续工作

↓        ↓

返回        结束

4、历史数据库

历史数据库用于存放每次时机选择做完后的实时资料和历史上出现的典型天气资料。

系统软件运行得到结论后，要在历史数据库中查找与本次计算结果相似的历史情况，即反映计算结果的历史依据，同时，每次输入的实况资料装入历史库后也了已成为历史资料。

所建立的人工防雹天气时机选择专家系统的主要技术要点：

冰雹虽然属中小尺度系统所造成，但一般都有相应的大的环流背景相伴随，因此我们预报的思想是：第一步是冰雹天气型的判别;第二步是天气学指标有无冰雹的判别;第三步是物理量指标有无冰雹的判别;第四步是卫星云图指标有无冰雹的判别;最后一步是雷达指标有无冰雹的判别。前四步条件符合，说明省内有冰雹， 而冰雹的具体落区是根据各地雷达或防雹区单站指标确定的。系统工作流程如图：

一、系统指标

1、冰雹天气型指标

主要有三种类型。一是东阻低涡（槽）型;二是西高东低型;三是Ω型、以上三种形势在地面上常对应着冷锋、锢囚锋或副冷锋，个别情况也有无锋面的。符合上述三型之一的，就进入有雹天气型的下一步判断。

2、冰雹天气图预报指标

（1）、四点高度距平和。即08时500hpa50°N纬圈上110°、120°、130°、140°E四点高度距平和（∑xi＜10）小于10，则省内有雹。

（2）四点最高值减最小值之差＞7，反应经向度，符合此条件省内有雹。

3、物理量预报指标

K指数大于30℃;沙氏指数（S）小于零;850hpa和500hpa温度之差大于24℃;T-Ta小于5℃;850hpa大于5℃;500hpa24小时变温小于零;850hpa垂直速度小于零，500hpa垂直速度大于零;R指数大于0.5;零度层在3000～4400m;850hpa水汽通量在大值区内，中心值小于10，700hpa和850hpaQse在Q～7之间。

4、云图预报指标

主要有以下三种云型为冰雹指标云：螺旋云系;对 流单体云型;孤立的中尺度云团型。

5、雷达回波预报指标

（1）平显有雹：钩状云回波;指状云回波;“V”型回波;窿结构;

（2）高显有雹：前悬回波或砧状回波;柱状强回波;峰状或塔状回波。

（3）回波强度和顶高：回波中心在30dB以上：20dB回波顶高在9500m以上;反射因子大于105mm6/m3。

与此同时还建立了催化系统，我们所研制的催化系统是根据云雾物理原理，将国内、外已有的分散的作业催化工具，催化方法集中起来，进行优化组合，构成一套适合于北半球中高纬度（我国北方）地区人工催化云体物理变化的具体方法集。

它由硬件及相应软件组成：

（1）硬件包括：发射式航空焰弹系统、干冰播撒装置、碘化银溶液燃烧炉。

（2）软件包括：在总系统中专家系统中的催化判别模式程序和探测系统中实时六体资料的输出程序。

使用的方法：根据实时的探测系统输出，专家系统开始根据判别模式的知识进行自动判别，结合各催化工具的使用特性，优选出所要使用的作业工具和催化方式，供指挥人员进行催化作业的实施。

所设计的MIGS中尺度图形图象工作站用于实时指挥增雨防雹作业，为实时与非实时的工作提供最新水平的各类图形、图象等方面的工作。即适用于人工影响天气作业及云物理试验的实施和研究，也适合中尺度短时预报和云雨天气分析。

1、工作站的特点

（1）多画面工作体制，即达到多幅图同时显示的目的，又降低了系统成本。每个物理显示屏分成4个逻辑屏，需要时可以放大到整个物理屏上显示。

（2）各逻辑屏独立调色。逻辑屏显示不是简单的开窗，改换任一逻辑屏显示图不影响其它逻辑屏的彩色。

（3）完整的选加功能。工作站中有卫星投影和兰勃特投影图，有大尺度和中尺度图，有图象和图形，这些均可实现任意相互选加。选加方式有①图象+图形;②图象+图象边界;③图象+图象;④图型+图形四种。

（4）工作站为开放系统，允许用户自编应用程序进入工作站，用户可以不断开发新产品，更新老产品，功能不断“生长”扩大成为可以生长的系统。

（5）极佳的用户友好特性

提供揭示窗，帮助用户上机操作。

提供交互窗与用户进行回答，由用户根据提示做选择，提高灵活性。

单管理，免除了用户记忆一些特殊的系统参数，

单自动完成各项功能管理和相应的辅助操作。

稳定可靠，可以不间断运行。

（6）显示的图类多，资料更新快

GMS卫星：每小时生成卫星投影及兰勃特投影的可见光和红外云图共4种。

常规高空：每12小时生成3层次的高度、温度、湿度、露点差、风场、散度、涡度、垂直速度等。

遥感：每小时生成微波辐射计的水汽时序图及比湿廊线图。

2、工作站的功能

该工作站可以显示四类气象资料：GMS卫星资料、雷达资料、常规资料、邀感资料;可做动画显示和云体运动轨迹显示。

所采用的SSP双频微波辐射计技术是对对流层水汽和液态水进行遥感探测，得出水汽和液水总量用于超短时天气预报的技术。经我办与开发方的协议，在此基础上开发出一套人工影响天气用微波遥技术。它的基本硬件组成如下：

多用途(飞机、雷达、车载兼容量)的天线系统

↓

探测设备        公用接收机        双通道共用

姿态陀螺        转换装置

数据采集用计算机

基本原理：（1）测得水汽1.3fcm微波吸收线附近的大气热辐射以获取水汽场的信息;

（2）对云体，测出其1cm附近大气窗区的辐射，运用云模式方法计算云中液水的信息;

（3）配合探空设备（探空球及飞机PMS系统）测出的数据与其水汽、液水输出进行计算机自动识别，得出大气对流层内部水汽，液水垂直分布;

（4）将辐射计装置于飞机、汽车等运输工具，对大气的水平分布进行机动的遥感，得出水汽。液水的水平分布;

建立了中尺度数值模拟系统

1、系统模拟范围及原始资料

该系统以126.8°        E、45.8°        N哈尔滨观测站为中心，水平格点数为25×31格距100km，2400×3000km范围。初始资料包括区域为50、52、53、54、30、32、44、47区的110个测站观测资料。

2、模拟运算系统运行流程

a、原始资料预处理，把从报线获取的资料进行翻译、格式转换、检误处理，为运算做准备。

资料预处理

↓

网格化处理

↓

积分运算

↓

诊断分析

b、网格化处理，将经过预处理的高空地面资料内插到规定的网格点上再从P面插到面上，为积分运算做好初始场。

c、积分运算，预报计算是采用三维、静力平衡，原始方程模式。

d、诊断分析，利用积分运算输出结果，从σ面上的U、V、T、等计算出P面上的U、V、T、等物理量。

3、图形显式运算结果

根据中尺度输出量特点，直接形成×××·GRD文件，利用Sarfer        Acesion系统绘制输出物理量的等值线图。

4、系统主要功能

可提供每隔3小时的地面气压，将水和规定等压面的（850、700、500、400、300、200、150hpa）位势高度、温度、湿度、风场、涡度、垂直速度、水汽场、位温、假相当位温、假湿球位温等24小时预报。

所采用的GMS卫星云图全自动接收处理系统由卫星接收机、天线、高频分机、进机板、显示器和主处理机组成。自动接收静止卫星发来的信号，将原始数据存盘 并自动处理成红外和可见光云图，自动加经纬度网格、地图、温度标尺，城市标准。可保存最新32个时次的卫星云图，可以对云图进行区域放大，定位单点经纬度值、温度值和原始数据，对保存的16幅动画系编辑修改。动画显示有前进、后退、静止功能，并可根据需要改变接收时次和云图中心位置，为准确监视天气形势，指挥人工降雨，防雹提供保证。

本发明所设计的713数字化雷达传输反演技术要点。

在人工影响天气作业指挥工作中，主要通过雷达回波了解天气发展动向，掌握作业时机。

一、硬件环境

计算机：386微机

显示器：20英寸        1024×1024分辨率，隔行扫描方式。

图形板：科星公司5型板

调制自调器（有线）Active        2400BPS

二、软件环境

操作系统：DOS3.3

大屏幕初始化库函数软件：BAS        LIB

通讯软件：XCOM

二、工作流程图

713雷达        电话线

A/D转换        2400bps

数据采集        Modem

1024×1027        AST-286        386        1024×1024

20"CRT        20"CRT

2400bps        计算机网

Modcm

电话线

省台雷达站        省降雨办

图1省气象台数字化雷达系统和降雨办雷达传输反流程图。

三软件功能

1、128km平显（PPI）

2、256km平显（PPI）

3、12km高度，128km距离高显（RHI）

4、12km高度，256km距离高显（RHI）

5、128km距离的等高平面显示（CAPPI）

6、256km距离的回波等高平面显示（CAPPI）

7、128km距离的回波顶高平面显示（ETPPI）

8、256km距离的回波顶高平面显示（ETPPI）

PMS数据处理系统的建立

该系统可运行任何微机上，主要由主处理机，磁带机接口板，磁带机设备驱动软件组成。改系统将机探测到的原始粒子数据磁带进行预处理成磁盘文件，然后调用软建将一维粒子资料处理成所需的微物理数据文件存盘，二维粒子图象输出显示，可以存盘、打印、该系统输出产品，结合地面、探空和卫星、雷达资料，对研究我省人工影响天气微物理过程，探索北方人工降水资源条件提供根有价值的资料。

所设计的人工影响天气计算机网络包括：

一、网络硬件及软件环境

我们选择的计算机网络，是以美国SUN        micro        System公司的SUN        SPARC        Statm        1图形工作站为中心处理机兼网络服务器，该机硬盘容量为104M+208M，内存8M，网络软件及网络接口板内置，使用NPS和PCNPS网络软件进行管理，实现资源共享，网络服务器与各网络工作站之间采用同轴电缆连接，节点工作站安装3C503网络接口板。

二、网络应用

1、数据采集

各节点计算机可以把实时常规气象资料、实时GMS卫星资料、713雷达资料、微波辐射计资料送入网络，中尺度图形工作站，专家系统在计算机网络上获取资料 后可被激活开始工作。

2、任务重新分布

SUN        SPARC        Statm、1具有12.5MIPS的处理速度。因此，一些大型任务的处理工作可以交给SUN工作站完成。

3、共享存贮设备

可以利用挂在网络上的1/2时，1/4时磁带机存贮资料（数据库、图形库等历史资料）。

所设计的云与降水数值模拟技术要点：

1、动力学框架

一维模时变积云模式只考虑垂直方向空气运动，而不考虑水平运动，云与环境之间的交换则引入夹卷率来弥补，云外为满足静力平衡条件，一维层状云时变模式假定水平范围内均匀，垂直运动由大系统抬升形成，满足静力平衡条件，二维模式是轴对称模式，是将方程组在柱坐标中写出来，云是关于中心轴为对称，三维模式为静力平衡，原始方程模式，坐标系为兰勃脱保角投影图上的直角坐标系，垂直方向为纵坐标。

2、微物理过程

一二维模式较详细地考虑了26种主要微物理过程。它们包括凝结（凝华）、蒸发、粒子间的碰并（碰冻）、冰晶核化、繁生、冻结、云雨、冰霰等自动转化过程，三维模式由于计算量过大则只考虑几种最主要微物理过程 如冰相、水汽、液水等量。

3、云与降水的数值模拟计算

a、模拟出地面的有效降水情况

b、模拟出云场情况

c、模拟出云内各微物理量时空分布情况或其是其中几种主要微物理量如云中液水冰晶等。

d、模拟出冰雹形成，发展情况

e、模拟出人工催化后云场情况以及选取最佳催化时机，可播度等。

设计了SUM        SPARC图形图像工作站在人工影响天气中的系统。

SUM        SPARC        Statim采用UNLX系统，运算速度，图形图像处理功能强，应用软件开发环境完善，基于各云面因素的综合考虑，我们在我省人工影响天气实时作业和排雹时研究工作中做了如下尝试：

1、在人工影响天气现代化技术系统计算机网络中SUM        SPARC        Statim作为网络服务器使用，解决常规资料，遥感资料的传输，图形图像处理和存档，及时准确地反映天气场，云雨信息的变化。利用UNIX操作系统支持为用户为任务的特点，常规资料的预处理（检验、客观分析）遥感图象数学化预处理，中尺度数须预报模式、三维层状云模式等大量的数值计算作后台定时批处理作业，前台图形图象分析设计成反互式人机友好界面，实 现各种物理量叠加，为窗口输出动画等显示方式，为云雨天气分析人员提供便捷的分析工具和云时效云质量的信息。

2、开创性地把PHFGS图形软件包括于开发人工影响天气图形处理应用软件，实现具有平滑表面，可打光、带阴影、有明暗色彩过渡和快速视角度换的三维图形显示，用于描绘各种物理量场的空间分布和发展变化，配合云模式作云中微物理量的空间分布和云体的发展变化，直观显示如冷暖平流，水气输送，零度层云度等，结合人工增雨作业技术指标作用作业时机，作业部位和作业效果的图示。

3、图像显示实现图屏256个层次，最大限度地保持了接收机信息量，所存档文件为进一步数值应用，如利用数学化云图测降水，风场、云场、云厚、云中微物理量的分布，利用数字化雷达资料反演降水等工作，提供适用的数据库。

常规气象处理系统，这个系统的建立，为现代化的人工影响天气工作提供了迅速、准确、完善的资料库。

硬件包括：单板机、绘图仪、单/双流转换器、286微机。

软件包括：收报、发报程序、建库程序、该系统主要用于气象常规资料的预处理，是人工影响天气技术系统的基础，它由干面几部分组成：（1）外线检测系统、（2） 填图系统、（3）单/双流转换系统、（4）报文收报建库系统、（5）键盘发报系统。

整个系统的工作过程是：将各系统的数据首先：

1，输入：

（1）多种信道道入地面报及雷达资料道入IBM机进行处理，

（2）省台（W）通过有线传入的电报、高空报、地面报、雷达拼图报、物理量网格点报、台风报、雨量报、旬月报、各地请字空域报，作业情况汇报等直接通过有线送入APPLE-Ⅱ，

（3）W发送的静止卫星云图、卫星雷达数字化结果及各种实况图、预报图通过有线送入高速传真机;

（4）CZ-80传真机接收各地有关传真图表;

（5）试验研究基地G传入的各种资料及预处理结果;

（6）加密探空，雨量网点及自动气象站资料。

2、处理

（1）处理试验基地传入或所需的各种资料分析、作业方案专家系统，效果分析专家系统，冰雹云判断专家系统等;

（2）APPIE-Ⅱ机完成自动选报和雷达拼图;

（3）SUPER机完成：①运行人工降雨防雹作业时机选择专家系统，②计算一维层状云和积状云定常，时变模式，③为小型机计算二维积云模式做预处理机;

（4）IBM-PC/AT机完成：①中尺度珍断分析和雷达回波分析显示打印14个物理量并绘图;②大尺度背景诊断分析，显示打印8个物理量并填图;③高空资料处理，显示打印41个物理量并绘图，分析探空资料，绘制各站的T-1图;④4小时短时预报专家系统;⑤高空报、地面报的自动选报;⑥按专家系统对所有输入的各种图表、资料进行综合分析。

3、输出

①试验基地所需各种处理结果;

②通过APPIE-Ⅱ机答复各地空域情况，下发各种作业指令和零度层及实况电报、雷达拼图结果电报;

③通过高速传真机将云图等有关各种图表下发到所需站台;

④通过高频电话，短波电台答复尚不能用有线联系台站，关于空域情况和下达作业指挥命令;

⑤整理各种资料，为试验提供各种资料，图象计算结果。

其简要框图为：