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1、人工影响天气基本原理,黄毅梅 0371-65999225 huangyimei,基本思想,除少数情况，人工影响天气实际上就是人工影响云，一方面改变云中微物理条件及过程，另一方面通过第一方面的作用促使云中宏观动力过程产生相应变化。 向某些发展降水尚缺条件或降水效率不高的云中播撒催化剂 改变构成云体的云质粒相态或谱分布，促使云体向胶体不稳定发展 进而由微物理过程的变化间接引起宏观动力过程产生变化 最终出现降水或使降水增大。,基本思想,现阶段的人工影响天气工作主要是通过人为地在云中播撤（Cloud Seeding）某些物质，改变云、雾和降水的物理过程，以达到以下目的： (1)增雨（雪）Precipi
2、tation Increase (2)消雾、消云Hail Damage Mitigation (3)抑制冰雹Fog Dispersal,增加降水-冷云人工增雨,原理 过冷云中，如果因为缺乏冰晶或冰晶甚少而不能降水或降水强度甚弱的话，可以人工地增加云内冰晶浓度以引发云层降水或增大其强度,增加降水-冷云人工增雨,基本思路 冷云中降水质粒是由冰晶效应形成的，要求降水性冷云中必须存在足够数量的冰晶； 自然界有些冷云不能产生降水或降水效率不高，就是由于云中缺少足够数量的冰晶； 人工地引进一定数量的冷云催化剂，如干冰、AgI，使云中产生足够数量的冰晶，使云内降水形成过程得以实现。 过量播撒冷云催化剂，产生
3、的冰晶数量过多，数密度很大，都不能够增长得足够大，可用此方法延缓或阻止降水发展。,有二种方法可以增加云内冰晶 撒播冷冻物质以降低局部云体的温度，使冰核发生作用或促成云滴自生冻结，干冰、液N2是常用的冷冻剂。干冰在1个大气压下表面温度低达-78，升华1g干冰可产生10101012个冰晶。 缺点是贮运不便，不能在地面对云作业。 具有无毒和成冰阈温高等优点,增加降水-冷云人工增雨,增加降水-冷云人工增雨,An equipment for seeding liquid N2,增加降水-冷云人工增雨,播撒其微粒能充当有效冰核的物质，如碘化银(AgI)、介乙醛、间苯三酚和硫化铜等 AgI有两种晶体结构：六
4、方体和立方体。前者与冰结构相似，晶格常数极为接近，故能起冰核作用，成冰阈温比较高，低于-4即可成冰。在-10时，1克AgI可产生10121013个有效冰核，是一种高效催化剂。,增加降水-冷云人工增雨,作用机制 T-12时，凝华核 -12T-5时，凝结-冻结核 T-5时，接触冻结核 使用方法 溶液燃烧法（地面和飞机）：缓慢，单炉发生率小但成核率最高。 爆炸法（高炮和火箭）：单位时间内输出率大，但成核率最低。,增加降水-冷云人工增雨,试验结果 当云顶温度高于-10或低于-24时，播撒无效；云顶温度处于-10-24时，播云有效。 因此把-10-24的温度范围称为播云温度窗口。,增加降水-冷云人工增雨
5、,增加降水-冷云人工增雨,积云动力催化,思路 上述静力催化原理，着眼于影响云的微物理过程。 若能影响云的动力过程，促进云体宏观发展，那么降水量有可能较大地增加，因为形成更大的云体，能产生更多的凝结物，由于它们的尺度大，可能更有效的利用这些凝结物。即使降水效率维持不变，由于云体大，生命周期长，降水总量也会增加。,积云动力催化,目前主要通过过量播撤人工冰核(102104/L)，使过冷水滴全部冰晶化，释放大量冻结潜热，使云上升得更高，发展得旺盛。 对于层状云，大气通常处于热力学稳定状态，人工引起的微小的温度变化，只能把原来很慢的每秒几厘米的上升速度变为每秒1米左右，因此只能引起很弱的嵌入对流。所以，
6、静力催化仍然是影响层状云降水最常用的方法。,积云动力催化,动力催化和静力催化的相同点 影响区域都是过冷水云区域 影响的对象都是过冷却云滴 使用的催化剂都是冷云催化剂 动力催化和静力催化的不同点 目的不一样：静力催化把过冷却云层中的云水变成降水质粒；而动力催化是用过冷云滴冻结时释放的潜热加强上升气流，使积云发展。 剂量不一样：静力催化每立方米只需103104个冰核；而动力催化要使过冷水滴尽快地冰晶化，必须大剂量播撒，一般每立方米需105106个冰核，与静力催化有一到两个数量级的差异。,积云动力催化,暖云人工增雨,大陆性暖积云很难产生降水，降水效率不高。是由于吸湿性巨核极少，云滴谱很窄，云滴大小较
7、均匀，微结构常呈胶性稳定状态，碰并过程进行得很慢。而海洋性暖积云的滴谱较宽，云体内含有较多的大水滴，通过大云滴碰并小云滴，易实现云雨转化。总之，大水滴的存在是暖云降水的关键。 基本原理 在因为缺乏大水滴而不能降水或降水强度不大的云内，人工地引进大水滴或吸湿性大核，就可以改变云内滴谱分布，使之变宽，则能破坏云体的胶性稳定状态，促使云内碰并过程有效地进行，从而导致降水的产生，提高降水效率。,暖云人工增雨,向暖云提供大云滴的方法也有二种 直接喷洒水滴和播撒吸湿性物质。后者如食盐(NaCl)和氯化钙(CaCl2)等。 引入盐粒后，影响其成长的因素主要是云中的上升气流速度、液水含量大小及云体厚度等自然条
8、件，同时引人盐粒的大小、浓度及催化部位、时间也直接影响人工催化的效果。 把盐质粒播撒到云底附近，以便提供形成云滴所必须的核。,暖云人工增雨,人工防雹,播撒冰核催化剂抑制冰雹 水份累积区理论：雹云中存在一个液态水分累积区，处在最大上升气流层之上，那里积累了过冷却水大水滴，含水量可达20-30g/m3，冰雹就生长在这个区域内(称为雹源)。 积累的总液水量是有限的，与最大上升气流速度成比例，并认为在冰雹生长过程中总液水量不变，即NR3=常数(N是雹胚数浓度，R是冰雹半径)。 在大冰雹形成以前，向雹源内引入大量人工冰核，增加雹胚浓度，可以限制冰雹的增长。,人工防雹,减少冰雹生长区水源供应 冰雹是由胚胎
9、不断与过冷水滴碰并而增长大的。在冰雹生长区，水源供应非常充足，如果向云下部暖区引入吸湿性粒子，使该区云滴增大，促进并合，加速暖云降水，就可以减少进入过冷却区的水滴。因此，这个方法旨在于改变冰雹胚胎的生长条件，减少冰雹生长区的水源供应。,人工防雹,爆炸对冰雹云的作用 激发大量小的对流云形成，以释放对流不稳定能量。 爆炸产生的冲击波和声波，引发下沉气流可以对气流产生制动作用 爆炸冲击波使冰雹破碎变软 冲击波触发过冷水的冻结,人工防雹,人工消雾,概念：消雾的目的是改善能见度 能见度V为一个黑色的目标以地平方向的天空为背景在白天能够看到(对比感阈为0.02时)的距离 N为雾滴或冰晶的数浓度，r为雾滴半
10、径，K是雾滴的散射效率，对于可见光和球形雾滴约等于2。 从方程看出，要改善能见度就必须或是减少雾滴的数浓度，或者减小它的半径，或者两者兼而有之。 由于能见度和半径之间的平方成反比关系，例如，半径减小到原来的1/3，能见度就要增加为原来的9倍。另一方面，数浓度减小到原来的1/3，能见度只能增加为原来的3倍。,人工消雾,主要途径 蒸发法减小雾滴半径 使水汽在吸湿性物质上凝结 加热提高雾环境的温度，增加含雾空气的水汽容量 用自然干空气或人为地提供干空气使之与雾混合，促使雾滴蒸发,人工消雾,主要途径 阻止法 防止雾的产生。要做到这一点就要控制水汽、核和(或)生成雾所需的冷却过程。 用阻碍凝结的化学物质
11、 人为地制造云层减小地面辐射输出 防止法的作业规模一般比只企图消除一部分雾所用的物理消除法和蒸发法的规模大一两个量级,人工消雾,消过冷雾 人工影响天气中最简单的是消除过冷的雾。 原因：过冷雾虽然是胶性稳定的，但是处于热力亚平衡状态。过冷水滴的能级高于更稳定的冰相的能级。只需加入很小的能量便可使过冷水滴转化成更稳定的冰相，最后导致雾的消散。 方法同人工影响冷云降水,人工消雾,人工消雾,消暖雾 使雾和上面的较干而暖的空气机械混合，直升飞机下搅混合 加热空气 用吸湿性物质使空气干燥 消雾效率：某吸湿性物质所产生的地面最大垂直能见度和氯化钠所产生的相应能见度之比,人工消雾,消冰雾 目前，冰雾一旦形成以
12、后，还没有什么实用的消雾方法。虽然消暖雾的方法原则上也适用于冰雾，但要使这些方法在很低的温度下仍旧行之有效，需要的能量很大，再加上后勤上的一些要求，使得这些方法在经济上是不可取的。 但是，冰雾可以通过对导致冰雾形成的人为造成的核和水汽源实行控制的办法来防止。,设备-机载火焰发生器,设备-机载火焰发生器,冰核火焰发生器,吸湿核火焰发生器,设备-机载火焰发生器,设备-机载焰弹发生器,设备-机载焰弹发生器,设备-地面火焰发生器,设备-地面火焰发生器,设备,Mobile rocket launcher,设备,设备,mobile Doppler radar,人工影响天气的 科学作业与效果检验,存在的困难
13、,理论上： 1）自然云和降水过程的物理机制还末完全认识清楚； 2）人工影响天气的理论还不成熟； 3）预报的准确性还不能满足人工影响天气的需要； 4）还没有一种公认的完全令人信服的检验方法。 现实中： 1）云的特征存在明显变动性，很难说明试验是成功的 2）播云试验常无计划进行，缺乏科学控制难以评价结果 3）有些播云操作者过分渲染试验结果,存在的困难,现存的主要困难： 1）降雨降雹在时间和空间上的自然变差特别大，人工影响的效果往往埋藏自然变化之中； 2）积云，特别是雹云本身的变化很迅速，自然变化的时间尺度和人工影响的变化的时间尺度差不多，二者不易分清，这对物理检验是很不利的； 3）预报不能十分准确
14、，以致使增雨、防雹效果的识别变得更加困难。,科学作业,1）选择有利的天气条件：不稳定条件 2）选择有利的催化对象：云的类型 3）选择有利的催化时机：发展阶段 4）选择有利的催化部位：上升气流区；积云上升气流区在前部：“找云头不打云尾”。 5）播撒剂量要适当：不能过量。决定于云的上升气流速度、温度结构等。 6）飞机播撒选择有利的作业航线：条形循环、与高空风垂直。 7）高炮作业选择引信自爆时间、用弹量、作业间隔时间。可分散、分批、间歇。,影响区域的计算,AgI粒子人云后，需要进行一系列的微物理过程，最后才能增长成为雨滴。这大约需要半小时的时间，而且AgI粒子及其水成物是在随风移动的，即使形成雨滴下
15、落，也需一段下落时间，在下落过程中，雨滴仍然随风移动。 人工增雨作业的影响区，既与炮击部位有关，又决定于高空风速风向及雨滴下落未速度。雨滴下落未速度与雨滴大小有关。,影响区域的计算,以炮击层状云为例，若700hPa风速12米/秒，500hPa风速7米/秒，取平均10米/秒，相当于风速600米/分。700hPa到地面，取平均风速5米秒。假设由AgI作用，20分钟即能降雨，雨滴由云底下落8分钟到达地面，则人工增雨落在距离炮点12公里以远处的下风方,外场试验常有“炮响雨落”现象。即使如此，落地的雨滴也不一定落在炮击点的下方或炮点。只有在高空风较小时才有可能落在炮点附近,常 规,加 密,专 项,监 测
16、 系 统,通 信 网,资 料 采 集,资 料 库,分 析 平 台,空 域 申 请,天气尺度,中 尺 度,云 尺 度,模 型 判 据 指 标,飞 机,火 箭,高 炮,作 业 系 统,效 果 分 析,通 信决 策 指 挥 系 统,预 报,预 警,决 策,指 挥,提供资料,接受指令,反馈结果,指导检验,反馈实况,指挥实施,反馈验证,提供依据,影响 区域,效果检验,效益评估,人工影响天气业务技术的组成及各部分之间的关系,人工影响天气分段业务流程,申报作业计划， 发布加密观测 一级指令，人 员装备待命。 天气预报量化 指标+预报员经 验。,预选作业云区 及催化方案， 发布加密观测 二级指令。 各类数值云模 式的业务化应 用。,确定飞行作业 方案，办理当 前架次飞行手 续，发布观测 三级指令。 云图雷达探空 闪电辐射计加 密雨量等监测 信息实时反演 客观判别。,跟踪目标云， 实时识别催化 条件，有效实 施作业。 多站雷达观测 上传，GPS定 位，机截气象 仪、PMS监测、 空地信息实时 互传。,评估单架
