《第十一章 人工影响天气基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十一章 人工影响天气基本原理（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十一章 人工影响天气基本原理第十一章 人工影响天气基本原理 人工影响天气和气候既是人类千百年来的古老愿望，又是今天迅速发展着的一门新兴学科。一切人为影 响(有意识的和无意识的)天气和气候的活动都属于这门学科的研究范畴。 人工影响天气是建立在云降水物理学基础上的一门应用科学技术，在深入研究云动力学和微物理学特征 及其相互制约关系的基础上，根据云降水的形成和发展变化规律，因势利导，施加人工影响，以便使天气状 况向人们所希望的方向演化。 前面已经讲过，能否降水与云中微物理条件及过程有关，能否降大量降水则与云的宏观条件有关。除了 少数情况外，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
2、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。 现阶段人工影响天气主要致力于在适宜的地理背景和自然环境中，选择适当的云体部位进行人工催化作 业，以达到(1)增(加降)雨（雪）；(2)消雾、消云，(3)抑制冰雹等目的。尽管在方法技术上并不完全成熟， 还处于科学研究和应用试验相结合的阶段，但已经取得了一定的成效。有些国家已形成了人工增雨、防雹和 消雾的业务体系，对国民经济和人类抗拒自然灾害有促进作用。 在过去的40多年中，播云技术作为增加降雨量、抑制冰雹增长的一种方法得到了发展。播云增加的雨量 是有一定比例的，在比较成功的地区，增加量约为5%一20%。这些增加的水量降落在农
3、田地区，对农业丰产丰 收会有很大的帮助；如果降落在山区，则有利于水力发电和灌溉；在重要林区，人工增雨为扑灭森林火灾起 了关键作用。我国先后有20个省、市、自治区开展人工防雹，多数地区取得了一定的社会和经济效益，在一 些有专业技术人员参加组织试验的防雹地区，初步统计资料分析表明，雹灾面积减少40一80。 然而必需认识，播云技术具有不确定性，应用时务必慎重决策。 下面简单介绍人工影响云、雾和降水的基本原理及方法。 1.增加降水1.增加降水 当云中既有足够大的水滴或冰质粒，就有可能发生云水转化，产生降水。但降水能否长时间维持，这就 要看有无充分水汽供应，这就牵涉到云中气流、云体厚度和生命期等宏观条件
4、。这就是说，能否降水与云 中微物理条件及过程有关，能否产生大量降水，则与云的宏观条件有关。所以降水问题是一个宏微观物理过 程相结合的问题。 目前人工降水的基本思想是向某些发展降水尚缺某些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，促使云体胶体不稳定发展，并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。 1.1. 冷云人工增雨的原理1.1. 冷云人工增雨的原理 冷云是指温度低于 0的云。在这类云中过冷水滴、冰晶和水汽三者共存，产生降水的关键是云中冰水 转化。早在1935年贝吉龙(Bergeron)提出如下的理论假说：由于同温度下冰面饱
5、和水汽压小于水面饱和水汽 压，当实际水汽压介于两者之间时，过冷云中的冰晶将不断夺取空气中多余的水汽，水滴则不断蒸发，冰晶 则通过凝华迅速增长。此即冰晶效应。这种水滴不断蒸发、冰晶不断长大的过程，即冷云中冰水转化过程称 为贝吉龙过程，我们也称作蒸凝过程，它是冷云降水的核心，是近代人工影响冷云降水的物理基础。 过冷云中无冰晶时，它是相当稳定的。设法改变云内相态结构，在云中制造适当的冰晶，破坏其微结构 的稳定性。一旦出现了冰水共存状态，就会出现蒸凝过程，产生冰水转化。冰晶长大成为降水粒子后，可以 通过与过冷水滴碰冻结凇增长，降至暖区融化后，再经重力碰并进一步长大，最后形成较大的降水质粒。 所以人工影
6、响冷云降水的基本思路是： 1）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； 2）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； 第十一章 人工影响天气基本原理http:/ 第1页 共14页2011/11/23 17:39 3）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。 4）过量播撒冷云催化剂，产生的冰晶数量特别多，数密度很大，使它们不能够增长得足够大，可以利用 这种方法延缓或阻止降水的发展。 上述播云，使云内产生最佳冰晶数密度，促进降水形成的概念，称为静力催化。 在温度低于零
7、度的云中，当有过冷却水滴存在时，就具有热力学相态的不稳定性。一旦有冰晶形成，水 汽将通过扩散作用消耗过冷却水滴并促使冰晶迅速增长。在过冷却云体的上部，大约每立方米有1000个冰晶 就足以引起降水发展。当温度为 -20或更低一些时，将因自然核的作用而形成冰晶。在温度稍高一些的云 中，人工引入冰晶，只要其浓度达到每立方米1000个，就可以促进降水发展。 人工降水试验结果表明，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。胡志晋(1986)利用比较完整的层 状云模式进行人工催化数值试验表明，当云中冰晶浓度达到
8、5/L，而过冷水含量仅为 0.05g/m3时，催化后冰晶 浓度可增大到20/L，降水量可增加16，人工增雨的水分除冰水转化外，主要来自水汽凝华。即使有些层状 冷云人工增雨的潜力很小，仍存在着降水随时空分布的人为调整问题。播云不仅能改变各种物理过程的时间 进程，也能改变降水的落区。 干冰(固体CO2)和碘化银(AgI)是促使形成冰晶的主要催化剂。CO2升华的平衡温度是-78，这一温度甚至 低于水的匀质核化冻结温度。把颗粒状干冰喷射至过冷却云中，在它下降的路径上，将促使大部分云滴产生 冻结。实验室试验证明，可以通过燃烧某些银的化合物使之产生AgI质粒烟剂入云。虽然AgI的成核效率在阳 光曝晒下会受
9、到损失，同时也可能在较暖的温度下被沾湿，但观测表明，AgI质粒至少在某些条件下确实是一 种有效的冰晶源。 有二种方法可以增加云内冰晶。 (1)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，升华热为572.9KJ/kg（水：2834 KJ/kg）。干冰周围的空气被剧烈 冷却，在-40等温面所包围的空间，云滴同质核化为冰晶（自发冻结核化阈温为-40），水汽在较高过饱 和度下凝结于微小水滴之上（异质；同质阈湿为800%），随后又同质核化为冰晶。所以干冰撒入云内后可产 生大量冰晶。据实验测定，升华1g干冰可产生10101
10、012个冰晶。用干冰影响过冷云时，常把它破碎成直径为 几厘米的小块，从飞机上投放在云的过冷部位，或将干冰装入金属网内，置于机舱外面，飞机穿云时，经过 过冷部位而发生作用。干冰的缺点是贮运不便，不能在地面对云作业。但具有无毒和成冰阈温高等优点。 (2)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。这类物质虽然 很多，但作为冷云催化剂(能在过冷云中产生冰晶的物质)以碘化银的性能为最好。因为碘化银的成冰阈温高 达-4左右，成核率(一克催化剂产生的冰晶数)高达10121015个/克(因制备方法不同而异)，其它物质皆不如 AgI好。碘化银系淡黄色粉末，能溶于碘化钾或碘化
11、钠的丙酮溶液中，也易溶于液氨中，在600以上的高温 中可汽化。以上性质常被利用来获取碘化银微粒。碘化银的撒播方法很多，在空中，当飞机穿越云层时燃烧 碘化银的丙酮溶液，碘化银先升华成为蒸汽，蒸汽冷却凝华成大量碘化银微粒(其尺度一般为0.515m)。也 可以把碘化银和其它燃烧剂一起制成焰弹，从云顶或云侧发射入云。在地面作业中，将碘化银的丙酮溶液喷 入高温炉中燃烧，所产生的碘化银微粒随风扩散，有一部分进入云中。这种方法虽然简便，但碘化银的利用 率不高。在我国更多的是用高炮或火箭发射装有碘化银的炮弹，直接送入云内过冷部位。 人工使云中产生冰晶所能造成的效应还取决于所播的云是层状还是积状。 若有一块层状
12、云，云顶呈过冷却状态，但云体尚未超越-15的高度，这种云由于温度相对地高了一些， 自然冰核不足，自然降水过程必然进行得很缓慢。若在这类云的云顶附近，播撒AgI或干冰以引入冰晶，就可 第十一章 人工影响天气基本原理http:/ 第2页 共14页2011/11/23 17:39 能促成云产生本来不会出现的降水。但是由于层状云中液水含量较低，所以形成的降水量很少。假如由于大 尺度气象因素的作用，使得云体持续维持，则可以进行重复播撒，以便增加累计降水量。若层状云的云顶温 度已经低于-15，那么并不需要通过播云就能开始降水。但是在某些情况下，通过播云可以稍稍改变降水的 地理分布。例如可以促使雨或雪下落在
13、分水岭地段，而不是下风方向几英里处。 对于云体比较小、生命期比较短的积状云来说，播云可以促使冻结现象早一些出现，而且出现冻结的高 度也可以比自然冻结高度低一些。但是若要求对云的发展产生更明显的影响，就不是那么容易的了，除非是 非常特殊的情况。至多，播云可以促使云体产生本来不会下降的少量雨雪，或者促使云体比不播云时稍早一 些出现降水。长时间维持的大积雨云，可以产生自然降水，对它播撤冰核不能改变云体的降水总量。 与冻结作用相伴的是融化潜热的释放，它表征着过冷却云中固有的潜热不稳定性。这种不稳定性可以通 过播撒冻结核或干冰来触发，从而为上升气流提供浮力，在某些云中，这种作用对形成降水具有决定性意 义
14、。在某些情况下，由于上空存在着薄的逆温层的阻挡作用，积云的垂直发展受到一定限制，而播云释放的 附加潜热可能相当充分，它在少数这类例子中，曾促使云体穿透这种逆温层向上作进一步的发展。 1.2. 云的动力催化原理1.2. 云的动力催化原理 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。 用什么样的方法进行播云能促进云体发展、增加降水量呢？目前主要通过过量播撤人工冰核(102 104
15、/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。 云模式计算表明，将云的温度增高0.51.0C，就可能引起云体明显的改变。外场试验证明，为促进动力 效应而催化对流云时，的确出现云大幅度的增长。这种过程对含有大云滴的过冷水云最有效，因为大云滴可 以有效地捕获冰核，而冰核帮助水滴快速冻结。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，静力催化仍然是影响层状云降水最常用的方法。 下面是由伍德雷和萨克斯(Woodley and Sax，1976)所提出的积云动力
16、催化一系列过程的假设： 1)在积云中大约-10层加人碘化银，这个区域被认为有大量的过冷液态水。 2)这种催化导致水到冰的转变，随着冻结潜热的释放，云体浮力增加。 3)浮力引起上升气流加强，并贯穿整个云直到云底。 4)上升气流的加强，使得进入云底的潮湿空气人流增加。 5)潮湿空气人流的增加，最终会导致更多的降水。 6)适当的催化，有可能引起相邻云的合并。 7)合并的云系尺度增大，引起总降水量的增加。 积云动力催化的基本原理： 在云中引入催化剂，形成冰晶或水滴，进行这些微物理过程时，会释放出尤潜热，从而可影响云的上升 气流，使云内上升气流加强，云的发展速度加快，水分积累加大，这样可使原来不产生降水的积云产生降 水，使本来可能有降水的积云，增加降水量。 积云的动力催化，将云滴的相变和积云的流场联系起来，将云的微物理过程和云的宏观动力过程联系起 来，这人工影响云的发展提供了一个新的理论设
