人工影響天氣學

人工影響天氣是建立在雲降水物理學基礎上的一門套用科學技術，在深入研究雲動力學和微物理學特徵及其相互制約關係的基礎上，根據云降水的形成和發展變化規律，因勢利導，施加人工影響，以便使天氣狀況向人們所希望的方向演化。

基本介紹

• 中文名：人工影響天氣學
• 外文名：Weather modification
• 基礎：雲降水物理學
• 性質：套用科學
• 基本原理：雲(霧)的微物理不穩定性
• 學科進展：對雲和降水的監測手段顯著改善

簡介

人工影響天氣是建立在雲降水物理學基礎上的一門套用科學技術。近年來儘管已開發國家對人工影響天氣的科技投入有減少趨勢，但在我國和一些開發中國家由於面臨緊迫的淡水資源短缺和減災問題，人工影響天氣的科技投入和科技水平均有明顯提高。特別是在北方層狀雲降水研究、催化劑和催化工具研製、雲降水監測技術和數值模擬以及省級通信指揮系統現代化建設等方面已取得了一批初步成果，國家級人工增雨西北試驗基地一期工程也已啟動, 一些地方正在進行省級人工影響天氣的作業試驗示範基地的建設。

隨著大氣科學整體水平的長足進展，多參數氣象雷達、雲物理探測飛機、氣象衛星、地基遙感技術、中小尺度氣象監測網、高效的播雲催化劑和播撒工具、多尺度的數值預報模式和雲物理模式等綜合利用水平的提高，突破人工影響天氣的某些基本科學問題和關鍵技術已具備一定的支撐條件，有可能驗證已有的人工影響天氣理論和技術，並發展新的理論和技術。

基本原理

人工影響天氣主要是利用雲(霧)的微物理不穩定性，通過播撒適量的催化劑，充分藉助於自然規律，因勢利導，促進雲、降水按預定方向加速發展，實施以少量代價換取巨大收益，達到促進降水、減少冰雹、消雲消霧的目的。人工影響天氣包括人工增雨、人工消雹、人工消雲、人工消霧、人工防霜凍等。但人類活動無意識地使天氣發生變化，如都市對天氣的作用等，不屬於人工影響天氣，而稱為人類對天氣的無意識影響。從自然變化中把播雲造成的變化區分開來是困難的，因此人們對於人工影響天氣試驗的效果存在著不同的看法和估價。

學科進展

國外近年來在氣候、中尺度天氣、大氣化學、大氣探測、衛星遙感和輻射等學科的推動下，雲降水物理學的研究和套用更加廣泛。但以雲降水物理為理論基礎的人工影響天氣研究進展並不顯著，特別是催化原理和作業技術方面, 效果檢驗仍沒有新的理論和方法。人工影響天氣的主要進展表現在以下幾方面。

對雲和降水的監測手段顯著改善

裝備雲微物理和空氣運動觀測儀器的飛機、雷達( 包括具有多波長、都卜勒和偏振能力)、衛星、微波輻射計、風廓線儀、自動雨量站網以及中尺度觀測網，已在人工增雨中獲得日益廣泛的開發和套用。特別是多通道、多光譜的衛星遙測和反演技術在雲降水和人工影響天氣領域有實質性進展，美國和以色列等國用A V H R R 和M O D IS 資料已能反演出雲頂雲粒子有效半徑和含水量等定量雲參數。

藉助于飛機雲微物理資料的驗證，這些衛星雲參數反演產品對雲降水發展和人工影響天氣的播撒條件、指標, 甚至催化效果的驗證都有廣闊的套用前景。

計算機和通訊網路系統也已普遍套用於人工增雨的設計、作業實施和效果評價。化學和金屬箔示蹤技術為確定流人和流出雲的氣流以及作為播雲催化劑的冰核或吸濕性核是否已有效核化提供了新的途徑。在人工增雨的雲和降水學基礎研究中，這些新的監測手段和技術的作用日益明顯。

雲和降水數值模式的廣泛套用

描述詳細雲降水過程的物理方案已在氣候、輻射、中小尺度天氣、大氣化學等領域得到廣泛重視和套用。有雲降水物理過程的中尺度模式和可分辨雲尺度的模式，在雲降水形成機制、人工影響天氣的催化機理和方法、作業方案設計、效果預測的研究和套用中發揮了重要作用。隨著考慮的雲降水微物理過程不斷精細，分檔雲降水模式得到了較快的發展。

基礎研究工作不斷深入

利用室內實驗、外場觀測和數值模擬技術，對撒播成冰劑和吸濕性核分別影響冰相和暖雨過程，增加降水的物理原理、過程和技術的研究不斷深人。特別是吸濕性核催化技術分別影響冰相和暖雨過程，增加降水的物理原理。

近幾年來，南非、墨西哥和泰國對大陸性混合對流雲的雲底上升氣流區實施了暖雲催化人工增雨隨機試驗。統計結果表明，雷達估測的降雨量有增加，飛機觀測的微物理量在催化前後有明顯變化，播雲催化在接近雲底區使雲滴譜加寬, 促成在雲的早期就形成較大的雲滴。這些得到增雨效果的暖雲催化試驗，使得利用吸濕性化學物質特別是吸濕性焰劑，催化暖、冷雲以促進暖雨過程(凝結/ 碰並/ 分裂機制) 從而達到增雨目的的做法又重新得到了關注。國外一些科學家指出，吸濕性焰劑試驗或許是這10 年裡人工影響天氣領域最明顯的進展。

我國在人工增雨解決水資源短缺、減少雹災和提高重大災害性天氣的預測水平的巨大需求下，雲降水物理和人工影響天氣的研究和業務技術提高得到了極大的關注，科技投人明顯提高，某些領域取得了明顯進展, 主要表現在:

① 探測技術的提高利用引進的雲、降水粒子測量系統( P M S )、都卜勒和數位化天氣雷達和自行研製的探測設備和技術( 如地基和機載微波輻射計)，開展了有關人工增雨和人工防雹的雲降水結構、作業條件選擇及其催化物理效果的試驗研究；開始了雲參數的衛星監測技術研究； 研製了人工增雨和防雹的實時監測技術，大大擴展了探測範圍、提高了探測質量和時空分辨，並為人工增雨和防雹提供了更加豐富的資料，綜合提高了人工影響天氣的探測技術。

② 催化技術的改善

研製了高效碘化銀焰劑，顯著提高了成冰閡溫和成核率；研製了多種類型的焰劑式火箭、焰彈、飛機和地面發生器；開展了機載碘化銀末端燃燒器催化設備的研製和液氮、液態二氧化碳製冷型催化設備的試驗研究；開始了吸濕性焰劑的研製實驗；這些新的催化劑和催化工具為提高人工增雨的作業水平和成效提供了基礎。

③ 雲和降水數值模式的套用

我國自行研製的雲降水物理過程方案已藕合到一些中尺度模式中，與國外的雲降水方案比較, 在暴雨和颱風研究中顯示出一定優勢。一些中尺度和雲模式已開始套用於人工增雨和防雹的方案設計、催化機理研究和效果檢驗, 起到了減少盲目性，增強科學性的作用。部分模式已投人省級業務套用。

④ 作業指揮系統的改進

隨著氣象現代化的發展，包括有信息監測、實時傳輸、數據處理和分析決策的省、市級人工增雨和防雹的作業指揮系統有了顯著改進，為提高作業的科學性創造了條件。

⑤ 人工影響天氣和氣候的新理論

葉篤正在人工影響天氣的基礎上，提出了人工影響氣候的理論構想。周秀驥提出了通過增加西北地區地形雲降水，改變西北植被分布，刺激大氣內循環降水效率，以達到開發和利用西北空中水資源，改變西北氣候特徵的新理論。曾慶存結合自然控制論也提出了人工影響天氣的新理論。胡志晉叫提出了過冷雲水不豐沛情況下的新的層狀雲人工增雨機制。許煥斌提出了新的冰雹增長機制概念模型。

面臨的科學問題

驗證、完善和發展播雲催化假說

雲的結構和演變十分複雜，雲中微物理過程與中小尺度大氣運動有密切的相互作用。一些建立在已有催化概念上的隨機播雲試驗表明, 在一定條件下播雲作業會導致無效或減雨, 甚至雲系或雲體的宏微觀變化並沒有產生催化假說所期望的變化。我國地跨不同氣候帶，天氣、氣候背景和地理條件以及雲降水的結構和發展都存在巨大差異, 建立在相同播雲原理下的催化作業指標和技術並不能完全移植到其它地區。因此, 加強我國主要類型雲降水系統的綜合性探測和模擬研究，有針對性的明確人工影響天氣的具體物理機制，發展具有地域特點的人工播雲原理和技術途徑，是這些地區開展人工增雨和防雹面臨的主要科學問題。南非、墨西哥和印度尼西亞增雨試驗使用了幾乎同樣譜分布的吸濕性焰劑和催化技術，並得到了同樣的統計結果。因此，有必要判定這一催化技術對我國的主要典型雲系是否有科學上的可移植性，以及催化影響後雲動力和微物理間的相互作用。

已有觀測和模擬計算表明，經濟發展和人類活動的排放導致了某些地區土地地表格局發生了變化以及大氣中雲凝結核和冰核濃度的增加，這對雲是一種無意識的影響和催化，而對雲降水狀況、人工影響天氣的原理和技術產生何種影響還需研究。過去幾十年里，人工影響天氣的主要手段是改變雲微物理的不穩定性或敏感性，對雲降水系統進行相對較小的人為擾動從而改變大氣自然演變過程。在利用大氣中可能存在的其它不穩定性來影響天氣還沒有進行探索，應加強人工影響天氣方法論的研究和探索。

播雲催化後大範圍是增雨還是減雨?

目前，國內外利用人工播雲技術達到增加地面降水主要是在雲系的一定範圍內催化，目的是解決區域乾旱和增加區域降水，水平空間尺度一般是幾十到百公里範圍。播雲催化對百公里以上範圍有什麼作用是利用人工增雨緩解大範圍水資源短缺需解決的一個十分重要的科學問題。一些播雲試驗和個別中尺度數值模擬研究表明，人工引晶催化後在增雨中心的下風方有減雨區，有時又有增雨區，催化作業後的降水變化再分配規律仍不十分清楚。為此，需研究多尺度大氣水循環的相互作用，研究人工催化雲體後雲微物理變化、局地熱力、動力和水循環變化規律及其與控制局地水循環的大中小尺度雲降水過程的關係，將人工增雨機理研究同大中小尺度大氣過程研究結合起來。

何種雲或雲系適合人工增雨?

層狀冷雲是我國人工增雨的主要雲系。目前通過對一些地區雲的監測和數值模擬表明，在層狀雲系中過冷水往往只在一定部位存在，其中地形抬升區和對流區的過冷水資源一般比較豐富。不同天氣背景下雲降水系統的冰晶和過冷水含量、雲中上升運動以及播雲條件等差異很大，催化結果有很大不同。因此，對我國北方進一步開展主要天氣系統下過冷水的資源考察、分布規律研究以及實時監測技術, 在此基礎上，提出更為明確的作業條件和指標是層狀冷雲人工降水的重要關鍵。目前我國北方多個省份都在籌建人工增雨和防雹示範基地，為了加大人工增雨和防雹的成功率，應該通過初步的研究驗證。

研究驗證的主要內容之一就是研究評價當地雲和降水氣候學，確定是否有可能存在人工影響天氣的有利條件。建議在人工增雨試驗或業務計畫中，空中雲水資源研究可作為先行計畫執行。在這些計畫中除開發利用常規天氣、氣候資料外，還需採用一定的監測裝備開展系統的外場考察和試驗，對人工增雨作業雲系進行綜合監測，考察了解雲中有利於人工增雨的條件及其時空分布，研究自然降水和人工降水的發展過程, 預測其可能的演變趨勢。在此基礎上, 提出農業抗旱型人工增雨的總體設計和水資源增蓄型人工增雨的可行性；提出我國雲水資源開發區劃和科學試驗作業示範區( 基地) 的預選方案。

我國西北地區特點是內陸盆地四周圍繞著天山、崑崙山、阿爾泰山及祁連山等高山峻岭，降水主要集中於這些高山迎風坡，主要是迎風面上地形雲降水。目前對我國西部山區雲降水結構的研究比較薄弱，有關雲降水的歷史資料也較少，為開發西部空中雲水資源，合理利用人工增雨( 雪)技術，應重點加強利用氣候資料和衛星資料，結合外場試驗和數值模式對我國西部山區雲水資源、雲降水物理結構的時空分布和催化潛力進行系統的探測和研究。在此基礎上提出西北地區地形雲的催化理論和改進現有技術。60 一7 0 年代我國對對流雲人工增雨曾進行過相當的研究。最近20 年，我國對對流雲人工增雨開展規模和技術相比層狀雲人工增雨關注的程度要小。對流雲的特點是強大的垂直速度並伴有很高的凝結率。近年來我國的雷達站網得到了長足改善，一些地區還配備了都卜勒雷達，人工增雨火箭的數量、質量等均有一定程度的改善，一些省級或地區級人影機構已能達到氣象資料的實時傳輸，也開始試運行不同複雜程度的雲模式，這對驗證和發展對流雲人工增雨技術創造了良好的基礎。

觀測表明，我國南方對流雲有相當一部分是由暖雲過程首先發動，暖雲過程在雲降水演變中有十分重要的作用。國外近年來，又重新關注起用吸濕性化學物質催化暖、冷雲以促進暖雨過程( 凝結/ 碰並/ 分裂機制) 從而達到增雨的技術。我國播撒大劑量的鹽粉催化，曾觀測到有一定的增雨效果。

但近年來國外對催化暖雨過程的一些新構想，如飛機在雲底上升氣流區播撒吸濕性焰劑技術在我國還沒有相應的數值模擬和外場試驗結果予以支持和驗證，吸濕性焰劑催化劑和催化工具的研製和室內試驗尚有許多基礎性工作有待開展。