关于人工降水介绍

[拼音]：rengong jiangshui

[外文]：rain making

用人为的手段促使云层降水的措施。又称人工增加降水。它主要是根据不同云层的物理特性，向云中播撒水滴、盐粉或溶液滴、碘化银或固体二氧化碳(即干冰)等催化剂（见播云催化剂），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水。这是人工影响天气中进行得最多的一项试验。

一块雷雨云中，液态和固态的水量达百万吨的量级，由于云中的水分不断地补充和更新，总的凝结水量更为巨大，云和降水是重要的水资源。自然云是由云滴组成的，云滴尺度只有0.01毫米的量级，它们悬浮在空中，不能下落。只有转化为雨、雪或霰等尺度达 1毫米量级的降水粒子后，才能落到地上。很多自然云并不降水，就是降水云一般也只有20～80％的水分能转化为降水，大量水资源不能充分利用。云的降水效率不仅决定于云的宏观条件（见云动力学），而且决定于云滴转化为降水粒子的微物理过程（见云和降水微物理学）。人工影响云的微物理过程，可以在一定条件下使本来不能自然降水的云受激发而降水，也可使那些水分供应较多、往往能自然降水的云，提高降水效率而增加降水量。但不能自然降水的云能供应的水分较少，因此人工催化的经济价值有限。

原理和方法

在温度低于 0°C的冷云降水过程中，冰晶浓度起着重要的作用。根据降水粒子浓度的实测资料和理论估算，只有当冰晶浓度达到1个/升或更高的量级时，才有较高的降水效率。对因冰晶浓度不足、降水效率很低的自然云，若在其过冷却部位播撒成冰催化剂，就可以增加冰晶浓度。每克干冰或碘化银，可产生1012个以上的冰晶，若用几百克，就可以使几十立方公里云体的冰晶浓度达 10个/升。这些人工冰晶通过伯杰龙过程迅速增长，促进冷云降水过程，使降水量增加。一些比较严格试验的统计分析表明，冷云催化可以增加降水量10～20％。如果人工冰晶的浓度很大，则形成的雪晶的平均尺度较小，它们从云中下落到地面的时间较长，在气流的作用下，会落到下风方向更远的地方而改变降水的分布。

在温度高于 0°C的暖云里，降水主要在云滴碰并过程中得到发展。云滴越大，碰并增长就越快。计算表明，当云滴半径超过0.04毫米时，就可以迅速碰并而长成雨滴。在那种大云滴的浓度不足的自然云中，播撒大量半径大于0.04毫米的水滴，就能够促进降水过程。计算表明，每克水可以形成约几百万个大云滴，要催化10立方公里的云体，则需要几吨水。若往云中播撒一定大小的吸湿性物质颗粒或者溶液滴，它们能在云中吸湿而迅速长成大云滴，这样所需的催化剂量，就用不到水的十分之一。

除了播云以外，法国和苏联有人试验在地面加热，造成人工上升气流的方法，试图在一定气象条件下激发或增加降水。美国有人设想利用沥青或碳黑吸收太阳辐射，提高局地空气的温度，促进云的发展以增加降水。中国有人研究过爆炸对降水的影响。这些人工降水方法的研究，都还处在探索的阶段。

通过冷云催化使云中产生大量冰晶，所释放的潜热将改变积云的宏观动力过程而增加降水。它是60年代在人工降水试验方面的一项进展。积云中上升气流的速度，主要决定于云内外温差造成的浮力。在发展旺盛的积云内，存在着大量过冷水滴。在这种云中播撒大量的成冰催化剂时，能使过冷水滴冻结而释放潜热，水汽在冰粒表面凝华时也释放潜热。估计这两种潜热足以使云中局部温度升高0.5°C左右，这将加大浮力而促使某些积云的上升气流速度增大，云体扩展，生命期延长，结果使进入云体的水分总量增大而增加降水量。虽然动力催化同一般冷云催化所用的催化剂一样，但着眼点不同，动力催化所用的催化剂量必须大大增加，才可能收效。积云动力催化在50年代曾作过初步的尝试，但周密设计的积云动力催化试验，直到1963年才开始。J.辛普森在美国佛罗里达州所做的随机试验表明，催化后积云的云顶平均增高1.6公里，平均雨量增加1.7倍。他指出，催化后云顶增高量同大气层结（见大气静力稳定度）有密切的关系。在其他国家和地区，也作过类似试验，但效果不一。有人对整个地区积云群体进行过动力催化的随机试验，初步结果表明有增雨的效果。

人工降水的效果同云的自然条件有密切关系。就冷云催化而言，云中的温度条件十分重要。就整个云体而言，云顶温度一般最低，常将它作为估计云中自然冰晶浓度的参数。当云顶温度低到一定程度时，云中常会形成大量冰晶，这时用人工方法增加冰晶，效果就不显著。反过来，云顶温度如果太高，碘化银等催化剂的成冰能力就太低，也不利于人工催化。所以对冷云催化法增加降水来说，云顶温度不宜太高或太低。一些地形云和积云的人工降水试验结果的统计分析表明，当云顶温度处于-10～-25°C时，人工降水的效果比较明显。这一最适宜的温度区间，称为播云温度窗。鉴于降水过程的复杂性，采用不同催化技术时，必须研究各类云中最有利的温度条件或其他条件。

数值模拟

用数学物理方程组描述和计算成云降水过程和人工催化过程，通过数值计算方法模拟不同条件下各种催化技术的人工影响过程，以研究催化的原理、技术和效果。由于云和降水的自然变率很大，外场试验的研究周期很长，花费很大，一个严格设计的试验（某种催化程序、技术等），一般需进行几年才能对其效果作出估价。如果要比较不同催化技术的效果，选择最佳的试验设计，就需要更长的时间。因此用数值模拟方法为实际试验和理论研究提供依据，就显得十分重要。60年代辛普森用积云数值模拟，计算了自然云的发展高度，并假定动力催化使云中水滴在比自然过程更高的温度下冻结，释放潜热，从而计算出催化后的积云发展高度。试验的实测结果同模式计算相当一致。这就为动力催化的原理和试验云的选择，提供了科学依据。随着电子计算机的普及，各国针对各种人工降水试验，进行了很多数值模拟。它们虽然对实际过程都作了较大的简化，具有不同方面的局限性，但同外场试验相结合，能缩短估价人工降水效果的试验周期，从而成为人工降水试验研究的一个重要组成部分。

效果检验

一般在自然云已经降水或者接近于降水的条件下，人工降水的方法才能发挥作用。由于降水的自然变率很大，人工增加降水量的幅度较小，如何估价人工降水的效果就显得十分困难。人工催化增加的降水量，是催化后的实际降水量和不经催化的自然可能降水量之差。实际降水量可以测定，但能否正确估价自然可能降水量，就成了效果检验的关键。在对降水的物理规律认识不足的情况下，主要依靠统计学的方法对自然可能降水量作出估价。初期的统计检验方法，多数采用回归统计法，在人工催化目标区附近选择一个不受催化影响的地区作为对比，用历史资料建立目标区和对比区降水量的回归方程。把人工降水试验期间对比区的降水量代入回归方程，求出目标区的自然可能降水量，再与目标区实测降水量对比，就可估价人工降水的效果。采用这种方法对于同一次试验，选用不同的对比区或者不同年限的历史资料作对比，得出的结果，可能出入很大，所以这种方法的可信度不高。一般认为随机试验可以避免主观的偏差得到统计学上的可信估价。随机试验是把适合于人工降水的试验机会(试验单元)按照随机规则（例如抽签）分成两组：一组催化并观测，另一组不催化只观测，作对比。当试验单元足够多时，随机决定的两组试验单元的自然条件应该只有极小的系统性差别，而两组试验实测降水量的系统性差异，就可以归之为人工催化的结果。判断催化效果，存在着成功和失败的可能性，当判断催化有效而实际无效时，常以显著度水平来表示这种可能性。显著度水平越小，判断催化有效的可信度越高。在人工降水试验中，一般要求显著度水平小于5％，即可信度大于95％。

人工降水的效果受云和其他条件所制约。在某种条件下可能有显著的正效果，在另一种条件下可能无效甚至出现负效果。不分条件笼统地进行统计，分析得出的效果往往不显著。把试验单元按照某种指标分成几类分别统计，有时就能得出比较显著的结果。例如在冷云催化试验中按云顶温度分类，统计得出，在一定温度区间里有比较显著的效果。

从人工降水研究来说，仅对降水增量作出估价是不够的，必须对整个物理过程的各个环节都有确切的了解。如催化剂在云中指定部位是否达到了一定的浓度，冰晶或大滴的浓度是否明显增加等。观测和统计这些宏观和微观特征量的变化，可从物理过程上分析人工催化的效果。这种观测检验，称为人工降水效果的物理检验。如在冷云试验中观测到催化后冰晶浓度增大，过冷水滴减少，说明人工催化对云的微物理过程已起到作用。一般认为，人工降水的科学试验，必须根据统计学的要求，严格按照预定的设计进行长时间的试验，同时对自然降水过程和人工催化过程，进行细致的野外探测和数值模拟，才能使试验具有比较坚实的物理基础和统计的可信度。

由于水资源对国民经济的重要性，人工降水试验作为开发水资源的一种潜在手段，受到广泛的重视。世界上先后有大约八十个国家和地区开展了这项试验，其中以美国、澳大利亚、中国和苏联等国的试验，规模较大。1958年以后，中国北方各省，曾用飞机向大范围层状云中播撒干冰或碘化银等成冰催化剂，试图增加冬季和春季的降水量；中国南方各省，也曾用飞机或高射炮向积状云内播撒盐粉或碘化银等催化剂，以期增加夏旱时期的降水量。但自然降水过程和人工催化过程中的很多基本问题，仍不很清楚，人工降水的效果检验还有很多困难。

参考书目

1. B.J.梅森著，中国科学院大气物理研究所译：《云物理学》，科学出版社，北京，1978年。(B.J.Mason，The Physics of Clouds， Oxford Univ.Press， London，1971.
2. W.N.Hess，ed.，Weather andClimate Modification，John Wiley and Sons，New York，1974.