第二章人工影响天气的基础知识和技术方法

第二章人工影响天气的基础知识和技术方法第一节人工影响天气的基础知识人工影响天气概念的提出是基于人类为了生产和生活的需要，希望通过人为干预，克服或减轻由恶劣天气引起的自然灾害，在适当条件下，促使天气向有利于人类需要的方向发展，包括人工防雹、人工增雨、人工防霜、人工消雾、人工消雨等。在本文中我们只介绍人工防雹、人工增雨和人工防霜。这里需要说明的是，人的力量是有限的，要彻底改变天气、气候是不可能的，我们只能在适当时候、适当条件下影响天气。云和降水过程的能量是十分巨大的，一个气团雷暴以10³km的云体考虑，其含水量的凝结潜热为25×1015J，相当于10万吨煤燃烧的发电量。目前人工影响雹云和降水的主要途径是向某些发展初期的雹云，或降水效率不高的降水云中，对云体的适当部位，抓住时机进行针对性的催化作业，达到人工影响天气效果。比如有了降水天气过程，通过人为催化使小雨变成中雨或大雨，有了降雹天气过程，通过催化使大雹变成小雹、软雹或雨滴，起到防御和减轻自然灾害的作用。一、人工防雹原理和技术方法所谓人工防雹，是采用人为的办法对一个地区上空可能产生冰雹的云层施加影响，使云中的冰雹胚胎不能发展成冰雹，或使小冰粒在变成大的冰雹之前就降落到地面。人工防雹原理，就是设法减少或切断给小雹胚的水分供应。要达到防御冰雹的效果，需向云中播散足够量的催化剂，以产生大量的冰晶，迅速形成水滴或冰粒。造成同雹胚竞争水分的优势，从而抑制雹块的增长。人工防雹是用高炮或火箭将装有碘化银的弹头发射到冰雹云的适当部位，以喷焰或爆炸的方式播散碘化银。具体的影响方式有以下两种：（1）过量播撒催化剂（又叫催化法原理，也叫引晶法）观测结果表明，冰雹云的上部存在着过冷却水含量很大的累积带，为冰雹生长区。在累积带之上气流升速较小，温度又低，很容易产生雹胚，它们靠碰撞过冷却水滴而长大，在强烈上升气流的作用下，雹胚多次往返于液态水累积区增大而生成冰雹。若在这个累积区大量引进人工冰雹胚胎，去争食云中有限水分，使冰雹不致于长的太大，就可能抑制冰雹的生长或雹灾的形成。（2）云中爆炸（又叫爆炸法原理）由于炮弹在云中爆炸，爆炸产生的冲击波产生震动效应，可以直接干扰云中有组织的上升气流进而阻止冰雹的继续增长，此时有组织的上升气流正是形成冰雹的最佳气流结构，同时也可使冰雹受到强烈震动后变软。二是爆炸也可能使过冷水滴冰晶化，因而减少了云层中过冷却液态水的存在，也能起到抑制冰雹的生长或限制大冰雹形成的作用。二、人工增雨基本原理和技术方法人工增雨是采用人为的方法对一个地区上空可能下雨或正在下雨的云层施加影响，开发云中潜在的降水资源，通过人工在云中增加足够数量的冰晶，因为冰面上的饱和水汽压比水面要低，因此在云内的水滴中增加冰晶时，水滴中的水会自动蒸发并凝集到冰晶上去，使冰晶不断长大，大到空气的浮力不足以支持它们的时候，便会落到地面形成雨（或雪）。有人又把云中的水喻为一座水库中的水，闸门开启得小，流出的水量就少，当通过人工向云中播撒催化剂以后，就如同把这座“小水库”的闸门开大，水便会多流出来一些，增大云的降水效率，以达到人工增雨的目的。目前，人工增雨使用的催化剂通常分为三类，第一类是可以大量产生凝结核或凝华核的碘化银等成核剂；第二类是可以使云中的水分形成大量冰晶的干冰等制冷剂，第三类是可以吸附云中水分变成较大水滴的盐粒等吸湿剂。碘化银、干冰等是适用于温度低于0℃冷云的催化剂；目前我国主要是对冷云实施人工增雨。飞机、高炮和火箭是把催化剂播撒到云中的常用人工增雨作业工具。高炮和火箭是在弹头和弹体内装填适量碘化银，从地面发射到云中适当部位后爆炸播撒或沿火箭弹道喷撒。人工制造冰晶或大水滴，促使更多的云水转化为降水。第二节观云识天气巴彦淖尔市人影探测手段有了较大发展，使用了新一代天气雷达指挥防雹增雨作业，尽管有了现代设备，但受设备探测距离等诸多因素的影响，加之巴彦淖尔市东西距离长，一些炮点不在雷达的最佳观测范围内，作业点需要有经验的气象人员和作业人员观云识别天气，实践证明作业点的看云识别天气是一件很重要的工作。云的形成：由于潮湿空气上升绝热膨胀冷却，使其相对湿度不断增大，最后空气中的水汽得到饱和，再进一步冷却，过剩的水汽就会大量悬浮于空气中的某些微粒上凝结，这样就形成了有很多小水滴组成的云。云是天气的招牌，出现不同的云，预示着不同的天气征兆。人工影响天气（人工增雨，人工防雹）主要是对云的影响，这就需要重视对云的观测，云的观测主要是目测它的外形特征，包括云块大小、颜色、亮度、云块的边缘特征，云在天气中的分布及云底距地面的高度等各个方面，确定其所属云种，云底高度和遮蔽天空的份数，判断云状、测定云高和估计云量。一云的分类和特点按形态学分类可分为高云族、中云族、低云族，按发生学分类可分为积状云、层状云、波状云，按气象观测规范根据云的外形特征，结构特点，和云底高度可分为3个族，10个属，29种云。见附表２-1针对防雹增雨直接作业的云体，我们这里详细介绍积云、积雨云和雨层云这三种云。1、积云；积云分为淡积云、碎积云和浓积云三种。积云是垂直向上发展，顶部呈圆形或圆形叠加，而底部几乎水平的云，云体边界分明。淡积云：扁平的积云垂直发展不旺盛，由水滴组成但有时可伴有冰晶，云底高度600～1200米，云体的水平宽度大于垂直高度。碎积云：破碎的不规则的积云块（片），个体不大，形状多变。浓积云：浓厚的积云，顶部呈重叠的圆弧形凸起，很像花椰菜，垂直发展旺盛时，个体臃肿高耸，在阳光下边缘明而亮，云体向上发展较强，成熟阶段的浓积云，厚度可达4～5千米，垂直厚度大于水平宽度，浓积云在我们河套地区一般不会产生降水。云状分类云族云属分类低云积云淡积云、碎积云、浓积云积雨云秃积雨云、鬃积雨云层积云透光层积云、蔽光层积云、积云性层积云、堡状层积云、荚状层积云层云层云、碎层云雨层云雨层云、碎雨云中云高层云透光高层云、蔽光高层云高积云透光高积云、蔽光高积云、莱状高积云、积云性高积云、X状高积云、堡状高积云高云卷云毛卷云、密卷云、伪卷云、钩卷云卷层云毛卷层云、匀卷层云卷积云卷积云表2-1２、积雨云：它包括秃积雨云和鬃积雨云，云体浓厚庞大，垂直发展极旺盛，远看很像耸立的高山。云顶由冰晶组成，有白色毛丝般光泽的丝缕结构，常呈铁砧状或马鬃状。云底阴影混乱，起伏明显，有时呈悬球状结构。秃积雨云：浓积云发展到鬃积雨云的过渡阶段，花椰菜形的轮廓渐渐变的模糊，顶部开始冻结，形成白色毛丝般的冰晶结构。鬃积雨云：积雨云发展到成熟阶段，云顶有明显的白色毛丝般的冰晶结构，多呈马鬃状或砧状。冰雹多产生于鬃积雨云，这种云的含水量大，能产生强的降水，是防雹作业的主要对象。3、雨层云：雨层云分为雨层云和碎雨云。雨层云是厚而均匀的降水云层，完全遮蔽日月，呈暗白色布满天空，常有连续性降水，如因雨雪未及落地在云底形成雨（雪）幡时，云底显得混乱没有明确的界限。也是我们开展人工增雨较理想的云。雨层云多数是由高层云演变的，有时也可能直接由蔽光高积云或蔽光层积云演变而成。碎雨云是低而破碎的云，灰色或暗灰色。不断滋生，形状多变，移动快，常出现在降水时或降水前后的降水云层之下。二冰雹云和冰雹1、冰雹云简单的说所谓冰雹云就是发展旺盛的积雨云，它具有积雨云的云体浓厚庞大，垂直发展很快等一般特征，这给人们正确识别冰雹云，带来一定困难，但冰雹云与一般的积雨云（雷雨云），无论在宏观特征，演变规律，还是在声光电等现象都有很多差异。环境条件：冰雹云形成的环境条件比雷雨云恶劣，一般在突发性的高温、高湿、暴热、暴湿，以及有利地形，加之有较强天气系统配合易产生冰雹。上升气流速度：一般而言，冰雹云与雷雨云内部都存在着上升气流，但冰雹云云内上升气流比雷雨云强，上升气流可达15m2/s以上，上升气流区域大，因此冰雹云的发展要比雷雨云剧烈的多，迅速的多。云中含水量：雷雨云与冰雹云云中含水量都比较大，但冰雹云比雷雨云云中含水量要大一些，尤其是冰雹云中上部累积区含水量更大，达到10~20g/m3以上。④云顶外形：冰雹云与发展旺盛的雷雨云云顶都可以出现砧状或马鬃状，但冰雹云比雷雨云发展旺盛得多，迅速的多，因此云顶高。由于高空风切变的影响，冰雹云云顶铁砧状非常明显，并且前倾厉害。⑤云层颜色：雷雨云呈黑色，发展旺盛的雷雨云，有时呈黑黄色，冰雹云也呈黑黄色但偏重于黄色，云底较平，较低，前缘部常出现滚轴状结构，上下翻滚剧烈，好像浓烟一股股往上冲，云层上下前后翻滚，强冰雹云主体有时具有一定的旋转性，云底尤其明显。⑥雷声：雷雨云响的是炸雷，声音清脆而响亮，而冰雹云多为闷雷，并且连续响个不停，老百姓称拉磨雷，雷声较小。⑦闪电：雷雨云闪电多为竖闪，（或直闪）光强大，因为多为云与地之间的放电现象，冰雹云多为横闪，光电弱，它是云与云之间的放电现象，但放电现象的频率高，易降雹。⑧云底云系：冰雹云云底常有碎雨云伴随，雷雨云一般没有其它云系伴随。另外从气象要素和雷达回波也有一定差别，通常雷雨云、冰雹云过境时温度、湿度、气压等气象要素，都发生明显的变化，但冰雹云比雷雨云气象要素变化大一些，特别是气压变化显著。雷达回波，由于冰雹云的反射率大，因此冰雹云的雷达回波强，高度高，在平显和高显上冰雹云有着典型的形态特征，而雷雨云则少见。还有季节的变化，地理位置的不同，冰雹云与雷雨云形成条件有所不同，各地应根据各自的资料进行系统的分析、研究，寻找出当地识别冰雹云和雷雨云的指标。2、冰雹①冰雹形成的物理过程：夏季在对流发展旺盛的午后，积雨云一直伸展到一万米以上的高空,这种高度空气温度常常低到-50℃左右。这时云体的下部是暖云，主要是水滴，上部是冷云，主要是冰晶、雪花和过冷水滴。在这种既有水滴又有冰晶、雪花混合云中，水汽容易直接凝华在冰晶上，使冰晶迅速增大为冰粒，冰粒长大到0.1mm左右时，随着云中起伏的气流上下翻腾，有时被抬到云的上部，有时又降至云的下部，当它被抬到云的上部时，就会与冷却水滴碰合，冻上一层不透明的冰层，当它降到云的下部时，过冷却水滴冻结较慢，冰粒上面又结上一层透明的冰层，这样冰粒不断上升下降，就形成了雹心周围很多透明冰和不透明冰相间的层次，并且像滚雪球似的越滚越大，直到上升气流托不住的时候，便降落到地面，这就是冰雹。从它的形成过程来看，上升气流越强，翻滚的次数越多，形成的冰雹越大。冰雹形成的气象条件：第一，冰雹云中必须有较强的上升气流，根据推算如果要形成半径为8mm的冰雹，则要求最大上升气流必须大于15m/s。第二，冰雹云的垂直厚度一般都要超过8公里，只有这样，高空温度才比较低，有利于过冷却水滴的自然冻结，产生适量的冰雹胚胎。第三，冰雹云中要有充沛的水汽和适量的冰雹胚胎。巴彦淖尔市，重灾年一年中出现降雹天气3—4次，轻灾年年一年中出现降雹天气2—3次，出现日期最早3月中旬，最晚的10月下旬，降雹日出现在5—9月份，占总雹日数的89.3%，最多出现在6—8月份。降雹一般出现在午后到傍晚，85%的雹日出现在12—19时。第三节雷达识别冰雹云利用天气雷达探测冰雹云有两大优势：①实时探测冰雹云，显示回波的生成、发展及消亡过程；②通过雷达回波形态特征以及雷达回波参量，如回波的面积、强度、顶高、移向移速，尤其是强回波的强度与顶高以及反射率因子的大小可以识别冰雹云。根据冰雹云的回波特征，一般而论，大致可分为四种类型，即超级单体、多单体、一般单体和其他单体雹云。也有的按单体分类，分为三种类型冰雹云，即超级单体，多单体和一般单体。根据回波资料统计分析，降雹概率在80％雷达回波的判定指标，即最大回波强度Z≥45dBZ,回波顶高H≥10Km，强回波区高度Hm≥8Km。选用波强度Z这个指标基于雹云的反射率；选取H这个指标考虑到雹云应具有一定的高度；定义Hm为45dBZ强回波区的高度，因为雹云要有一定的厚度，而使得冰晶和冰粒在云中得以迅速增大。从雷达回波单体的形态特征在平显中可分为“带”状回波、“人”字形回波、“钩”状回波、“指”状回波、“V”型缺口、“锯齿”状回波，在高显中分为“穹窿”结构、“悬挂”结构以及“柱”状结构。第四节人工防雹作业技术目前使用的防雹作业工具主要是