暖云人工降雨进展
代君梅
南京信息工程大学应用气象学，南京 210044
摘 要：人类对天气现象的探索和研究就从没停止过，大自然的奥秘对人类的吸引是从不间断的，而因为人类的智慧，人类逐渐能够影响天气，利用天气。目前我国人工影响天气规模、经费投入已达世界之最，人工影响天气工程正在建设之中，人工增雨也正在研究中。论文简要回顾了我国云物理研究和人工影响天气的的科学原理，更加深入的研究了暖云增雨机制，使得暖云增雨机制更好的为人类服务，并且思考我国人工降雨中的暖云增雨在新形势下进一步的发展的问题，这显得尤为重要。论文针对人工影响天气的发展历史和现代暖云增雨作业的问题和现状进行分析，并且为以后作业活动过程提供很好的帮助，以达到利用现代技术为人类造福的目的。
关键词：暖云增雨 人工降雨 人工影响天气 云物理
1 引言
自古代以来，人类就在不断探索大自然的奥秘，天气状况更是人们所关心的，因此，人工影响天气一直是人类所研究的课题，随着经济的发展和技术的进步，人类如今在遵守自然规律的前提下，已经可以简单的影响天气变化了，人工增雨这项技术的使用必将为中国经济的发展增光添彩，亦将为世界的和平与稳定做出贡献。
出于农业发展和抗旱的需要，1958年起我国开展云雾和降水学以及人工影响天气研究。中国科学院地球物理研究所气象研究室(中国科学院大气物理研究所前身)组建了一支强大的科技力量，开展了一系列云雾降水的观测、人工影响天气的野外和室内试验，如云的宏观发展过程、云滴谱的观测研究、飞机人工增雨试验、高山融冰化雪试验、土炮防雹试验和消雾试验等。与此同时，开始建立暖云室和冷云室，开展暖云催化剂、冷云催化剂和冲击波作用等室内实验。
暖云对大气起着重要的动力和热力作用，暖云形成的降水对人类的生命和日常活动具有重要作用和影响。云中潜热释放是大气中各种尺度天气现象的重要能量来源，从单块积云到中尺度系统直至全球大气环流，云的辐射特征很大程度上控制着地球气候并可能影响气候变化。云的潜热释放、成云致雨以及辐射作用都受云内微物理过程影响，这些过程包括暖云粒子和冰相粒子的形成、增长及其间相互作用。
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2 人工影响天气的科学基础
人工影响天气是指为避免或者减轻气象灾害，合理利用气候资源，在适当条件下，通过科技手段对局部大气物理、化学过程进行人工影响，实现增雨雪、防雹、消雨、消雾、防霜等目的的活动，简称人影。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，它还涉及到中尺度和边界层气象学、天气预报、大气扩散和湍流、物理化学、气溶胶物理学、统计学、计算数学和观测仪器等方面的研究。这些学科的进展都会促进人工影响天气科学技术的发展，但最重要的还是云降水物理学的研究．
呼风唤雨、祛灾避害是人类长期以来梦寐以求的美好愿望。1946年11月13日，美国实施了人类首次对过冷云进行的科学催化试验，在地面即可看到云层转化雪晶形成的雪幡。此试验结果引起广泛的重视，推动了人工影响天气试验的迅速发展。随着“连锁反应”假设以及“随机碰撞”理论的提出，为解决暖云降水机制奠定了基础。人工影响天气的愿望在一定程度上得以实现。
目前，全世界有20多个国家和地区开展人工影响天气的试验和作业。1958年我国吉林等省为缓解旱情进行了飞机人工增雨试验，从而揭开了我国人工影响天气的序幕。我国是世界上人工影响天气规模最大的国家之一，并成为各级政府防灾减灾的一项重要而有效的手段。《中华人民共和国气象法》及《人工影响天气管理条例》的颁布实施，为人工影响工作提供了法律保障。人工影响天气在缓解或解除旱情、森林灭火、机场消雾、保障大型活动等方面起到越来越重要的作用。
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3 云物理机制
① 云中粒子和微物理结构
粒子谱。20 世纪60 年代的观测研究揭示了我国南方层状云、浓积云的滴谱、云滴浓度和含水量的一些基本特征。观测发现我国南方层状云中云滴谱宽，浓积云中云滴谱很宽，并有第二峰值出现。出现双峰时，总是伴随着云滴谱的加宽。双峰谱往往在锋区云中出现，在雨强比较大而且变化又剧烈的云中也易出现。
大云滴。大云滴的观测分析结果对人工播撒大云滴催化降雨有指导意义。暖云中大云滴的存在（浓度达≥102 m–3）是产生降雨的必要条件，但不是充分条件。降雨还应有其他条件配合，如要有合适的云中上升气流、含水量和云厚等。因此，不管云中实际条件，一律用人工播撒大云滴催化降雨是有问题的。
② 云中粒子增长及降水形成机制
云滴增长。20 世纪60 年代初，提出了云滴增长随机过程理论以及暖云降水微观机制模式，认为云中湍流以及起伏的规律是暖云降水微观机制中一个极其重要的因子。宏观条件除了通过平均气流场外，还通过湍流和微观过程紧密的相互制约。在暖性薄云中，在垂直气流有起伏条件下，云滴通过重力碰并增长，云厚1.7km的暖云也可以产生降雨。有云泡结构的对流云中，云厚只有1km 也能产生峰值半径为0.9mm的雨滴，从而解释了薄云降水的观
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测事实湍流交换和夹卷作用对凝结平衡谱的影响较大；在各种碰并过程对云滴谱展宽的作用中，以重力碰并作用最为显着。小尺度湍流碰并可以加速大云滴的增长，电碰并作用不大。
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4 暖云增雨机制及方法
我国是世界上的人口大国，各种资源的消耗量都大的惊人，水资源也一样，因此，我国想到了利用人工增雨的方法来增加水量的方法。我国最早的人工降雨是始于20世纪5O年代，无论从规模还是数量上来说，我国都是人工影响天气变化的大国，而自从人工增雨技术的引入，我国的旱涝灾害明显减少，农业产量上升。而近年来由于人工增雨技术的不断成熟，其作用已经不仅仅作用于农业了，对于森林火灾的救护，生态建设，增加水资源方面多做出了突出的贡献。这也印证了科技的发展是为人类服务的这句话。
人工增雨是指在自然降雨之外，利用现有的气象条件，通过人工于预的方法，使其再增加一部分降雨的科学手段。其原理是利用飞机、增雨火箭或高射炮将催化剂发射到云层中，对局部范围内的云层中的水含量进行催化，使云层中的水滴增多并使其重量增加，去掉蒸发的一部分，大部分就降落到了地面，形成了降水。暖云中水滴大小均匀，不易障水。影响暖云障水的基本原理就是向云中撒人水漓，改变云滴谱分布的均匀性，破坏其稳定状态，促使碰并过程进行，导致降水形成。 目前采用的方法有：
1、吸湿性物质影响暖云降水，如将盐粉粒引人云中，使它吸收水汽形成盐溶液滴，盐滴迅速凝结增长，进一步由碰并作用增大成雨而下降到地面。
2、直接利用大水滴影响厦云陴水，即从飞机上直接将水撤进厦云内影响陴水。
20 世纪60年代，在湖南和广东开展的暖云人工降雨试验没有采用国外的小盐粒、小剂量、云底播撒的作业方法，而是采用在对流性暖云顶部反复播撒颗粒很大的盐粒，得到明显的人工降水效果。提出了催化暖云降水的方法和指标，增雨效果为7%。以后建立了一维盐粉催化积云的数值模式，模拟研究了盐粉催化暖积云的效果，其中包括催化可以提高降水机率、使积云初始回波高度降低、催化高度影响增雨效果，催化高度低的效果较好等；还模拟研究了盐粉对不同为物理特性的击晕的催化。二维模式盐粉催化研究表明，在适合的条件下，盐粉催化后约半小时可出现增雨，增雨量为10%～50%，是播撒量的几千倍。用直径小的盐粉催化增雨效率高，但在云中生长时间长，一般采用几十微米到100μm 直径的盐粉为宜。
理论研究结果表明，在对流性暖云人工降水作业中，盐粉的播撒部位和颗粒大小对播撒效率和降水效果有很大影响。它依赖于云的厚度、含水量、上升气流及云生命时间等条件，对于不同的对流云，有不同的播撒高度、剂量和颗粒大小的最佳播撒方法。暖云增雨的微物理过程有：云滴的活化，云雨滴通过水汽凝结、碰并和破碎而增长等过程，具体有：(1)云滴通过水汽凝结的增长过程；(2)雨滴通过水汽凝结的增长过程；(3)云滴之间的碰并过程；(4)云雨滴的自动转化过程；(5)雨滴碰并云滴过程；(6)雨滴的碰并过程；(7)雨滴的碰撞一
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破碎过程；(8)雨滴破碎成形成云滴的过程；(9)云滴的退活化过程；(10)雨滴蒸发形成云滴的过程。
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5 暖云降水作业中必须重视的问题
人工增雨作业必须重视的问题人工增雨这项技术虽然是一项造福人类的科技成就，但凡事都有利有弊，因此，在作业中的一些问题还是要给予重视的。
① 作业中对云层的选择 根据相关资料显示与作业人员的实践经验，云层的选择是人工增雨取得何种效果的关键。要选择适合作业和水汽较厚的云层进行作业，带有雷电的积雨云是最佳的作业对象，此类云层本身就能降水，对其进行作业就能得到中雨以上的理想效果。
② 发射工具的选择 人工增雨作业中，催化剂的发射工具尤为重要。如空中有带有雷电的积雨云或者云团比较完整清晰，这时就比较适合使用高射炮或增雨火箭进行作业因为此类云团本身就能降水，只要适当的进行催化，就能取得理想的效果。而如果空中不具有积雨云，且云团模糊不清，看不到边际，这时如果还是采用高炮火箭等作业效果就不会很好了，这时应采用飞机进行作业，飞机飞到云层中，通过抛洒干冰来催化云层中的冰晶，这时出现”蝴蝶效应”，降水顺利完成。
③ 作业地点的选择 作业地点的选择是人工增雨作业的关键所在，因为作业地点的选择直接关系到受益点。作业受到云速、风速、作业点 受益点距离的制约，因此，作业地点要选择在受益点的上风向。另外，由于使用高炮或者火箭存发射完成后，其弹壳一般不会炸毁，完成爆炸后会为重力作用落地面，因此，就要考虑弹壳的落回是否会对人、房屋等建筑造成损害，所以，人工增雨地点的选择和时机的一样，都足人工增雨作业中的关键，是人工增雨作业能否完成及完成质量的保障。
④ 作业时机的选择 由于受各种天气条件的制约和影响，作业时机的选择也是非常重要的。作业提前可能造成雨量减少，作业滞后可能造成错过了最好的时机，都会影响降水的效果，因此，掌握好时机在人工增雨作业中是很重要的一项工作。
6 研究思考
鉴于我国水资源匮乏和旱灾不断，从中央到地方各级领导、从国家及研究机构到地方人工影响天气部门都应重视人工影响天气事业的发展，更要注重暖云增雨的研究。
（1）暖云人工增雨是人工影响天气的一个应用领域。为了提高人工影响天气的科学性，研究新的人工影响天气的原理和方法，就需要进一步研究暖云增雨的有关问题。
（2）充分利用人工增雨工程建设提供的有利条件，加强人工影响天气核心技术研究，为人工增雨工程取得好的效益提供技术保证。
（3）对我国实施暖云增雨的地区，开展人工增雨的云中微物理条件的普查性研究。为了提高人工影响天气的科学性，研究新的人工影响天气的原理和方法，需要进一步寻找暖云增雨的新方法。特别是针对不同地区、不同季节、不同云系的人工增雨。通过对主要暖云的综台
观测，研究暖云和降水的关系．建立符合当地特点的降水模型，深刻了解和认识暖云降水过程及其对催化剂的反应，探索人工影响天气的物理机制和催化技术方法。
（4）通过室内实验和理论分析，深入了解和认识云与降水粒子的辐射特性、云凝结核和凝结增长过程、雨滴碰并破碎过程等云物理过程；通过外场考察和数值模拟，深入了解和认识各类云的多尺度特征及其分布．它们的形成发展过程和多尺度相互作用等，通过理论和实验研究，深入了解和认识降水潜力与暖云增雨的可能性，为中尺度天气预报和定量降水预报提供新的思路和方法。
（5）通过先进的资料同化技术使用各种实时观测资料，改进的暖云降水数值模式可以细致全面地描述暖云与降水的关系。快速测定暖云与降水粒子的分布、相态、移速和演变以及气溶胶成分、云凝结核和滴谱、催化剂在云中扩散情况等人工影响天气综合观测技术装备得到明显改进，深入了解和认识暖云与降水的自然变化规律和人工催化后的多尺度效应，并逐步应用于暖云降水的定量预报和人工影响天气作业试验。
（6）发展实时的、有定量预测和控制的人工影响天气作业效果检验系统方法。随着对暖云降水的探化以及数值模拟和观测技术的发展，物理学检验在人工影响天气作业效果检验中的权重将逐步加大，既客观又实用的、物理学一数值模式一统计学相结合的作业效果检验方法得到广泛的应用，使人工影响天气作业效果和效益不断提高。
7 结语
20 世纪50 年代，我国开拓出一个新的研究领域，云物理和人工影响天气研究和试验在中国拉开了序幕。至此，我国科技人员开展了一系列暖云降水的外场观测研究和人工影响天气的外场试验研究。研究了暖云人工增雨理论和人工催化影响降水的机制，并且在暖云人工增雨作业中要注意一些问题。暖云增雨虽然已逐步发展的较成熟，但是仍然需要深入的了解和研究，要充分利用人工增雨工程建设提供的有利条件，加强人工影响天气核心技术研究，为暖云增雨取得好的效益提供技术保证。
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暖云人工增雨
