人影讲座

南非 （ Lowveld ）
北高加索地
二、人工影响天气的基本原理
• 1.人工影响天气发展的历史进程
1933年Bergeron提出了冰水混合云的降水理论
（Bergeron 过程），即在云中冰相粒子与过冷
水滴共存时，由于冰面饱和水气压低于同温度 下的水面饱和水气压，因此冰相粒子通过水汽 扩散而迅速凝华增长，如果水汽供应不足，水 滴就会蒸发补充，从而使云中共存的过冷却水
• 3.云的基本特征和云形成的微物理机制
• 云是悬浮在空气中的大量由水滴和（或）冰晶 共同组成的可见聚合体，其底不接触地面。与 地面连在一起的称为雾。雾滴普遍比云滴小， 而且含水量也小些。但特别浓的雾能见度<50m， 含水量也不小。目前，国际上通用的云的分类 原则，主要以云的外形和云底高度特征为基础， 适当结合云的发展及内部结构，将云分为高云、 中云和低云3族10属，每属又分为若干亚属、种、 类等。地面气象观测共记录29种云状。
水循环与水资源安全
大气降水是地表水和地下水的根本来源
干旱、缺水是影响山西农业、经济建设的主要自然灾害
山西境内地形复杂，植被差，气候的年际变率大，极易发 生各种气象灾害。１９９０年以来由于气象灾害造成的损失占 全省农、林、牧、渔业总产值的１４.６％，全省每年气象灾 害的受灾面积占到总耕地面积的７３％以上，其中：干旱 44%，冰雹11% ，洪涝 7%，霜冻 6% ，其它灾害 5%，无 灾害 27%。
RH < 100%
And Qv>Qsi
molécules de vapeur d'eau
T > -25°C
积沉
deposition freezing (sorption)
IN
RH > 100% IN = CCN goutte surfondue IN goutte de solution surfondue IN goutte surfondue
• 积状暖云降水：积云垂直扩展较厚，云内上升
气流较强，含水量较大，这些都利于碰并增长。
暖积云中一般大云滴易于形成，而且对流云中 常存在许多大小不同的云泡，其中含水量和上 升气流都较大。云泡尺度从几十米至几百米， 平均为100m，按起伏条件下的随机增长模式，
可在较薄的云中形成较大水滴，从而降低了暖
积云降水对云厚的要求。雨滴谱成负指数分布 的原因，至少可部分归结为雨滴的破碎，它是 降水粒子数浓度增长的主要机制。 雨滴变形破 碎 水滴和雨滴的碰撞破碎）
百分比 地 点 时 间
形状 球形 椭球 形 圆锥 形 不规 则形 样品 总数
1988.9.7 德州(山东) 1990.6.23
60.2 13.5
26.7 70.8
5.8 4.5
7.3 11.2
Biblioteka Baidu
206 89
1987.6.29
满城(河北) 1990.5.25 1980.7.20 万全(河北) 1980.8.22 1980.7.28 昭苏(新疆) 1982.6.5 1969.7.12
• 改变构成云体的云质粒相态或谱分布，促使云体向 胶体不稳定发展
• 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。
• 目前世界上包括美国在内的30多个国家开展 了人工增雨、防雹和消雾活动。由于自然降 水时空分布不均衡，一些热带地区国家虽然 年降水总量已经很多，但仍然开展了人工增 雨工作，例如泰国每年使用多达60架飞机进 行人工增雨，古巴邀请中、俄、以色列等国 的科学家帮助进行飞机人工增雨试验。美、 俄等发达国家专门装备了云物理探测飞机， 进行人工增雨科学研究。美、俄、以色列等 国家对人工影响天气机理做过多年的深入研 究，表明人工增雨增加降水的幅度为5%-25%， 人工防雹减少灾害的幅度为50%-80%。每年 世界气象组织都专门统计各国人影研究和作 业的情况并加以通报。
(2)消雾、消云 Hail Damage Mitigation
(3)抑制冰雹 Fog Dispersal
基本思想
• 除少数情况，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。
• 向某些发展降水尚缺条件或降水效率不高的云中播 撒催化剂
无灾害 27% 干旱44%
其它灾害 5%
霜冻 6%
洪涝 7%
冰雹11%
一、云、降水动力学和微物理学基础
• 前言：
云、降水物理学一般分为紧密联系的两个 方面：云、降水发展的宏观过程和云系结 构的云动力学；云粒子的形成、增长及产 生降水的微观物理过程的云微物理学。
大气中的云
水滴 + 冰晶 + 空气 + 水汽
滴转化为较大的冰晶，进一步启动碰并过程，
使得降水加强或使得非降水云产生降水。
• 其后（1938年）Findeisen扩充和完善的这一理 论奠定了冷云降水机制，称为Bergeron– Findeisen理论。1946年Scheafer与Vonnegut相继 发现干冰和碘化银是可以在过冷云中产生大量 冰晶的冷却型和人工冰核型的人工降水冷云催 化剂。在这些认识的基础上，通过试验和理论 研究，形成了得到广泛认可的人工催化增雨的 静力催化基本原理假设：冷云降水效率不高或 无降水可能是由于云中缺乏足够的冰核，可通 过人工的办法引入冰核，促使Begeron过程发展， 达到有效利用过冷水资源而增雨的目的。
机制）
• 5.冰雹形成过程
• 冰雹专指直径在0.5厘米以上的固体降水， 一般较硬，不易压碎，着地可以反跳。每个 雹块一般由透明与不透明的冰层(每层至少1 毫米厚)相间交替组成。 • 雹块的大小、形状各不相同，在层次分明的 雹块中，都有一个（个别时候有多个）明显 的核心，或是霰，或是透明的冻结雨滴，统 称为雹胚。 • 冰雹的分类和结构
29.7
76.1 2l.4 8.6 27.0 53.9 5.0
55.5
12.0 56.3 20.0 30.0 12.5 10.0
2.2
8.9 3.8 62.9 39.0 16.4 74.0
12.6
3.0 18.5 8.5 4.0 17.2 11.0
182
259 449 35
1012 92
阿尔伯达(加拿大)
• 1. 大范围云—降水系统的动力学特征
自然云形成的主要途径 ：热力学模式产生对 流；动力学模式产生大范围上升运动。
典型锋面气旋的云和天气动力分布模式 • 2.中、小尺度天气系统的动力学结构和云系 基本特征
气团雷暴 强风暴 中尺度对流系统（MSC）
云的形成
当湿空气抬升达到凝结高度（相对湿度 达到100%）后，云开始形成。 基本条件：水汽、上升速度、凝结核
云态分类
• ①云和降水的宏观特征：云、降水作为整体 的诸多特征，称为云的宏观特征：包括云的 外形、水平伸展、垂直尺度、生命期、温度 场、湿度场、气流场，云形成、演变和消散 的动力学条件。 • ② 云和降水的微观特征：云中粒子的尺度分 布和相态结构特征，称为云的微观特征。常 以各种相态云粒子的谱分布特征来表征。 （谱宽、谱型、特征半径）
• ②冷云降水机制（云体均位于0℃等温线以上，
云中既有过冷水滴，又有冰晶。这种冷云形成 降水的机制主要是冰晶的凝华增长、结淞、碰 连聚集增长，以及在0℃以下融化后的碰并增长。 冷云中水滴的冻结温度 蒸—凝过程的冰晶增长 速率 冰晶的碰冻结淞和碰连聚集增长 冰晶的 繁生增殖 混态云中的“播种—供水”降水增强
云雾的形成
• ①核化理论：形成云雾质粒的过程。 同质核化（自发核化）：单一相态分子中没有其它物 质存在时发生的核化过程。 异质核化：有异质核存在时的核化现象。 • ②云雾滴的扩散增长：一旦水滴和冰晶在水气场中出 现核化，云元素的扩散增长(水汽扩散方程 云滴群的 凝结增长 雪晶的形成 冰晶增长率和“蒸-凝过程”) 就会发生了。 • ③云元素的碰并增长：云元素的下落末速度 云滴的 碰并增长 云中出现冰晶时的碰并。 • ④云元素增长的综合考虑：凝结增长和碰并增长的协 同作用 云内湍流对碰并的增强作用 云顶夹卷混合引 发云内环流使滴谱拓宽。
• 有关人工防雹的研究工作也在20世纪五六十 年代达到了高潮，提出了过量播撒的理论。 该理论认为冰雹一般是在冰雹云中一个范围 不很大的冰雹累积带中由初始冰雹胚胎碰并 周围的水滴或冰晶而增长形成的。如果在这 一冰雹累积带中增加大量的冰雹胚胎，造成 这些冰雹胚胎争食该区域中有限的水滴或冰 晶资源，使每一个小冰雹都长不大，就能达 到抑制冰雹灾害的目的。在实践中，中国科 学家通过计算机模拟，还提出了爆炸防雹和 引晶催化共存的防雹理论。
The Rain Process
Droplet Measurement Technologies, 5710 Flatiron Parkway, Suite B, Boulder, CO 80301, ph: 303-440-5576, fax 303-440-1965, www.dropletmeasurement.com
人工影响天气概述
• 人工影响天气是指在适当的天气条件下， 通过人工干预，使天气过程发生符合人类 愿望的变化。 • 现阶段的人工影响天气工作主要是通过人 为地在云中播撤（Cloud Seeding）某些物 质，改变云、雾和降水的物理过程，以达 到以下目的：
(1)增雨（雪）Precipitation Increase
5、美国佛罗里达积云试验（FACE-2,1978-1980） (FACE-1,1970-1976)
6、美国冬季地形云增雨试验（SCCP-1,1982-1983） 7、WMO PEP计划，西班牙， 得出了一些重要结果，第二期计划中断 8、印度夏季暖云增雨试验（1973-1986）14年，一般00层6Km。云顶高为5Km。催化剂 为盐粉∶滑石粉（10 ∶ 1），10µm大小直径盐粒子，交叉试验，两个日标区在云底播撒， 200-300m播撒，剂量3-10㎏ / ㏎ ，增水20%，=0.04（催化指标LWC>0.5g/ ㎡,云厚大 于1Km ） 9、巴西暖云试验，80年代末，1992年结束 10、泰国人工增雨计划， 清迈 Chingmai,Thailand 11、中国北方层状云人工降水试验研究 1980-1990
云降水物理和人工影响天气
李培仁
山西省人工降雨防雹办公室
2010年5月
讲座提纲
• 人工影响天气概述
• 云、降水动力学和微物理学基础
• 人工影响天气的基本原理 • 现代云微物理探测
• 数值模式及其应用
• 人工影响天气的催化技术 • 人工影响天气作业和科学实验的方案设计和外场试验 • 人工影响天气的效果检验 • 实际观测个例
Ds>300µ m
d=15~45µ m
吸湿核
产出大滴
+
淞附
• 4.主要降水过程
• 云元素增长过程的比较 • ①暖云降水机制（层状暖云降水：层状云一般 上升气流弱，含水量小，除雨层云外，其他层 状云都不厚。因此，一般层状暖云通过重力碰
并只能形成毛毛雨，考虑到云下蒸发，毛毛雨
要落至地面还应在落出云底时尺度稍大。在天 气形势和地形抬升作用下，有较强的上升气流 和较大的含水量，若云层较厚，维持较长时间， 可形成小雨。
凝冻
condensation freezing
浸入
immersion freezing
接触
contact freezing
冰 核 起 作 用 的 方 式
冰核起作用的过程
过冷水滴
冰核作用
冻结， 快速增长
霰
凇附
溶化
雨
吸湿大核起的作用：促进碰并-暖雨
产出大滴 吸湿核
雨
吸湿大核起的作用：促进淞附-冷雨
1969.7.20
6.0
83.0
3.0
8.0
252
个别地区冰雹胚胎类型
地 区 新疆昭苏 宁 夏 青 海 科罗拉乌北 NHRE 俄克拉荷马 Alneta（加） 瑞 士 霰（%） 49 71 84 84 87 21 61 37 23 90 冻滴（%） 51 29 4 10 9 63 26 63 62 10 其它（%） 12 6 4 16 13 15 冰雹样本总数 999 395 156 2461 3660 655 2110 1220 1381 -
一、人工增雨
1、美国的卷云计划，1946-1953年
2、以色列增雨计划，1960-1975，历时15年，779个实验日，其中催化425个，统计检验 增加降水13-15%，国际公认，从此业务化
3、中国古田水库增雨试验，1975-1986共计12年，平均增雨20% 4、美国的高原试验（HIPLEX-1,1979-1980），随机试验