人工降水意义及其技术发展

人工降水的意义及人工降水技术发展
摘要：
中文名称：人工降水英文名称：artificial precipitation;rain making 其他名称：人工降雨。

人工降雨是根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，使云层降水或增加降水量，以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力，或增加发电水量等。

中国最早的人工降雨试验是在1958年，吉林省这年夏季遭受到60年未遇的大旱，人工降雨获得了成功。

1987年在扑灭大兴安岭特大森林火灾中，人工降雨发挥了重要作用。

因此，在我们的日常生活中，人工降雨有着非常重要的作用，未来人工降水技术的发展具有很好的前景。

关键词：人工降水科学原理，意义、技术、发展
引论：
人工降水是人工影响天气中进行得最多的一项试验。

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。

在我们的日常生活中，人工降雨有着非常重要的作用，未来人工降水技术的发展具有很好的前景。

主论：
人工降水是运用云和降水物理学原理，通过向云中撒播降雨剂（盐粉、干冰或碘化银等），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水，又称人工增加降水。

撒播的方法有飞机在云中撒播、高射炮或火箭将碘化银炮弹射入云中爆炸和地面燃烧碘化银焰剂等。

人工降水方式方法：
一、冷云催化：
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。

（人工降雨）
冷云催化的温度条件：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。

二、暖云催化
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
（人工降雨）
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。

三、动力催化
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。

人工降水中常用催化剂有：
一、干冰
干冰是二氧化碳的凝结固态。

干冰的温度是摄氏的负78.5度，因此在保持物体维持冷冻或低温状态下非常有用。

干冰能够急速的冷冻物体和降低温度并且可以用隔离手套来做配置。

干冰已经被广泛的使用在许多层面了，干冰在增温时是由固态直接升华为气态，直接转化为气体而省略掉转为液态的程序，因此其相变并不会产生液体，也因此称它做“干冰”。

要将二氧化碳变成液态，就必须加大压强至5.1大气压才会出现液态二氧化碳。

制造人造雨：利用飞机将干冰洒在云上，云中的小水滴就会被冻结成许多小冰晶，促使更多的水蒸气凝结在上面，化为雨滴，降落到地面。

制造云雾：由于干冰的温度很低，升华后低温的二氧化碳气体碰到空气后，可以使空气中的水蒸气凝结成小水滴，所以有白烟出现，所以舞台表演上，常使用干冰来制造云雾般的特殊效果。

冷冻剂：由于二氧化碳比空气重，干冰升华后仍可包覆在冷冻的物品上，能够维持较好的冷冻效果，尤其是在空运需要特别冷冻的物品，往往都使用它。

二、碘化银
碘化银（AgI）为碘和银的化合物，黄色粉末（558度~），见光分解，并大量吸热，先变灰后变黑，不溶于水和氨水，用于照相术和人工降雨的晶核。

用数学物理方程组描述和计算成云降
（干涸的土地）
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。

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。

关于人工降水技术的发展
一、古代巫术：
早在远古时代，我们的祖先就幻想着掌握呼风唤雨的本领。

刀耕火种的初民,跪在赤热的阳光下祈求雨水；巫师们为了求雨使尽了花招，有时戴上面具手舞足蹈，有时放开喉咙咿呀歌唱；他们还常常向冥冥中的神灵祭献牛羊牲灵，有时甚至祭献活人。

巫师们用苇管向空中吹喷水珠,希望这种象征性的雨滴可以带来丰沛的雨水。

美洲的印第安人在篱笆上挂上干瘪的蛇尸求雨，东方人跳龙舞，西方人做祈祷；但无情的干旱却一次次地使他们的希望和田地里的禾苗一起枯萎。

后来，求雨的花样不断翻新。

有人鸣枪,有人爆破，还有人燃点化学物
质，相信这类化合物的烟雾可能引来雨水。

这些求雨者中也有个别幸运儿，偶然的巧合使他们的法术名噪一时。

美国历史上曾有一个求雨者,机会赶得巧，颇有几次“灵验”，但弄巧成拙，几乎因此罹祸身亡。

当时加利福尼亚州南部降雨达51厘米,大水吞没土地，人畜死伤无数，损失达数百万美元。

愚昧的村民怨天尤人，指控这个求雨者施行法术招来大祸。

二、现代技术：
由于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，人工降水的理
论和技术方法还处于探索和试验研究阶段。

世界上先后约有80个国家和地区开展了这项试验，其中美国、澳大利亚、前苏联和我国等国的试验规模较大。

我国一些经常发生干旱的省、区都积极开展了人工降雨技术的试验研究和推广应用，目前技术趋于成熟，已成为抗旱的重要手段。

直到1948年,人们才真正发现了科学的人工降雨方法。

这一年，美国通用电气公司的科学家文森特谢福经过长期的探索，在一次实验中偶然地找到了人工降雨的关键，解决了千百年没有解决的课题,成为科学史上的一段佳话。

随着科学技术的进步，人们逐渐了解了下雨的来龙去脉。

水汽从海洋和湖泊的水面上升腾成为空气的一部分，然后形成云朵，雨水或雪片就从云中降下来。

但是,水汽究竟怎样凝聚成雨滴，长期以来始终不甚了然。

后来，约翰爱特金证明，水汽是积聚在灰尘等细小微粒周围形成水滴或冰晶的。

这些微尘十分细小,肉眼根本无法觉察，但如果没有这些微尘，尽管空气中有足够的水汽，却不可能形成一滴雨水。

在成功的事实面前,最保守的人也承认，现代的人工降雨是控制天气的一大进展。

今天，耕云播雨已经不是神话。

谢福和冯尼古特的发明，给苦于干旱的人们带来了福音。

他们勤于观察、勤于思索、锲而不舍的探索精神,也将被人们长久地传颂。

目前人工增雨主要有两种方法。

一种是用飞机把干冰等冷却剂撒播到云中，使云内温度显著下降，细小的水滴冰晶迅速增多加大，迫使它下降
形成降水。

而另一种是利用火箭、炮弹把化学药剂打向高空，轰击云层产生强大的冲击波，使云滴与云滴发生碰撞，合并增大成雨滴降落下来。

两种增雨方式成本不一样，选择火箭炮轰击主要从节约成本出发，因为一次飞机播撒成本高达几百万元。

上海首次施行人工增雨的初步预算中写道，实施一次人工增雨需要470万元，其中仅仅直接作用于云层的催化剂一次就需要40万元。

当然这份等待批准的预算中不仅有飞机租用费、播撒设备等硬件费用，还包括地面监测费用、人力资源费用等几十项。

人工增雨所用的火箭弹一枚的价值在4000元左右，用于使用的人工增雨火箭发射架价值在20万元左右。

火箭弹属于军火，从运输费、押送费、保管费、发射费等都是一笔不小的开支。

还有那么多工作人员背后默默地付出不能不算，每次都要发射探空气球，而且还要对数据进行分析处理，这些间接投入不好算，也算不清。

另据江苏省一份《人工影响天气作业表》显示，2000年到2004年，全省共发射增雨火箭872枚，增雨17.5亿立方米。

其中2004年已发射106枚，增雨1.1亿立方米。

而人工增雨还需要GPS定位系统等多种设备及其他费用，所以成本比较昂贵，但投入产出比还是比较划算的。

根据世界公认的统计数据，人工增雨投入产出比普遍都在1∶5以上，比较高的地区能达到1∶30。

而且无论是缓解电荒，或是除旱减灾，人工增雨对经济、社会和生态效益是显而易见的。

参考文献：
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. W.N.Hess,ed.,Weather andClimate Modification，John Wiley and Sons，New York，1974.年。

中国气象学会人工影响天气委员会//中国气象科学研究院//中国气象
局人工影响天气中心//吉林省人工影响天气办著：《第十五届全国云降水与人工影响天气科学会议论文集》，气象出版社，北京，2008年。