人工防雹的现状及展望
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10/14/2015 IAP 10
我国人工增雨防雹作业现状(2002年)：
1631个县（市）开展人工增雨防雹作业，
6800门高炮，3300台火箭发射装臵 几百台地面AgI发生器； 高炮、火箭防雹保护区面积42万km2。 年消耗炮弹 87万发，火箭3.4万发, AgI烟弹1223 发,共用去AgI 1395Kg，干冰4700Kg，液氮5650升； 队伍3万多人，投入3.3亿多元/年。 目的：农业抗旱、增加水库蓄水、防雹、扑灭林 火、消雾、防霜，以及大型社会活动消雨。
10/14/2015
IAP
27
《人工防雹减灾技术研究》“九五” 国家科技攻关课
题
冰雹云回波 资料 冰雹云模式 模拟 研究冰雹云发 展过程、回波 参数与雷雨云 的区别
冰 雹 形 成 机 制
催 化 防 雹 机 理
催 化 防 雹 技 术
雹 云 早 期 特 征
雹 云 发 展 过 程
雹云（早 期）识别 技术
Proposed by Browning and Foote (1976) and deduced in a number of hail trajectory studies using Doppler radar. Mechanism for organized transport of embryos across a sloping updraft.
10/14/2015 IAP 8
人工防雹的意义
人工防雹：对将要降雹的冰雹云施加人工影响，以减
少和避免降雹灾害。
方法：现在使用的人工影响方法主要是播撒AgI催化剂，
还有其他方法。 世界上许多地区存在严重冰雹灾害，因此，人工防雹一 直受到人们的普遍欢迎和重视。 人工防雹是一项复杂的科学技术，有理论也有实用技术。 实现和完善人工防雹，可以对农业抗灾保丰收和保护人 民的生命财产安全等方面起到重要作用，同时将促进大 气科学和控制技术的发展。
人工防雹的现状及展望
肖 辉 中国科学院大气物理研究所
云降水物理与强风暴实验室
10/14/2015
IAP
1
Hailstones
10/14/2015
IAP
2
14-July-2000 Friday: Pine Lake campground
10/14/2015
12 deaths, 140 injuries, $13 million damage. IAP
13
10/14/2015
IAP Downdrafts
Total aerosol, CCN, and IN conc. vs. Temp
In order to enhance/modify precipitation the concept of seeding is to seed with appropriate CCN or IN to either make precipitation or develop more efficiently.
Airplanes use for W.M.
10/14/2015 IAP 20
The newest 714-XDP radars for weather modification
Digital weather radars for weather modification
10/14/2015 IAP 21
3
10/14/2015
郑州2002年7月19日晚一场突如其来的冰雹、狂风、 暴雨共造成18人死亡，200多人受伤，直接经济损失 达4.9亿元 IAP
4
2000年陕西一次强雹灾害
降雹40多分钟，最大 雹径30mm，地面积 雹20－35cm 一场强降雹之后情景惨 不忍睹，眼看就要收获 的劳动果实毁于一旦！
10/14/2015
IAP
11
人工影响天气的科学基础
Distribution of Ice and Water in a Convective Cloud
In the atmosphere temperature decreases 10oC per km with height in a dry environment and about 6oC per km in a cloud
需要建立选择作业条件的指标和判据,提出有针对 性、有充分科学依据的作业方案
10/14/2015
IAP
18
对冰雹云的探测技术迅速发展
如：飞机（T28）机载云物理探测设备;
多波长天气雷达;
多普勒天气雷达;
偏振波雷达; 风（温、湿）廓线仪; 地基、空基微波辐射计； 中尺度天气观测网； 气象卫星等。
10/14/2015 IAP 19
10/14/2015
IAP
14
人工影响冷云降水的基础
RH < 100%
molécules de vapeur d'eau
T > -25°C
IN
deposition freezing (sorption)
RH > 100% IN = CCN goutte surfondue IN immersion freezing goutte de solution surfondue IN contact freezing goutte surfondue condensation freezing
(1) 雹胚增长极限竞争；
(2) 雹云中过冷水的冰晶化；
(3) 促进雹胚形成区尽早产生降水；
(4) 降低冰雹生长轨迹；
(5) 在云内引起动力效应 , 引发下沉气流 使雹云解体； (6) 促使暖云底雹云中碰并成雨过程。
10/14/2015 IAP 16
Beneficial competition: Seed with glaciogenic agent to make more ice crystals and more graupel to serve as hail embryos Create enough artificial hail that they deplete the supercooled water without any stones growing large Both natural and artificial stones melt before reaching the ground
引自郑国光（2003）8th ICWM
10/14/2015
IAP
7
Hail nets
Hail damage
No hail damage
Of course there are many problems with 采取防雹措施与否情况大不一样！ hail nets also, I am not trying to promote them
10/14/2015
IAP
12
对流云形成过程
Penetrative updrafts
Turbulent eddies
Magnitude and width of updraft are important for hail growth
云降水形成过程可分为： 动力学过程 空气垂直运动是云降水形成的条件 微物理过程 水汽凝结形成水滴或冰晶,通过碰 并等过程获得增长的过程 两种过程相互作用 上升运动决定空气膨胀降温速率和 水汽凝结速率。凝结潜热释放和粒 子的拖曳力影响着加速上升运动的 浮力。动力过程是微物理过程的前 提,微物理过程是位势不稳定发生 的必要过程
10/14/2015
IAP
9
国际人工增雨防雹作业现状
30多个国家开展了近百项人工增雨计划， 作为抗旱和水资源增蓄的重要组成部分； 美、俄、以等国在人工增雨防雹机理研究、 作业科技水平、催化剂和仪器装备等方面处于 国际领先地位。增加自然降雨量10-25%；减少 冰雹灾害到达60%; 以色列在进行15年有科学设计的人工增雨 试验研究，作业效果得到确认后，人工增雨成 为旱作农业的一个重要组成部分。
Supercell
10/14/2015 IAP
Recirculation
26
对流云数值模式在人工防雹多个方面 开始应用
近二十多年来，随着国内外云和降水数值模拟的发展和 进步（几乎可以模拟各主要类形的云和降水的形成和演 变过程），冰雹云和人工防雹的数值模拟研究在国内也 发展很快。 但是，在人工防雹的试验和作业过程中实际应用还很不 够。从人工防雹的预报、识别、作业到效果检验的各个 环节，基本上依赖于经验和统计分析结果尚缺乏具体的、 实时的、定量的判断和决策。 数值模拟可以在人工防雹的各个环节发挥重要作用。在 实际中广泛应用，与现场观测、分析研究相结合，提高 人工防雹各个环节的科学水平。
Supercooled droplets
Freezing
Graupel
Riming Most continental clouds form rain in this way
10/14/2015
This represents a common microphysical picture of the hailstone growth itself, but, of course, is not a unified picture of what is going on. Melting to form rain
10/14/2015 IAP 17
人工防雹中的云物理学问题
对流云（尤其是强对流云）中云微物理过程十分 复杂,互wk.baidu.com牵制,并与云动力学有密切的相互制约； 不同季节、不同地理条件的对流云降水结构和冰 雹形成与发展过程，都存在着明显的差异,对其进 行人工影响的具体物理机制和技术途径,仍有许多 科学问题亟待研究；
IAP 30
10/14/2015
对 流 云 演 变 阶 段 识 别 技 术
发展阶段
10/14/2015
0C
成熟阶段
IAP
消散阶段
31
2.常规雷达识别冰雹云技术
利用 1997 －1999 年间在陕西旬邑防雹基 地观测到的 146 例对流云雷达回波资料，辅以 数值模拟研究结果，主要分析研究了冰雹云和 雷雨云在回波强度、尺度、结构特征和演变特 征等方面的差别，并统计研究了雷达回波单参 数与降雹的关系。从差别和关系中寻求冰雹云
通过观测，加 深对人工防雹科 学概念的认识
人工防雹的物理模型及效果检验依据仍不能 令人信服, 对雹云的及时有效监测、识别和 催化作业工具与方法仍需要进一步改进
IAP 22
10/14/2015
Simple description of a dominant hail process(“cold rain”)
10/14/2015 IAP 5
10/14/2015
IAP
6
Hailstorm is one of the
serious meteorological disaster in China From 1990 to 2000, 1.7 million hectares of farmlands were, on average, affected by hailstorms.
10/14/2015
IAP
28
1. 人工防雹技术集成系统
Ze 的垂直分布
Ze 极大值的时 间分布
回波顶高的时 间分布
Ze 极大值的高 度分布
10/14/2015
IAP
29
对 流 云 演 变 阶 段 识 别 技 术
主要根据强回波的位臵和云顶雷达 反射率梯度确定： 回波中心位于云体中上部，回波顶 部反射率梯度大且向上增长，云体处于 发展阶段； 弱回波区已及地，但强回波区仍位 于云体中上部云体处于成熟阶段； 一旦强回波区下降，底部反射率梯 度增大，云体进入消散阶段。
IAP 23
Hail Suppression Conceptual Models
10/14/2015
IAP
24
Hailstorm Model
10/14/2015
IAP
25
Embryo growth in long-lived updraft followed by 3-D recirculation around upwind side
四个基本事实： 云体 T<0℃区域存在许多未冻 结的液态水滴； 同温下冰面饱和水汽压小于过 冷却水面的饱和水汽压，过冷 云中水滴蒸发并水汽凝华冰晶 生长； 大多数中纬度降水来自混合相 态的云中； 与冰晶晶体结构相同的人工成 冰核剂,如AgI和干冰。
IAP 15
10/14/2015
人工防雹的物理概念
我国人工增雨防雹作业现状(2002年)：
1631个县（市）开展人工增雨防雹作业，
6800门高炮，3300台火箭发射装臵 几百台地面AgI发生器； 高炮、火箭防雹保护区面积42万km2。 年消耗炮弹 87万发，火箭3.4万发, AgI烟弹1223 发,共用去AgI 1395Kg，干冰4700Kg，液氮5650升； 队伍3万多人，投入3.3亿多元/年。 目的：农业抗旱、增加水库蓄水、防雹、扑灭林 火、消雾、防霜，以及大型社会活动消雨。
10/14/2015
IAP
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《人工防雹减灾技术研究》“九五” 国家科技攻关课
题
冰雹云回波 资料 冰雹云模式 模拟 研究冰雹云发 展过程、回波 参数与雷雨云 的区别
冰 雹 形 成 机 制
催 化 防 雹 机 理
催 化 防 雹 技 术
雹 云 早 期 特 征
雹 云 发 展 过 程
雹云（早 期）识别 技术
Proposed by Browning and Foote (1976) and deduced in a number of hail trajectory studies using Doppler radar. Mechanism for organized transport of embryos across a sloping updraft.
10/14/2015 IAP 8
人工防雹的意义
人工防雹：对将要降雹的冰雹云施加人工影响，以减
少和避免降雹灾害。
方法：现在使用的人工影响方法主要是播撒AgI催化剂，
还有其他方法。 世界上许多地区存在严重冰雹灾害，因此，人工防雹一 直受到人们的普遍欢迎和重视。 人工防雹是一项复杂的科学技术，有理论也有实用技术。 实现和完善人工防雹，可以对农业抗灾保丰收和保护人 民的生命财产安全等方面起到重要作用，同时将促进大 气科学和控制技术的发展。
人工防雹的现状及展望
肖 辉 中国科学院大气物理研究所
云降水物理与强风暴实验室
10/14/2015
IAP
1
Hailstones
10/14/2015
IAP
2
14-July-2000 Friday: Pine Lake campground
10/14/2015
12 deaths, 140 injuries, $13 million damage. IAP
13
10/14/2015
IAP Downdrafts
Total aerosol, CCN, and IN conc. vs. Temp
In order to enhance/modify precipitation the concept of seeding is to seed with appropriate CCN or IN to either make precipitation or develop more efficiently.
Airplanes use for W.M.
10/14/2015 IAP 20
The newest 714-XDP radars for weather modification
Digital weather radars for weather modification
10/14/2015 IAP 21
3
10/14/2015
郑州2002年7月19日晚一场突如其来的冰雹、狂风、 暴雨共造成18人死亡，200多人受伤，直接经济损失 达4.9亿元 IAP
4
2000年陕西一次强雹灾害
降雹40多分钟，最大 雹径30mm，地面积 雹20－35cm 一场强降雹之后情景惨 不忍睹，眼看就要收获 的劳动果实毁于一旦！
10/14/2015
IAP
11
人工影响天气的科学基础
Distribution of Ice and Water in a Convective Cloud
In the atmosphere temperature decreases 10oC per km with height in a dry environment and about 6oC per km in a cloud
需要建立选择作业条件的指标和判据,提出有针对 性、有充分科学依据的作业方案
10/14/2015
IAP
18
对冰雹云的探测技术迅速发展
如：飞机（T28）机载云物理探测设备;
多波长天气雷达;
多普勒天气雷达;
偏振波雷达; 风（温、湿）廓线仪; 地基、空基微波辐射计； 中尺度天气观测网； 气象卫星等。
10/14/2015 IAP 19
10/14/2015
IAP
14
人工影响冷云降水的基础
RH < 100%
molécules de vapeur d'eau
T > -25°C
IN
deposition freezing (sorption)
RH > 100% IN = CCN goutte surfondue IN immersion freezing goutte de solution surfondue IN contact freezing goutte surfondue condensation freezing
(1) 雹胚增长极限竞争；
(2) 雹云中过冷水的冰晶化；
(3) 促进雹胚形成区尽早产生降水；
(4) 降低冰雹生长轨迹；
(5) 在云内引起动力效应 , 引发下沉气流 使雹云解体； (6) 促使暖云底雹云中碰并成雨过程。
10/14/2015 IAP 16
Beneficial competition: Seed with glaciogenic agent to make more ice crystals and more graupel to serve as hail embryos Create enough artificial hail that they deplete the supercooled water without any stones growing large Both natural and artificial stones melt before reaching the ground
引自郑国光（2003）8th ICWM
10/14/2015
IAP
7
Hail nets
Hail damage
No hail damage
Of course there are many problems with 采取防雹措施与否情况大不一样！ hail nets also, I am not trying to promote them
10/14/2015
IAP
12
对流云形成过程
Penetrative updrafts
Turbulent eddies
Magnitude and width of updraft are important for hail growth
云降水形成过程可分为： 动力学过程 空气垂直运动是云降水形成的条件 微物理过程 水汽凝结形成水滴或冰晶,通过碰 并等过程获得增长的过程 两种过程相互作用 上升运动决定空气膨胀降温速率和 水汽凝结速率。凝结潜热释放和粒 子的拖曳力影响着加速上升运动的 浮力。动力过程是微物理过程的前 提,微物理过程是位势不稳定发生 的必要过程
10/14/2015
IAP
9
国际人工增雨防雹作业现状
30多个国家开展了近百项人工增雨计划， 作为抗旱和水资源增蓄的重要组成部分； 美、俄、以等国在人工增雨防雹机理研究、 作业科技水平、催化剂和仪器装备等方面处于 国际领先地位。增加自然降雨量10-25%；减少 冰雹灾害到达60%; 以色列在进行15年有科学设计的人工增雨 试验研究，作业效果得到确认后，人工增雨成 为旱作农业的一个重要组成部分。
Supercell
10/14/2015 IAP
Recirculation
26
对流云数值模式在人工防雹多个方面 开始应用
近二十多年来，随着国内外云和降水数值模拟的发展和 进步（几乎可以模拟各主要类形的云和降水的形成和演 变过程），冰雹云和人工防雹的数值模拟研究在国内也 发展很快。 但是，在人工防雹的试验和作业过程中实际应用还很不 够。从人工防雹的预报、识别、作业到效果检验的各个 环节，基本上依赖于经验和统计分析结果尚缺乏具体的、 实时的、定量的判断和决策。 数值模拟可以在人工防雹的各个环节发挥重要作用。在 实际中广泛应用，与现场观测、分析研究相结合，提高 人工防雹各个环节的科学水平。
Supercooled droplets
Freezing
Graupel
Riming Most continental clouds form rain in this way
10/14/2015
This represents a common microphysical picture of the hailstone growth itself, but, of course, is not a unified picture of what is going on. Melting to form rain
10/14/2015 IAP 17
人工防雹中的云物理学问题
对流云（尤其是强对流云）中云微物理过程十分 复杂,互wk.baidu.com牵制,并与云动力学有密切的相互制约； 不同季节、不同地理条件的对流云降水结构和冰 雹形成与发展过程，都存在着明显的差异,对其进 行人工影响的具体物理机制和技术途径,仍有许多 科学问题亟待研究；
IAP 30
10/14/2015
对 流 云 演 变 阶 段 识 别 技 术
发展阶段
10/14/2015
0C
成熟阶段
IAP
消散阶段
31
2.常规雷达识别冰雹云技术
利用 1997 －1999 年间在陕西旬邑防雹基 地观测到的 146 例对流云雷达回波资料，辅以 数值模拟研究结果，主要分析研究了冰雹云和 雷雨云在回波强度、尺度、结构特征和演变特 征等方面的差别，并统计研究了雷达回波单参 数与降雹的关系。从差别和关系中寻求冰雹云
通过观测，加 深对人工防雹科 学概念的认识
人工防雹的物理模型及效果检验依据仍不能 令人信服, 对雹云的及时有效监测、识别和 催化作业工具与方法仍需要进一步改进
IAP 22
10/14/2015
Simple description of a dominant hail process(“cold rain”)
10/14/2015 IAP 5
10/14/2015
IAP
6
Hailstorm is one of the
serious meteorological disaster in China From 1990 to 2000, 1.7 million hectares of farmlands were, on average, affected by hailstorms.
10/14/2015
IAP
28
1. 人工防雹技术集成系统
Ze 的垂直分布
Ze 极大值的时 间分布
回波顶高的时 间分布
Ze 极大值的高 度分布
10/14/2015
IAP
29
对 流 云 演 变 阶 段 识 别 技 术
主要根据强回波的位臵和云顶雷达 反射率梯度确定： 回波中心位于云体中上部，回波顶 部反射率梯度大且向上增长，云体处于 发展阶段； 弱回波区已及地，但强回波区仍位 于云体中上部云体处于成熟阶段； 一旦强回波区下降，底部反射率梯 度增大，云体进入消散阶段。
IAP 23
Hail Suppression Conceptual Models
10/14/2015
IAP
24
Hailstorm Model
10/14/2015
IAP
25
Embryo growth in long-lived updraft followed by 3-D recirculation around upwind side
四个基本事实： 云体 T<0℃区域存在许多未冻 结的液态水滴； 同温下冰面饱和水汽压小于过 冷却水面的饱和水汽压，过冷 云中水滴蒸发并水汽凝华冰晶 生长； 大多数中纬度降水来自混合相 态的云中； 与冰晶晶体结构相同的人工成 冰核剂,如AgI和干冰。
IAP 15
10/14/2015
人工防雹的物理概念