人工增雨

    摘要  人工降水是用人为手段增加云的降水量。运用云和降水物理学原理，通过向云中撒播催化剂（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。

    概述  人工降水（precipitation enhancement；rainmaking）用人为手段增加云的降水量。运用云和降水物理学原理，通过向云中撒播催化剂（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。撒播催化剂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。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。

    人工增雨原理可概括地用“触发机制”四个字来描述，即在充分研究自然降水过程的基础上，人工触发自然降雨机制。有云才能有雨，但不是所有的云都有降水潜力，只有那些有降水潜力和开发利用可能（云水资源丰富，云层较厚，对冷云来讲主要要有较丰厚的过冷水区）的云才可催化致雨。 

    方法  人工降水的主要方法是向云中播撒人工催化剂。在低于0℃的冷云中播撒碘化银或干冰，可以产生大量人工冰晶（每克催化剂约能产生1012个冰晶），这些冰晶能通过冰晶过程迅速长大成为降水粒子，从而使冰晶过少的自然冷云增加降水。在冷云催化过程中释放的冰晶化活热可使云中温度升高约0．5℃，从而加大浮力，促进河流和云体发展，以增加降水量，这叫动力催化。对于温度高于0℃的暖云，可以播撒大小适当的食盐、尿素或其它吸湿性物质颗粒，使云中迅速形成一批大云滴（每克盐粒约能产生107个大云滴），它们能通过碰并过程迅速长大成雨滴，从而使大云滴不足的自然暖云增加降雨。除了播云催化以外，有人试验用热流机从地面向上喷射高温气流，以加强空中或云中的局地对流，从而增加局地的水汽凝结和降水量。

    原理  人工增雨的原理是 根据空中云的性质、高度、厚度、浓度、范围等，向云体播撒致冷剂(如干冰、丙烷等)、结晶剂(如碘化银、碘化铅、间苯三酚、’四聚乙醛、硫化亚铁等)、吸湿剂(食盐、尿素、氯化钙)和水雾等，以增加云中冰晶浓度，弥补云中凝结核的不足，加强云中碰并活动，促使云滴增大，改变云滴的大小，分布和性质，加速雨滴的生长过程，从而达到增加降水之目的。主要有三种形式：

    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，则形成的冰晶的平均尺度较小，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。

    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。

    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。

    暖云人工降水

    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。

    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（见大气静力稳定度）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。

    人工增雨的作业方式  目前人工增雨的方式大体有三种：

    （一）在地面布置AgI燃烧炉。催化剂依靠山区向阳坡在一定时段常有的上升气流输送入云。这种方式的优点是经济、简便，其明显的缺点是难以确定催化剂入云的剂量。这种方式主要适合于经常有地形云发展、交通不便的山区。

    （二）高炮和火箭为主的地面作业。由于增程焰剂炮弹和焰剂火箭的研制成功，将催化剂在合适的时段按需要的剂量输送到云的合适部位的问题已基本上获得解决。其缺点是虽已有车载火箭装备，可在一定范围内移动，但相对于飞机机动性仍差，适合于在固定目标区（如为水库增水）作业，特别是对飞机飞行安全有威胁的强大对流云进行的催化作业。WR－1B型增雨防雹火箭作业系统是目前经国家人影办唯一认定的火箭作业系统。它采用中国气象科学研究院BR－91－Y型高效碘化银焰剂，产生含AgI的复合冰核气溶胶，具有很高的成核率，其性能指标高于美国和独联体的同关产品。

    （三）飞机催化作业。飞机催化作业的面比较宽，可以根据不同的云层条件和需要，选用暖云催化剂及其播撒装置，选用制冷剂及其播撒装置（如干冰、液氮），也可挂载Agl燃烧炉、挂载飞机焰弹人发射系统。还可装载探测仪器进行云微结构的观测和催化前后云宏、微观状态变化的追踪监测。不过不是所有的云都可以用来“播雨”的，一般说来低云族中的雨层云和层积云，或中云族中的高层云较为适宜；少云或者晴空条件下，就不能进行飞机人工增雨。

    人工增雨的来由  在天气大旱的时节，人们常用人工降雨的方法来战胜这种自然灾害。现代实用的人工降雨方法是美国化学家和物理学家欧文•兰茂尔发明的。1932年诺贝尔化学奖的得主、美国化学家兼物理学家兰茂尔，一生进行过有益的研究，但他在科学上实现的最大突破还是人工降雨。

    在获得诺贝尔奖后，他就和化学家文森特•约瑟夫•谢弗等人共同进行了人工降雨的研究。为了研究方便，他在自己研究室的电冰箱里设计了一个装置，其内充满了水蒸气，通过调节冰箱内的温度，使这些水蒸气成为模拟真实天气的“人工云”。1946年7月的一天，天气异常炎热，兰茂尔的试验研究正在进行中，由于电冰箱出了故障，装有人工云的实验装置里的温度一直降不下来，情急之中，兰茂尔就向装置中放入干冰来临时降温。谁知当他刚把一块干冰放进冰箱，装置里就出现了一种他从未见过的奇观：构成人工云的水蒸气立时变成了无数的小冰晶，分布于冰箱的各个角落，然后聚成片片雪花纷纷落下。兰茂尔目睹了这一奇特现象，难以抑制心中的激动，他看到了成功的希望。这也使他明白了，降雨对尘埃微粒的要求并非绝对必要条件，只要能将温度迅速降到-40℃以下，水蒸气就会凝成大量的小冰晶，这些小冰晶自然就成了余下水蒸气的凝结核，使它们凝聚在一起，变成一个较大的水珠而落下来，从而形成了雨。

    经过他们的进一步努力，人工降雨这一设想终于被付诸实施。兰茂尔和谢弗乘上装有撒播干冰设备的飞机飞上了天空，在云海中找到他们认为合适的云层后，兰茂尔和谢弗开动设备，将干冰撒播了出去。30分钟后，地面上出现了激动人心的一幕：一场大雨从天而降，人类历史上第一次真正的人工降雨获得了成功。后来，美国的另一位科学家本加特对兰茂尔的人工降雨方法进行了改良，他用碘化银微粒取代了难以保存的干冰，使人工降雨更加简便易行。这种新方法使人工降雨得到了迅速普及。