初探人工增雨抗旱農(nóng)業(yè)減災(zāi)技術(shù)

□陳 蕓 陳隆財(cái)

我國(guó)是自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家之一，干旱是我國(guó)最主要的一種自然災(zāi)害。例如，2006年，重慶遭遇了百年一遇的特大干旱；2009年，我國(guó)許多地方遭遇50年一遇的大旱，安徽、河南等地災(zāi)害嚴(yán)重；2010年春，云南、廣西等省遭受?chē)?yán)重春旱等。干旱所造成的損失十分嚴(yán)重，越來(lái)越受到政府和公眾的關(guān)注。人類(lèi)對(duì)有關(guān)人為干預(yù)降水形成過(guò)程的認(rèn)識(shí)和研究在不斷提高，人工降雨已成為抗旱救災(zāi)、水庫(kù)蓄水的一種重要手段。

干旱和水資源短缺一直是困擾我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重大難題。為緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源的短缺,自1958年起我國(guó)即廣泛開(kāi)展了人工增雨,并受到各級(jí)政府的重視。

1 人工增雨冷暖催化理論

人工影響天氣是在一定的有利時(shí)機(jī)和條件下,通過(guò)播撒催化劑等技術(shù)手段,對(duì)局部區(qū)域大氣中的云霧降水物理過(guò)程進(jìn)行影響,達(dá)到人工增雨、防雹、消霧等目的。大氣中的水汽在上升過(guò)程中凝結(jié)成細(xì)微的云滴,漂浮在空中。在溫度低于0℃的冷云中,云滴往往仍為過(guò)冷水滴。在這種冷云中,如果有冰晶存在,由于冰面飽和水汽壓低于水面飽和水汽壓,冰晶就會(huì)很快的凝華長(zhǎng)大而云滴蒸發(fā),冰晶長(zhǎng)大后可下落成雪。貝吉隆早在1935年就對(duì)冰水共存的混合云降水過(guò)程進(jìn)行過(guò)研究,因此,這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)之為貝吉隆過(guò)程。雪在溫度高于0℃的暖區(qū)會(huì)溶化成雨。雪和雨在下落時(shí)都會(huì)碰撞并合云滴而進(jìn)一步長(zhǎng)大,最后降到地面。在暖區(qū)或者沒(méi)有冰晶的云中,云滴大小不一,大的云滴可能碰到小的云滴而長(zhǎng)大成為雨滴,降落及地。

人工降水（人工增雨）是在自然冰晶不足的云中,播撤干冰、碘化銀等催化劑,產(chǎn)生大量人工冰晶,促進(jìn)降水的發(fā)展。大量試驗(yàn)研究表明,對(duì)于適合人工增雨的云,在適當(dāng)部位適當(dāng)時(shí)機(jī)采用適當(dāng)?shù)拇呋椒梢赃_(dá)到增加降雨的目的。掌握和使用不當(dāng)就會(huì)使實(shí)際效果大大降低、在特殊情況下還可能出現(xiàn)負(fù)效果。因此認(rèn)識(shí)、掌握正確的催化條件和方法是人工增雨的技術(shù)關(guān)鍵,也是效果評(píng)估的前提。

2 層狀冷云人工增雨技術(shù)

層狀冷云是我國(guó)北方春秋旱季的主要降水云和人工增雨對(duì)象。觀測(cè)表明之中過(guò)冷水含量很少,可以催化的部位有限,根據(jù)經(jīng)典理論催化增雨量?jī)H僅來(lái)自過(guò)冷水的轉(zhuǎn)化,在大多數(shù)降水層狀云中只能達(dá)到10-1mm的數(shù)量級(jí),同生產(chǎn)需求和實(shí)際作業(yè)效果相差甚遠(yuǎn)。因此必需研究建立新的人工增雨概念模型和相應(yīng)的新的催化條件判據(jù)和催化部位、劑量指標(biāo),研制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別和催化決策技術(shù)系統(tǒng)。

中尺度層狀云系數(shù)值模式及其模擬預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中尺度層狀云系數(shù)值模式是將6個(gè)預(yù)報(bào)量的中尺度大氣模式MM4同12個(gè)云降水預(yù)報(bào)量的云物理模式結(jié)合起來(lái),考慮了21種云物理過(guò)程。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)研制了模式輸入資料處理和輸出結(jié)果產(chǎn)品顯示服務(wù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了模式實(shí)時(shí)穩(wěn)定自動(dòng)化的運(yùn)行。

層狀云人工增雨的新概念模式、條件判據(jù)和催化指標(biāo)體系。人工增雨概念模型經(jīng)典理論指出,催化引入的人工冰晶可以通過(guò)貝吉隆過(guò)程使過(guò)冷云水轉(zhuǎn)化為降水（雪、雨）。實(shí)際云中含水量觀測(cè)表明降水層狀云中過(guò)冷水垂直累積總量約為0.1mm左右,增雨潛力很小。數(shù)值模擬表明催化引入較多的人工冰晶可使部分冰面過(guò)飽和水汽轉(zhuǎn)化為降水,其垂直累積量往往大于過(guò)冷水量,在上升氣流中可維持增雨的潛力。催化后水汽的補(bǔ)充凝華潛熱可使空氣加熱10-1K的量級(jí),導(dǎo)致云中升速加大10-2～10-1m/s的量級(jí),促使催化區(qū)云和降水發(fā)展。

人工增雨條件和判別方法根據(jù)上述概念模型以及數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出了下列人工增雨條件：①云降水處于發(fā)展或持續(xù)階段,云中有比較深厚的上升氣流,云下蒸發(fā)較弱,云厚較大,過(guò)冷云層較厚,云底較低;②云中有過(guò)冷水,在較厚的層次里有較大的冰面過(guò)飽和水汽值,其中冰晶濃度較低的區(qū)域更為有利。

識(shí)別方法①云降水宏觀特征;②云物理微觀特征：探空（尤其是加密探空）監(jiān)測(cè)的冰面過(guò)飽和水汽區(qū)有參考價(jià)值。機(jī)載2D-C儀測(cè)到粒子濃度小于閾值時(shí),說(shuō)明自然冰晶較少,具有增雨潛力。

3 層狀云飛機(jī)人工增雨監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)

PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)改造符合催化條件的人工增雨潛力區(qū)的最終識(shí)別依賴(lài)于飛機(jī)的云物理直接監(jiān)測(cè)。我國(guó)引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的PMS粒子測(cè)量系統(tǒng),不能在飛機(jī)上實(shí)時(shí)顯示處理,只能用于催化作業(yè)后的分析研究,而不能用于作業(yè)條件的實(shí)時(shí)識(shí)別。通過(guò)將原有的PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)記錄部分的改造和研制的相應(yīng)軟件,實(shí)現(xiàn)了各種云物理觀測(cè)參量在微機(jī)上的實(shí)時(shí)處理和顯示,包括各種大小粒子的數(shù)濃度、不同直徑分級(jí)的平均直徑和含水量、云中溫度、高度、空速等,還可以顯示云中冰粒子和降水壩子的圖象。

GPS飛機(jī)定位和空地傳輸飛機(jī)測(cè)量是一維的,它的空間坐標(biāo)隨時(shí)間而變,精確定位是綜合識(shí)別分析、效果檢驗(yàn)等的基礎(chǔ)。過(guò)去的導(dǎo)航定位時(shí)空精度較差,新引進(jìn)的地球定位系統(tǒng)（GPS）,高速采樣的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入機(jī)載微機(jī),可以同其他物理參量的高速采樣值實(shí)時(shí)綜合分析顯示。所研制的空地傳輸系統(tǒng)（包括硬件和軟件）、可以將飛機(jī)觀測(cè)資料實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?同時(shí)將地面資料（雷達(dá)、閃電等）供地空指揮人員使用。