云降水物理和人工影響天氣研究進(jìn)展和思考

摘 要：云降水物理是人工影響天氣的理論依據(jù)，指導(dǎo)著人工影響天氣的具體實(shí)施過程，對(duì)人工影響天氣具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前我國的人工影響天氣研究取得了不小的進(jìn)步，眾多的人工影響天氣工程正在建設(shè)之中，將在我國的天氣研究過程中發(fā)揮重要的作用。本文對(duì)云降水物理研究進(jìn)展進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹，在此基礎(chǔ)上，著重介紹了人工影響天氣研究，并對(duì)當(dāng)前的研究進(jìn)行了研究思考，對(duì)從事相關(guān)工作的研究人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：云降水物理；人工影響天氣；思考

中圖分類號(hào)：P49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170931058

前言

我國的人工影響天氣研究始于20世紀(jì)50年代，發(fā)布了《氣象工作研究12年遠(yuǎn)景規(guī)劃（草案）》，由此開啟了我國人工影響天氣的序幕。經(jīng)過多年的不斷研究發(fā)展，我國在人工影響天氣領(lǐng)域中的研究已經(jīng)小有所成，尤其是21世紀(jì)初，我國面臨著嚴(yán)重的旱災(zāi)、洪水、臺(tái)風(fēng)等眾多惡劣天氣的威脅，為了減少這些自然災(zāi)害所造成的損失，我國人工影響天氣呈現(xiàn)快速發(fā)展勢頭，國家也增大了對(duì)人工影響天氣研究的支持力度，人工影響天氣的理論和探測研究得到快速發(fā)展。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，我國人工影響天氣的研究取得了較快的發(fā)展，在防止和減輕氣相災(zāi)害中發(fā)揮了重要的作用。

1 云降水物理研究進(jìn)展

1.1 云中粒子和微物理結(jié)構(gòu)

1.1.1 粒子譜

通過觀測研究發(fā)現(xiàn)，我國南方的層狀云中云滴譜較寬，濃積云中的云滴譜很寬，并伴隨有第2峰值。此外，雨層云、層積云中也具有第2極大的云滴譜，雙峰譜不僅在瞬時(shí)譜上出現(xiàn)，而且在某段時(shí)間內(nèi)會(huì)連續(xù)大量出現(xiàn)，并且還具有一定的演變規(guī)律。當(dāng)出現(xiàn)雙峰時(shí)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)云滴譜變寬。對(duì)北方層狀云的研究主要包括：層狀云的云滴譜、冰晶譜、雪譜、融化層中的粒子譜以及雨滴譜。在云滴譜的Γ分布擬合中，α>5的個(gè)例占到總數(shù)的40%左右，通過研究發(fā)現(xiàn)α值由云層的底部向上逐漸增加。

1.1.2 大云滴

通過對(duì)大云滴的形成進(jìn)行分析研究，有助于人工播撒大云滴進(jìn)行催化降雨的順利實(shí)施。大云滴主要存在于旺盛發(fā)展的濃積云和厚度在1～2km范圍內(nèi)的小積云之中，只有暖云中存在一定數(shù)量的大云滴才有可能形成降雨，大云滴是降雨的必要條件，但非充分條件。要想形成一定的降雨，暖云還需要滿足其他的條件，例如，云中的上升氣流、云中的含水量和云層的厚度等。因此，采用撒播大云滴進(jìn)行人工降雨時(shí)，需要對(duì)云中的實(shí)際情況進(jìn)行充分的考慮，并采取針對(duì)性的改進(jìn)措施，唯有這樣才能真正的實(shí)現(xiàn)人工降雨。

1.1.3 積云微結(jié)構(gòu)模型

通過對(duì)模型的研究發(fā)現(xiàn)，在濃積云的水平和垂直方向上存在一定數(shù)量含水量較高或云滴濃度較大的區(qū)域，該區(qū)域與云中的對(duì)流泡具有一定的關(guān)系。

1.1.4 層狀云垂直分層結(jié)構(gòu)

層狀云的微物理結(jié)構(gòu)可以分為3個(gè)不同的層次：冰晶層、過冷水層和暖水層，這是一種“催化-供給”云的結(jié)構(gòu)。冰晶層對(duì)過冷水層其到衣服那個(gè)的催化作用，是一種具有催化作用的云層；過冷水層和暖水層為高空下落的冰晶離子提供增長所必須的水分和適宜的環(huán)境，是一種具有供給作用的云層。

1.2 云中粒子增長及降水形成機(jī)制

1.2.1 云滴增長

云中的湍流和云的起伏變化規(guī)律是形成暖云降水的一個(gè)非常重要的因素，在宏觀條件下受到氣流場的不同影響。通過精確的計(jì)算得到，云滴濃度、濕度場的起伏變化對(duì)云滴的增大起到一定的促進(jìn)作用。在云滴逐漸增長的過程中，起伏場的相關(guān)時(shí)間是一個(gè)非常重要的影響因素，而湍流加速場由于相關(guān)時(shí)間非常短，在雨滴的形成過程中所起到的作用微乎其微。通過研究新安江流域范圍內(nèi)積云中云滴的整個(gè)增長過程發(fā)現(xiàn)，在大云滴的形成過程中起主要作用的就是半徑為1.5～2.5μm的巨核，巨核能夠有效的減少大云滴的形成時(shí)間，但是其在平衡態(tài)凝結(jié)譜中的作用較小。

1.2.2 冰晶增長

通過對(duì)冰面擴(kuò)散云室進(jìn)行冰面過飽和度和不同溫度條件下冰晶生長的相關(guān)研究，能夠進(jìn)一步獲取在低冰面過飽和度情況下的定量結(jié)果，促進(jìn)了對(duì)冰晶增長整個(gè)過程的研究，以及指明了冰形突變區(qū)域以及低水面過飽和區(qū)域冰晶增長過程中的特點(diǎn)。

1.2.3 冰雹的形成、增長

通過對(duì)冰雹進(jìn)行實(shí)例模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)云層的冰雹形成源區(qū)中存在一定數(shù)量的霰和凍滴雹胚，通過與過冷水進(jìn)行撞凍獲得進(jìn)一步的增長。云中的過冷水對(duì)雹胚和冰雹的形成、增長具有非常重要的影響。在冰晶—過冷水—雹胚—冰雹的整個(gè)過程中，一旦缺少過冷水的有效參與，就不會(huì)形成降雹的天氣。

1.3 云和降水的發(fā)展過程

1.3.1 積云

通過對(duì)積云降水的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，積云的整個(gè)形成過程非常的短暫，在適宜的條件下，經(jīng)過十幾分鐘積云的厚度就會(huì)大大增長，可以達(dá)到幾公里的厚度。當(dāng)積云達(dá)到一定的強(qiáng)度后，積云的頂部就會(huì)出現(xiàn)砧狀結(jié)構(gòu)，在云的周圍和云頂上，就會(huì)形成比較穩(wěn)定的下沉氣流。對(duì)積云的強(qiáng)度具有重要影響的主要是云層的結(jié)構(gòu)、相對(duì)濕度和云層底部的溫度。在積云形成的初期，最大上升氣流的速度中心位于云層的中下部位置，隨著時(shí)間的發(fā)展，速度中心逐漸上升到云層的上部區(qū)域。

1.3.2 積層混合云

呈嵌入狀態(tài)的對(duì)流云和層狀云組成了積層混合云，其具體的形成過程是，對(duì)流云在不斷擴(kuò)大的過程中，能夠?yàn)橹車膶訝钤铺峁┏渥愕乃趾湍芰抗?yīng)，促進(jìn)層狀云的不斷發(fā)展，其上升氣流的速度能夠保持平穩(wěn)，而上升氣流的面積得到不斷的擴(kuò)大，最終形成了積層混合云，這種類型的云能夠有效的形成降水。層狀云為積云的發(fā)展壯大提供了充足的外部條件，其中層狀云為積云降水的形成輸送了大量的云水和雨水，促進(jìn)了積云降水的進(jìn)一步形成。

1.3.3 層狀云

通過對(duì)層狀云的模擬研究發(fā)現(xiàn)，在層狀云中的冰晶離子其增長的能量主要來自于水的凝華作用。其中，水的凝華作用主要來自層狀云混合層中部的位置，該區(qū)域中的冰面過飽和度相對(duì)較高，有利于水滴的不斷凝華，并且暖層的厚度越大對(duì)水滴的凝華作用越有利。通過計(jì)算可以得到這3層對(duì)降水影響程度的大小，由高到低依次是暖層（58%）、混合層（35.5%）、冰晶層（6.5%），由此可見，混合層和暖層對(duì)降雨強(qiáng)度具有決定性的影響。endprint

2 人工影響天氣研究

2.1 冰雹云物理和人工防雹研究

2.1.1 雷達(dá)識(shí)別冰雹云的方法

雷達(dá)在進(jìn)行冰雹云的識(shí)別過程中，主要是對(duì)雷達(dá)的回波形狀、尺度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、移動(dòng)以及形成特征等進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而對(duì)冰雹進(jìn)行有效的識(shí)別，其識(shí)別冰雹的正確率可以達(dá)到85%，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.1.2 冰雹云分類

冰雹云根據(jù)冰雹強(qiáng)度的不同可以分為：強(qiáng)單體雹云、弱單體雹云、傳播雹云和多單體雹云4種不同的類型。

2.1.3 催化防雹機(jī)制

進(jìn)行人工催化防雹的重點(diǎn)部位就是源區(qū)，因?yàn)樵磪^(qū)為雹胚的形成提供了適宜的條件。通過催化作用后，源區(qū)內(nèi)冰晶的數(shù)量迅速增加，進(jìn)而導(dǎo)致雹胚的數(shù)量增加。因此，形成的雹胚平均直徑較小，最終能夠向冰雹進(jìn)行轉(zhuǎn)化的比例也較小，進(jìn)而最大限度的降低冰雹的總質(zhì)量、平均直徑以及總數(shù)量，從而避免冰雹災(zāi)害的發(fā)生。

2.2 人工增雨理論研究

2.2.1 暖云人工增雨

通過相關(guān)研究表明，對(duì)流性暖云實(shí)施人工降雨的過程中，鹽粉的實(shí)際撒播效率和降水效果主要受到鹽粉的撒播位置和鹽粉顆粒大小的影響。在實(shí)際的人工增雨過程中，要充分考慮云層的厚度、含水量、上升氣流以及云層的生命時(shí)間等因素，進(jìn)而制定出契合實(shí)際要求的鹽粉撒播方式。

2.2.2 人工增溫影響積云

相關(guān)的研究表明，通過對(duì)積云進(jìn)行人工增溫，能夠?qū)Ψe云的宏觀動(dòng)力過程造成顯著的影響。對(duì)積云實(shí)施人工增溫后，積云中的浮力、上升氣流和含水量均發(fā)生不同程度的增加，進(jìn)而強(qiáng)化了積云的整個(gè)發(fā)展過程，而且人工增溫的范圍和強(qiáng)度越大，對(duì)積云所造成的影響也越大。

2.2.3 人工增雨潛力及其評(píng)估

通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，云中的過冷水含量越多越有利于人工增雨的實(shí)現(xiàn)。人工增雨過程中的水分主要有2個(gè)來源：水-冰的轉(zhuǎn)化水；汽-冰的轉(zhuǎn)化水。

2.2.4 人工催化影響降水機(jī)制

人工冰晶不僅通過貝吉龍過程將過冷水轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤?，而且還能促使部分的冰面過飽和水汽轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤辏哪A過程中釋放出大量的熱量導(dǎo)致積云中局部的溫度升高，進(jìn)而進(jìn)一步促進(jìn)了降雨的發(fā)生。液態(tài)CO2是一種新型催化劑，采用其進(jìn)行增雨的過程中，人工進(jìn)行引晶后，云中的冰晶濃度和雨滴直徑有了明顯的增加，云中的過冷水減少。進(jìn)行人工引晶區(qū)域的最大回波強(qiáng)度增加，強(qiáng)回波區(qū)的面積擴(kuò)大，降水增加。

3 研究思考

雖然我國在云降水物理和人工影響天氣的研究上獲得了不小的發(fā)展，但是還存在一些薄弱的環(huán)節(jié)，人工影響天氣的科學(xué)技術(shù)研究水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)預(yù)防和減輕氣象災(zāi)害的需要。因此，還需要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)人工影響天氣理論和技術(shù)進(jìn)行研究，可以從以下幾方面進(jìn)行有針對(duì)性的改善。

云降水物理是進(jìn)行人工影響天氣研究的理論基礎(chǔ)，而人工影響天氣是云降水物理的一個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高研究的科學(xué)性，就需要對(duì)與云降水物理的理論進(jìn)行更加深入的研究。

加強(qiáng)人工影響天氣核心技術(shù)的研究，為人工增雨的順利實(shí)施提供可靠的技術(shù)保障。在實(shí)際的增雨過程中，要對(duì)催化作業(yè)的積云和其增雨潛力進(jìn)行系統(tǒng)全面的評(píng)估，進(jìn)而優(yōu)選出最適宜進(jìn)行人工增雨的積云，從而確保人工增雨的順利實(shí)施。

對(duì)進(jìn)行人工增雨的地區(qū)，開展云中微物理?xiàng)l件的普查性研究，進(jìn)而對(duì)我國的人工增雨地區(qū)的積云狀況進(jìn)行有效的掌握，從而為人工增雨的實(shí)施提供資料支持。

4 結(jié)語

我國在云降水物理和人工影響天氣方面進(jìn)行了大量的深入研究和試驗(yàn)，這就大大的促進(jìn)了數(shù)值云模式和中尺度模式的模擬研究水平的不斷提高，在云和降水物理過程和降水機(jī)制研究、云的微物理結(jié)構(gòu)、云水資源和人工增雨潛力評(píng)估、催化條件預(yù)測、催化劑和催化技術(shù)等方面取得了顯著進(jìn)展。本文對(duì)云降水物理研究進(jìn)展和人工影響天氣研究進(jìn)行了比較系統(tǒng)的介紹，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相關(guān)研究的思考，對(duì)從事云降水物理和人工影響天氣研究的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]賀洪軍，何洋，張憲冬，等.基于云降水物理的人工影響天氣技術(shù)探究[J]. 科技視界，2016（01）：92.

[2]樓小鳳，師宇，李集明.云降水和人工影響天氣催化數(shù)值模式的發(fā)展及應(yīng)用[J].氣象科技進(jìn)展，2016（03）：75-82.

[3]馮宏芳，林長城，許金洪，等.福建省人工影響天氣學(xué)科發(fā)展研究報(bào)告[J]. 海峽科學(xué)，2016（01）：15-24.

[4]吳香華.人工增雨效果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)研究—基于現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)方法[D]. 南京：南京信息工程大學(xué)， 2014.

[5]何暉， 高茜， 劉香娥， 等. 積層混合云結(jié)構(gòu)特征及降水機(jī)理的個(gè)例模擬研究[J]. 大氣科學(xué)，2015（02）：315-328.

[6]許煥斌， 尹金方. 關(guān)于發(fā)展人工影響天氣數(shù)值模式的一些問題[J]. 氣象學(xué)報(bào)，2017（01）：57-66.

[7]賀永全. 海東市人工影響天氣工作的現(xiàn)狀與思考[J]. 青海農(nóng)林科技， 2016（03）：49-52.

[8]劉懷遠(yuǎn). 云降水和人工影響天氣催化數(shù)值模式的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 低碳世界， 2016（17）：267-268.

作者簡介：張?zhí)m英（1988-），女，四川省資陽人，本科，畢業(yè)于成都信息工程大學(xué)，助理工程師，研究方向：大氣物理與大氣環(huán)境專業(yè)。endprint