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1、人工影响天气基本原理,黄毅梅0371-,基本思想,除少数情况，人工影响天气实际上就是人工影响云，一方面改变云中微物理条件及过程，另一方面通过第一方面的作用促使云中宏观动力过程产生相应变化。向某些发展降水尚缺条件或降水效率不高的云中播撒催化剂改变构成云体的云质粒相态或谱分布，促使云体向胶体不稳定发展进而由微物理过程的变化间接引起宏观动力过程产生变化最终出现降水或使降水增大。,基本思想,现阶段的人工影响天气工作主要是通过人为地在云中播撤（Cloud Seeding）某些物质，改变云、雾和降水的物理过程，以达到以下目的：(1)增雨（雪）Precipitation Increase(2)消雾、消云Ha
2、il Damage Mitigation(3)抑制冰雹Fog Dispersal,增加降水-冷云人工增雨,原理过冷云中，如果因为缺乏冰晶或冰晶甚少而不能降水或降水强度甚弱的话，可以人工地增加云内冰晶浓度以引发云层降水或增大其强度,增加降水-冷云人工增雨,基本思路冷云中降水质粒是由冰晶效应形成的，要求降水性冷云中必须存在足够数量的冰晶；自然界有些冷云不能产生降水或降水效率不高，就是由于云中缺少足够数量的冰晶；人工地引进一定数量的冷云催化剂，如干冰、AgI，使云中产生足够数量的冰晶，使云内降水形成过程得以实现。过量播撒冷云催化剂，产生的冰晶数量过多，数密度很大，都不能够增长得足够大，可用此方法延缓
3、或阻止降水发展。,有二种方法可以增加云内冰晶撒播冷冻物质以降低局部云体的温度，使冰核发生作用或促成云滴自生冻结，干冰、液N2是常用的冷冻剂。干冰在1个大气压下表面温度低达-78，升华1g干冰可产生10101012个冰晶。缺点是贮运不便，不能在地面对云作业。具有无毒和成冰阈温高等优点,增加降水-冷云人工增雨,增加降水-冷云人工增雨,An equipment for seeding liquid N2,增加降水-冷云人工增雨,播撒其微粒能充当有效冰核的物质，如碘化银(AgI)、介乙醛、间苯三酚和硫化铜等AgI有两种晶体结构：六方体和立方体。前者与冰结构相似，晶格常数极为接近，故能起冰核作用，成冰阈
4、温比较高，低于-4即可成冰。在-10时，1克AgI可产生10121013个有效冰核，是一种高效催化剂。,增加降水-冷云人工增雨,作用机制T-12时，凝华核-12T-5时，凝结-冻结核T-5时，接触冻结核使用方法溶液燃烧法（地面和飞机）：缓慢，单炉发生率小但成核率最高。爆炸法（高炮和火箭）：单位时间内输出率大，但成核率最低。,增加降水-冷云人工增雨,试验结果当云顶温度高于-10或低于-24时，播撒无效；云顶温度处于-10-24时，播云有效。因此把-10-24的温度范围称为播云温度窗口。,增加降水-冷云人工增雨,增加降水-冷云人工增雨,积云动力催化,思路上述静力催化原理，着眼于影响云的微物理过程。
5、若能影响云的动力过程，促进云体宏观发展，那么降水量有可能较大地增加，因为形成更大的云体，能产生更多的凝结物，由于它们的尺度大，可能更有效的利用这些凝结物。即使降水效率维持不变，由于云体大，生命周期长，降水总量也会增加。,积云动力催化,目前主要通过过量播撤人工冰核(102104/L)，使过冷水滴全部冰晶化，释放大量冻结潜热，使云上升得更高，发展得旺盛。对于层状云，大气通常处于热力学稳定状态，人工引起的微小的温度变化，只能把原来很慢的每秒几厘米的上升速度变为每秒1米左右，因此只能引起很弱的嵌入对流。所以，静力催化仍然是影响层状云降水最常用的方法。,积云动力催化,动力催化和静力催化的相同点影响区域都
6、是过冷水云区域影响的对象都是过冷却云滴使用的催化剂都是冷云催化剂动力催化和静力催化的不同点目的不一样：静力催化把过冷却云层中的云水变成降水质粒；而动力催化是用过冷云滴冻结时释放的潜热加强上升气流，使积云发展。剂量不一样：静力催化每立方米只需103104个冰核；而动力催化要使过冷水滴尽快地冰晶化，必须大剂量播撒，一般每立方米需105106个冰核，与静力催化有一到两个数量级的差异。,积云动力催化,暖云人工增雨,大陆性暖积云很难产生降水，降水效率不高。是由于吸湿性巨核极少，云滴谱很窄，云滴大小较均匀，微结构常呈胶性稳定状态，碰并过程进行得很慢。而海洋性暖积云的滴谱较宽，云体内含有较多的大水滴，通过大
7、云滴碰并小云滴，易实现云雨转化。总之，大水滴的存在是暖云降水的关键。基本原理在因为缺乏大水滴而不能降水或降水强度不大的云内，人工地引进大水滴或吸湿性大核，就可以改变云内滴谱分布，使之变宽，则能破坏云体的胶性稳定状态，促使云内碰并过程有效地进行，从而导致降水的产生，提高降水效率。,暖云人工增雨,向暖云提供大云滴的方法也有二种直接喷洒水滴和播撒吸湿性物质。后者如食盐(NaCl)和氯化钙(CaCl2)等。引入盐粒后，影响其成长的因素主要是云中的上升气流速度、液水含量大小及云体厚度等自然条件，同时引人盐粒的大小、浓度及催化部位、时间也直接影响人工催化的效果。把盐质粒播撒到云底附近，以便提供形成云滴所必
8、须的核。,暖云人工增雨,人工防雹,播撒冰核催化剂抑制冰雹水份累积区理论：雹云中存在一个液态水分累积区，处在最大上升气流层之上，那里积累了过冷却水大水滴，含水量可达20-30g/m3，冰雹就生长在这个区域内(称为雹源)。积累的总液水量是有限的，与最大上升气流速度成比例，并认为在冰雹生长过程中总液水量不变，即NR3=常数(N是雹胚数浓度，R是冰雹半径)。在大冰雹形成以前，向雹源内引入大量人工冰核，增加雹胚浓度，可以限制冰雹的增长。,人工防雹,减少冰雹生长区水源供应冰雹是由胚胎不断与过冷水滴碰并而增长大的。在冰雹生长区，水源供应非常充足，如果向云下部暖区引入吸湿性粒子，使该区云滴增大，促进并合，加速
9、暖云降水，就可以减少进入过冷却区的水滴。因此，这个方法旨在于改变冰雹胚胎的生长条件，减少冰雹生长区的水源供应。,人工防雹,爆炸对冰雹云的作用激发大量小的对流云形成，以释放对流不稳定能量。爆炸产生的冲击波和声波，引发下沉气流可以对气流产生制动作用爆炸冲击波使冰雹破碎变软冲击波触发过冷水的冻结,人工防雹,人工消雾,概念：消雾的目的是改善能见度能见度V为一个黑色的目标以地平方向的天空为背景在白天能够看到(对比感阈为0.02时)的距离N为雾滴或冰晶的数浓度，r为雾滴半径，K是雾滴的散射效率，对于可见光和球形雾滴约等于2。从方程看出，要改善能见度就必须或是减少雾滴的数浓度，或者减小它的半径，或者两者兼而
10、有之。由于能见度和半径之间的平方成反比关系，例如，半径减小到原来的1/3，能见度就要增加为原来的9倍。另一方面，数浓度减小到原来的1/3，能见度只能增加为原来的3倍。,人工消雾,主要途径蒸发法减小雾滴半径使水汽在吸湿性物质上凝结加热提高雾环境的温度，增加含雾空气的水汽容量用自然干空气或人为地提供干空气使之与雾混合，促使雾滴蒸发,人工消雾,主要途径阻止法防止雾的产生。要做到这一点就要控制水汽、核和(或)生成雾所需的冷却过程。用阻碍凝结的化学物质人为地制造云层减小地面辐射输出防止法的作业规模一般比只企图消除一部分雾所用的物理消除法和蒸发法的规模大一两个量级,人工消雾,消过冷雾人工影响天气中最简单的
11、是消除过冷的雾。原因：过冷雾虽然是胶性稳定的，但是处于热力亚平衡状态。过冷水滴的能级高于更稳定的冰相的能级。只需加入很小的能量便可使过冷水滴转化成更稳定的冰相，最后导致雾的消散。方法同人工影响冷云降水,人工消雾,人工消雾,消暖雾使雾和上面的较干而暖的空气机械混合，直升飞机下搅混合加热空气用吸湿性物质使空气干燥消雾效率：某吸湿性物质所产生的地面最大垂直能见度和氯化钠所产生的相应能见度之比,人工消雾,消冰雾目前，冰雾一旦形成以后，还没有什么实用的消雾方法。虽然消暖雾的方法原则上也适用于冰雾，但要使这些方法在很低的温度下仍旧行之有效，需要的能量很大，再加上后勤上的一些要求，使得这些方法在经济上是不可
12、取的。但是，冰雾可以通过对导致冰雾形成的人为造成的核和水汽源实行控制的办法来防止。,设备-机载火焰发生器,设备-机载火焰发生器,冰核火焰发生器,吸湿核火焰发生器,设备-机载火焰发生器,设备-机载焰弹发生器,设备-机载焰弹发生器,设备-地面火焰发生器,设备-地面火焰发生器,设备,Mobile rocket launcher,设备,设备,mobile Doppler radar,人工影响天气的科学作业与效果检验,存在的困难,理论上：1）自然云和降水过程的物理机制还末完全认识清楚；2）人工影响天气的理论还不成熟；3）预报的准确性还不能满足人工影响天气的需要；4）还没有一种公认的完全令人信服的检验方法
13、。现实中：1）云的特征存在明显变动性，很难说明试验是成功的2）播云试验常无计划进行，缺乏科学控制难以评价结果3）有些播云操作者过分渲染试验结果,存在的困难,现存的主要困难：1）降雨降雹在时间和空间上的自然变差特别大，人工影响的效果往往埋藏自然变化之中；2）积云，特别是雹云本身的变化很迅速，自然变化的时间尺度和人工影响的变化的时间尺度差不多，二者不易分清，这对物理检验是很不利的；3）预报不能十分准确，以致使增雨、防雹效果的识别变得更加困难。,科学作业,1）选择有利的天气条件：不稳定条件2）选择有利的催化对象：云的类型3）选择有利的催化时机：发展阶段4）选择有利的催化部位：上升气流区；积云上升气流
14、区在前部：“找云头不打云尾”。5）播撒剂量要适当：不能过量。决定于云的上升气流速度、温度结构等。6）飞机播撒选择有利的作业航线：条形循环、与高空风垂直。7）高炮作业选择引信自爆时间、用弹量、作业间隔时间。可分散、分批、间歇。,影响区域的计算,AgI粒子人云后，需要进行一系列的微物理过程，最后才能增长成为雨滴。这大约需要半小时的时间，而且AgI粒子及其水成物是在随风移动的，即使形成雨滴下落，也需一段下落时间，在下落过程中，雨滴仍然随风移动。人工增雨作业的影响区，既与炮击部位有关，又决定于高空风速风向及雨滴下落未速度。雨滴下落未速度与雨滴大小有关。,影响区域的计算,以炮击层状云为例，若700hPa
15、风速12米/秒，500hPa风速7米/秒，取平均10米/秒，相当于风速600米/分。700hPa到地面，取平均风速5米秒。假设由AgI作用，20分钟即能降雨，雨滴由云底下落8分钟到达地面，则人工增雨落在距离炮点12公里以远处的下风方,外场试验常有“炮响雨落”现象。即使如此，落地的雨滴也不一定落在炮击点的下方或炮点。只有在高空风较小时才有可能落在炮点附近,常 规,加 密,专 项,监测系统,通信网,资料采集,资料库,分析平台,空域申请,天气尺度,中 尺 度,云 尺 度,模型判据指标,飞 机,火 箭,高 炮,作业系统,效果分析,通 信决 策 指 挥 系 统,预报,预警,决策,指挥,提供资料,接受指令
16、,反馈结果,指导检验,反馈实况,指挥实施,反馈验证,提供依据,影响 区域,效果检验,效益评估,人工影响天气业务技术的组成及各部分之间的关系,人工影响天气分段业务流程,申报作业计划，发布加密观测一级指令，人员装备待命。天气预报量化指标+预报员经验。,预选作业云区及催化方案，发布加密观测二级指令。各类数值云模式的业务化应用。,确定飞行作业方案，办理当前架次飞行手续，发布观测三级指令。云图雷达探空闪电辐射计加密雨量等监测信息实时反演客观判别。,跟踪目标云，实时识别催化条件，有效实施作业。多站雷达观测上传，GPS定位，机截气象仪、PMS监测、空地信息实时互传。,评估单架次和多架次累计作业效果。扩散模式
17、估算直观对比效果，数值模拟统计评估。,功能段,目的,方法,人工影响天气的效果检验,人工降雨效果检验的基本思路,实测雨量R2人工影响后目标区或目标云的实际雨量；估计雨量R1目标区或目标云不催化时本来可能会降的雨量；增雨效果R2-R1可见，其中最大的困难是估计自然降水量。因此，人工降水效果检验问题，实质上就是用什么方法定量估计自然降水量的问题,效果检验方法统计检验,思路事先做好试验设计，在取得尤其是试验资料的基础上，应用类似于天气预报中的统计预报方法，推断出作业区的自然降水量的估计值，再与实测雨量相比较，以确定效果，同时检验这个效果的可靠程度方法随机试验：即在同一地区随机试验，然后分别统计作业和非
18、作业日的雨量或雹情。序列试验：统计开展人工影响前降雨、雹情和作业后情况，看作业效果是否显著。回归试验：选择作业区和对比区，对人工影响前与后雨情（雹情）进行对比分析。,效果检验方法统计检验,从统计上得出的变化还不能直接判断效果，因为引起这种变化有两种可能：一是自然起伏，另一是作业效果。为了作出判断，需要进行显著性检验。指明出自然可能性有多大，如果这个可能性很大，就没有理由认为是人工影响的效果，即效果不显著；如果自然变化的可能性很小，例如小于5%，就有较大的把握说作业有效，即效果显著。优点：在一确定的概率保证下能够得到定量的影响效果。缺点：样本要多，资料年代要长，因而试验周期长。,效果检验方法统计
19、检验,对于于大范围和长时期的造雨或造雪，效果检验问题就变得更加复杂。为了使得试验具有意义，目前采用两种方法：对照区目标区,选择两个区域，这两个区域具有长期的降水记录和良好的相关(如图)。图上每一个点表示每个区域的年降雨量。如果其中一个区域用作试验播撒(目标区)，则另一个区域就是对照区。,效果检验方法统计检验,随机化方法选择一个区域和适合播撒的条件当这些条件出现时，任意确定是否播撒把全部不播撒的场次作为参考，与播撒场次的结果进行比较。,效果检验方法物理检验,目前的人影作业，主要从改变云的某些微物理过程入手，进而促使降水的形成或增加雨量（或抵制冰雹增大）。因此，作业效果可从云的物理结构发生异常变化
20、中反映出来。这是人工影响的直接效果，而雨量的增加（或雹的减小）应是间接效果。可从飞机观测、雷达观测、地面雨雹观测资料中，分析作业前后的宏微观结构、空中和地面降水的形成和发展，然后综合分析，判断效果。需要指出的是，反映宏微观结构的参量变化，也是受多种因子制约的，不是唯一地决定于人工影响作业的，同样也存在着相当大的自然变差，要从中鉴别出人工影响的效果，一般仍需采用统计检验方法。,效果检验方法数值模拟,根据大气运动规律和降水机制，建立方程组，定量地预报催化和不催化情况下云的发展和降水的差异，再和实测结果相比较，从而确定催化效果。问题：由于自然降水物理机制以及催化机制认识得还不十分清楚，因此模式作出的
21、预报结果不一定准确。,人工影响天气问与答,答：是的。50多年来，WMO的40多个国家的研究和外场作业均已显示，只要是业务人员技术合格、试验作业方案设计合理，人工播云能够消除过冷雾、增加降水和降雪、减少雹灾。,问：人工播云真的有效吗？,答：不是。人工播云使用的催化剂量很小。人工催化产生的降水或降雪中Ag的典型浓度小于0.1毫克/升(百亿分之一).,问：人工催化后产生的降水中是否存在大量AgI或其它催化剂？,答：没有。美国健康署公布的Ag浓度可接受值为50毫克/升，人工播云产生的降水中Ag浓度远远小于该值。很多地区土壤中的Ag含量也远大于人工降水中Ag浓度。人们食用的碘盐中的含I量也远大于人工降水
22、中I的浓度。世界各地40-50年来的人工催化作业没有显示出明显的环境效应。,问：上一问中的浓度对人的健康和环境有害吗？,答：不会。有人所指的下游效应说增加一个地方的降水一定会减少其下游的降水，这属于误解。对大量人工增雨作业结果进行详细的边际效应检测后表明：人工催化有时会使下风方150公里或更远区域的降水增加。已有的不同人工催化试验和作业均没有显示对下风方存在明显的减雨效应。,问：人工播云下游效应怎样？是不是有时候会割肉补疮？,答：是的。大气气溶胶粒子，不论其由什么过程产生，都会影响云的形成、增长过程，以至云向降水转变的能力，此外还将改变大气中的辐射平衡过程。,问：大气气溶胶粒子对自然云降水过程起到决定作用，那么是不是所有生活、工农业生产、交通等过程产生的粒子都能够影响天气变化？,答：如果“自然天气”指完全不受人类活动影响的天气状况，那么自从人类学会使用火开始就不存在这样的天气了。只不过是人类对天气、气候的影响作用在工业革命以前比现在要小得多。,问：如上问所言，那还存在真正意义上自然天气过程吗？,
