淺談人工降雨

我國是自然災害頻發的國家之一，干旱是我國最主要的一種自然災害。例如，2006年，重慶遭遇了百年一遇的特大干旱；2009年，我國許多地方遭遇50年一遇的大旱，安徽、河南等地災害嚴重；2010年春，云南、廣西等省遭受嚴重春旱等。干旱所造成的損失十分嚴重，越來越受到政府和公眾的關注。人類對有關人為干預降水形成過程的認識和研究在不斷提高，人工降雨已成為抗旱救災冰庫蓄水的一種重要手段。

人工降雨是指根據自然界降水形成的原理，人為補充某些形成降水所必須的條件(如催化劑)，促使云滴迅速凝結或合并增大，形成降水。人工降雨(人工增雨)是人工影響天氣的一部分。國外的人工降雨科學研究活動始于1946年，由謝弗爾和馮內古特開創。隨后，國際間進行了多次人工降雨的試驗和大量研究，取得豐碩成果。我國的人工降雨活動始于1958年，在隨后的50多年，進行了大量科學研究和實地作業，人工降雨的方法、技術和設備等方面取得很大進展。

一、人工降雨的原理

有云不一定有降水，要使降水形成，必須滿足降水形成的宏觀條件和微觀條件。其宏觀條件是有充足的水汽和上升氣流，微觀條件是有云滴增大的物理過程，即凝結(或凝華)增長和沖并增長。總之，人工降雨主要是根據各類云的特點，破壞其膠性穩定狀態或通過釋放能量影響大氣運動(如增強上升氣流)，提高降水效率，以達到增加降水的目的。

1 改變云的膠性穩定狀態

云是由懸浮在空氣中的液態水滴和冰晶等所組成的氣溶膠體，按照膠體化學的說法，懸浮在氣相中的這種液相或固相的水質點，如果保持其原有狀態不變，則稱作膠性穩定。如果這些質點互相合并，尺度增大，發生沉降而從膠體中分離出來，稱作膠性不穩定。

改變云的這種膠性穩定狀態的做法稱為云的催化，這是目前人工降雨最常用的方法。

冷云的催化冷云指云體有一部分或全部溫度處于0℃以下的云。根據貝吉龍理論(或冰晶效應)，膠性穩定狀態的維持是由于冷云中缺乏冰晶，云滴得不到增長，降水不能形成。要使降水產生，則在云中加入適量的致冷劑或人工冰核，使云中冰晶增多，發生冰晶效應，冰晶不斷增長，到一定程度發生沉降，加上凝華和沖并增長，降水質點增大下降，降水形成。

暖云的催化整個云體溫度高于0℃的云稱為暖云，如南方夏季的濃積云、層積云。暖云中缺乏大水滴，則在云中撒入吸濕性催化劑(如食鹽)，或直接撒人大水滴，促使云中大小水滴數目增加，加速沖并增長的過程，破壞其膠性穩定狀態，達到降水的目的。

以上即“靜力催化”，主要影響云內的相態不穩定。

2 通過釋放能量影響大氣運動

上升氣流在云雨的形成和發展過程中起著決定性的作用。人為地減弱或增強云中的上升氣流，便能減少或增加云雨。增強云中上升氣流即“動力催化”，主要影響云內的熱力不穩定。其方法是在云體的過冷卻部分(－10℃)大量撒入人工冰核，冰核轉化為冰晶，釋放大量潛熱，升高云內溫度，加大云中浮力，形成或增強上升氣流，使云體變寬、變高且壽命得到延長，加速云內降水形成過程，從而增加降水量。

二、人工降雨催化劑

人工降雨的關鍵是撒入適量的催化劑。其選用要考慮有效、經濟，不引起生態環境的變化。根據云的性質，催化劑主要有冷云催化劑和暖云催化劑。

1 冷云催化劑

冷云催化劑主要有致冷劑、無機冰核和有機冰核。無機冰核和有機冰核統稱為人工冰核。

致冷劑 在云中直接播撒致冷劑，可使云中部分區域迅速降溫，促使過冷卻水滴白發凍結，在云中產生大量冰晶。主要的致冷劑有干冰(固體二氧化碳)、液態丙烷、液氮、液態空氣等。例如，干冰在一個標準大氣壓下，其升華溫度為－79℃。當冷云中投入干冰后，干冰很快升華，從云中吸收大量的熱量，在它的周圍薄層內便形成一個冷區，在此冷區內，有大量冰晶生成，冰水共存，產生冰晶效應，從而產生降水。干冰一般采用飛機播撒。

無機冰核有成冰能力的無機物質有數十種，其中成冰閾溫較高，晶形、晶格常數與冰晶相近的主要是碘化銀、碘化鉛與硫化銅等。碘化銀是目前人們認為非常有效的一種冷云催化劑，具有三種結晶形狀，其中六方晶形與冰晶的結構相似，能起冰核作用，適用于－4～－15℃的冷云催化。其播撒方法較多，由碘化銀與鋁粉、鎂粉(燃燒劑)、氯酸鉀(助燃劑)及粘結劑等混合制成的焰彈，適用于飛機投擲或發射；也可將碘化銀裝于高射炮或特制火箭的彈頭中，在地面向云中發射。

有機冰核經過多次試驗，發現有些有機物的成冰閩溫很高、合成方便、價格低廉。主要的有機冰核有介乙醛、問苯三酚、乙酰丙酮銅、苯酐等。例如，介乙醛簡稱MA，白色柱狀結晶，四方晶系，112℃即開始升華，80℃以七分解，無毒，是一種優質成冰核，－10℃時的成核率幾乎與碘化銀相近，但產生速度慢，易分解蒸發，曾用飛機播撒或火箭送入云中，但效果沒有碘化銀好。

2 暖云催化劑

暖云催化劑主要是吸濕性物質，如食鹽、氯化鈣、尿素、硝酸銨等。這些物質吸濕性強，價格便宜，無毒性。通常將這些物質研細為100～101μm的粒子，用飛機撒入云中，它們能很快長大成大云滴，激發重力沖并過程。但由于所需量大，因而催化作業時要求飛機載量大。

三、人工降雨催化作業

催化作業是人工降雨的實際操作業務。在實施催化作業時，必須根據催化對象(冷云或暖云)，考慮催化時機、播撒部位、催化劑的劑量等。播撒方法有飛機播撒、高炮火箭轟云、地面燒煙以及氣球攜帶等。

1 催化時機

催化時機的選擇主要是看天氣條件是否有利、云雨的宏觀條件是否合適。

天氣條件主要考慮天氣形勢和大氣靜力穩定度。如果在氣旋或鋒面附近，這些區域上升運動容易發展，大氣不穩定，人工降水的效果比較好。云的宏觀條件主要考慮水汽和上升運動。如果云內上升氣流強烈，起伏大，云的厚度大，水汽充足，人工降雨的效果就較好。此外，冷云催化時，云頂溫度是云中自然冰晶濃度的指標，它是選擇是否催化的依據。如果云頂溫度很低，則表示云中自然冰晶濃度已經很高，人工催化已無必要；如果云頂溫度高于人工冰核的成冰閾溫，或者冰面與水面飽和水汽壓之差很小，則更無需進行人工催化。根據美國的一些經驗，云頂溫度在－25～－10℃時催化效果較好。不同地區、不同季節，云的發展差異很大，具體情況需要具體分析。

對積狀云進行催化時，要把握好“最佳時機”。對發展階段的濃積云進行催化，可提高降水概率、降水效率，加速降水過程的形成；對發展成熟階段的積雨云進行催化，可提高降水效率；對消散階段的對流云進行催化，一般只能促進云的消散。

2 播撒部位

冷云催化劑應當播撒到含水量豐富的過冷卻區，即云的上部。暖云催化劑即吸濕性物質，播撒到云(如積云)中，要求生成的水滴盡量大。用粗鹽粉(半徑r=100～200μm)播撒，播撒的最佳高度是在云的中上部；用細的鹽粉，應播撒在云的下部，可從云的下方由氣流帶上去。

3 播撒劑量

云層厚度、含水量、垂直氣流、云的結構以及催化劑所起的作用等因素，決定播撒劑量的多少。我國長江以南多用顆粒較大的粗鹽粉做人工降雨的催化劑，可形成更大的水滴并落下來，加上云中擴散過程，播撒劑量較大，有的每千米上空要播撒10kg左右的鹽粉。干冰的劑量，目前沒有一個確切的規定，其劑量大小主要由云層厚度、氣流強弱、含水量的大小等因素決定。假如每克干冰能形成1010個冰晶，則當云層厚度為3km，水平擴散到1km寬的情況下，則干冰播撒劑量約為0.75kg／km。碘化銀的劑量主要由云中過冷卻部分的體積簡單計算出來，在人工增雨的實際使用時，一般為10^-2～10^-1g／km。碘化銀的使用劑量遠比干冰、鹽粉少。

人工降雨原理是人工降雨的基礎，催化劑的使用是人工降雨的關鍵。冷云的催化劑常用的是干冰和碘化銀，暖云的催化劑常用的是食鹽；催化作業是人工降雨的實地作業，應注意對催化時機、播撒到云的部位及催化劑劑量的選擇。人工降雨的應用是多方面的，成功的例子很多，例如，1987年大興安嶺森林大火的撲滅，人工降雨起到關鍵作用；2006年重慶的特大干旱，2009年安徽、河南等地的干旱等都采用了人工降雨，在一定程度上緩解了旱情。隨著我國科學技術的發展，人工降雨將會在國民經濟建設中發揮越來越重要的作用。