初探人工增雨抗旱農業減災技術

□陳 蕓 陳隆財

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、水庫蓄水的一種重要手段。

干旱和水資源短缺一直是困擾我國經濟發展的一個重大難題。為緩解農業生產水資源的短缺,自1958年起我國即廣泛開展了人工增雨,并受到各級政府的重視。

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機和條件下,通過播撒催化劑等技術手段,對局部區域大氣中的云霧降水物理過程進行影響,達到人工增雨、防雹、消霧等目的。大氣中的水汽在上升過程中凝結成細微的云滴,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,冰晶就會很快的凝華長大而云滴蒸發,冰晶長大后可下落成雪。貝吉隆早在1935年就對冰水共存的混合云降水過程進行過研究,因此,這個過程也稱之為貝吉隆過程。雪在溫度高于0℃的暖區會溶化成雨。雪和雨在下落時都會碰撞并合云滴而進一步長大,最后降到地面。在暖區或者沒有冰晶的云中,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,產生大量人工冰晶,促進降水的發展。大量試驗研究表明,對于適合人工增雨的云,在適當部位適當時機采用適當的催化方法可以達到增加降雨的目的。掌握和使用不當就會使實際效果大大降低、在特殊情況下還可能出現負效果。因此認識、掌握正確的催化條件和方法是人工增雨的技術關鍵,也是效果評估的前提。

2 層狀冷云人工增雨技術

層狀冷云是我國北方春秋旱季的主要降水云和人工增雨對象。觀測表明之中過冷水含量很少,可以催化的部位有限,根據經典理論催化增雨量僅僅來自過冷水的轉化,在大多數降水層狀云中只能達到10-1mm的數量級,同生產需求和實際作業效果相差甚遠。因此必需研究建立新的人工增雨概念模型和相應的新的催化條件判據和催化部位、劑量指標,研制實時監測識別和催化決策技術系統。

中尺度層狀云系數值模式及其模擬預報的實時業務系統中尺度層狀云系數值模式是將6個預報量的中尺度大氣模式MM4同12個云降水預報量的云物理模式結合起來,考慮了21種云物理過程。實時業務系統研制了模式輸入資料處理和輸出結果產品顯示服務系統,實現了模式實時穩定自動化的運行。

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

人工增雨條件和判別方法根據上述概念模型以及數值模擬的結果和實際作業經驗提出了下列人工增雨條件：①云降水處于發展或持續階段,云中有比較深厚的上升氣流,云下蒸發較弱,云厚較大,過冷云層較厚,云底較低;②云中有過冷水,在較厚的層次里有較大的冰面過飽和水汽值,其中冰晶濃度較低的區域更為有利。

識別方法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）監測的冰面過飽和水汽區有參考價值。機載2D-C儀測到粒子濃度小于閾值時,說明自然冰晶較少,具有增雨潛力。

3 層狀云飛機人工增雨監測識別技術

PMS粒子測量系統技術改造符合催化條件的人工增雨潛力區的最終識別依賴于飛機的云物理直接監測。我國引進國際先進的PMS粒子測量系統,不能在飛機上實時顯示處理,只能用于催化作業后的分析研究,而不能用于作業條件的實時識別。通過將原有的PMS粒子測量系統記錄部分的改造和研制的相應軟件,實現了各種云物理觀測參量在微機上的實時處理和顯示,包括各種大小粒子的數濃度、不同直徑分級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飛機定位和空地傳輸飛機測量是一維的,它的空間坐標隨時間而變,精確定位是綜合識別分析、效果檢驗等的基礎。過去的導航定位時空精度較差,新引進的地球定位系統（GPS）,高速采樣的數據直接進入機載微機,可以同其他物理參量的高速采樣值實時綜合分析顯示。所研制的空地傳輸系統（包括硬件和軟件）、可以將飛機觀測資料實時傳輸到地面,同時將地面資料（雷達、閃電等）供地空指揮人員使用。