初探人工增雨抗旱农业减灾技术

□陈 芸 陈隆财

我国是自然灾害频发的国家之一，干旱是我国最主要的一种自然灾害。例如，2006年，重庆遭遇了百年一遇的特大干旱；2009年，我国许多地方遭遇50年一遇的大旱，安徽、河南等地灾害严重；2010年春，云南、广西等省遭受严重春旱等。干旱所造成的损失十分严重，越来越受到政府和公众的关注。人类对有关人为干预降水形成过程的认识和研究在不断提高，人工降雨已成为抗旱救灾、水库蓄水的一种重要手段。

干旱和水资源短缺一直是困扰我国经济发展的一个重大难题。为缓解农业生产水资源的短缺,自1958年起我国即广泛开展了人工增雨,并受到各级政府的重视。

1 人工增雨冷暖催化理论

人工影响天气是在一定的有利时机和条件下,通过播撒催化剂等技术手段,对局部区域大气中的云雾降水物理过程进行影响,达到人工增雨、防雹、消雾等目的。大气中的水汽在上升过程中凝结成细微的云滴,漂浮在空中。在温度低于0℃的冷云中,云滴往往仍为过冷水滴。在这种冷云中,如果有冰晶存在,由于冰面饱和水汽压低于水面饱和水汽压,冰晶就会很快的凝华长大而云滴蒸发,冰晶长大后可下落成雪。贝吉隆早在1935年就对冰水共存的混合云降水过程进行过研究,因此,这个过程也称之为贝吉隆过程。雪在温度高于0℃的暖区会溶化成雨。雪和雨在下落时都会碰撞并合云滴而进一步长大,最后降到地面。在暖区或者没有冰晶的云中,云滴大小不一,大的云滴可能碰到小的云滴而长大成为雨滴,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、碘化银等催化剂,产生大量人工冰晶,促进降水的发展。大量试验研究表明,对于适合人工增雨的云,在适当部位适当时机采用适当的催化方法可以达到增加降雨的目的。掌握和使用不当就会使实际效果大大降低、在特殊情况下还可能出现负效果。因此认识、掌握正确的催化条件和方法是人工增雨的技术关键,也是效果评估的前提。

2 层状冷云人工增雨技术

层状冷云是我国北方春秋旱季的主要降水云和人工增雨对象。观测表明之中过冷水含量很少,可以催化的部位有限,根据经典理论催化增雨量仅仅来自过冷水的转化,在大多数降水层状云中只能达到10-1mm的数量级,同生产需求和实际作业效果相差甚远。因此必需研究建立新的人工增雨概念模型和相应的新的催化条件判据和催化部位、剂量指标,研制实时监测识别和催化决策技术系统。

中尺度层状云系数值模式及其模拟预报的实时业务系统中尺度层状云系数值模式是将6个预报量的中尺度大气模式MM4同12个云降水预报量的云物理模式结合起来,考虑了21种云物理过程。实时业务系统研制了模式输入资料处理和输出结果产品显示服务系统,实现了模式实时稳定自动化的运行。

层状云人工增雨的新概念模式、条件判据和催化指标体系。人工增雨概念模型经典理论指出,催化引入的人工冰晶可以通过贝吉隆过程使过冷云水转化为降水（雪、雨）。实际云中含水量观测表明降水层状云中过冷水垂直累积总量约为0.1mm左右,增雨潜力很小。数值模拟表明催化引入较多的人工冰晶可使部分冰面过饱和水汽转化为降水,其垂直累积量往往大于过冷水量,在上升气流中可维持增雨的潜力。催化后水汽的补充凝华潜热可使空气加热10-1K的量级,导致云中升速加大10-2～10-1m/s的量级,促使催化区云和降水发展。

人工增雨条件和判别方法根据上述概念模型以及数值模拟的结果和实际作业经验提出了下列人工增雨条件：①云降水处于发展或持续阶段,云中有比较深厚的上升气流,云下蒸发较弱,云厚较大,过冷云层较厚,云底较低;②云中有过冷水,在较厚的层次里有较大的冰面过饱和水汽值,其中冰晶浓度较低的区域更为有利。

识别方法①云降水宏观特征;②云物理微观特征：探空（尤其是加密探空）监测的冰面过饱和水汽区有参考价值。机载2D-C仪测到粒子浓度小于阈值时,说明自然冰晶较少,具有增雨潜力。

3 层状云飞机人工增雨监测识别技术

PMS粒子测量系统技术改造符合催化条件的人工增雨潜力区的最终识别依赖于飞机的云物理直接监测。我国引进国际先进的PMS粒子测量系统,不能在飞机上实时显示处理,只能用于催化作业后的分析研究,而不能用于作业条件的实时识别。通过将原有的PMS粒子测量系统记录部分的改造和研制的相应软件,实现了各种云物理观测参量在微机上的实时处理和显示,包括各种大小粒子的数浓度、不同直径分级的平均直径和含水量、云中温度、高度、空速等,还可以显示云中冰粒子和降水坝子的图象。

GPS飞机定位和空地传输飞机测量是一维的,它的空间坐标随时间而变,精确定位是综合识别分析、效果检验等的基础。过去的导航定位时空精度较差,新引进的地球定位系统（GPS）,高速采样的数据直接进入机载微机,可以同其他物理参量的高速采样值实时综合分析显示。所研制的空地传输系统（包括硬件和软件）、可以将飞机观测资料实时传输到地面,同时将地面资料（雷达、闪电等）供地空指挥人员使用。