人工降雨的原理方法发展历史和对环境影响.docx

1、人工降雨的原理方法发展历史和对环境影响人工降雨的原理方法发展历史和对环境影响一、人工降雨基本概念人工降雨，是用人为的手段，根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，使云层使云层的冰晶、雨滴迅速增大而形成降水或增加降水量，以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力，或增加发电水量等。中国最早的人工降雨试验是在1958年，吉林省这年夏季遭受到60年未遇的大旱，人工降雨获得了成功。1987年在扑灭大兴安岭特大森林火灾中，人工降雨发挥了重要作用。今年天气干旱，我过多地采用了人工降雨的方式，缓解旱情。运用云和降水物理学原理，通过向云中撒播催化剂（盐粉、

2、干冰或碘化银等），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水，又称人工增加降水。撒播催化剂的方法有飞机在云中撒播、高射炮或火箭将碘化银炮弹射入云中爆炸和地面燃烧碘化银焰剂等。是人工影响天气中进行得最多的一项试验。人工影响云的微物理过程，可以在一定条件下使本来不能自然降水的云受激发而降水，也可使那些水分供应较多、往往能自然降水的云，提高降水效率而增加降水量。但不能自然降水的云能供应的水分较少，因此人工催化的经济价值有限。二、人工降雨的原理与方法人工降雨的方法主要有冷云催化、暖云催化、动力催化等方法，具体而言：A/冷云催化在温度低于 0C的冷云降水过程中，冰晶浓度起着重要的作用。根据降水粒子

3、浓度的实测资料和理论估算，只有当冰晶浓度达到1个/升或更高的量级时，才有较高的降水效率。对因冰晶浓度不足、降水效率很低的自然云，若在其过冷却部位播撒成冰催化剂，就可以增加冰晶浓度。每克干冰或碘化银，可产生1012个以上的冰晶，若用几百克，就可以使几十立方公里云体的冰晶浓度达 10个/升。这些人工冰晶通过伯杰龙过程迅速增长，促进冷云降水过程，使降水量增加。一些比较严格试验的统计分析表明，冷云催化可以增加降水量1020。如果人工冰晶的浓度很大，则形成的雪晶的平均尺度较小，它们从云中下落到地面的时间较长，在气流的作用下，会落到下风方向更远的地方而改变降水的分布。 冷云催化的温度条件：人工降水的效果同

4、云的自然条件有密切关系。就冷云催化而言，云中的温度条件十分重要。就整个云体而言，云顶温度一般最低，常将它作为估计云中自然冰晶浓度的参数。当云顶温度低到一定程度时,云中常会形成大量冰晶,这时用人工方法增加冰晶,效果就不显著。反过来,云顶温度如果太高，碘化银等催化剂的成冰能力就太低，也不利于人工催化。所以对冷云催化法增加降水来说，云顶温度不宜太高或太低。一些地形云和积云的人工降水试验结果的统计分析表明,当云顶温度处于-10-25C时,人工降水的效果比较明显。这一最适宜的温度区间，称为播云温度窗。鉴于降水过程的复杂性，采用不同催化技术时，必须研究各类云中最有利的温度条件或其他条件。 B/暖云催化在温

5、度高于 0C的暖云里，降水主要在云滴碰并过程中得到发展。云滴越大，碰并增长就越快。计算表明,当云滴半径超过0.04毫米时,就可以迅速碰并而长成雨滴。在那种大云滴的浓度不足的自然云中，播撒大量半径大于0.04毫米的水滴，就能够促进降水过程。计算表明，每克水可以形成约几百万个大云滴，要催化10立方公里的云体，则需要几吨水。若往云中播撒一定大小的吸湿性物质颗粒或者溶液滴，它们能在云中吸湿而迅速长成大云滴，这样所需的催化剂量，就用不到水的十分之一。 除了播云以外,法国和苏联有人试验在地面加热,造成人工上升气流的方法，试图在一定气象条件下激发或增加降水。美国有人设想利用沥青或碳黑吸收太阳辐射，提高局地空

6、气的温度，促进云的发展以增加降水。中国有人研究过爆炸对降水的影响。这些人工降水方法的研究，都还处在探索的阶段。 C/动力催化通过冷云催化使云中产生大量冰晶，所释放的潜热将改变积云的宏观动力过程而增加降水。它是60年代在人工降水试验方面的一项进展。积云中上升气流的速度，主要决定于云内外温差造成的浮力。在发展旺盛的积云内，存在着大量过冷水滴。在这种云中播撒大量的成冰催化剂时，能使过冷水滴冻结而释放潜热，水汽在冰粒表面凝华时也释放潜热。估计这两种潜热足以使云中局部温度升高0.5C左右,这将加大浮力而促使某些积云的上升气流速度增大，云体扩展，生命期延长，结果使进入云体的水分总量增大而增加降水量。虽然动

7、力催化同一般冷云催化所用的催化剂一样，但着眼点不同，动力催化所用的催化剂量必须大大增加，才可能收效。积云动力催化在50年代曾作过初步的尝试，但周密设计的积云动力催化试验，直到1963年才开始。J.辛普森在美国佛罗里达州所做的随机试验表明，催化后积云的云顶平均增高1.6公里，平均雨量增加1.7倍。他指出，催化后云顶增高量同大气层结（见大气静力稳定度）有密切的关系。在其他国家和地区，也作过类似试验，但效果不一。有人对整个地区积云群体进行过动力催化的随机试验，初步结果表明有增雨的效果。三、人工降雨发展简史1、向天祈雨 早在远古时代,我们的祖先就幻想着掌握呼风唤雨的本领。刀耕火种的初民,跪在赤热的阳光

8、下祈求雨水;巫师们为了求雨使尽了花招,有时戴上面具手舞足蹈,有时放开喉咙咿呀歌唱;他们还常常向冥冥中的神灵祭献牛羊牲灵,有时甚至祭献活人。巫师们用苇管向空中吹喷水珠,希望这种象征性的雨滴可以带来丰沛的雨水。美洲的印第安人在篱笆上挂上干瘪的蛇尸求雨,东方人跳龙舞,西方人做祈祷;但无情的干旱却一次次地使他们的希望和田地里的禾苗一起枯萎。 后来,求雨的花样不断翻新。有人鸣枪,有人爆破,还有人燃点化学物质,相信这类化合物的烟雾可能引来雨水。这些求雨者中也有个别幸运儿,偶然的巧合使他们的法术名噪一时。美国历史上曾有一个求雨者,机会赶得巧,颇有几次“灵验”,但弄巧成拙,几乎因此罹祸身亡。当时加利福尼亚州南

9、部降雨达51厘米,大水吞没土地,人畜死伤无数,损失达数百万美元。愚昧的村民怨天尤人,指控这个求雨者施行法术招来大祸。 由于自然降水过程和人工催化过程中的很多基本问题仍不很清楚，人工降水的理论和技术方法还处于探索和试验研究阶段。世界上先后约有80个国家和地区开展了这项试验 ，其中美国、澳大利亚、前苏联和我国等国的试验规模较大 。我国一些经常发生干旱的省、区都积极开展了人工降雨技术的试验研究和推广应用 ，目前技术趋于成熟，已成为抗旱的重要手段。2、人工降雨的发明直到1948年,人们才真正发现了科学的人工降雨方法。这一年,美国通用电气公司的科学家文森特谢福经过长期的探索,在一次实验中偶然地找到了人工

10、降雨的关键,解决了千百年没有解决的课题,成为科学史上的一段佳话。 随着科学技术的进步,人们逐渐了解了下雨的来龙去脉。水汽从海洋和湖泊的水面上升腾成为空气的一部分,然后形成云朵,雨水或雪片就从云中降下来。但是,水汽究竟怎样凝聚成雨滴,长期以来始终不甚了然。后来,约翰爱特金证明,水汽是积聚在灰尘等细小微粒周围形成水滴或冰晶的。这些微尘十分细小,肉眼根本无法觉察,但如果没有这些微尘,尽管空气中有足够的水汽,却不可能形成一滴雨水。 第二次世界大战期间,通用电气公司聘请爱尔文兰格缪尔博士研究飞机机翼在穿过云层时结冰的课题。年青的谢福正是兰格缪尔博士的助手。他们接受任务后,就动身到美国东北部的新罕布什尔州

11、去,那里的山峰终年积雪,雪暴频繁,寒风凛冽。 谢福和兰格缪尔整日在山间的严寒空气中工作。他们逐渐发现了一个奇怪的现象:虽然气温常常在零摄氏度以下,但在他们周围和脚下缭绕的云朵之中,却并没有形成一粒冰晶。这个奇异的现象,深深留在谢福的脑海里。大战结束后,谢福制造了一台小机器,它能产生寒冷的湿空气.和新罕布什尔州山区云层中的空气十分相象。 谢福推测冷空气中不能形成冰晶可能是因为缺少如爱特金提到过的结晶中心。谢福往他的小机器里呼一大口气,然后开始冷却,再往冷空气中投放一点点粉末,比如面粉、糖粉等等。谢福耐心地做了几个月实验,往机器里扔进去各种他能够想得出来的各种各样的粉末,但是竟然没有一种物质可以形

12、成雪花或雨珠凝结的中心。 1948年7月里的一个上午,炎日当空。谢福继续耐心地往冷空气里一次次地扔进各种粉末,仍然没有结果。这时,谢福的一个朋友邀清他去吃饭。谢福筋疲力尽,很乐意借此休息一下。临走,他把致冷器盖好,口朝上,使较重的冷空气沉到底部.不致逃逸出来。 谢福匆匆吃完午饭,心里还惦记着机器中的冷空气。他回到致冷机旁,一看温度计,已经上升到冰点以上了,不禁有些懊恼。几个月来,他专心致志地做实验,竟没有注意到盛夏已经不知不觉快要到了。谢福心想,大热天做冷冻实验,以后可得多留神些。今天的实验怎么办呢?他把盖子盖紧,耐心地等着致冷机重新使空气降温。谢福注视着缓缓下降的水银柱,心里着急,他转身找到

13、一点干冰,想用来加快空气降温的过程。 谢福打开致冷机的盖子,把冒着白汽的干冰扔进去。这时,他又往致冷器里长长吐了一口气。突然感到眼前一片银色的光芒在闪烁,在射进致冷机的一束金色阳光里,他看见了无数晶莹的银色晶体在滚动。谢福立刻明白了,这正是他梦寐以求的冰晶。经过无数次失败,他竟然在偶然的一挥手之间成功了。谢福连忙叫来助手,他往致冷器里长长地吐了一口气,同时又扔进一大把干冰。这时立刻出现了一片银光灿烂的小冰晶,缓缓地落下去,仿佛一层美丽的白色绒毛人造雪的实验成功了。 谢福想,既然能在实验室中制造雪花,为什么不在田野上的云朵中去试试呢?他决定在飞机上装一架喷撒干冰的装置,飞上天试试看。 11月里寒

14、冷的一天,谢福和兰格缪尔看见天边出现了一片云。谢福立刻登上飞机。他知道很可能要飞许久才能找到适于播撒干冰的云层。这是一种体积硕大的灰色云朵,里面饱含着水汽。谢福选好时机,开动了机器,干冰象一条拖曳的飘带落在云朵中。喷撒了一半,干冰使周围气温降低,竟使飞机的发动机也熄了火。谢福急中生智,把剩下的干冰立刻从机舱窗口统统扔到下面的云层中。 在地面上等待的兰格缪尔博士仰望着从云端飘然而下的洁白的雪花,万分激动,谢福从飞机上走下来时,浑身冻得发青,兰格缪尔欢呼着跑过去迎接他,欣喜地喊道:“你创造了历史上的奇迹!”谢福的实验确实在人类影响天气的历史上揭开了新的一页。从此,牧场、田野和山区的上空,时常飞翔着

15、科学家的飞机,他们在云层中倾撒干冰,让晶亮的雨滴滋润干渴的植物的根须。 谢福发现了用冷冻的方法可以形成人造雨之后,就不再去苦心寻求可以形成水滴中心的物质了。但是,通用电气公司的另一位青年科学家伯纳德冯尼古特却不满足谢福的结论。正象当初年青的谢福有志于探索未知事物一样.他相信爱特金关于雨滴中心有微细颗粒的结论是有根据的。他查阅了大量资料,希望找到一种体积和形状都适于形成水珠或冰晶中心的化学物质。冯尼古特最终选定了碘化银。他采用燃烧后得到的极细的粉末,希望撒播在云层中后形成雪花。 冯尼古特采用地面发射装置把碘比银发射到云层中,耐心地等待着。不料却毫无动静。冯尼古特百思不得其解,前去请教一位化学家。

16、他们很快发现了原因,原来冯尼古特使用的碘化银不够纯净。他很快换了新的碘化银,射入云层之后,果然纷纷扬扬飘下了洁白的雪花。 碘化银催雨剂一经使用,很快获得了比干冰更为广泛的应用;因为碘化银很容易从地面上用简单的装置发射到云层中,不象使用干冰那样麻烦。使用干冰有时还有些危险。有几次巨大的干冰块直坠屋顶,凿成大洞,引起一片恐慌。 在成功的事实面前,最保守的人也承认,现代的人工降雨是控制天气的一大进展。今天,耕云播雨已经不是神话。谢福和冯尼古特的发明,给苦于干旱的人们带来了福音。他们勤于观察、勤于思索、锲而不舍的探索精神,也将被人们长久地传颂。3、人工降雨的利用现状由于自然降水过程和人工催化过程中的很

17、多基本问题仍不很清楚，人工降水的理论和技术方法还处于探索和试验研究阶段。世界上先后约有80个国家和地区开展了这项试验 ，其中美国、澳大利亚、前苏联和中国等国的试验规模较大 。中国一些经常发生干旱的省、区都开展了这项试验，其中有许多成功的例子。这对于增加降水，缓解干旱的威胁，起到了积极的作用。四、人工降雨前的数值模拟工作用数学物理方程组描述和计算成云降水过程和人工催化过程，通过数值计算方法模拟不同条件下各种催化技术的人工影响过程，以研究催化的原理、技术和效果。由于云和降水的自然变率很大，外场试验的研究周期很长，花费很大，一个严格设计的试验（某种催化程序、技术等），一般需进行几年才能对其效果作出估

18、价。如果要比较不同催化技术的效果，选择最佳的试验设计，就需要更长的时间。因此用数值模拟方法为实际试验和理论研究提供依据，就显得十分重要。60年代辛普森用积云数值模拟，计算了自然云的发展高度，并假定动力催化使云中水滴在比自然过程更高的温度下冻结,释放潜热,从而计算出催化后的积云发展高度。试验的实测结果同模式计算相当一致。这就为动力催化的原理和试验云的选择，提供了科学依据。随着电子计算机的普及，各国针对各种人工降水试验，进行了很多数值模拟。它们虽然对实际过程都作了较大的简化，具有不同方面的局限性，但同外场试验相结合，能缩短估价人工降水效果的试验周期，从而成为人工降水试验研究的一个重要组成部分。五、

19、人工降雨效果的检验一般在自然云已经降水或者接近于降水的条件下，人工降水的方法才能发挥作用。由于降水的自然变率很大，人工增加降水量的幅度较小，如何估价人工降水的效果就显得十分困难。人工催化增加的降水量，是催化后的实际降水量和不经催化的自然可能降水量之差。实际降水量可以测定，但能否正确估价自然可能降水量，就成了效果检验的关键。在对降水的物理规律认识不足的情况下，主要依靠统计学的方法对自然可能降水量作出估价。初期的统计检验方法，多数采用回归统计法，在人工催化目标区附近选择一个不受催化影响的地区作为对比，用历史资料建立目标区和对比区降水量的回归方程。把人工降水试验期间对比区的降水量代入回归方程，求出目

20、标区的自然可能降水量，再与目标区实测降水量对比，就可估价人工降水的效果。采用这种方法对于同一次试验，选用不同的对比区或者不同年限的历史资料作对比,得出的结果,可能出入很大，所以这种方法的可信度不高。一般认为随机试验可以避免主观的偏差得到统计学上的可信估价。随机试验是把适合于人工降水的试验机会(试验单元)按照随机规则（例如抽签）分成两组：一组催化并观测，另一组不催化只观测，作对比。当试验单元足够多时，随机决定的两组试验单元的自然条件应该只有极小的系统性差别，而两组试验实测降水量的系统性差异，就可以归之为人工催化的结果。判断催化效果，存在着成功和失败的可能性，当判断催化有效而实际无效时，常以显著度

21、水平来表示这种可能性。显著度水平越小，判断催化有效的可信度越高。在人工降水试验中,一般要求显著度水平小于5，即可信度大于95。 人工降水的效果受云和其他条件所制约。在某种条件下可能有显著的正效果，在另一种条件下可能无效甚至出现负效果。不分条件笼统地进行统计，分析得出的效果往往不显著。把试验单元按照某种指标分成几类分别统计，有时就能得出比较显著的结果。例如在冷云催化试验中按云顶温度分类，统计得出，在一定温度区间里有比较显著的效果。从人工降水研究来说，仅对降水增量作出估价是不够的，必须对整个物理过程的各个环节都有确切的了解。如催化剂在云中指定部位是否达到了一定的浓度，冰晶或大滴的浓度是否明显增加等

22、。观测和统计这些宏观和微观特征量的变化，可从物理过程上分析人工催化的效果。这种观测检验，称为人工降水效果的物理检验。如在冷云试验中观测到催化后冰晶浓度增大，过冷水滴减少，说明人工催化对云的微物理过程已起到作用。一般认为,人工降水的科学试验,必须根据统计学的要求，严格按照预定的设计进行长时间的试验，同时对自然降水过程和人工催化过程，进行细致的野外探测和数值模拟，才能使试验具有比较坚实的物理基础和统计的可信度。 由于水资源对国民经济的重要性，人工降水试验作为开发水资源的一种潜在手段，受到广泛的重视。世界上先后有大约八十个国家和地区开展了这项试验，其中以美国、澳大利亚、中国和苏联等国的试验，规模较大

23、。1958年以后，中国北方各省，曾用飞机向大范围层状云中播撒干冰或碘化银等成冰催化剂，试图增加冬季和春季的降水量；中国南方各省，也曾用飞机或高射炮向积状云内播撒盐粉或碘化银等催化剂，以期增加夏旱时期的降水量。但自然降水过程和人工催化过程中的很多基本问题，仍不很清楚，人工降水的效果检验还有很多困难。六、世界各国人工降雨有何新招“呼风唤雨”曾经是人们的美好愿望，随着现代科技的进步，这一梦想正在变成现实，人工降雨便是其中一种重要方法。播撒催化剂是最常用的方法人们知道，降雨必须具备3个条件：充足的水汽、上升的气流及足够的凝结核。大气中存在温度在0摄氏度以下由水滴组成的云，当这种云里没有冰晶时，细小的水

24、滴相当稳定，会长期悬浮在空中。如果向这种云雾中播撒碘化银或干冰（固体二氧化碳），就会产生很多人工冰晶，使水滴凝结长大，最终成为雨水降落地面。人工降雨通常是通过向云内播撒人工冰晶的方法来增加降水量，因此，人工降雨也可称为人工增雨。北京市为了增加降水量，常常采用人工增雨的方法。6月16日北京下了一场大雨，上午10点，记者打电话向北京气象台询问时得知，用于人工增雨的飞机刚刚起飞。世界各国想招降雨据测算，一片约30立方千米的云块，若按每立方米含水量为1.74克计算，这片云大约有5.2万吨降水量，对干旱地区而言，可谓是“液体黄金”。世界各国都想了不少方法促进降雨。不久前，日本科学家设计了一种适用于沙漠地

25、区的“人造山脉”降雨法：“人造山脉”由玻璃纤维制成，外涂四氟乙烯，长1万米，宽1000米，高600米。湿润空气遇到“山”的阻挡后沿坡抬升，到一定高度就会受冷凝结成雨水。英国科学家则称他们用人工方法通过布置电极向大气输送电能达到降雨的目的。可控制半径为5000公里范围内的晴雨天气，成功率达93%以上。他们沿英国西海岸布置了一系列电极，向大气层输入电能，使对流层中的镁原子电离，产生一个密度可变的静电屏蔽层，然后通过调节其密度来决定高、低压天气的生成和消失，进而达到控制天气的目的。美国科学家还发现细菌也可以帮助降雨。在海洋表面，有大量的细菌浮在海面与海藻之间，它们进入大气层，就能导致海上降雨。根据这

26、一发现，美国科学家做了一个试验：从海洋里收集各种附着细菌的海藻，研成粉末，放入充满水蒸气雾的密室中，形成了降雨。因此可以预见，将来人们可以用细菌代替碘化银来进行人工降雨。无云也能降雨更神奇的是两位俄罗斯科学家正在研究在晴天无云的情况下也能降雨的方法。一种方法是用功率足够大的喷雾机向空中喷水雾。水雾达到一定高度后能降低空气的温度（据测算，每立方米空气只要0.5克水就能使空气温度下降1摄氏度），使近地面的暖空气上升，上升的气流又把水雾带到更高处，水雾造成的低温使空气中原有的水汽凝结成细小的水滴。用这种方法向空中喷1吨水，可获得1000吨雨水。另一位科学家的方法是，利用风力搬运水汽。在降水丰富地区的

27、河流、湖泊旁设置许多风力扬水、发电两用站。当风向有利时，用无线电遥控开动这些风力泵，将水扬到几十米高的空中，使水雾化成直径约100微米的小水滴，水滴降到地面之前被热空气蒸发成水汽，并被带到下风地区需要降水的地方。最“疯狂”的发明可能要算“人工造雨机”了。这是一个巨大的风动涡轮，放置在距离海平面35米高的地方，旋转时将小滴的水珠撒向空中，这样海上的水雾浓起来，云层越积越厚，最后缓缓上升，在风的作用下向陆地上空飘移，最终成为人工降雨。英国爱丁堡大学63岁的工程学教授索尔特首先提出这一设想，去年，英国政府专门拨给他10.5万英镑，让他研究降雨涡轮。七、人工降雨对环境的影响 干旱及高温的天气，使我们把

28、人工降雨作为重要寄托。但是，当我们把用于人工降雨的这些催化材料喷洒入空气中后，它们会不会对空气及人体健康产生影响呢？大气监测室的专家告诉我们，总体说来，人工降雨利大于弊。人工降雨增多干净空气首先，我们需要了解是在晴朗、清洁的空气中，平均每立方厘米含有1000颗悬浮微粒，而在严重污染空气中的约为10万颗。这些微粒在尺寸上也大小不均，直径分布范围为001微米到10微米。一个很大项目的人工降雨计划将会在很短的时间内使清洁空气环境中的微粒含量增加15，使污染空气环境中微粒含量增加015。喷洒入空中的催化剂核心将会很快地进入到所设定的云层，并随着因其产生的降雨而下落。催化剂碘含量：一只蛋有分析表明，如果

29、我们向一块云层中射入碘化银微粒，并收集随之产生的降雨，这些雨水若由一个人饮用，那么他所吸收的碘量将会与他在早餐中食用加盐鸡蛋所吸收的碘量相等。而且，我们通常在人工降雨中所采用的催化剂多为干冰（固体二氧化碳）或氯化钾，其中二氧化碳为空气中固有的气体，同时释放入空气中氯化钾（一种盐产品的替代品）的量与从海洋上蒸发所产生盐分的量相比是微不足道的。所以，从整体上来说，人工降雨所释放的催化剂对大气环境及人体健康并没有太大的影响。会不会驱散云层？一般人想来，当飞机在空中飞行来喷洒催化剂的过程中，可能会由于飞机的来回穿梭使云层打散，事实并非如此。现今世界上最大型的喷气式飞机所释放出来的能量与一个中型雷暴所释放的能量相比是微不足道的，所以，更确切地说飞机不会驱散云层。环境学家表示，对于使用飞机来喷洒催化剂，最大的顾虑是喷气式飞机所产生的烟雾可以扩展、形成上层云层，这个云层可以屏蔽太阳光，这样就会影响云层的表面温度。会不会影响整个地区的天气状况决定一个地区天气状况的最大因素是空气中水蒸气的含量。以南部非洲为例，每天通过它上空的水汽有600万立方米，这其中有5的水汽会降落地面，在这5中，又有60的水汽会通过各种蒸发方式成为空气，因此，空气中只有约2的水蒸气留在了南部非洲。如果通过人工降雨，南部非洲的降雨量增加25，那么，实际上空气中也只有约25的水蒸气留下，大气中水蒸气的含量仅发生微小的变化。