书城自然科学学生气象知识丛书-人工影响天气
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第4章 人工降雨(3)

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降水机率%占总作业次数百分比

高层云73432292291004

层积层96672221111006

合计16385452844273823281795100

云层条件如何(云状,云顶高度,云体厚度,云内上升气流,温度,含水量和云体所处的发展阶段等),直接影响到人工降雨的效果。据湖南省气象局研究,对积雨云和雨层云进行人工催化,降水机率最高。特别是积雨云,夏季出现机会较多,含水量大,通过人工催化,促使其产生更多的降水,具有广阔的前途。选择云层不稳定,云块较厚的层积云和高层云进行作业,也能收到一定的效果,但大多只能下小到中雨。对浓积云进行催化作业,必须十分慎重。一般说来,只要天气条件有利,云顶高度≥6千米,抓住其发展最旺盛的阶段进行作业,是能达到催化降雨目的的,但如云层条件选择不好,作业时机和作业方法不当,也往往造成失败。

云体厚度与催化效果关系也十分密切。湖南飞机降雨试验的结果表明,云体越厚,催化降雨机率越高,云厚≥5 千米时,效果最好,云厚<3千米不宜作业。

四、几种运载工具

将催化剂准确、适时地播入云中,使其催化云层增加降水,必须选用合适的运载工具。

我国自1958年开展人工降雨试验以来,先后使用过飞机、高炮、火箭、气球、地面烧烟炉、炸药包、土炮、礼花炮、土火箭、土迫击炮等作为运载工具,后五种工具因其安全性太差,效果很不好被淘汰。国家气象局已明令禁止使用。

1.飞机撒播

飞机直接将催化剂带入云内,进行催化。

我国在人工降雨作业中使用的飞机型号较多,其中20世纪50年代至60年代较多地使用里-2C、里-46机型,70年代较多地使用伊尔-12、伊尔-14机型,80年代前期仍以伊尔-12、伊尔-14为主,80年代后期至今主要使用安—26型飞机,也有部分省区先后使用过其他型号的飞机。

用飞机进行人工降水是一种较好的方法,它能将催化剂直接送入云中。飞机上装观测仪器,能直接观测云层催化前后的变化情况。

从飞机播撒方式来看,以拖拽式焰弹、下投式焰弹与机载碘化银燃烧器成核率最高,机动性较好,安全性也较好,使用与添加催化剂也比较方便。播撒水溶胶或其他液体催化剂 (如硝酸铵—尿素饱和溶液催化暖云)需要一整套催化剂配制、储存、灌装、播撒系统,一次性投资较大,但使用起来也比较方便、安全,机动性稍差些。播撒粉剂(如干冰、盐粉等),工程上的问题比较多,如盐粉的腐蚀性就很突出。播撒干冰主要是飞行高度问题。由于机舱开放,飞机不能飞得太高,在长江流域及以北地区还不成问题,在华南地区由于春夏季节0℃层高达4000—7000米,受飞行高度限制,不能将干冰播入能起催化作用的负温区。近年来不少地区采用直接播撒液体二氧化碳或液氮的方法,效果令人比较满意。

使用飞机进行人工降雨,要在空军、民航的配合下进行,还应得到邮电等部门的支持。平时要协调飞行管制部门与机组,同时还需要得到气象台提供天气保障与作业区天气情报。

2.火箭

由于火箭的使用技术简单,故便于推广,安全可靠。如采用车载发射架,更具灵活性,并可设计大载量火箭,相比之下炮弹载量受火炮口径限制。

我国是最早发明火箭的国家,民间有制作和使用火箭的传统。早期消雹试验多采用民间制作的火箭携带碘化银入云。这种火箭一般用牛皮纸作箭体,黑火药作推进剂,用木片作稳定尾翼。射程很低,弹道准确性差,飞行不稳定。弹头多用红磷、氯酸钾等混合物作炸药,常在作业现场临时配制,很不安全。火箭的制作、运输、使用等各个环节都很容易发生意外事故,危及人身安全。经科学研究部门和工厂协作研制了可机械化生产的新型火箭。火箭采用玻璃钢壳体,用聚硫橡胶或聚氯乙烯树脂的复合炸药作推进剂,可注塑成型。生产、运输、使用都能保证安全。弹头可装填数百克碘化银和TNT炸药混合物,也可装填多枚碘化银焰弹。火箭通常置于铁支架上用电点火发送。它的射程高,飞行稳定。火箭在空中爆炸后弹体粉碎,或由降落伞回送,不至伤人。

其优点除去成核率高,使用安全可靠,操作简单外,协调工作也比较简单,参与人员也较高炮大大减少,但仍需向空军、民航航行管制部门申请发射时间,以确保空域内飞行安全。

3.高炮

我国许多地区用“三七”高射机关炮作消雹作业和人工降雨作业。这种炮弹口径为37毫米,每弹带碘化银1克,早期为4—6克,最大射程和射高分别为8500米,6700米。有三种延时引信(7—9克,9—12克,13-17克)。许多地区的预备役部队都能使用。缺点是药量少,成核率低,射程小,射高不够。前苏联在消雹作业中使用大口径的高炮爱布鲁斯2型和3型,口径分别为100毫米,130毫米,碘化银载量为20—500克,有效范围为13-17千米,最大射高分别为13千米,14千米。每弹冰核数在1013—1015个(-10℃)。

4.地面烧烟

把催化剂碘化银放在特别的炉子中,在高山或平原进行烧烟。地面烧烟需根据合适的天气,选择有利的地形。在烧烟时需将碘化银加热到500℃以上,使碘化银变成微小的颗粒,随上升气流带入云内。这种方法比较简单、方便、成本低、成核率高。但药物是否入云,效果比较难检查。

5.气球携带碘化银

利用气象观测所用的测风氢气球,将碘化银做成饼子,挂在气球下面。在药饼的下面有一根导火绳,导火线的长短控制药品燃烧的时间。这种方法比较简单,缺点是有时气球受气流的影响随风飘荡,在草原上风大时容易引起火灾。另外,也较难控制它的催化部位,催化剂入云也是个难题。

(第四节)人工降雨的效果检验

人工降雨的效果是指经过播撒作业以后云层确实发生了与自然进程不同的变化。它既表现在降水量的增减,也表现在云的宏观和微观结构上的变化。然而人工增雨的最终目的是增加雨量,其效果即在于作业与不作业的雨量变化。以人工降雨作业后的雨量R和未作人工降雨的雨量为Ro,差值E即为效果。

E=R-Ro

催化后的雨量R是可以实测的,问题发生在未催化的雨量Ro的取值。一旦作了催化作业,就无法实测得到Ro。效果检验的关键就在于如何准确的定量预告云层不作催化的自然降水量Ro。现在沿用的短期天气预告的云降水量的精度和范围不能满足人工降雨效果的要求。

现有的评价效果方法大体可分为三类,可以和现行的天气预告方法相类比。

一、物理学方法

早期的人工降雨试验工作常应用这种定性的物理分析的方法来判断试验的效果。这种方法主要是研究者基于对云物理律的认识和经验,判断自然云发展的可能趋势,按照云层的播撒前后和播与未播云之间的宏微观要素的变化和差异,来判断播撒所起的作用。这些要素的变化包括:1.云的宏观变化使用两架或多架飞机,并在地面上组织气象工作者和广大群众对催化的云和周围未催化的云不断进行观测,看其催化影响后,云是否有变低、加厚、发黑、发毛、云顶升高、云体扩大、云中能见度变低、云消、云隙、云中物态变化以及翻滚等现象。并随时将这些现象用照像机或电影摄影机拍摄下来或记录下来,以对比其效果。

2.云的微观变化

在飞机上安装各种各样云雾物理仪器,催化前后,飞机进入云中进行云滴谱、含水量、冰雪晶、冰核等微观要素探测,通过对比是否有云滴谱变宽、冰雪晶增多、含水量增大等现象,有条件的地方,还可以将宏观气象要素编成程序通过电子计算机来分析其效果。

3.降水的形成与变化

充分利用各气象站(哨)、水文(位)站、雨量站,并请广大群众协助观测,作业以后云中是否有降水物(云幡或雪幡)自云底下落?是否下落到地面?而周围非影响区有无降水?它们之间有无差别?以对比其效果。

对于物理学检验方法,有条件的地方最好利用一部或多部雷达不断对影响区和非影响区进行观测,给出:①降水区的瞬时分布、范围大小、移动和发展情况;②降水强度及其变化;③云内出现的反射带、云中上升气流强度、含水量的分布;④云的融化带;⑤云的发展、消散、移动情况等等。这对检验人工降雨的效果更加有力。

这种方法通过细致的观测,确实可以觉察到一些催化影响的征候,为效果评价提供各种旁证,也为研究自然云的发展和人工影响的机制提供有用的感性知识和数据。但是这种方法没有给出定量的雨量效果。

云的自然发展过程是十分复杂的,在时间和空间上存在很大变率。而这种分析法对自然云发展的预测依赖于研究者的经验推测。然而只有对那些自然发展缓慢、空间分布比较均一的云层使用外推和简单对比办法才是可行的。在大范围业务性人工降雨作业中,往往只能按简单的时空连续性假定在雨量分布图上作业点下风方选取大降雨中心作为催化效果。这种作法往往带有主观性。但目前常常是可行的方法。

二、数值模拟法

如果我们把上面那种观测分析法比喻为天气预报中的天气图分析法,那么和数值预告方法相对应的效果分析法就是数值模拟。它依据大气运动的规律和云雨发展的机制建立云的数值模式,针对效果检验的要求定量预告催化与不催化情况下云的发展和降水的差异,并和实测结果相比较,从而判断催化效果。这是一种客观分析的办法,自然是效果检验的基本途径。然而应该看到这里所要求定量预告的精度比现行天气预报业务所能达到的精度要高得多。由于对自然云降水规律及人工影响的机制了解还十分粗浅,现在发展的模式相对于实际状况的模拟有相当大的简化,参数的确定和调整仍有相当程度的经验性。它目前还不能作为一种可靠的效果检验方法。

三、统计检验法

由于自然降水有巨大变率,云雨过程有相当程度的不确定性,因而采用统计分析方法来检验效果是很自然的。人工降雨的目的在于增加降水,需要了解作业效果是否增加了降雨和增加了多少。统计分析方法直接从雨量资料入手,应用类似于天气预报中的统计预报的方法,统计推断试验区的自然降水的估计值Ro和作业后实测降水相比较。应用统计学中对差值的显著性检验,推断出人工降雨措施的效果。这种方法的优点是能够在一确定的概率保证下得到定量的雨量效果,利于评价作业的有效性和估算收益与耗费比,便于经济核算。目前这是人工影响天气作业效果检验的基本方法。但是它需要花费相当大的人力、物力观测雨量和收集资料,需要严格的计划和较长的试验周期。完全撇开物理考虑的统计方法,常常会因为云雨过程的多变性,各种因子综合作用而掩盖了实际效果,得不到确切的结论。

物理量探测、数值模拟试验和统计预报相结合,这是人工降雨效果检验的发展趋势。