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8章 人工消雾(1)

(第一节)历史的回顾

尽管目前电子辅助设备已经相当完善,雾仍然是空中、陆上以及海上航行一个最严重的危险。现代的高速运输系统经常受到雾的围困而完全陷于停顿。更为重要的是,雾还会给运输工业带来生命、财产和收入上的巨大损失。

随着喷气式飞机的出现,雾的问题在航空上便显得更为突出。特别是军用航空要求保证不间断的行动,雾的问题尤为使人关切。在主要机场,一次大雾所导致的飞机转场、迟误和取消飞行可造成近十万美元的损失。在大型喷气式飞机的时代,一次雾的出现,其损失可达50万美元。在军事上,雾的价值常常是用多少人的生命,而不是用多少钱来衡量的。

在被雾围困着的航道上,现代远洋船只简直和古老的西班牙大帆船一样很容易发生危险。在冬季,巴拿马地峡每天就有两个小时因雾不能通航。在雾中进行海上运输,可能发生某些毁灭性的事故。例如,1956年,“安德雷亚·多丽亚”号班船在其初次航行中就因大雾在纽约与“斯德哥尔摩”号相撞而沉没,结果使51人丧生,财产损失达几百万美元。

陆地上雾的主要受害者是汽车。在国家公路上因雾造成事故而带来的损失每年超过三亿美元。

基于社会对运输系统的依赖性,雾历来就是人们想要进行人工影响的重点。在最早的一批人工影响天气的计划中,都有消雾这个项目。在一个到1938年才公之于众的具有历史意义的计划中,霍顿和拉德福提出了几种在机场上消暖雾的合理而又可行的办法,并成功地进行了一些试验。由于当时认为仪表着陆系统将使消雾变得没有必要,试验未能继续进行下去。

第二次世界大战期间,雾的问题在英国变得十分严重,英国设计了一种叫“斐多”(FIDO)的加热消雾装置。英国和美国一直到1953年以后才放弃了“斐多”系统的进一步发展。这主要也是因为人们认为它对商业航空来说费用实在太高,不可能在常规业务中使用。随着喷气化时代的到来,雾的问题又尖锐地提了出来,消暖雾的研究工作得到了大大加强。虽然消暖雾方法的基本概念并不是新的,但为了使这些方法能够切实可行也尽量采用了一些新技术。1946年,谢弗尔等人的发现成了以后实施的许多人工影响天气计划的基础。从那以后,这个理论被可靠地应用到业务上来的只有消过冷层云和消雾。而每一种消云消雾的方法都经过反复试验和不断改进,其中有一些已不同程度地投入了业务使用。

(第二节)雾的成因

雾和云的物理本质没有什么差别,云为天上之雾,雾为地面之云,都是由许许多多很小的小水滴或小冰晶组成的。气象学上水平能见度等于或小于1000米时,就称为轻雾。能见度小于50米时,称为重雾。

雾和云的成因略有不同:地面上热量的散失,使地面温度降低,贴近地面的空气层也变冷,由于近地面空气中有很多凝结核,所以如果空气相当潮湿,并冷却到饱和状态时,空气中的一部分水汽就会在凝结核上凝结成许多极小的水滴,悬浮在近地面的空气层中,这就是雾。而云则是空气上升到离地面稍高处的凝结高度上水汽凝结而形成的。

除了由空气冷却达到饱和产生凝结所形成的冷却雾以外,还有在水面上水汽蒸发或雨滴蒸发所形成的蒸发雾。不过,我们日常所见到的雾,绝大多数是冷却雾。

这种主要由空气冷却而形成的雾,称为气团雾,其形成原因有以下几种。

1.平流雾

出现在烟台海滨的平流雾

主要由于暖湿空气流到较冷的地区上空,低层的暖湿空气就会降湿冷却,当空气中的水汽达到饱和时,里面多余的水汽就会凝结成许多细小水滴悬浮在低层形成雾。因为它是由于大范围空气水平流动产生的,所以称为平流雾。平流雾出现时伴有二、三级的小风,因为它的形成和强度决定于暖空气与接触面温度的差值,如果温差愈大,冷却愈厉害,雾就愈易生成。有一定大小的风速可以造成较大的温差,因此有利于平流雾的形成。但风速过大,也不容易形成雾。

平流雾有较大厚度,范围也大,有时可以维持几天不消。一般出现在春夏季节,因为这时大陆比海洋上要暖些,当大陆上的暖空气移到较冷的海洋上,就容易发生凝结现象。在我国东部和东南沿海,近海岸线有寒流从渤海流出南下,远离海岸线有从南往北流的台湾暖流。每年从春季开始,由于北方冷空气势力减弱,南方暖空气势力加强,所以当暖空气向北推进时,经过沿海寒流上面时,就容易形成雾。到夏季时,我国沿海一带为暖空气占优势,寒流北退,暖空气北进,因此夏季的多雾地区也逐渐移向北面。由于暖空气不稳定,时进时退,时强时弱,致使沿海也变得有时有雾,有时没雾;有时雾很浓,有时雾很淡。每年2—7月,是我国沿海地区最容易产生雾的季节。

2.辐射雾

出现在重庆的辐射雾

白天太阳照射地面,使地面加热,水分蒸发,由于温度升高,所以空气中能容纳很多的水汽。一般在晴天少云、风小的晚上,地面热量散失很厉害,这时就使得近地面气温迅速降低,空气中能容纳最大水汽量的能力也随之减少。黎明前气温降到最低的时候,近地层空气中的水汽就达到饱和而凝结形成辐射雾。所以,辐射雾的形成要有一定的条件,首先是空气中要有相当多的水汽,如果空气相当干燥,水汽很少,则即使白天很热,晚上很冷,也不会形成雾。其次,晚上必须晴天风小,如果是多云或阴天,那时云就像给地面铺上一床棉被一样,晚上地面热辐射就弱,近地层气温不会下降很多,雾也就不会形成。风大会使近地层空气扰动混合,也不利于雾的形成。

辐射雾在冬季容易产生,因为冬季夜长,如果天气晴朗风又小时,地面辐射散热比夏天快,近地层气温下降,容易在后半夜形成雾。太阳出来后,随着地面温度逐渐升高,雾滴也就逐渐蒸发了。所以,“十雾九晴天”的说法,是很有道理的。辐射雾还有很强的地方性,陆地上出现较多,尤其是山谷、洼地特别容易产生辐射雾。因为冷空气密度大,所以它会从较高处汇集到山谷、洼地积累起来,如再进一步辐射冷却,就会形成雾。海洋上没有辐射雾,因为海面上辐射弱,温度日变化小。沼泽地区以及刚下过小雨的地方,也很容易出现辐射雾,因为那里水分充沛,只要稍有蒸发,就会使气温降低到饱和并产生凝结形成雾。辐射雾的水平范围小,厚度也较薄。但当上面有逆温层存在时,白天近地层雾虽然因太阳照射温度增高而消散,但上面的逆温层阻碍水汽通过,就使水汽郁积在逆温层下面,水汽有强烈辐射能力,便又使逆温层加强整天维持着,这样即使白天的雾暂时消散,到第二天早晨雾仍会形成。我国重庆是有名的雾域。其形成雾的道理也就在于此。

3.锋面雾

出现在重庆的辐射雾

除上面所说的气团雾外,我们有时候也会遇到这样的情况:晚上出现了雾,但一直到白天仍不消散,有时还会下起雨来,这就是一般常讲的“雾不散就会有雨”。为什么会这样呢?它与锋面过境有关。这种雾称为锋面雾。当暖锋面上暖的雨滴落到低层冷空气中时,由于雨滴温度比冷空气暖得多,所以就要蒸发,使冷空气中的水汽逐渐增加,当空气达到饱和而重新凝结出小水滴时就形成雾。这种雾上面有浓厚的雨云,雾也就不易消散,而云则越来越厚,当雨滴不能再在云下气层蒸发时,就形成降水落下来了。由于锋面雾随锋面向前移动,所以它持续的时间不会太长。

上面我们了解了一些雾的形成原因,这对雾的预报来讲是很重要的。但我们从人工消雾的角度来看,按雾的组成和温度又可分成冰雾、过冷雾和暖雾三种。对这三种类型雾的人工影响方法是完全不相同的,所以我们有必要大致谈一下这三种雾的情况。

由很小冰粒子组成的雾称冰雾。它是在晴朗无风,温度极低的情况下形成的,冰雾温度一般低于一30℃左右。这种雾在我国极少见到。由过冷水滴组成的雾称过冷雾,雾的温度低于0℃。由温度高于0℃的小水滴组成的雾称暖雾。暖雾是最经常出现的一种雾,世界上绝大多数的雾都是暖雾,我国的雾几乎95%以上是暖雾。由于暖雾相对于冰雾和过冷雾来说更稳定,所以人工消暖雾困难更大一些。

(第三节)人工消雾

一、人工消雾的一般途径和要求

消雾的目的是改善能见度。改善能见度可以通过减小雾滴的浓度和大小的办法来实现,一般而言,减小雾滴直径的效果更好一些。减小雾滴直径的方法是蒸发法,减小雾滴浓度的方法便是物理消除法。

物理消除法有好几种。一种办法是通过使雾滴带电沉积或被筛子、阻隔板、森林过滤掉以减少空气中悬浮的雾滴;一种办法是通过超声波或播撒带电的或中性的颗粒以促进雾滴碰并,然后在重力作用下下降至地面;一种是对小块地面雾用大风扇吹,让纯净空气整个取代有雾空气的办法。用这些办法来消雾实际上都不容易做到。

比较有希望的方法还是蒸发法。因为雾是一种水滴和冰晶的悬浮物,它们和空气中的水汽处于平衡状态之中。可以通过减少空气中的水汽使雾滴蒸发,如在近饱和大气中播撒像氯化钙、氯化钠和尿素等吸湿性物质使水汽在其上凝结。也可以提高雾空气中的饱和水汽量促使水汽蒸发,如提高雾空气的温度便是。还可以人为地引进干空气使之与雾空气混合,以达到使雾滴蒸发的目的。由于饱和水汽量随温度的降低而减小,在低温下要使雾滴蒸发掉就比较困难。因此,这些方法只适合于暖雾和某些过冷雾。

还有一个消雾的途径就是防止雾的产生。为此应控制形成雾所需的水汽、核和冷却条件,如在水面用化学物质抑制蒸发,减少人为的水汽源等。还有人提出用化学药品使自然核不发生凝结以防止雾的发生。一些试验表明,这种办法只能使雾推迟10分钟左右发生,而一旦终于形成,其浓度反比不用化学药品处理时更大。对于辐射雾,可以用人造烟幕以减少地面的辐射冷却。总之,这种防止雾发生的办法,其作业范围要比物理消除法和蒸发法大1—2个量级,从而大大限制了它的适用范围。

下面以改善机场能见度的情况为例来说明对消雾的一般要求。

雾消区的大小、形状以及飞机着陆时所需最低能见度与机场上电子辅助着陆设备的完善程度有关。完善程度最低的一级着陆系统要求能见度不低于720米,判别高度为60米;完善程度中等的二级着陆系统要求能见度不低于360米,判别高度为30米;完善程度最高的三级着陆系统则没有规定判别高度,但要求能见度不低于225米。飞机通常沿着一个3°的斜坡下滑着陆。对于一级和二级着陆系统来说,从判别高度到着地点之间的距离分别为1140和570米,雾消区的体积大约分别为760和460万立方米。

在实际着陆过程中,飞行员并不一定要在判别高度看见他的着地点,但他却必须能够识别进场的信号灯,以断定他是否正确掌握了安全着陆的航线。在着地后的滑行过程中,飞行员必须有足够的能见度以维持飞机始终在跑道线上。因为在滑行时飞机很快减速,对能见度的要求没有进场时那么高,只要在座舱高度(大多数飞机都在15米左右)以下能看见就行了。在大多数情况下,飞机可以在雷达或跟随车辆的引导下通过一段没有经过人工影响的雾区滑行到终点。

在考虑采用什么方法消雾时,风的条件,特别是风速和风向的变化,是一个很重要的因素。不仅需要根据风速来确定在机场上空建立并维持一个雾消区所需的消雾速率,而且还要根据风速来确定所需器材的数量和配置。雾通常是在风速为0.5米—9米/秒的空气中产生的。因此,即使是相对于跑道的平均风速较小的雾来说,任何消雾的方法都必须对进入预定雾消区的所有空气不间断地实施,或者在一次作业中对一个大得多的空间来实施。例如,在有相对于跑道的风速为2.2米/秒的横向风的情况下,考虑到雾不断从上风方进入此区,这时要保持机场为雾消区,就必须每隔40秒钟重新对该地区进行一次消雾作业。一次消雾所需的人力和物资是随着风速的增大而增加的。

雾消区的范围和时间在很大程度上决定于雾层中的湍流强度。一种有效的消雾方法应该使造成雾消区所需的时间大大小于因湍流扩散使雾重新填补雾消区所需的时间。这两个相反过程的相对速率就决定雾消区的有效时间。

二、消过冷雾

对雾这种天气现象实施人工影响最简单的莫过于消过冷雾和层云。只要在含水量达到饱和的雾中引进一些冰晶,水汽便在冰晶上凝华使冰晶增长,从而使水滴蒸发。开始引进冰晶后30—60分钟时间里便可形成雾消区,雾消区的大小主要根据雾的厚度、温度和风的情况而定。一条航线上播撒的冰晶通常可以产生2.4—3.2公里宽的雾消区。

在过冷雾中引入冰晶的方法有两种。一种是播撒晶体结构和冰的结构很相似的、直径约1微米的粒子,通常使用的这种成核物质有碘化银、碘化铅等。它们在-5℃以下的温度时是活泼的。另一种就是向雾中播撒干冰,使空气局部致冷到-40℃以下。在这个临界温度时,冰的成核作用便可自然发生。也有使用丙烷这样的冷却剂的。这种方法对于在-1℃温度下产生冰晶是有效的。