第二章人工影响天气的基础知识和技术方法分析doc.docx
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第二章人工影响天气的基础知识和技术方法分析doc
第二章人工影响天气的基础知识和技术方法
第一节人工影响天气的基础知识
人工影响天气概念的提出是基于人类为了生产和生活的需要，希
望通过人为干预，克服或减轻由恶劣天气引起的自然灾害，在适当条
件下，促使天气向有利于人类需要的方向发展，包括人工防雹、人工
增雨、人工防霜、人工消雾、人工消雨等。
在本文中我们只介绍人工
防雹、人工增雨和人工防霜。
这里需要说明的是，人的力量是有限的，
要彻底改变天气、气候是不可能的，我们只能在适当时候、适当条件
下影响天气。
云和降水过程的能量是十分巨大的，一个气团雷暴以103km的云
体考虑，其含水量的凝结潜热为25×1015J，相当于10万吨煤燃烧的
发电量。
目前人工影响雹云和降水的主要途径是向某些发展初期的雹
云，或降水效率不高的降水云中，对云体的适当部位，抓住时机进行
针对性的催化作业，达到人工影响天气效果。
比如有了降水天气过程，
通过人为催化使小雨变成中雨或大雨，有了降雹天气过程，通过催化
使大雹变成小雹、软雹或雨滴，起到防御和减轻自然灾害的作用。
一、人工防雹原理和技术方法
所谓人工防雹，是采用人为的办法对一个地区上空可能产生冰雹的云层施加影响，使云中的冰雹胚胎不能发展成冰雹，或使小冰粒在变成大的冰雹之前就降落到地面。
人工防雹原理，就是设法减少或切断给小雹胚的水分供应。
要达到防御冰雹的效果，需向云中播散足够量的催化剂，以产生大量的冰晶，迅速形成水滴或冰粒。
造成同雹胚
竞争水分的优势，从而抑制雹块的增长。
人工防雹是用高炮或火箭将
装有碘化银的弹头发射到冰雹云的适当部位，以喷焰或爆炸的方式播
散碘化银。
具体的影响方式有以下两种：
（1）过量播撒催化剂（又叫催化法原理，也叫引晶法）
观测结果表明，冰雹云的上部存在着过冷却水含量很大的累积
带，为冰雹生长区。
在累积带之上气流升速较小，温度又低，很容易
产生雹胚，它们靠碰撞过冷却水滴而长大，在强烈上升气流的作用下，
雹胚多次往返于液态水累积区增大而生成冰雹。
若在这个累积区大量
引进人工冰雹胚胎，去争食云中有限水分，使冰雹不致于长的太大，
就可能抑制冰雹的生长或雹灾的形成。
（2）云中爆炸（又叫爆炸法原理）
由于炮弹在云中爆炸，爆炸产生的冲击波产生震动效应，可以直接干扰云中有组织的上升气流进而阻止冰雹的继续增长，此时有组织的上升气流正是形成冰雹的最佳气流结构，同时也可使冰雹受到强烈震动后变软。
二是爆炸也可能使过冷水滴冰晶化，因而减少了云层中过冷却液态水的存在，也能起到抑制冰雹的生长或限制大冰雹形成的作用。
二、人工增雨基本原理和技术方法
人工增雨是采用人为的方法对一个地区上空可能下雨或正在下
雨的云层施加影响，开发云中潜在的降水资源，通过人工在云中增加足够数量的冰晶，因为冰面上的饱和水汽压比水面要低，因此在云内的水滴中增加冰晶时，水滴中的水会自动蒸发并凝集到冰晶上去，使
冰晶不断长大，大到空气的浮力不足以支持它们的时候，便会落到地面形成雨（或雪）。
有人又把云中的水喻为一座水库中的水，闸门开启得小，流出的水量就少，当通过人工向云中播撒催化剂以后，就如同把这座“小水库”的闸门开大，水便会多流出来一些，增大云的降水效率，以达到人工增雨的目的。
目前，人工增雨使用的催化剂通常分为三类，第一类是可以大量产生凝结核或凝华核的碘化银等成核剂；第二类是可以使云中的水分形成大量冰晶的干冰等制冷剂，第三类是可以吸附云中水分变成较大
水滴的盐粒等吸湿剂。
碘化银、干冰等是适用于温度低于0℃冷云的催化剂；目前我国主要是对冷云实施人工增雨。
飞机、高炮和火箭是把催化剂播撒到云中的常用人工增雨作业工
具。
高炮和火箭是在弹头和弹体内装填适量碘化银，从地面发射到云
中适当部位后爆炸播撒或沿火箭弹道喷撒。
人工制造冰晶或大水滴，
促使更多的云水转化为降水。
第二节观云识天气
巴彦淖尔市人影探测手段有了较大发展，使用了新一代天气雷达指挥防雹增雨作业，尽管有了现代设备，但受设备探测距离等诸多因素的影响，加之巴彦淖尔市东西距离长，一些炮点不在雷达的最佳观测范围内，作业点需要有经验的气象人员和作业人员观云识别天气，实践证明作业点的看云识别天气是一件很重要的工作。
云的形成：
由于潮湿空气上升绝热膨胀冷却，使其相对湿度不断增大，最后空气中的水汽得到饱和，再进一步冷却，过剩的水汽就会
大量悬浮于空气中的某些微粒上凝结，这样就形成了有很多小水滴组成的云。
云是天气的招牌，出现不同的云，预示着不同的天气征兆。
人工影响天气（人工增雨，人工防雹）主要是对云的影响，这就需要重视对云的观测，云的观测主要是目测它的外形特征，包括云块大小、颜色、亮度、云块的边缘特征，云在天气中的分布及云底距地面的高度等各个方面，确定其所属云种，云底高度和遮蔽天空的份数，判断云
状、测定云高和估计云量。
一云的分类和特点
按形态学分类可分为高云族、中云族、低云族，按发生学分类可分为积状云、层状云、波状云，按气象观测规范根据云的外形特征，结构特点，和云底高度可分为3个族，10个属，29种云。
见附表２
-1
针对防雹增雨直接作业的云体，我们这里详细介绍积云、积雨云
和雨层云这三种云。
1、积云；积云分为淡积云、碎积云和浓积云三种。
积云是垂直
向上发展，顶部呈圆形或圆形叠加，而底部几乎水平的云，云体边界
分明。
淡积云：
扁平的积云垂直发展不旺盛，由水滴组成但有时可伴
有冰晶，云底高度600～1200米，云体的水平宽度大于垂直高度。
碎积云：
破碎的不规则的积云块（片），个体不大，形状多变。
浓积云：
浓厚的积云，顶部呈重叠的圆弧形凸起，很像花椰菜，
垂直发展旺盛时，个体臃肿高耸，在阳光下边缘明而亮，云体向上发展较强，成熟阶段的浓积云，厚度可达4～5千米，垂直厚度大于水平宽度，浓积云在我们河套地区一般不会产生降水。
云状分类
云族
云属
分
类
积云
淡积云、碎积云、浓积
云
积
雨
秃积雨云、鬃积雨云
低
云
层
积
透光层积云、蔽光层积
云
云
云、积云性层积云、堡
状层积云、荚状层积云
层云
层云、碎层云
雨
层
雨层云、碎雨云
云
高
层
透光高层云、蔽光高层
中
云
云
高
积
透光高积云、蔽光高积
云
云
云、莱状高积云、积云
性高积云
、X
状高积
云、堡状高积云
高
卷云
毛卷云、密卷云、伪卷
云、钩卷云
卷层毛卷层云、匀卷层云
云
卷积卷积云
云
表2-1
２、积雨云：
它包括秃积雨云和鬃积雨云，云体浓厚庞大，垂直发展极旺盛，远看很像耸立的高山。
云顶由冰晶组成，有白色毛丝般光泽的丝缕结构，常呈铁砧状或马鬃状。
云底阴影混乱，起伏明显，有时呈悬球状结构。
秃积雨云：
浓积云发展到鬃积雨云的过渡阶段，花椰菜形的轮廓渐渐变的模糊，顶部开始冻结，形成白色毛丝般的冰晶结构。
鬃积雨云：
积雨云发展到成熟阶段，云顶有明显的白色毛丝般的冰晶结构，多呈马鬃状或砧状。
冰雹多产生于鬃积雨云，这种云的含水量大，能产生强的降水，是防雹作业的主要对象。
3、雨层云：
雨层云分为雨层云和碎雨云。
雨层云是厚而均匀的
降水云层，完全遮蔽日月，呈暗白色布满天空，常有连续性降水，如
因雨雪未及落地在云底形成雨（雪）幡时，云底显得混乱没有明确
的界限。
也是我们开展人工增雨较理想的云。
雨层云多数是由高层云
演变的，有时也可能直接由蔽光高积云或蔽光层积云演变而成。
碎雨云是低而破碎的云，灰色或暗灰色。
不断滋生，形状多变，
移动快，常出现在降水时或降水前后的降水云层之下。
二冰雹云和冰雹
1、冰雹云
简单的说所谓冰雹云就是发展旺盛的积雨云，它具有积雨云的云
体浓厚庞大，垂直发展很快等一般特征，这给人们正确识别冰雹云，
带来一定困难，但冰雹云与一般的积雨云（雷雨云），无论在宏观特
征，演变规律，还是在声光电等现象都有很多差异。
环境条件：
冰雹云形成的环境条件比雷雨云恶劣，一般在突发
性的高温、高湿、暴热、暴湿，以及有利地形，加之有较强天气系统
配合易产生冰雹。
上升气流速度：
一般而言，冰雹云与雷雨云内部都存在着上升
气流，但冰雹云云内上升气流比雷雨云强，上升气流可达15m2/s以
上，上升气流区域大，因此冰雹云的发展要比雷雨云剧烈的多，迅速
的多。
云中含水量：
雷雨云与冰雹云云中含水量都比较大，但冰雹云
比雷雨云云中含水量要大一些，尤其是冰雹云中上部累积区含水量更
大，达到10~20g/m3以上。
④云顶外形：
冰雹云与发展旺盛的雷雨云云顶都可以出现砧状或
马鬃状，但冰雹云比雷雨云发展旺盛得多，迅速的多，因此云顶高。
由于高空风切变的影响，冰雹云云顶铁砧状非常明显，并且前倾厉害。
⑤云层颜色：
雷雨云呈黑色，发展旺盛的雷雨云，有时呈黑黄色，
冰雹云也呈黑黄色但偏重于黄色，云底较平，较低，前缘部常出现滚
轴状结构，上下翻滚剧烈，好像浓烟一股股往上冲，云层上下前后翻
滚，强冰雹云主体有时具有一定的旋转性，云底尤其明显。
⑥雷声：
雷雨云响的是炸雷，声音清脆而响亮，而冰雹云多为闷雷，并且连续响个不停，老百姓称拉磨雷，雷声较小。
⑦闪电：
雷雨云闪电多为竖闪，（或直闪）光强大，因为多为云与地之间的放电现象，冰雹云多为横闪，光电弱，它是云与云之间的放电现象，但放电现象的频率高，易降雹。
⑧云底云系：
冰雹云云底常有碎雨云伴随，雷雨云一般没有其它云系伴随。
另外从气象要素和雷达回波也有一定差别，通常雷雨云、冰雹云过境时温度、湿度、气压等气象要素，都发生明显的变化，但冰雹云比雷雨云气象要素变化大一些，特别是气压变化显著。
雷达回波，由于冰雹云的反射率大，因此冰雹云的雷达回波强，高度高，在平显和高显上冰雹云有着典型的形态特征，而雷雨云则少见。
还有季节的变化，地理位置的不同，冰雹云与雷雨云形成条件有所不同，各地应根据各自的资料进行系统的分析、研究，寻找出当地识别冰雹云和雷雨云的指标。
2、冰雹
①冰雹形成的物理过程：
夏季在对流发展旺盛的午后，积雨云一直伸展到一万米以上的高空,这种高度空气温度常常低到-50℃左右。
这时云体的下部是暖云，主要是水滴，上部是冷云，主要是冰晶、雪花和过冷水滴。
在这种既有水滴又有冰晶、雪花混合云中，水汽容易
直接凝华在冰晶上，使冰晶迅速增大为冰粒，冰粒长大到0.1mm左右
时，随着云中起伏的气流上下翻腾，有时被抬到云的上部，有时又降至云的下部，当它被抬到云的上部时，就会与冷却水滴碰合，冻上一层不透明的冰层，当它降到云的下部时，过冷却水滴冻结较慢，冰粒上面又结上一层透明的冰层，这样冰粒不断上升下降，就形成了雹心周围很多透明冰和不透明冰相间的层次，并且像滚雪球似的越滚越大，直到上升气流托不住的时候，便降落到地面，这就是冰雹。
从它
的形成过程来看，上升气流越强，翻滚的次数越多，形成的冰雹越大。
冰雹形成的气象条件：
第一，冰雹云中必须有较强的上升气流，根据推算如果要形成半径为8mm的冰雹，则要求最大上升气流必须大
于15m/s。
第二，冰雹云的垂直厚度一般都要超过8公里，只有这样，高空温度才比较低，有利于过冷却水滴的自然冻结，产生适量的冰雹胚胎。
第三，冰雹云中要有充沛的水汽和适量的冰雹胚胎。
巴彦淖尔市，重灾年一年中出现降雹天气3—4次，轻灾年年一年中出现降雹天气2—3次，出现日期最早3月中旬，最晚的10月下旬，降雹日出现在5—9月份，占总雹日数的89.3%，最多出现在6
—8月份。
降雹一般出现在午后到傍晚，85%的雹日出现在12—19时。
第三节雷达识别冰雹云
利用天气雷达探测冰雹云有两大优势：
①实时探测冰雹云，显示
回波的生成、发展及消亡过程；②通过雷达回波形态特征以及雷达回
波参量，如回波的面积、强度、顶高、移向移速，尤其是强回波的强
度与顶高以及反射率因子的大小可以识别冰雹云。
根据冰雹云的回波特征，一般而论，大致可分为四种类型，即超
级单体、多单体、一般单体和其他单体雹云。
也有的按单体分类，分
为三种类型冰雹云，即超级单体，多单体和一般单体。
根据回波资料统计分析，降雹概率在80％雷达回波的判定指标，
即最大回波强度Z≥45dBZ,回波顶高H≥10Km，强回波区高度Hm≥
8Km。
选用波强度Z这个指标基于雹云的反射率；选取H这个指标考
虑到雹云应具有一定的高度；定义Hm为45dBZ强回波区的高度，因为雹云要有一定的厚度，而使得冰晶和冰粒在云中得以迅速增大。
从雷达回波单体的形态特征在平显中可分为“带”状回波、“人”字形回波、“钩”状回波、“指”状回波、“V”型缺口、“锯齿”状回波，在高显中分为“穹窿”结构、“悬挂”结构以及“柱”状结构。
第四节人工防雹作业技术
目前使用的防雹作业工具主要是“三七”高炮，也有少部分移动火箭参与了辅助性防雹作业，主要用于高炮控制不到的地方。
无论是高炮还是火箭都是通过弹头爆炸把碘化银播撒在云中，因为碘化银具备以下两大特点：
一是碘化银晶格常数与自然冰晶非常接近，碘化银是良好的人工冰晶核。
二是成核率高，每克碘化银在云中爆炸可产生
2×109～1014个人工冰晶。
利用“三七”高炮进行防雹作业有几大优势，第一，高炮操作简
捷方便。
第二，在短时内能把炮弹准确的发射到冰雹云中，实现过量
催化。
第三，弹头爆炸产生的冲击波，能破坏冰雹云的上升气流，起
到仰制雹云发生发展的作用。
由于冰雹云生命期很短，局地性强，它的生成、发展、消亡较快，
因此防雹作业应在冰雹云形成初期，到了发展期就要加大剂量作业，一但雹云形成很难防范，甚至有可能出现反效果现象。
因此，早期识别冰雹云，早期作业是成功防雹的关键。
怎样做到早预测、早识别、早指挥、早作业。
早预测掌握天气过程，每天上午11:
00准时给旗县发布冰雹预报遇有天气过程时，雷达不间断观测。
早识别强对流天气一但进入雷达观测范围，就要不间断的观
测，并把相关资料传输到旗县业务平台，作业点要密切注意云的发展、
变化，随时反馈信息，并要做好和空域管制部门的联系。
早指挥当冰雹云移至高炮控制范围内，指挥相关炮点进入备战状态，一旦达到作业指标，立即发布作业指令。
早作业冰雹云具有生命期短，局地性强，生成发展消亡快的特点，所以，在冰雹云形成的初期就要及时作业。
一、作业流程
我们的具体做法是当高炮所在炮位观测到浓积云时，炮手就不能离开炮位，当天空中出现由秃积雨云时，就要脱掉炮衣做好作业准备，当天空出现由秃积雨云变为鬃积雨云时就要压好炮弹，随时听从指挥中心下达命令，如果观测到冰雹云出现，听不到指挥作业的指令也要主动和作业指挥部门联系，申请作业，以避免错过作业时机。
二、防雹作业方法
1、作业时机
由于炮点相对固定，高炮射程有限，作业半径只有4～5公里，
加之冰雹云移速快，经过作业点高炮的有效射程只有十几分钟，因此作业时机应在冰雹云进入高炮射程范围之内就进行作业，在冰雹云处于发展或形成之前，经过一阵猛烈炮击，可以抑制冰雹云的迅速发展，达到炮响雨落的效果。
２、作业部位
在有雷达观测的情况下，防雹作业的部位应是雹云的弱回波区，它是有组织的上升气流区，在该部位播撒过量碘化银，通过上升气流将碘化银微粒带到雹云的累积区，起到争食水量的作用。
在无雷达测定的情况下，应选择以下部位进行作业：
A、云中翻滚厉害的区域，它是有组织的上升气流部位，经过炮击，可以不同程度的影响有组织的上升气流，改变气流结构。
B、云层的中部，它是上升气流最大处，经过炮击，一则影响上升气流，二靠上升气流把碘化银微粒带到雹云的累积区，起到争食水量的作用。
C、炮击雷声频繁横闪厉害的区域。
夜间出现雹云：
防雹人员由于天黑看不清云体庞大的特征，也看不到云的颜色和云体翻滚厉害的部位，对准电闪雷鸣的区域作业。
3、作业的方式
防雹作业的方式就是要快要猛，在短时间内，把大量的炮弹发射
到云中，起到过量播撒的作用。
另外特别强调要采取联防作业，只要
冰雹云移至高炮射程范围内，即使不会在本炮点控制区域内形成雹
灾，也要考虑对下游地区的影响，协同下游地区积极进行作业。
作业用弹量的估算
根据平时作业的实践经验和数值模拟结果，估算出各种类型雹云
作业的用弹量（表
2-2）。
表2-2
防雹用弹量参考表
雹云种类
初生期用弹量
发展期用弹量
总用弹量
中等雹云
50
100-150
150-200
弱单体
<50
<100
100
强单体（延时无
100
>200
>300
效）
弱复合单体
50
100
150
第五节人工增雨技术
人工增雨主要采用飞机和火箭把碘化银播撒在云中。
飞机增雨受
地理、地形、天气条件等因素的制约，所以，乌拉特草原和山旱牧区
主要依靠火箭实施人工增雨作业。
巴彦淖尔市从1993年开展火箭人
工增雨工作，已取得了明显的经济效益和社会效益。
利用火箭把装有碘化银的火箭弹发射到云层中爆炸，通过上升气
流把碘化银带到积状云过冷却水部位，或直接在过冷却水部位爆炸，产生大量活化核，形成大量的冰晶，促进冰水转化，增加降水量。
一、火箭增雨的优点：
操作方便快捷。
能在短时内发射大量的火箭弹，满足催化需要。
火箭弹头的高能炸药爆炸可产生冲击波，影响或改变云内动力过程，达到炮响雨落的效果。
④可在恶劣的天气环境中作业，不受雷电影响。
⑤作业费用少，可大规模作业以达到普
遍增雨的目的。
二、人工增雨作业的天气条件和方法
1、人工增雨作业的天气条件
发展旺盛的积雨云。
积状云云层厚实，云内有翻滚现象，冷云厚度不少于两公里。
水平尺度较大，一般大于10km，云顶高。
④颜色浓黑甚至发黄，云底距地面较近的积状云。
⑤积状云与层状云共同产生的混合云降水云系。
2、人工增雨的作业时机
作业时机选择在云层气流上升较强、发展旺盛时期，且作业宜早不宜迟，最好在积状云下雨前抓紧作业，靠上升气流把碘化银微粒带到云层的中上部，使更多的碘化银微粒成为有效的人工冰核，达到催化增雨效果。
人工增雨是适量播撒，不是过量播撒，云中缺少多少冰晶，就提供多少人工冰晶，这样作业效果最佳，如果过量了，造成人工冰晶争食云中水分，使云滴都长不大，不可能产生好的降水效果。
目前的探测手段还不可能准确知道云中的冰晶差额，只能由作业人员根据云层的变化来确定作业的用弹量。
3、作业部位的选择
云层翻滚最厉害的地方。
夜间云层最黑的地方。
雷电明显或频繁发生处。
④远处移来的积雨云，火箭弹应在云层的前部或中部爆炸。
⑤火箭弹要在0℃层以上爆炸，最好在-4℃层爆炸。
4、作业方法
增雨作业与防雹作业的方法不同，增雨火箭弹应从不同的方位发
射，使其爆炸点在云层中均匀的分布，实行打打停停的作业方法，在
停止作业的间隙，作业人员要观测云的变化，如果云层减弱要立刻停
止作业，如果云层加强或没什么变化可再次作业，对于层状云来讲，
火箭弹的爆炸点在云中分布的距离更大一些，作业的间隔时间更长一
些。
第六节、人工防霜技术
巴彦淖尔地区位于西风带，冷空气比较活跃，是北来冷空气入侵的
必经门户，加上地势较高，气温度变化剧烈，有秋霜冻来的早，春霜
冻结束的晚，霜冻的日数较多的特点。
全市霜冻日数200天左右，春霜冻最早出现在4月23日，最晚结束于6月11日。
秋霜冻最早出现在9月1日，最晚出现在10月18日。
春秋两季由于北方冷空气的入侵，造成气温明显下降，地面热量散失迅速，在碧空微风的夜晚或清晨，很容易形成霜和霜冻，所以说，
霜冻是一种农业气象灾害。
进年来随着种植结构的改变，番茄、葵花、玉米、蔬菜、瓜类每年都要受到冻害的威胁，给巴彦淖尔市农业生产造成不小的经济损失，所以防霜工作也就摆在了气象工作者的面前。
霜和霜冻是两个不同的概念。
“霜”指的是冷空气温度下降到0℃以下，空气中的水汽达到饱和时，在地面或地面物体上凝结成的一种白色结晶体。
霜的形成与天气条件和附着物的物理属性有密切的关系。
“霜冻”是指在晚秋或早春土壤表温和植物表温降到0℃或0℃以下，使植物受害的低温现象。
就巴彦淖尔市来说，冬季严寒并不可怕，
因为地里的庄稼已经收获，然而在春秋季节，由于农作物正在生长或还没有成熟，一但遇到突然的霜冻低温就会发生严重的冻害。
所以说霜冻是一种农业气象灾害，从以上情况来看，当发生霜冻时可能有霜，因此，群众对霜还有白霜和黑霜的说法。
在地面或植物上有白色结晶体的叫白霜。
在气候干旱的地区，由于空气湿度小，气温虽然下降到0℃以下，但看不到霜，作物同样受害，这类霜叫做黑霜。
根据霜冻形成的原因不同，气象上将霜冻分为辐射霜冻、平流霜冻和平流辐射霜冻三种。
辐射霜冻是指在晴朗无风或微风的夜里，由于强烈的辐射冷却，引起气温下降而形成的霜冻。
辐射霜冻范围小，强度较弱，对作物危害也较少。
平流霜冻是由于大规模的冷空气入侵，使所经过的地区温度很快下降而形成的霜冻。
平流霜冻的范围大，持续时间较长，危害也较严重。
平流辐射霜冻是由于平流和辐射两种原因共同形成的。
在北方冷空
气侵入后，加上地表和植物表面强烈的辐射冷却而形成的霜冻。
巴彦淖尔地区出现的多数为这种霜冻，出现时间一般是在早秋或晚春，对作物的危害最严重。
自然地理条件对霜冻的影响也很大，在局部低洼地或盆地，霜冻较严重，霜期也长。
因为这种地形条件
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