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人工降水
應用于農(nóng)業(yè)、軍事領域的降水
定義
人工降水，又稱人工贈雨，是指根據(jù)自然界降水形成的原理，人為補充某些形成降水的必要條件，促進云滴迅速凝結或碰并增大成雨滴，降落到地面。
人工降水
根據(jù)不同云層的物理特性，選擇合適時機，用飛機、火箭彈等向云中播散干冰、碘化銀、鹽粉等催化劑，促使云層降水或增加降水量。人工增雨分為曖云增雨與冷云增雨。要使曖云（溫度高于0℃的云）降水或增雨，要在云中播撒鹽粉、尿素等吸濕性粒子，促使大云滴生成導致形成或增加降水。若要冷云（溫度低于0℃的云）降水，就要用飛機等播撒干冰、碘化銀等催化劑，從而產(chǎn)生大量冰晶，使冷云上部的冰晶密度增大，促成或增加降水。
人工影響云的微物理過程，可以在一定條件下使本來不能自然降水的云受激發(fā)而降水，也可使那些水分供應較多、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應的水分較少，因此人工催化的經(jīng)濟價值有限。
條件
一般在自然云已經(jīng)降水或者接近于降水的條件下，人工降水的方法才能發(fā)揮作用。由于降水的自然變率很大，人工增加降水量的幅度較小，如何估價人工降水的效果就顯得
十分困難。人工催化增加的降水量，是催化后的實際降水量和不經(jīng)催化的自然可能降水量之差。實際降水量可以測定，但能否正確估價自然可能降水量，就成了效果檢驗的關鍵。在對降水的物理規(guī)律認識不足的情況下，主要依靠統(tǒng)計學的方法對自然可能降水量作出估價。初期的統(tǒng)計檢驗方法，多數(shù)采用回歸統(tǒng)計法，在人工催化目標區(qū)附近選擇一個不受催化影響的地區(qū)作為對比，用歷史資料建立目標區(qū)和對比區(qū)降水量的回歸方程。把人工降水試驗期間對比區(qū)的降水量代入回歸方程，求出目標區(qū)的自然可能降水量，再與目標區(qū)實測降水量對比，就可估價人工降水的效果。采用這種方法對于同一次試驗，選用不同的對比區(qū)或者不同年限的歷史資料作對比，得出的結果，可能出入很大，所以這種方法的可信度不高。一般認為隨機試驗可以避免主觀的偏差得到統(tǒng)計學上的可信估價。隨機試驗是把適合于人工降水的試驗機會(試驗單元)按照隨機規(guī)則（例如抽簽）分成兩組：一組催化并觀測，另一組不催化只觀測，作對比。當試驗單元足夠多時，隨機決定的兩組試驗單元的自然條件應該只有極小的系統(tǒng)性差別，而兩組試驗實測降水量的系統(tǒng)性差異，就可以歸之為人工催化的結果。判斷催化效果，存在著成功和失敗的可能性，當判斷催化有效而實際無效時，常以顯著度水平來表示這種可能性。顯著度水平越小，判斷催化有效的可信度越高。在人工降水試驗中，一般要求顯著度水平小于5%，即可信度大于95%。
人工降水
下雨
人工降水的效果受云和其他條件所制約。在某種條件下可能有顯著的正效果，在另一種條件下可能無效甚至出現(xiàn)負效果。不分條件籠統(tǒng)地進行統(tǒng)計，分析得出的效果往往不顯著。把試驗單元按照某種指標分成幾類分別統(tǒng)計，有時就能得出比較顯著的結果。例如在冷云催化試驗中按云頂溫度分類，統(tǒng)計得出，在一定溫度區(qū)間里有比較顯著的效果。從人工降水研究來說，僅對降水增量作出估價是不夠的，必須對整個物理過程的各個環(huán)節(jié)都有確切的了解。如催化劑在云中指定部位是否達到了一定的濃度，冰晶或大滴的濃度是否明顯增加等。觀測和統(tǒng)計這些宏觀和微觀特征量的變化，可從物理過程上分析人工催化的效果。這種觀測檢驗，稱為人工降水效果的物理檢驗。如在冷云試驗中觀測到催化后冰晶濃度增大，過冷水滴減少，說明人工催化對云的微物理過程已起到作用。一般認為，人工降水的科學試驗，必須根據(jù)統(tǒng)計學的要求，嚴格按照預定的設計進行長時間的試驗，同時對自然降水過程和人工催化過程，進行細致的野外探測和數(shù)值模擬，才能使試驗具有比較堅實的物理基礎和統(tǒng)計的可信度。
方法
冷云催化
人工降水
暖云催化
在溫度高于0°C的暖云里，降水主要在云滴碰并過程中得到發(fā)展
。云滴越大，碰并增長就越快。計算表明，當云滴半徑超過0.04毫米時，就可以迅速碰并而長成雨滴。在那種大云滴的濃度不足的自然云中，播撒大量半徑大于0.04毫米的水滴，就能夠促進降水過程。計算表明，每克水可以形成約幾百萬個大云滴，要催化10立方公里的云體，則需要幾噸水。若往云中播撒一定大小的吸濕性物質(zhì)顆粒或者溶液滴，它們能在云中吸濕而迅速長成大云滴，這樣所需的催化劑量，就用不到水的十分之一。
人工降水
動力催化
通過冷云催化使云中產(chǎn)生大量冰晶，所釋放的潛熱將改變積云的宏觀動力過程而增加降水。它是60年代在人工降水試驗方面的一項進展。積云中上升氣流的速度，主要決定于云內(nèi)外溫差造成的浮力。在發(fā)展旺盛的積云內(nèi)，存在著大量過冷水滴。在這種云中播撒大量的成冰催化劑時，能使過冷水滴凍結而釋放潛熱，水汽在冰粒表面凝華時也釋放潛熱。估計這兩種潛熱足以使云中局部溫度升高0.5°C左右，這將加大浮力而促使某些積云的上升氣流速度增大，云體擴展，生命期延長，結果使進入云體的水分總量增大而增加降水量。雖然動力催化同一般冷云催化所用的催化劑一樣，但著眼點不同，動力催化所用的催化劑量必須大大增加，才可能收效。積云動力催化在50年代曾作過初步的嘗試，但周密設計的積云動力催化試驗，直到1963年才開始。J.辛普森在美國佛羅里達州所做的隨機試驗表明，催化后積云的云頂平均增高1.6公里，平均雨量增加1.7倍。他指出，催化后云頂增高量同大氣層結（見大氣靜力穩(wěn)定度）有密切的關系。在其他國家和地區(qū)，也作過類似試驗，但效果不一。有人對整個地區(qū)積云群體進行過動力催化的隨機試驗，初步結果表明有增雨的效果。
作業(yè)方式
目前催化作業(yè)的方式大體有三種：
一是以在地面布置AgI燃燒爐為主手段。催化劑依靠山區(qū)向陽坡在一定時段常有的上升氣流輸送入云。這種方式的優(yōu)點是經(jīng)濟、簡便，其明顯的缺點是難以確定催化劑入云的劑量。這種方式主要適合于經(jīng)常有地形云發(fā)展、交通不便的山區(qū)。
二是以高炮和火箭為主的地面作業(yè)。由于增程焰劑炮彈和焰劑火箭的研制成功，將催化劑在合適的時段按需要的劑量輸送到云的合適部位的問題已基本上獲得解決。其缺點是雖已有車載火箭裝備，可在一定范圍內(nèi)移動，但相對于飛機機動性仍差，適合于在固定目標區(qū)（如為水庫增水）作業(yè)，特別是對飛機飛行安全有威脅的強大對流云進行的催化作業(yè)。WR－1B型增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)是目前經(jīng)國家人影辦唯一認定的火箭作業(yè)系統(tǒng)。它采用中國氣象科學研究院BR－91－Y型高效碘化銀焰劑，產(chǎn)生含AgI的復合冰核氣溶膠，具有很高的成核率，其性能指標高于美國和獨聯(lián)體的同關產(chǎn)品。
催化劑
干冰
干冰是二氧化碳的凝結固態(tài)。干冰的溫度是攝氏的負78.5度，因此在保持物體維持冷凍或低溫狀態(tài)下非常有用。干冰能夠急速的冷凍物體和降低溫度并且可以用隔離手套來做配置。干冰已經(jīng)被廣泛的使用在許多層面了，干冰在增溫時是由固態(tài)直接升華為氣態(tài)，直接轉化為氣體而省略掉轉為液態(tài)的程序，因此其相變并不會產(chǎn)生液體，也因此稱它做“干冰”。要將二氧化碳變成液態(tài)，就必須加大壓強至5.1大氣壓才會出現(xiàn)液態(tài)二氧化碳。
制造人造雨：利用飛機將干冰灑在云上，云中的小水滴就會被凍結成許多小冰晶，促使更多的水蒸氣凝結在上面，化為雨滴，降落到地面。制造云霧：由于干冰的溫度很低，升華后低溫的二氧化碳氣體碰到空氣后，可以使空氣中的水蒸氣凝結成小水滴，所以有白氣出現(xiàn)，所以舞臺表演上，常使用干冰來制造云霧般的特殊效果。
冷凍劑：由于二氧化碳比空氣重，干冰升華后仍可包覆在冷凍的物品上，能夠維持較好的冷凍效果，尤其是在空運需要特別冷凍的物品，往往都使用它。
碘化銀
費用
上海首次施行人工增雨的初步預算中寫道，實施一次人工增雨需要470萬元，其中僅僅直接作用于云層的催化劑一次就需要40萬元。當然這份等待批準的預算中不僅有飛機租用費、播撒設備等硬件費
用，還包括地面監(jiān)測費用、人力資源費用等幾十項。
人工降水
人工增雨所用的火箭彈一枚的價值在2000-4000元，用于使用的人工增雨火箭發(fā)射架價值在20萬元左右。火箭彈屬于軍火，從運輸費、押送費、保管費、發(fā)射費等都是一筆不小的開支。還有那么多工作人員背后默默地付出不能不算，每次都要發(fā)射探空氣球，而且還要對數(shù)據(jù)進行分析處理，這些間接投入不好算，也算不清。
另據(jù)江蘇省一份《人工影響天氣作業(yè)表》顯示，2000年到2004年，全省共發(fā)射增雨火箭872枚，增雨17.5億立方米。其中2004年已發(fā)射106枚，增雨1.1億立方米。而人工增雨還需要GPS定位系統(tǒng)等多種設備及其他費用，所以成本比較昂貴，但投入產(chǎn)出比還是比較劃算的。
注意事項
1人工降雨作業(yè)只有在一定的自然云的條件下才能獲取所需的增加水量的結果，目前的技術條件還無法做到人工造雨。
2對于不同條件的云進行同樣的催化作用，可能會得出正、反兩種不相同的結果。所以為了獲得增雨效果，必須對自然云條件和降水過程進行更深入的探測研究。
3自然降水量的變率很大，而人工增雨量又往往比較小，在一次降水過程中，很難把人工增雨和自然降雨區(qū)分開來。因此，評價人工降雨效果及其檢驗方法仍然是人工影響天氣科學主攻目標。
4人工降水已從初期的試驗研究，逐步轉為有嚴格設計、多種探測手段及作業(yè)技術現(xiàn)代化與通訊等相結合的試驗應用技術，成為目前我國及不少國家的抗旱減災的措施之一。
發(fā)展歷程
古代巫術
早在遠古時代，我們的祖先就幻想著掌握呼風喚雨的本領。刀耕火種的初民，跪在赤熱的陽光下祈求雨水；巫師們?yōu)榱饲笥晔贡M了花招，有時戴上面具手舞足蹈，有時放開喉嚨咿呀歌唱；他們還常常向冥冥中的神靈祭獻牛羊牲靈，有時甚至祭獻活人。巫師們用葦管向空中吹噴水珠，希望這種象征性的雨滴可以帶來豐沛的雨水。美洲的印第安人在籬笆上掛上干癟的蛇尸求雨，東方人跳龍舞，西方人做祈禱；但無情的干旱卻一次次地使他們的希望和田地里的禾苗一起枯萎。
后來，求雨的花樣不斷翻新。有人鳴槍，有人爆破，還有人燃點化學物質(zhì)，相信這類化合物的煙霧可能引來雨水。這些求雨者中也有個別幸運兒，偶然的巧合使他們的法術名噪一時。美國歷史上曾有一個求雨者，機會趕得巧，頗有幾次“靈驗”，但弄巧成拙，幾乎因此罹禍身亡。當時加利福尼亞州南部降雨達51厘米，大水吞沒土地，人畜死傷無數(shù)，損失達數(shù)百萬美元。愚昧的村民怨天尤人，指控這個求雨者施行法術招來大禍。
現(xiàn)代技術
人工降水第一次試驗是在1946年，美國科學家謝費爾用飛機向溫度為-20℃的層狀云播撒干冰碎塊,5min后出現(xiàn)降雪。這一試驗成功引起各國重視，先后有80多個國家開展這項試驗和應用作業(yè)。其中以美國、以色列、澳大利亞和前蘇聯(lián)等試驗研究較多。我國于1958年后在大多數(shù)省區(qū)進行了試驗和應用，北方各地主要用飛機向系統(tǒng)性層狀云播撒碘化銀等冷云催化劑，以期增加冬春季節(jié)降水量；南方主要用飛機或高炮向積狀云內(nèi)播撒碘化銀或鹽粉，以期增加夏旱季節(jié)的降水量，少量試驗在雨季進行，以期增加水庫蓄水量。
首次實現(xiàn)人工降雨的科學家是杰出的美國物理化學家歐文·朗繆爾。歐文·朗繆爾，1881年1月31日生于美國紐約市布魯克林。他從小對自然科學和應用技術極感興趣。他年輕時就有一個偉大的理想：實現(xiàn)人工降雨，使人類擺脫靠天吃飯的命運。朗繆爾經(jīng)過深入地研究，終于搞清了有云未必就下雨的原因，是因為云中冰核、冰晶的數(shù)目太少了。
當時，在人們中流行著一種觀點：雨點是以塵埃的微粒為“冰晶”，若要下雨，空氣中除有水蒸氣外還必須有塵埃微粒。這種流行觀點嚴重地束縛著人們對人工降雨的實驗與研究。朗繆爾通過實驗告訴人們：塵埃對降雨并非絕對必要，干冰具有獨特的凝聚水汽的作用，即相當于云中的冰晶或冰核。溫度降低也是使水蒸氣變?yōu)橛甑闹匾蛩刂弧Ｋ趯嶒炛胁粩嗾{(diào)整加入干冰的量和改變溫度，發(fā)現(xiàn)只要溫度降到零下40℃以下，人工降雨就有成功的可能。朗繆爾發(fā)明的干冰布云法是人工降雨研究中的一個突破性的發(fā)現(xiàn)，它擺脫了舊觀念的束縛。之后，朗繆爾決心將干冰布云法實施于人工降雨的實踐。
1946年，已經(jīng)66歲的朗繆爾像年輕人一樣燃燒著探索自然奧秘的熱情。七月的一天，在朗繆爾的指揮下，一架飛機騰空而起飛行在云海上空。試驗人員將207千克干冰撒入云海，30分鐘以后，狂風驟起，傾盆大雨灑向大地。第一次人工降雨試驗獲得成功。朗繆爾開創(chuàng)了人工降雨的新時代。
發(fā)明故事
人工降水
隨著科學技術的進步，人們逐漸了解了下雨的來龍去脈。水汽從海洋和湖泊的水面上升騰成為空氣的一部分，然后形成云朵，雨水或雪片就從云中降下來。但是，水汽究竟怎樣凝聚成雨滴，長期以來始終不甚了然。后來，約翰愛特金證明，水汽是積聚在灰塵等細小微粒周圍形成水滴或冰晶的。這些微塵十分細小，肉眼根本無法覺察，但如果沒有這些微塵，盡管空氣中有足夠的水汽，卻不可能形成一滴雨水。
第二次世界大戰(zhàn)期間，通用電氣公司聘請愛爾文蘭格繆爾博士研究飛機機翼在穿過云層時結冰的課題。年青的謝福正是蘭格繆爾博士的助手。他們接受任務后，就動身到美國東北部的新罕布什爾州去，那里的山峰終年積雪，雪暴頻繁，寒風凜冽。
謝福和蘭格繆爾整日在山間的嚴寒空氣中工作。他們逐漸發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：雖然氣溫常常在零攝氏度以下，但在他們周圍和腳下繚繞的云朵之中，卻并沒有形成一粒冰晶。這個奇異的現(xiàn)象，深深留在謝福的腦海里。大戰(zhàn)結束后，謝福制造了一臺小機器，它能產(chǎn)生寒冷的濕空氣。和新罕布什爾州山區(qū)云層中的空氣十分相象。
謝福推測冷空氣中不能形成冰晶可能是因為缺少如愛特金提到過的結晶中心。謝福往他的小機器里呼一大口氣，然后開始冷卻，再往冷空氣中投放一點點粉末，比如面粉、糖粉等等。謝福耐心地做了幾個月實驗，往機器里扔進去各種他能夠想得出來的各種各樣的粉末，但是竟然沒有一種物質(zhì)可以形成雪花或雨珠凝結的中心。
1948年7月里的一個上午，炎日當空。謝福繼續(xù)耐心地往冷空氣里一次次地扔進各種粉末，仍然沒有結果。這時，謝福的一個朋友邀清他去吃飯。謝福筋疲力盡，很樂意借此休息一下。臨走，他把制冷器蓋好，口朝上，使較重的冷空氣沉到底部。不致逃逸出來。
謝福匆匆吃完午飯，心里還惦記著機器中的冷空氣。他回到制冷機旁，一看溫度計，已經(jīng)上升到冰點以上了，不禁有些懊惱。幾個月來，他專心致志地做實驗，竟沒有注意到盛夏已經(jīng)不知不覺快要到了。謝福心想，大熱天做冷凍實驗，以后可得多留神些。今天的實驗怎么辦呢？他把蓋子蓋緊，耐心地等著制冷機重新使空氣降溫。謝福注視著緩緩下降的水銀柱，心里著急，他轉身找到一點干冰，想用來加快空氣降溫的過程。
謝福打開制冷機的蓋子，把冒著白汽的干冰扔進去。這時，他又往制冷器里長長吐了一口氣。突然感到眼前一片銀色的光芒在閃爍，在射進制冷機的一束金色陽光里，他看見了無數(shù)晶瑩的銀色晶體在滾動。謝福立刻明白了，這正是他夢寐以求的冰晶。經(jīng)過無數(shù)次失敗，他竟然在偶然的一揮手之間成功了。謝福連忙叫來助手，他往制冷器里長長地吐了一口氣，同時又扔進一大把干冰。這時立刻出現(xiàn)了一片銀光燦爛的小冰晶，緩緩地落下去，仿佛一層美麗的白色絨毛——人造雪的實驗成功了。
謝福想，既然能在實驗室中制造雪花，為什么不在田野上的云朵中去試試呢？他決定在飛機上裝一架噴撒干冰的裝置，飛上天試試看。
11月里寒冷的一天，謝福和蘭格繆爾看見天邊出現(xiàn)了一片云。謝福立刻登上飛機。他知道很可能要飛許久才能找到適于播撒干冰的云層。這是一種體積碩大的灰色云朵，里面飽含著水汽。謝福選好時機，開動了機器，干冰像一條拖曳的飄帶落在云朵中。噴撒了一半，干冰使周圍氣溫降低，竟使飛機的發(fā)動機也熄了火。謝福急中生智，把剩下的干冰立刻從機艙窗口統(tǒng)統(tǒng)扔到下面的云層中。
在地面上等待的蘭格繆爾博士仰望著從云端飄然而下的潔白的雪花，萬分激動，謝福從飛機上走下來時，渾身凍得發(fā)青，蘭格繆爾歡呼著跑過去迎接他，欣喜地喊道：“你創(chuàng)造了歷史上的奇跡！”謝福的實驗確實在人類影響天氣的歷史上揭開了新的一頁。從此，牧場、田野和山區(qū)的上空，時常飛翔著科學家的飛機，他們在云層中傾撒干冰，讓晶亮的雨滴滋潤干渴的植物的根須。
謝福發(fā)現(xiàn)了用冷凍的方法可以形成人造雨之后，就不再去苦心尋求可以形成水滴中心的物質(zhì)了。但是，通用電氣公司的另一位青年科學家伯納德馮尼古特卻不滿足謝福的結論。正象當初年青的謝福有志于探索未知事物一樣。他相信愛特金關于雨滴中心有微細顆粒的結論是有根據(jù)的。他查閱了大量資料，希望找到一種體積和形狀都適于形成水珠或冰晶中心的化學物質(zhì)。馮尼古特最終選定了碘化銀。他采用燃燒后得到的極細的粉末，希望撒播在云層中后形成雪花。
人工降水
碘化銀催雨劑一經(jīng)使用，很快獲得了比干冰更為廣泛的應用；因為碘化銀很容易從地面上用簡單的裝置發(fā)射到云層中，不象使用干冰那樣麻煩。使用干冰有時還有些危險。有幾次巨大的干冰塊直墜屋頂，鑿成大洞，引起一片恐慌。
在成功的事實面前，最保守的人也承認，現(xiàn)代的人工降雨是控制天氣的一大進展。今天，耕云播雨已經(jīng)不是神話。謝福和馮尼古特的發(fā)明，給苦于干旱的人們帶來了福音。他們勤于觀察、勤于思索、鍥而不舍的探索精神,
參考資料
[1]
林瀟課堂 | 撲火秘籍之“借風使船”！2019-03-10T21:56:13+08:00[引用日期2022-05-26 19:11:47]
[2]
人工增雨的原理及作業(yè)方式-減災日專題-中國天氣網(wǎng)2012-05-08T08:46:09+08:00[引用日期2022-05-26 19:19:49]
[3]
人工增雨的原理-貴州首頁-中國天氣網(wǎng)2013-08-05T11:16:53+08:00[引用日期2022-05-26 19:19:56]
[4]
滾動｜人工增雨火箭已發(fā)射！我們能等來一場大雨嗎2020-08-25T13:50:31+08:00[引用日期2022-05-27 10:37:12]
[5]
人工增雨的原理-2013-04-07T15:04:51+08:00[引用日期2022-05-27 10:37:26]
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作者
