云降水物理和人工影響天氣研究進展和思考

摘 要：云降水物理是人工影響天氣的理論依據，指導著人工影響天氣的具體實施過程，對人工影響天氣具有十分重要的現實意義。當前我國的人工影響天氣研究取得了不小的進步，眾多的人工影響天氣工程正在建設之中，將在我國的天氣研究過程中發揮重要的作用。本文對云降水物理研究進展進行了比較詳細的介紹，在此基礎上，著重介紹了人工影響天氣研究，并對當前的研究進行了研究思考，對從事相關工作的研究人員具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：云降水物理；人工影響天氣；思考

中圖分類號：P49 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170931058

前言

我國的人工影響天氣研究始于20世紀50年代，發布了《氣象工作研究12年遠景規劃（草案）》，由此開啟了我國人工影響天氣的序幕。經過多年的不斷研究發展，我國在人工影響天氣領域中的研究已經小有所成，尤其是21世紀初，我國面臨著嚴重的旱災、洪水、臺風等眾多惡劣天氣的威脅，為了減少這些自然災害所造成的損失，我國人工影響天氣呈現快速發展勢頭，國家也增大了對人工影響天氣研究的支持力度，人工影響天氣的理論和探測研究得到快速發展。經過半個多世紀的發展，我國人工影響天氣的研究取得了較快的發展，在防止和減輕氣相災害中發揮了重要的作用。

1 云降水物理研究進展

1.1 云中粒子和微物理結構

1.1.1 粒子譜

通過觀測研究發現，我國南方的層狀云中云滴譜較寬，濃積云中的云滴譜很寬，并伴隨有第2峰值。此外，雨層云、層積云中也具有第2極大的云滴譜，雙峰譜不僅在瞬時譜上出現，而且在某段時間內會連續大量出現，并且還具有一定的演變規律。當出現雙峰時，同時會出現云滴譜變寬。對北方層狀云的研究主要包括：層狀云的云滴譜、冰晶譜、雪譜、融化層中的粒子譜以及雨滴譜。在云滴譜的Γ分布擬合中，α>5的個例占到總數的40%左右，通過研究發現α值由云層的底部向上逐漸增加。

1.1.2 大云滴

通過對大云滴的形成進行分析研究，有助于人工播撒大云滴進行催化降雨的順利實施。大云滴主要存在于旺盛發展的濃積云和厚度在1～2km范圍內的小積云之中，只有暖云中存在一定數量的大云滴才有可能形成降雨，大云滴是降雨的必要條件，但非充分條件。要想形成一定的降雨，暖云還需要滿足其他的條件，例如，云中的上升氣流、云中的含水量和云層的厚度等。因此，采用撒播大云滴進行人工降雨時，需要對云中的實際情況進行充分的考慮，并采取針對性的改進措施，唯有這樣才能真正的實現人工降雨。

1.1.3 積云微結構模型

通過對模型的研究發現，在濃積云的水平和垂直方向上存在一定數量含水量較高或云滴濃度較大的區域，該區域與云中的對流泡具有一定的關系。

1.1.4 層狀云垂直分層結構

層狀云的微物理結構可以分為3個不同的層次：冰晶層、過冷水層和暖水層，這是一種“催化-供給”云的結構。冰晶層對過冷水層其到衣服那個的催化作用，是一種具有催化作用的云層；過冷水層和暖水層為高空下落的冰晶離子提供增長所必須的水分和適宜的環境，是一種具有供給作用的云層。

1.2 云中粒子增長及降水形成機制

1.2.1 云滴增長

云中的湍流和云的起伏變化規律是形成暖云降水的一個非常重要的因素，在宏觀條件下受到氣流場的不同影響。通過精確的計算得到，云滴濃度、濕度場的起伏變化對云滴的增大起到一定的促進作用。在云滴逐漸增長的過程中，起伏場的相關時間是一個非常重要的影響因素，而湍流加速場由于相關時間非常短，在雨滴的形成過程中所起到的作用微乎其微。通過研究新安江流域范圍內積云中云滴的整個增長過程發現，在大云滴的形成過程中起主要作用的就是半徑為1.5～2.5μm的巨核，巨核能夠有效的減少大云滴的形成時間，但是其在平衡態凝結譜中的作用較小。

1.2.2 冰晶增長

通過對冰面擴散云室進行冰面過飽和度和不同溫度條件下冰晶生長的相關研究，能夠進一步獲取在低冰面過飽和度情況下的定量結果，促進了對冰晶增長整個過程的研究，以及指明了冰形突變區域以及低水面過飽和區域冰晶增長過程中的特點。

1.2.3 冰雹的形成、增長

通過對冰雹進行實例模擬研究發現，當云層的冰雹形成源區中存在一定數量的霰和凍滴雹胚，通過與過冷水進行撞凍獲得進一步的增長。云中的過冷水對雹胚和冰雹的形成、增長具有非常重要的影響。在冰晶—過冷水—雹胚—冰雹的整個過程中，一旦缺少過冷水的有效參與，就不會形成降雹的天氣。

1.3 云和降水的發展過程

1.3.1 積云

通過對積云降水的相關研究發現，積云的整個形成過程非常的短暫，在適宜的條件下，經過十幾分鐘積云的厚度就會大大增長，可以達到幾公里的厚度。當積云達到一定的強度后，積云的頂部就會出現砧狀結構，在云的周圍和云頂上，就會形成比較穩定的下沉氣流。對積云的強度具有重要影響的主要是云層的結構、相對濕度和云層底部的溫度。在積云形成的初期，最大上升氣流的速度中心位于云層的中下部位置，隨著時間的發展，速度中心逐漸上升到云層的上部區域。

1.3.2 積層混合云

呈嵌入狀態的對流云和層狀云組成了積層混合云，其具體的形成過程是，對流云在不斷擴大的過程中，能夠為周圍的層狀云提供充足的水分和能量供應，促進層狀云的不斷發展，其上升氣流的速度能夠保持平穩，而上升氣流的面積得到不斷的擴大，最終形成了積層混合云，這種類型的云能夠有效的形成降水。層狀云為積云的發展壯大提供了充足的外部條件，其中層狀云為積云降水的形成輸送了大量的云水和雨水，促進了積云降水的進一步形成。

1.3.3 層狀云

通過對層狀云的模擬研究發現，在層狀云中的冰晶離子其增長的能量主要來自于水的凝華作用。其中，水的凝華作用主要來自層狀云混合層中部的位置，該區域中的冰面過飽和度相對較高，有利于水滴的不斷凝華，并且暖層的厚度越大對水滴的凝華作用越有利。通過計算可以得到這3層對降水影響程度的大小，由高到低依次是暖層（58%）、混合層（35.5%）、冰晶層（6.5%），由此可見，混合層和暖層對降雨強度具有決定性的影響。endprint

2 人工影響天氣研究

2.1 冰雹云物理和人工防雹研究

2.1.1 雷達識別冰雹云的方法

雷達在進行冰雹云的識別過程中，主要是對雷達的回波形狀、尺度、強度、結構、移動以及形成特征等進行有效的統計分析，進而對冰雹進行有效的識別，其識別冰雹的正確率可以達到85%，具有良好的實際應用價值。

2.1.2 冰雹云分類

冰雹云根據冰雹強度的不同可以分為：強單體雹云、弱單體雹云、傳播雹云和多單體雹云4種不同的類型。

2.1.3 催化防雹機制

進行人工催化防雹的重點部位就是源區，因為源區為雹胚的形成提供了適宜的條件。通過催化作用后，源區內冰晶的數量迅速增加，進而導致雹胚的數量增加。因此，形成的雹胚平均直徑較小，最終能夠向冰雹進行轉化的比例也較小，進而最大限度的降低冰雹的總質量、平均直徑以及總數量，從而避免冰雹災害的發生。

2.2 人工增雨理論研究

2.2.1 暖云人工增雨

通過相關研究表明，對流性暖云實施人工降雨的過程中，鹽粉的實際撒播效率和降水效果主要受到鹽粉的撒播位置和鹽粉顆粒大小的影響。在實際的人工增雨過程中，要充分考慮云層的厚度、含水量、上升氣流以及云層的生命時間等因素，進而制定出契合實際要求的鹽粉撒播方式。

2.2.2 人工增溫影響積云

相關的研究表明，通過對積云進行人工增溫，能夠對積云的宏觀動力過程造成顯著的影響。對積云實施人工增溫后，積云中的浮力、上升氣流和含水量均發生不同程度的增加，進而強化了積云的整個發展過程，而且人工增溫的范圍和強度越大，對積云所造成的影響也越大。

2.2.3 人工增雨潛力及其評估

通過相關研究發現，云中的過冷水含量越多越有利于人工增雨的實現。人工增雨過程中的水分主要有2個來源：水-冰的轉化水；汽-冰的轉化水。

2.2.4 人工催化影響降水機制

人工冰晶不僅通過貝吉龍過程將過冷水轉變為降雨，而且還能促使部分的冰面過飽和水汽轉變為降雨，水的凝華過程中釋放出大量的熱量導致積云中局部的溫度升高，進而進一步促進了降雨的發生。液態CO2是一種新型催化劑，采用其進行增雨的過程中，人工進行引晶后，云中的冰晶濃度和雨滴直徑有了明顯的增加，云中的過冷水減少。進行人工引晶區域的最大回波強度增加，強回波區的面積擴大，降水增加。

3 研究思考

雖然我國在云降水物理和人工影響天氣的研究上獲得了不小的發展，但是還存在一些薄弱的環節，人工影響天氣的科學技術研究水平遠遠不能適應預防和減輕氣象災害的需要。因此，還需要繼續加強對人工影響天氣理論和技術進行研究，可以從以下幾方面進行有針對性的改善。

云降水物理是進行人工影響天氣研究的理論基礎，而人工影響天氣是云降水物理的一個具體的應用領域。為了進一步提高研究的科學性，就需要對與云降水物理的理論進行更加深入的研究。

加強人工影響天氣核心技術的研究，為人工增雨的順利實施提供可靠的技術保障。在實際的增雨過程中，要對催化作業的積云和其增雨潛力進行系統全面的評估，進而優選出最適宜進行人工增雨的積云，從而確保人工增雨的順利實施。

對進行人工增雨的地區，開展云中微物理條件的普查性研究，進而對我國的人工增雨地區的積云狀況進行有效的掌握，從而為人工增雨的實施提供資料支持。

4 結語

我國在云降水物理和人工影響天氣方面進行了大量的深入研究和試驗，這就大大的促進了數值云模式和中尺度模式的模擬研究水平的不斷提高，在云和降水物理過程和降水機制研究、云的微物理結構、云水資源和人工增雨潛力評估、催化條件預測、催化劑和催化技術等方面取得了顯著進展。本文對云降水物理研究進展和人工影響天氣研究進行了比較系統的介紹，在此基礎上，進行了相關研究的思考，對從事云降水物理和人工影響天氣研究的技術人員具有一定的借鑒意義。

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作者簡介：張蘭英（1988-），女，四川省資陽人，本科，畢業于成都信息工程大學，助理工程師，研究方向：大氣物理與大氣環境專業。endprint