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我国人工影响天气工作进展及展望

  近年来,我国人工影响天气工作取得了骄人的成绩, 在农业抗旱防雹、森林草原灭火、社会重大活动保障等防灾减灾气象保障工作中发挥了巨大作用, 赢得了社会广泛的赞誉。   

  人工影响天气的发展概况   

  我国人工影响天气工作经过50多年的发展,作业规模已居世界首位。目前,我国已有30个省(区、市)开展了飞机、火箭、高炮、地面燃烧炉的人工影响天气作业,人工增雨和防雹作业面积分别达到300万平方千米和44万平方千米,人工影响天气从业人员达到4.2万人。随着科学技术不断发展,人工影响天气在我国应急工作中的应用领域不断拓宽,从原来主要以抗旱、防雹为目的,逐步拓展到森林防火、水库增蓄水、生态环境建设和保护、重大社会活动保障等多个应急应用处置领域。如在近年来黑龙江大兴安岭和云南等地连续多发的森林火灾以及部分省份发生的特大自然干旱事件中,通过实施人工增雨作业,有效减轻了自然灾害所造成的损失。尤其是在2008年北京奥运会、残奥会开闭幕式的气象保障工作中,成功实施了人工消云减雨作业,确保了奥运会开闭幕式的顺利举行,开创了奥运史上的先河,得到了国内外的广泛赞誉。   

  我国人工影响天气的发展得益于管理工作不断加强和完善。1994年,国务院批准建立了由15个成员单位组成的“全国人工影响天气协调会议制度”,并明确中国气象局为牵头单位。我国各地政府也不断加强对人工影响天气工作的组织协调和领导,形成了由各级政府领导、同级气象主管机构归口管理的组织管理体制,并形成了以地方各级政府财政投入为主的人工影响天气工作投入机制。 2007年以来,形成了人工影响天气的国家—省—地—县4级业务管理体制。   

  人工影响天气主要科学技术   

  人工增雨技术   

  自然界中有些降水云,自然降水效率不高,可通过人工干预,提高其降水效率。可行的方法是在云降水过程中的某些环节,在有效范围内施放适用的催化剂,充分借助自然规律,因势利导,促使云、降水按预定方向加速发展,达到增雨的目的。目前我国开展的人工增雨作业,主要是利用含碘化银的冷云催化剂对层状云进行播撒作业,利用吸湿性催化剂对暖云进行催化以达到增雨的目的。   

  20世纪六七十年代,我国利用自行设计建造的云雾物理实验室并结合外场试验,开展了北方层状冷云和南方对流云人工增雨试验研究,并对北方层状云系的微物理结构和利用干冰催化增雨试验进行了比较系统的研究,对云水含量、云滴尺度谱等参数进行探讨,建立了一些降水物理模型。20世纪80年代,我国首次从美国引进了机载云降水粒子测量系统, 并改装了云物理考察专用飞机(伊尔-14), 开展了我国北方地区层状云人工降水试验研究。云物理考察飞机曾对我国北方和其他有关地区共18个省份的层状云进行了宏、微观物理结构的综合观测,同时配合云物理考察飞机还开展了地面雷达、冰核、加密探空、降雨(雪)量的观测,通过综合观测资料并结合层状云数值模式分析研究,建立了我国不同地区、不同季节适宜进行人工增雨作业云系的云物理概念模型,使我国在人工增雨的科学概念与作业技术上的认识获得了突破性的进展。   

  通过“九五”国家科技攻关“人工增雨农业减灾技术研究”课题,进一步研究了层状云和对流云系的人工增雨的综合探测和催化作业技术问题,提出了层状冷云和对流云人工增雨作业流程,研发了人工增雨综合判别技术指标,并在湖北、河南、吉林和山东建立了4个人工增雨试验基地,提高了人工增雨的科学有效性。   

  通过“十五”国家攻关“人工增雨技术研究及示范”课题。研发了人工增雨综合探测和作业系统,可以实时识别人工增雨最佳潜力区,以达到人工增雨最佳催化作业效果。改装后的新一代人工增雨飞机最大飞行高度能够达到8700米,满足了我国层状云人工增雨催化作业所需高度要求,并且由于续航能力的增强,使其作业范围与其他机型相比扩大了1 倍;研发了新一代空地数据传输系统,其传输距离达到300千米,该系统除具有下传资料的功能外,还能够将地面的资料(例如雷达资料、常规天气观测资料等)实时传输到飞机上,可以实时指导人工增雨飞机在云的合适部位实施作业,提高了作业的有效性;研制了适合多种机型的新型机载碘化银末端燃烧器,该装置所携带的催化剂成核率高(在-10℃时成核率达到1.03×1015个/克),极大地提高了人工增雨的催化作业效果。   

  人工防雹   

  我国是世界上四大雹灾发生频繁区之一,雹灾分布广且出现频繁。冰雹是我国主要气象灾害之一,每年有数千万亩农田受灾,直接经济损失50亿元左右。人工防雹是减轻冰雹灾害的有效途径。   

  人工防雹一般采用以下几种方式:   

  向正在发展的雹云中的雹胚形成区播撒人工冰核,通过核化和凝华、碰冻、增长,迅速形成毫米尺度的人工雹胚,参与同自然雹胚对云中过冷水的竞争,以抑制较大冰雹的形成。   

  在雹胚形成区播撒吸湿性催化剂,形成较大云滴,通过有效碰并增长随后产生冻结,充分减少液水含量,延迟自然冰雹生长,降低其轨迹。   

  在云内同时引发动力干扰,包括发动下沉气流使雹云提前解体或破坏冰雹增长区的动态平衡场,使未及长大的冰雹提前降落或激发多个小单体的云早期发展,使局地上空对流性不稳定能量先期逐步释放,不致积累,减小多单体的强度,减少雹灾损失。   

  人工大量播撒冰核直接进入雹胚形成区或冰雹增长区,使云中过冷水直接冻结完全冰晶化,不形成霰,不致产生冰雹,原有的雹胚和冰雹不能长大。   

  我国开展人工防雹研究与作业已有50多年的历史,从早些年目测土炮防雹的个别地区,发展到目前的20多个省(区、市)。   

  20世纪70—90年代初期,我国主要依据3厘米雷达探测和利用三七高炮进行人工防雹工作,在这一时期针对高炮防雹作业技术开展了多次外场试验,对防雹效果及其产生效果差异、多物理参量检验防雹效果、防雹期间雨量变化、冰雹微结构和雹灾衡量标准等方面进行了大量研究。   

  90年代以来,我国人工防雹在探测技术和作业装备方面有了明显进展,如双偏振和多普勒雷达、闪电定位仪等先进探测技术和适合于不同地区的多种型号的高效人工防雹火箭被广泛应用。在科研进展方面,通过“九五”国家科技攻关“人工防雹技术研究”课题,在冰雹及冰雹天气特征、冰雹云中的微物理过程、冰雹形成机理和催化防雹机理、冰雹云识别技术、人工防雹催化技术等方面取得了系列研究成果,使我国的人工防雹总体科学技术水平有了较大提高。

  

  人工消雾   

  我国冬、春季节出现雾的频次较高。北方多为过冷雾;南方多为暖雾,过冷雾相对出现较少。机场、高速公路、海河港口出现雾时,会造成航行视程障碍,严重影响交通安全。我国从1958年开始,先后在庐山、福建、重庆、成都、上海和北京等地进行雾的宏观、微观结构观测和人工消雾的试验工作。   

  针对暖雾和冷雾,人工消雾的原理和方法有明显不同。人工消除暖雾一般采用的方法有以下几种:   

  加热法 利用燃烧等手段加热含雾空气,使雾滴蒸发来消除大雾;   

  吸湿剂法 向空中播撒吸湿作用强又不对环境造成危害的颗粒,如氯化钙、盐粉、尿素等,通过它们吸收水汽降低相对湿度,促使雾滴蒸发消失,它们自身又利用溶液效应凝结长大,在下落过程中还碰并一部分雾滴,使能见度改善;   

  混合扰动法 即利用直升飞机悬停或慢飞将雾顶以上较干燥的空气掺入雾中与之混合,使雾滴蒸发,这样也能使能见度改善。1971年在成都双流机场进行过飞机播撒氯化钙消暖雾试验,1984年在北京南苑机场用直升机进行过播撒拌有耐火土盐粉的消暖雾试验,均能在一定程度上改善机场的能见度,但维持时间不长。   

  人工消冷雾,一般采用播撒人工冰核(碘化银),或制冷剂(如干冰、液氮、液态二氧化碳、液态丙烷等)促使在过冷雾中形成适量冰晶,通过“蒸—凝过程”促使雾滴蒸发、冰晶凝华增长,并在其下落过程中碰冻一部分雾滴,使过冷雾消失,能见度得到明显改善。1996年12月,用液氮进行北京首都机场的消雾试验,用两辆液氮罐车在机场喷洒液氮,同时收集能见度及雾微结构资料,效果显示能见度逐渐转好。

  人工消雨

  主要技术问题   

  应重点加强利用卫星、雷达、飞机等现代探测手段,研究开发多尺度云降水监测技术,完善云降水和人工催化过程的实时监测识别系统;提高模拟和预测能力,建立实时同化、预测系统;完善不同降水云的播撒方法、工具、时机、部位、催化剂和剂量等技术指标;研制高效的成冰催化剂和暖云催化剂,改进催化工具,完善作业催化系统。   

  人工影响天气的投入机制   

  目前,我国人工影响天气的投资方式是以地方为主,国家级的科学技术试验研究投入较少,严重影响了我国人工影响天气科学技术的发展。今后应充分发挥国家级科研单位和人员的科技主导作用,在经费、装备等方面予以重点支持。   

  人工影响天气客观的效益评估   

  效果评估是人工影响天气领域的关键技术难点。为使人工影响天气科学技术持续健康发展,定量的人工影响天气效果评估是亟待解决和不可回避的科学问题。目前我国的效果评估,在方法、物理证据及科学基础性等各方面都有待提高。研制物理检验、统计检验和数值模拟预测相结合的效果检验评估方法和经济效益评估方法应是今后攻关的主要任务。

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