您当前的位置: 首页 >  博客资讯

科技助力,化云为雨 ——人工影响天气那些事儿

近年来,人工影响天气逐渐进入公众视野,甚至多次登上“热搜”

2019年2月13-14日,“贫雪”了一个冬天的北方终于下雪了,情人节当天北京故宫的雪景更是刷爆了朋友圈。然而,就在人们喜迎瑞雪之时,不少地方也流传着这样的消息:这次下雪是人工增雪,人工增雪用的炮弹含碘化银,降雪“有毒”、对身体健康有害。

2020年12月2日,一条阅读量高达1.2亿的话题――“河南的雪是人工降雪”冲上微博热搜。网友“炸锅了”:让我开心的一场雪,莫不是假的?那真是下了个“寂寞”!

2021年3月伊始,一则关于人工影响天气的消息再次登上热搜,不过这次的消息令人痛心:江西省吉安县境内发生人工增雨作业飞机坠毁事件,机上5名人员全部遇难!一时间很多网民开始评论:江西真的需要人工增雨吗?为什么非要在阴雨天(恶劣的天气条件下)开展飞机增雨作业?

从这一系列的新闻热搜事件,能够看出:公众一方面体会到了人工影响天气带来的天气福利,对此的关注度渐增;另一方面,对人工影响天气缺乏足够的科学认识,甚至还存在误解。

人工影响天气

人工影响天气(以下简称“人影”)是指在一定的有利时机和条件下,通过人工催化等技术手段,对局部区域内大气中的物理过程施加影响,使其发生某种变化从而达到减轻或避免气象灾害的一种科技措施。

人影作业主要包括人工增雨(雪)、人工防雹、人工消云减雨、人工消雾等。

其中,人工增雨(雪)是最常见的一种人工影响天气类型,是在有利于降水的天气条件下,采取人工干预的方法,在自然降雨(雪)之外再增加部分降雨(雪)的一种科学手段。

首先,人工增雨(雪)≠人工降雨(雪)

不管是人工影响天气、还是人工增雨(雪)的科学定义,从中都可以看出:人影作业必须基于合适的天气条件,采取合适的措施来影响天气和增加雨雪,而不是凭空制造雨雪。

很多人把人工增雨(雪)理解为人工降雨(雪),一个“增”,一个“降”,一字之差,概念完全不同,差在哪里?差在人为力量和自然力量相比,是微乎其微,非常渺小的。怎么通过人工干预的方式,使降水能在自然降水的前提下,再增加一些,这才是我们说的人工增雨或者人工增雪。

简单来讲就是,人工增雨(雪)只能“锦上添花”,而不是很多人理解的“无中生有”。

因此人工增雪(增雨)的品质和自然降雪(降雨)是一样的,不是“假雪”,不是“下了个寂寞”,而是“下得很真实”。

其次,向天“要水”,没有想象的那么容易

天上的一朵朵云,如何才能变成一滴滴雨,一片片雪呢?

先让我们看看云的降水机制。

云是空气垂直运动的结果,随着空气的上升,地面的水汽也被夹带着一起上升,在这个过程中,一部分水汽蒸发掉,一部分则升入空中,通过降温冷却而凝结成小水滴、凝华成小冰晶等,从而形成云。

但并非所有的云,都可以化成雨雪。像下面这样晴空万里或者蓝天白云,都是无法经过人工影响而化作雨雪的云。

无法幻化成雨雪的蓝天白云

1、空中有朵雨做的云――找到合适的云

要想实现增雨(增雪),首先得有一团合适的云。一般来说,当云的厚度超过两千米,缺乏冰晶(凝结核)或大水滴却拥有丰富的水汽和小云滴,而且云体外面仍然有充足的水汽源源不断补给,这样的云才能够通过“审核”,被认定具备增雨(增雪)潜力。

按照上述标准,适合人影作业的云,主要有层状云和对流云两大类。

其中层状云主要包括低云族(云底高度在2500米以下的云)中的雨层云、层积云和层云,以及中云族(云底高度在2500米至6000米的云)中的高层云。

对流云是对流运动产生的积云、积雨云、浓积云等的统称,相较于层状云系,对流云的云体发展更为旺盛,云中的上升气流更强,云团也更加不稳定。

下面这些就是适合人影作业的云。

雨层云

层积云

积雨云

通过观察这些云,你会发现,适合人影作业的云,要么是“阴云密布”的云,要么是“层层叠叠遮天蔽日”的云,要么就是对流发展很旺盛,容易产生“电闪雷鸣”的云。说到这里,也可以解答公众对于江西人影作业飞机“为什么要在阴天开展作业”的疑问了。

可以这么认为,人工增雨的最有利时机,对于飞行来说往往是最不利时机。飞机在云层中可能会遇到飞机积冰、颠簸、雷电等多种风险,既要保证增雨效果,又要保证飞行安全,这对飞行人员的心理素质和技术都提出了很高的要求。

飞机作业中的机窗积冰

飞机作业中的机翼积冰

从某种意义上说,人影工作者正是“防灾减灾战线的逆流勇士”,再次,向这些可爱的“天气逆行者”致敬!

2、“卤水点豆腐”――“化云为雨”的催化剂

选定了合适的云,判断有适合进行人工增雨(雪)的条件,接下来就要进行最关键的一步――如何“化云为雨(雪)”?

这就需要催化剂了。人影作业中使用的催化剂就像“卤水点豆腐”中的“卤水”一样,能让云中的小水滴或者小冰晶通过不断的碰并凝聚而迅速长大变重,等长到足够重,云中的上升气流再也托不住它们时,就能“幻化”成雨雪,降落到地面了。

适合人影作业的云按照性质不同,分为冷云和暖云。冷云和暖云的降水机制不同,需要的催化剂种类也有所不同。

暖云里充满小水滴,温度在0℃以上,上升气流的托举使它们漂浮在空中掉不下来。要让这些小水滴掉落到地面形成降雨,就得靠具有吸湿性的催化剂,称之为“吸湿剂”。

当吸湿性的食盐、尿素、氯化钙、硝酸铵等进入云中,那些小小的水滴会快速成长为直径几十微米以上的大云滴,随着它们的“体重”暴增,上升气流给的支撑终于抵不住重力的作用,只好掉了下来,最终形成降雨。

冷云的温度在0℃以下,云里有许多闪亮的小冰晶和过冷云滴,但由于它们又小又轻,在上升气流的托举下,也不会掉下来。这时候就需要(干冰、液态氮等)“制冷剂”和(碘化银等)“结晶剂”。

当干冰、液态氮和碘化银等进入云中合适的位置,便会在短时间内产生大量的人工冰核,冰核转化成冰晶,冰晶吸附水汽,凝华增长,或碰到过冷却云水,使其逐渐消耗转变为大的冰晶。当冰晶增长到一定程度,上升气流再也无法托住它们时,便降落下来,变成雨(雪)。

3、“爆款”装备――把催化剂“送”到云中

找到了合适的云,选定了合适的催化剂,那怎么把催化剂送到云中呢?接下来就轮到这些“爆款”装备上场了。

想要影响高空的天气,没有高科技装备怎么行!

我国早已构建实施了集飞机和地面的立体化人影作业系统。“爆款”装备主要包括人影作业飞机(主要有:“运-12”、“新舟60”以及“空中国王”这几个型号),地面高炮、火箭以及地面烟炉。

先来一观他们的“飒爽英姿”吧。

“新舟60”人影作业飞机

"运-12”人影作业飞机

“空中国王”人影作业飞机

地面高炮

新型人影火箭

地面烟炉

最终要派出哪款装备,那还是有讲究的。

派飞机:层状云相对比较稳定,云系持续时间长,云中有一定的过冷水,所以适合开展飞机冷云催化作业。工作人员会派出“新舟60”、“空中国王”等高性能作业飞机、“运-12”飞机等执行任务,它们装载着催化剂以及各种云降水观测仪器和设备,直接飞到云中,像播撒种子那样,把催化剂播撒在云中。

飞机作业因其作业时间长、播撒面积广、增雨(雪)效率高等特点,是目前最为常用的人工增雨(雪)手段。

作业人员在给飞机装催化剂焰条(飞机型号:运-12)

飞机在云层中播撒碘化银(飞机型号:空中国王)

用火箭:对流云的上升气流很强,生命周期短;有时候,碰到强对流云,还会产生很多雷电,飞机入云作业就很危险了。工作人员会计算好方位,在作业点用火箭发射架向空中发射含有催化剂的火箭弹。当火箭弹抵达预定的目标云位置,催化剂自动点燃,随着火箭弹沿途燃烧,“线源播撒”催化剂。

靠烟炉:安静燃烧的地面烟炉是最“沉默”的人影装备。增雨烟炉一般被安装在山区等特殊地形中,山区海拔高度较高、气温低,空中水汽含量大,由此而形成的地形云具有更高的增雨潜力。烟炉会被选址在最大上升气流区,这有助于烟炉内催化剂燃烧后随着上升气流顺利将人工冰核带入云中。

烟炉人影作业的成本低、指挥环节少,且不受空域和时间限制,还可远程操控,可以有效弥补飞机、火箭、高炮等人影作业方式的局限性,提升复杂地形区域的人影作业效果和覆盖面。

一般情况下,催化剂成功送至云中15分钟至20分钟后,增雨(雪)的效果就很明显了。

用高炮:还有一种装备是高炮,在人工增雨(雪)作业中一般不会被用到,它主要被用来对付冰雹。

冰雹常产生于发展旺盛的对流云中,云中有强烈运动的垂直气流,并且蕴含大量水分。云中小的冰雹胚胎通过捕捉吸收云中水分,促使其自身不断长大,直至变成冰雹降落到地面。

利用高炮将装有碘化银催化剂的炮弹发射到冰雹云的适当部位,一方面,炮弹在云层中爆炸,产生的冲击波会对云层内的气流运动产生干扰。另一方面,炮弹中的碘化银催化剂扩散到云层中,会使云内产生过量的人工冰核,这些人工冰核也会一起来“争食”云中的水分。这样双管齐下,就能抑制冰雹胚胎增长,把一个个“大块头”化成“小块头”或者直接转化成雨水落下来。

所以说,不管是人工增雨(雪)还是人工消雹,都没有想象的那么容易。

一次完整的人影作业,首先要经过工作人员一系列复杂的判断,作业条件成熟,迅速提出包括作业时机、作业部位、催化剂量和作业装备等在内的作业方案,并向空管部门申请作业空域。目标是,在时机未“溜走”之前,把催化剂送到云中,像“卤水点豆腐”一样,把云“幻化”成雨雪;或者把危害严重的大雹块“扼杀”在摇篮里。

人影作业的催化剂危害人体健康、污染环境?

答案是否定的。

以常用的冷云催化剂来说,干冰、液氮汽化后成为二氧化碳和氮气――都是空气的主要组成部分,因此它们都是“生态安全催化剂”,不会污染环境。

对于大家关注的碘化银催化剂,人影作业时,1克碘化银催化剂在-15℃环境下可形成10 13~10 14个冰晶核,播撒少量的碘化银催化剂就可以达到增雪(雨)的目的。

以2019年2月13-14日华北地区的人工增雪为例,根据增雪使用的碘化银催化剂用量和影响面积估算,即使全部碘化银都降落到地面上,每平方公里也仅有0.21克碘化银。按照降水量折合成银离子浓度,银离子含量约合0.000035毫克/升,这远低于世界卫生组织标准和我国国家生活饮用水卫生标准(均为0.05毫克/升),不会对生态环境造成污染,也不会危害人体健康。

人工影响天气在中国的发展

人工影响天气古代就有。

17世纪,清代《广阳杂记》载有:“夏五、六月间,常有暴风起,黄云自山来,必有冰雹,土人见黄云起,则鸣金鼓,以枪炮向之施放,即散去。”这是历史上第一次清楚记载用土炮轰击冰雹云,以减轻冰雹对农作物收成的影响。

我国最初的人工影响天气试验当属20世纪50年代的山西消雹。1950年7月6日的《山西日报》记载,“为防春雹,开春就部署土炮土枪,并由民兵组成观天组、炮手组等。特别是当年5月25日天气陡然闷热,武乡县151个村庄警觉起来,当西北方黑云压顶移来时,上千门土炮土枪齐击云体,迫使雹云四散。”

1958年8月8日,在吉林省首次开展的飞机人工增雨作业,开启了我国现代人工影响天气事业的新纪元。

而今作为开发利用空中云水资源的“主力”,气象部门不负重托,积极开展人影作业,在防灾减灾、服务农业生产、助力生态文明建设和保障重大活动等方面发挥了重要作用。2019年,我国人工增雨(雪)作业面积约508万平方公里,防雹保护面积约66万平方公里。

2020年12月,国务院办公厅发布的《关于推进人工影响天气工作高质量发展的意见》(国办发〔2020〕47号)明确提出了人影工作的发展目标:到2025年,人工增雨(雪)作业影响面积达到550万平方公里以上,人工防雹作业保护面积达到58万平方公里以上。

到2035年,推动我国人工影响天气业务、科技、服务能力达到世界先进水平。

参考资料

[1] 我们能控制天气吗?“解锁”人工影响天气.新华网. 2019-04-30

[2] 地面烟炉“人影”作业,你不知道的那些事儿.科普微报.2020-07-30

[3] 高炮“人影”作业,你不知道的那些事儿.科普微报.2020-06-24

[4] 人工增雪催化剂影响健康?专家:微量碘化银并无伤害.人民网.2019-2-17

[5] 今年是人工影响天气事业60周年.央广网.2018-09-15

[6] 一起来了解人影作业中的“卤水”.科普微报.2020-05-07

作者丨王恩眷 中国气象局华风气象传媒集团高欣 山西省气象服务中心审稿丨蔡淼 中国气象科学研究院人工影响天气中心高级工程师文章由腾讯“全民爱科学”团队推出本文来自科普中国