人工影响天气

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人工影响天气,是指为避免或者减轻气象灾害,合理利用气候资源,在适当条件下通过科技手段对局部大气的物理、化学过程进行人工影响,实现增雨雪、防雹、消雨、消雾、防霜等目的的活动。
中文名
人工影响天气
目    的
增雨雪、防雹、消雨、消雾、防霜
原    理
云和降水物理学
方    法
向云中撒播催化剂

人工影响天气简介

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人工影响天气基本原理

运用云和降水物理学原理,主要采用向云中撒播催化剂的方法,使某些局地天气过程朝着有利于人类的方向转化的一项科学技术措施。又称人工控制天气。是人工降水人工防雹、人工消云、人工消雾、人工防霜、人工削弱风暴(台风)和人工抑制雷电的总称。
自然天气过程能量十分巨大。一次风暴凝结的水汽量约为1000万吨量级,其凝结潜热约为2.5×1016焦耳,相当于燃烧480万桶石油的热量 。台风中凝结的水汽每分钟释放的热量,相当于爆炸20个百万吨级核弹所放出的能量。如果直接耗费如此巨大的能量来制造或消灭一个天气过程,实际上是办不到的,经济上也是不合算的。所以必须寻找自然天气过程中可利用的条件,用少量的耗费促使它们向预定的方向转化。这就是人工影响天气试验。

人工影响天气实施形式

在人工影响天气的各项试验研究中,开展得最多的是人工降水人工防雹的规模仅次于人工降水,中国、美国、前苏联、瑞士等国进行了大量人工防雹试验,使果园等经济作物减免了损失,但严格的科学检验效果不一。人工消雾开展得较早,40年代已试验用加热法消除
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机场跑道上的雾,耗费虽大,但有相当成效 。用干冰或 液化丙烷消除冷雾的技术,已在一些机场投入业务使用。人工消云开展较少,在一定条件下可消除局地的过冷层云。消暖雾及人工削弱台风、人工抑制雷电等,尚处于探索阶段。
自然天气过程的能量十分巨大。一次风暴凝结的水量约为1000万吨的量级,其凝结潜热为2.5×10焦耳,相当于燃烧 480万桶石油的热量。台风中的水汽每分钟释放的潜热,相当于爆炸20个百万吨级核弹所放出的能量。如果直接耗费如此巨大的能量来制造或消灭一个天气过程,实际上是不大可能的,经济上也是不合算的。所以必须寻找自然天气过程中可利用的条件,用少量的耗费促使它们向预定方向转化。人工影响天气的途径,主要是利用云的微物理过程。例如在温度低于0°C的云中存在着大量未冻结的水滴,利用播撒成冰催化剂(见播云催化剂)可使水滴转化为冰晶并释放潜热,从而改变云的微物理过程和热力、动力结构。用这种方法进行人工影响天气,耗费比较小,效益可能很大。
人工影响天气被称为“播云作业”(Cloud Seeding),这个称呼不由让人产生种种关于农业播种的想象。对一个中国农民来说,减少了自然灾害,保住一年的收成,比什么都实在。这个需要作为出发点,直接导致了中国“人影”(人工影响天气)规模居世界首位的事实。
“中国播云作业次数远多于世界其他国家的总和。”丹尼尔·罗斯菲尔德教授是以色列耶路撒冷希伯莱大学地球科学学院的教授,在他看来,以干旱和滴灌农业闻名的以色列对降水的需求应当远大于中国,而中国人工影响天气次数之频繁“几乎不可想象”。

人工影响天气方法

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人工影响天气概述

人工影响天气最主要的方法是播云,即用飞机、火箭或地面发生器等手段向云中播撒碘化银等催化剂,改变云的微结构,使降水等天气现象发生改变。

人工影响天气催化剂分类

按对象的性质不同,播云所用的催化剂也不同,其催化过程可分为两类:
①冷云催化。温度为0~-30°C的云中,往往存在过冷却水滴,若在这种云中播撒碘化银或固体二氧化碳(又称干冰)等成冰催化剂,可以生成大量的人工冰晶。这类催化剂的成冰效率很高,1克催化剂就可生成数量级为1万亿个的冰晶,使1立方公里云体内产生浓度为1个/升的冰
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晶。在某些云中,人工冰晶通过伯杰龙过程可形成降水(见云和降水微物理学),从而达到人工降水的目的。在强对流云中,人工冰晶能长大成冰雹胚胎,同自然冰雹争夺水分,使各个冰雹都不能长成危害严重的大雹块,这样可达到防雹的目的。在过冷云(雾)中,人工冰晶使云(雾)滴蒸发而自身长大下落,又可达到消云(雾)的目的。在冷云催化过程中释放的巨大潜热会改变云的热力、动力过程,着力于这种动力效应的催化称为动力催化动力催化可使某些对流云的云体发展而增加降水。在台风云系某些部位的动力催化,可能改变台风的环流结构而削弱其最大风力,从而减轻台风造成的灾害。
②暖云催化。在云中播撒直径略大于0.04毫米的水滴,使它们同云滴碰并,长成雨滴而降落到地面。此法效率很低,每克水大约只能形成几百万个雨滴胚胎。如果播撒大小适当的吸湿性盐粒,也能促成雨滴的生成,且效率比播撒水滴高,每克食盐大约能形成几千万个雨滴胚胎,再通过碰并过程形成雨滴,此法可促使暖云增加降水。在暖雾或某些暖云中播撒盐粒使雾滴或云滴蒸发,盐粒吸湿长大下落,也可达到消雾或消云的目的。

人工影响天气播云的手段

①地面播撒,通过空气运动,带入云中。此法虽然简易,但催化剂从何处入云,能有多少入云,都很难掌握。
②将催化剂装入火箭弹头或高射炮弹内,发射到云中的预定部位。此法虽迅速和直接,但是载量有限。
③用飞机将催化剂直接播入云内。此法机动性强,载量也大,但有时受飞行安全的限制。
播云方法外,用加热空气的方法消雾或防霜冻,也有一定效果。但此法耗费很大,只能用于很小的范,如机场跑道的消雾和果园的防霜冻。此外,用向上喷射的高温气流以促使空中或云中的局部空气产生对流运动,增加局地的水汽凝结和降水;改变地面状态或在空气中播撒碳黑微粒以吸收更多的太阳辐射,改变局地空气的热力结构。这些方法还处于探索阶段。
和其他学科关系人工影响天气涉及多种学科和技术。它的理论基础是大气科学,特别是云和降水物理学。它在试验设计和效果检验中,广泛应用数理统计的成果。在播云催化剂的研究过程中,要用到结晶学和表面化学等学科的知识。催化剂在空中和云中的扩散,涉及了大气湍流小尺度运动。在观测技术方面,涉及气象要素和云中微粒的测量技术、气象雷达(包括多普勒雷达、双波长雷达)技术、微波探测技术(见微波大气遥感)、气象卫星测量以及示踪剂测量、超微量化学分析等。在播云技术方面,涉及火箭、炮弹和烟火剂等的设计和制作问题。在数值模拟的进展方面,则依赖于电子计算机的发展状况。从另一方面说,人工影响天气的开展,也促进了大气科学及有关领域的发展。

人工影响天气历史和现状

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人工影响天气实验

人工影响天气是人类自古以来的理想,17世纪末,中国清代的《广阳杂记》就载有:“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。”这是中国古代用土炮防雹的生动描述。1946年,美国科学家I.朗缪尔等根据冰晶降水形成过程中的重要作用,提出了人工产生冰晶影响冷云降水的设想,他的助手V.J.谢弗和B.冯内古特,发现
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将干冰碎粒和碘化银烟粒引入充满过冷水滴的云室里,能够产生大量的冰晶。同年11月,谢弗进行了第一次对自然云层的人工催化试验。他用飞机将3磅干冰碎块投入云顶温度为-20°C的过冷层状云中,5分钟后,云下出现了降雪。此试验结果引起广泛的重视,推动了人工影响天气试验的迅速发展。到了60年代,美国科学家J.辛普森进行了动力催化试验,获得一定程度的成效。苏联科学家苏拉克韦利泽等,用冷云催化方法进行了大规模防雹试验。全世界大约已有80个国家或地区开展过这种试验研究,其中规模较大的国家有美国、苏联、中国、澳大利亚、法国等。中国从50年代开始,在大多数的省(自治区)开展了人工降水或防雹试验,有些单位还进行过消雾、消云和抑制雷电的试验。

人工影响天气人工降水

在人工影响天气的各项研究中,开展得最多的是人工降水。一些比较严格的试验表明,在一定条件下,通过冷云催化可以增加降水量10~20%。也有些试验的效果不显著,个别情况还反而减少了降水量。暖云催化试验进行得比较少,技术上也不太成熟。人工防雹的规模仅次于人工降水。60年代以来,苏联持续进行了多年的防雹试验,他们宣称用催化剂方法可使雹灾的损失减少60~90%,但是由于缺乏严格的效果检验,未能得到一致的确认。中国、美国、瑞士等国所进行的大量防雹试验,效果不一。70年代美国进行了“国家冰雹研究计划”,结果防雹效果不好。人工消云开展较少,在一定条件下可以消除局地的过冷层云。在消除暖云方面,也有一些试验成功的例子。人工消雾开展得很早,40年代已经试验用加热法消除机场跑道上的雾,耗费虽大,但有相当成效。现在用干冰或液化丙烷消除过冷雾的技术,已在一些机场投入业务使用。消暖雾以及人工削弱台风、人工抑制雷电等,都尚处于探索试验阶段。

人工影响天气曾经的广泛开展

人工影响天气的试验曾经在一些国家广泛开展。随着试验研究的深入,逐步认识到这项工作的复杂性:①人工影响天气必须具备一定的自然条件,例如云中必须存在过冷水滴,才能使冷云催化奏效
②因为云中的动力过程和微物理过程十分复杂,两者又互相影响,所以采用同样的播云方法,在不同的自然条件下,可能产生完全不同的效果,不同场合的播云结果往往出入很大;
③因为天气现象的自然变率很大,播云造成的改变较小,要把人为的改变从自然变化中区分开来(即效果检验)是十分困难的。所以人们对于人工影响天气的实际效果,常常存在着不同的看法和估价。人们正在着重进行有科学设计的专业试验,通过大量试验的统计分析、综合观测的物理分析、数值模拟的理论分析三个方面来检验效果,明确适宜的播云条件,改进播云技术,逐步认识自然规律,以提高人工影响天气的实际效果。

人工影响天气中国的投入力度

中国气象局的资料表明:1999-2006 年,中国共人工增雨2500亿吨,每年超过300亿吨,计划到2010年,每年增雨500 亿吨。与此相关,每年在这方面的投资高达数亿元,全国各地为此投入3.7 万人、约7000 门高炮和5000 个火箭发射架。

人工影响天气不确定性

“老百姓的需求巨大。”中国气象局人工影响天气中心主任郭学良解释这种巨大作业规模的“群众基础”,“干旱很严重,冰雹灾害很严重,老百姓需要。你不给我作业,每年辛辛苦苦种的粮食,一场干旱、冰雹,什么都没有了。他们靠这个赚钱,结果什么都没有了,你说做不做?”然而,也许老百姓不知道的是,这个颇具科学气息的技术,还未真正得到科学实验的有效论证。美国怀俄明大学大气科学学院退休教授伽柏·瓦利告诉记者,关于人工影响天气最大的问题是播云作业有效性的不确定。这种不确定是指,现有的科学知识不能阐明在何种条件或情况下,播云作业可以产生预期的结果。因此,应用于实际生活中的人工影响天气技术执行情况并不遵循可靠的科学知识。换句话说,播云作业仅仅是在模糊的概念下决定了怎样做,什么时候做以及做什么。
理想的情况下,科学应该能够给出“人影”作业成功机率的评估。然而,研究大气科学的伽柏·瓦利最终认定,即使是这种评估在现在也是不可能的。涉及天气变化的大气科学是一个充满复杂变量的学科,云层条件差异很大,而且这些条件只有通过一系列指标,如雷达反射率、回波高度、飞机观察等才可以被诊断。这些指标很重要,但却是不充分的。目前所掌握的知识,并不能估量播云作业的负面结果。
“从播云作业不确定结果角度看,执行这种作业的决定应被视作为赌博。资金和资源正在投入于一场离成功遥遥无期的事业。”瓦利教授说。

人工影响天气费用来源

“人工影响天气作业的费用主要来自于地方政府。”郭学良主任说。2007 年中国气象局人工影响天气中心成立,承担国家级人工影响天气业务建设。全国逐步形成了以气象部门组织实施、地方投入为主的国家、省、市地、县四级人工影响天气业务制度。
各省的“人工影响天气办公室”是当地气象部门气象业务的一部分。人工影响天气作业由各省气象局负责技术管理,各地省政府进行行政管理。省人影办统一协调作业,决定火箭点、炮点布置。作业前需申请空域,由空军管理部门控制。
一般情况下,由省级人工影响天气办公室发出人工影响天气作业通知,相关各级单位做好作业准备。区县气象局发现作业条件时,向上级人影办汇报,人影办向空军申请协调空域,得到安全发射指令后,召集各作业点炮手进行作业。
这种实质上以省级人影办为主导的机制,将人工影响天气作业引入“各省自管头顶天”的境况。

人工影响天气国外实施过程

当然,这种行政划区的做法并非中国独有。在人工影响天气技术的发源地美国,也是由各州政府主导管理人工影响天气作业,具体涉及的管辖部门在各州之间也有所差别。以瓦利教授所在的怀俄明州为例,批准发放“人影”牌照的是怀俄明州工程办公室,但在批准前必须由州水资源开发委员进行协调。
与中国各省“自上而下”展开作业的情况不同的是,美国开展人影作业项目更像是“自下而上”。个人和团体获得人影作业牌照后,还得作出项目环境影响评估。他们必须证实人工影响天气的行为不会带来负面影响。

人工影响天气问题

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云层具有流动性的性质,让云水资源的法域问题一直备受争议,这个问题在中国尤为突出。

人工影响天气争议

“我们国家现在希望达到省与省之间的协调,能够更多地增加降水,就是要跨区域作业。”郭学梁说,“一块云,如果单独作业就是省里的管辖范围,跨区域作业就是说大家联合来作业,降水量可以更大一些。让各省联合起来都降水,不仅考虑自己的利益,也考虑干旱地区。干旱地区跨的范围也很大。我们希望几个省联合起来,都降下来,这样不管是哪个省都有好处。”

人工影响天气财政压力

这种理想化的跨区域合作模式在人影作业经费来自各地财政的现实面前,仍然是一件“任重道远”的事情。以省内协调主导的机制直接导致的是省际间评估标准不统一。各省独立制定评估标准的做法,使得目前为止没有全国性的评估报告。因此郭学良主任在谈及评估效果时将“农民觉得有效”作为有力证据。“农民不让撤作业点,”他说。

人工影响天气农民的内部矛盾

而这种“农民觉得有效”的评估也存在内部矛盾。郭学良也明白,地方气象局应天气变化作出防雹干旱决策时,并不能协调全部农民的利益。他举例说,青海的牧区每年到了春季干旱缺水,但是牧民不希望降水,因为老是下雨,羊蹄就会发烂,他们希望雨水量适当。但是对于有些需要水资源的部门,比如水电部门,需要水越多越好,这就是矛盾。矛盾远不止此。在“人定胜天”的热情背后,各地人影办工作开展得如火如荼。然而,这种热情有时带来的却是另一番局面。
2004月9日下午,从河南南部向东北方向飘移来一片携带丰富水汽的云块,久旱无雨的平顶山、驻马店、漯河、许昌、周口5市为抢夺云水资源,纷纷投入大量的人力和物力竞相实施人工增雨

人工影响天气影响

中科院寒区旱区环境与工程研究院研究员陈广庭在接受《北京科技报》采访时曾对这一现象表示担忧:“从理论上讲,在一定时期内,同一片云系的云水资源如果没有及时从大气循环中得到补充,其拥有的空中水资源就是恒定的,如果在一个地方实施人工增雨,云系下游的地方降雨就要减少,下游即使实行人工增雨,成效也会受到影响。”如果云水资源争夺是地方协调的缺失,那么发生在昌平崔村镇真顺村的“小插曲”就反映出作业人员管理的问题。

人工影响天气政策

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国务院办公厅关于进一步加强人工影响天气工作的意见
国办发〔2012〕44号
各省、自治区、直辖市人民政府,国务院各部委、各直属机构:
近年来,我国积极运用现代科技手段,开展人工增雨(雪)、防雹、消雾、消云减雨、防霜等作业,取得了明显成效,在服务农业生产、缓解水资源紧缺、防灾减灾、保护生态以及保障重大活动等方面发挥了重要作用。为进一步加强人工影响天气工作,经国务院同意,现提出如下意见:[1] 

人工影响天气总体要求

(一)指导思想。以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导,深入贯彻落实科学发展观,把人工影响天气作为防灾减灾、农业公共服务体系建设和水资源安全保障的有力手段、重要举措和有效途径,加快关键技术的科技创新,强化基础设施和装备建设,完善体制机制,不断提高作业能力、管理水平和服务效益,为经济社会发展和人民群众安全福祉提供坚实保障。
(二)基本原则。坚持以人为本,把保障人民群众生命财产安全放在首位,积极开展人工影响天气作业,最大限度降低灾害损失。坚持科技创新,不断提高作业效率。坚持依法规范,确保作业安全有序。坚持统筹规划,调动各方力量,推动人工影响天气工作协调发展。
(三)发展目标。到2020年,建立较为完善的人工影响天气工作体系,基础研究和应用技术研发取得重要成果,基础保障能力显著提升,协调指挥和安全监管水平得到增强,人工增雨(雪)作业年增加降水600亿吨以上,人工防雹保护面积由目前的47万平方公里增加到54万平方公里以上,服务经济社会发展的效益明显提高。

人工影响天气重点领域

(四)强化对农业生产的服务。有关地方人民政府和部门要制定完善年度方案和重要农事季节、作物需水关键期作业计划,适时开展飞机、地面立体化人工增雨(雪)作业,促进粮食等重要农产品实现减灾增产。加强对干旱、冰雹等灾害的动态监测和区域联防,科学调整作业布局,加大对重点干旱区和雹灾区的作业保护力度。
(五)合理开发空中云水资源。加强对全国空中云水资源的监测评估,制定开发利用计划,在重点江河流域和大型水库汇水区开展增蓄性人工增雨(雪)作业;在生态脆弱区域等重要生态功能区,围绕生态保护与建设需要,开展常态化人工增雨(雪)作业。
(六)全力做好突发事件应对和重大活动保障。建立健全应对大范围森林草原火灾火险、异常高温、严重空气污染等事件的应急工作机制,及时启动相应的人工影响天气作业。探索针对机场、高速公路等重要交通设施开展人工消雾作业。加强技术储备和试验演练,适时开展局部地区人工消云减雨作业,保障重大活动顺利开展。

人工影响天气加强能力建设

(七)加快基础保障能力建设。加强作业能力建设,重点加强飞机作业平台及飞行保障基地建设。加快地面作业点基础设施标准化建设,提升高射炮、火箭发射装置的自动化水平和弹药的可靠性。加快指挥通信系统和作业空域申报审批系统建设,提高作业指挥效率。建设时空密度适宜、布局合理的人工影响天气综合监测网,提高动态监测能力。
(八)增强科技支撑能力。加强基础研究和新技术开发应用,重点推进探测和作业装备自主研发。加快相关重点实验室和试验基地建设,加强人工增雨(雪)、消雾、防雹机理研究。加强作业示范区建设。推进科研体制机制创新,建立公益性科研院所、高校、企业相结合的科研体制。加强国际合作与交流,吸收借鉴国际先进技术成果。
(九)提高指挥调度水平。健全国家、区域、省、市、县五级作业指挥系统,加强军队与地方间的协作,建立作业空域划定、跨区域作业协调机制,提高作业装备的全国统一调度和跨区域指挥能力。建立多种服务需求和环境影响评价相结合的调度运行模式,提高作业规模化程度和集约化水平。
(十)完善安全监管体系。加快建立责任明确、操作规范、制度严格、措施到位的安全生产监督管理体系。加强空域申请、弹药储运、转场交通、作业人员安全等重点环节的管理与监督检查,杜绝发生责任事故。强化装备、弹药质量检测,健全气象、军队、公安等紧密协作的管理机制,依法落实购销、储运等管理制度。加强作业人员安全知识培训,为作业人员提供安全保险。完善安全事故应急处置预案,加强应急演练,提高事故应急处置能力。

人工影响天气强化保障措施

(十一)切实加大投入。各地区、各有关部门要深刻认识人工影响天气工作的基础性和公益性特点,将其纳入经济社会发展规划,加大全国和地方人工影响天气发展规划的落实力度,制定实施方案,推进工程项目实施。逐步加大公共财政投入,中央财政安排专项转移支付资金支持地方人工影响天气工作,地方人民政府要将人工影响天气业务经费列入同级财政预算。鼓励社会资金参与,推动建立主要受益行业投入的机制。加强资金管理,提高使用效益。
(十二)加强队伍建设。加强专业技术和管理队伍建设,积极引进与培养高层次科技人才,支持大专院校、科研院所相关专业学科发展。建立健全基层作业人员聘用等管理制度和激励机制,加强业务培训,探索将其纳入民兵预备役部队进行管理。将军队相关应急专业队伍作为全国人工影响天气工作的重要力量,统筹军队和地方专业队伍发展。
(十三)健全法规规范。推进国家人工影响天气管理法规的修订工作,各地区、各有关部门要完善配套的法规规章。加快人工影响天气标准化体系建设,明确作业装备、设施准入条件,完善作业规范和操作规程。建立人工影响天气行政执法监督检查机制。

人工影响天气切实加强组织领导

(十四)健全组织领导体系。进一步发挥国家人工影响天气协调会议的职能和作用,加强对全国人工影响天气工作的统筹规划。地方人民政府要建立相应的管理体制和工作机制,落实必要的机构、编制和工作经费。
(十五)完善联动机制。加强中央与地方之间、军地之间、部门之间、区域之间的沟通协调,实现信息共享,建立统筹集约、分工协作、上下衔接、左右配合的人工影响天气工作机制。气象部门要加强对人工影响天气工作的统一管理和指导,发展改革、财政等部门要保障有关重点工程建设和业务经费,民政、水利、农业、林业等部门和单位要制定相应的工作计划,科技、公安、安全生产监管、国防科工、民航等部门和单位以及军队有关部门要依据各自职责,加强监管、协调和服务,形成加快人工影响天气工作发展的合力。
(十六)加强科普宣传。把人工影响天气作为公益宣传的重要内容,纳入国民素质教育体系,充分利用各类科普教育的设施、媒体和活动,提高全社会对人工影响天气的科学认识。大力宣传人工影响天气取得的积极成效,努力营造促进其健康发展的社会氛围。
参考资料
词条标签:
自然学科 科技 理学