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化云为雨背后的“硬科技”

发布时间:2022年11月25日 来源:中国气象报社

天上的一朵朵云,怎样才能变成地上的一滴滴雨、一片片雪?随着科技的发展和社会的进步,如何通过人工干预的方式实现“化云为雨”?人工影响天气作业便是一种最直接、最有效的方式。

俗话说,没有金刚钻,不揽瓷器活。想要影响“高高在上”的云,实现“点”云成雨,没有高科技的支撑,显然是行不通的。

硬科技1:现代化探测设备帮你“锁定”合适的云

要开展一场人工增雨作业,第一步就是要判断哪朵云是可以干预的作业目标云。“不是所有的云都能进行人工增雨,多数情况下,人工影响天气是顺其自然的‘锦上添花’。”中国气象局人工影响天气中心技术研究室副主任段婧说。只有云已经开始降水或近于降水的条件下,人工增雨手段才能发挥作用,而不是要在大晴天“变”出一朵云来增雨,这道理就像你要从海绵里挤出水,而前提就是海绵里要有可以挤出的水。

判断海绵里是否可以挤出水来,或许我们可以通过用肉眼观察海绵的颜色来辨别。但判断哪朵云能化雨,那就需要借助现代化的探测设备了。现代化的探测设备一般包括天气雷达、云雷达、微波辐射计等地基云降水特种观测设备,探空仪、飞机云物理等空基观测系统,地球静止卫星、极轨卫星等天基观测系统。

近年来,随着我国气象探测现代化的不断推进,X波段双偏振雷达、云雷达、相控阵雷达、激光雷达、微波辐射计、风廓线等一批云降水观测仪器在人工影响天气试验示范基地投入运行,并开展云降水探测和监测产品研发,人工影响天气业务应用自动站、雷达、卫星、探空等综合气象观测系统的能力和水平也不断提高。依托风云系列气象卫星、天气雷达和探空资料,研发出精细化的云结构产品;结合云结构产品,依托飞机、云雷达、风廓线和微波辐射计等观测资料研究人工影响天气作业条件监测识别方法等,这些产品帮助我们精准“锁定”哪朵云适合化雨。

云总是处于动态发展变化中,不是说“锁定”一朵云就能持续对其进行增雨作业。因此,作业实施过程中,还需要依靠卫星、雷达及特种云降水的现代化探测设备研发出的精细化云降水产品,对作业进行跟踪指挥。

随着近年来人工影响天气业务现代化逐步发展,我国已经基本建立了高效的人工影响天气业务流程和综合业务系统。段婧表示,在人工影响天气的整个业务链条中,现代化的探测手段举足轻重,并将逐步发挥更加重要的作用。

硬科技2:催化剂实现卤水点豆腐

“锁定”了合适的云,判断有适合进行人工影响天气的条件,接下来就要进行最关键的一步——如何“化云为雨”?这就需要用到催化剂了。

“人工影响天气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碰并凝聚而迅速长大变重,等长到足够重,云再也托不住它们时,就能化成雨或雪降落到地面。”中国气象局人工影响天气中心首席专家周毓荃说。

人工影响天气作业的云分为冷云和暖云,暖云中太小的水滴会被上升气流托举而飘浮在空中掉不下来;冷云里有许多闪亮的冰晶和过冷水珠,但冰晶太少,加之上升气流的阻力,也掉不下来。这时候,就需要人工来帮忙,把“潜力股”变成降落地面的水。

我国人工增雨雪使用的催化剂通常分为三类:第一类是可以大量产生凝华核的碘化银等成核剂;第二类是可以使云中的水分形成大量冰晶的干冰、液态二氧化碳、液氮等制冷剂;第三类是可吸附云中水分变成较大水滴的盐粒、尿素等吸湿剂。周毓荃表示,选取适合的催化剂是人工影响天气的一个重要环节,因此要全面了解催化剂的性能,包括成核率、核化速度和核化条件及其机制,对于确定催化剂用量与播撒方式,估算催化后冰晶浓度以及预测催化效果等都十分重要。

碘化银是人工影响天气外场试验和业务作业中使用最广泛的催化剂。它有成冰阈温高且成核率高的优点,用量少。近几十年来,国内外科研人员利用云室和风洞开展室内实验,结合理论研究和数值模拟,研发了不同组成、不同发生方式的碘化银催化剂,并在人工影响天气外场试验研究和业务中广泛应用。

硬科技3:增雨飞机,撒下雨水的种子

“锁定”合适的成雨云系,同时催化剂也准备好了,那么问题又来了,催化剂如何被送到高空的云系中?

一种方式就是把催化剂直接播撒至云中;另一种方式就是利用弹弓原理,把催化剂从地面弹射到云中。这其实就是我国目前最常用的两种人工影响天气作业方式:飞机作业和地面作业。其中地面作业包含地面火箭、高炮、烟炉等。

“在各种播撒催化剂的装备中,利用飞机向云中播撒是比较好的方案。” 中国气象局人工影响天气中心装备保障室副主任李军霞介绍,因为飞机作业具有机动性强、播撒均匀、影响面积广、可直接将催化剂播入云中适当位置等特点,特别是对大范围降水云系,飞机作业具有无可比拟的优势。通常来讲,人工影响天气作业飞机多利用的是固定翼飞机平台,加装了监测、催化、通信、集成等任务设备和系统,可携带不同类型的催化剂实现对冷暖云等不同类型云系的科学、精准作业。按作业条件识别、催化、通信、集成系统等方面的能力,人工影响天气作业飞机可分为高性能作业飞机和常规作业飞机。新舟60、空中国王350类作业飞机一般称为高性能作业飞机,而类似运-12类飞机称为常规作业飞机。

我国人工影响天气飞机作业始于上世纪50年代。1958年8月8日,吉林省利用一架经改装后的苏制图-2飞机成功进行人工增雨,开启了我国现代人工影响天气事业的新纪元。经过60多年尤其是近十年的快速发展,我国飞机人工影响天气事业已形成了以国产增雨飞机为主、辅以进口机型以及增雨无人机快速发展的新格局。

随着近年来科技水平不断提高,国家级和部分省级气象部门根据业务发展需求也尝试应用不同类型无人机开展人工影响天气作业试验,并取得了一定效果,未来可有效填补现有有人飞机和地面作业体系的空白与不足,增强我国全空域、全时域、全地形的人工影响天气保障能力。

(作者:王美丽 责任编辑:闫泓)