人工降雨是根據(jù)不同云層的物理特性，選擇合適時機，用飛機、火箭向云中播撒干冰、碘化銀、鹽粉等催化劑，使云層降水或增加降水量，以解除或緩解農(nóng)田干旱、增加水庫灌溉水量或供水能力，或增加發(fā)電水量等。中國最早的人工降雨試驗是在1958年，吉林省夏季遭受到60年未遇的大旱，人工降雨獲得了成功。

人工降雨的原理_人工降雨 -發(fā)展歷程

當時，在人們中流行著一種觀點：雨點是以塵埃的微粒為“冰晶”，若要下雨，空氣中除有水蒸氣外還必須有塵埃微粒。這種流行觀點嚴重地束縛著人們對人工降雨的實驗與研究。朗繆爾通過實驗告訴人們：塵埃對降雨并非絕對必要，干冰具有獨特的凝聚水汽的作用，即相當于云中的冰晶或冰核。溫度降低也是使水蒸氣變?yōu)橛甑闹匾蛩刂弧Ｋ趯嶒炛胁粩嗾{(diào)整加入干冰的量和改變溫度，發(fā)現(xiàn)只要溫度降到零下40℃以下，人工降雨就有成功的可能。朗繆爾發(fā)明的干冰布云法是人工降雨研究中的一個突破性的發(fā)現(xiàn)，它擺脫了舊觀念的束縛。之后，朗繆爾決心將干冰布云法實施于人工降雨的實踐。

1946年，已經(jīng)66歲的朗繆爾像年輕人一樣燃燒著探索自然奧秘的熱情。七月的一天，在朗繆爾的指揮下，一架飛機騰空而起飛行在云海上空。試驗人員將207千克干冰撒入云海，30分鐘以后，狂風驟起，傾盆大雨灑向大地。第一次人工降雨試驗獲得成功。朗繆爾開創(chuàng)了人工降雨的新時代。

人工降雨的原理_人工降雨 -科學原理

云是由水汽凝結(jié)而成；而云的厚度以及高度通常由云中水汽含量的多寡以及凝結(jié)核的數(shù)量、云內(nèi)的溫度所決定。一般來說，云中的水汽膠性狀態(tài)比較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生降水，而人工增雨就是要破壞這種膠性穩(wěn)定狀態(tài)。

通常的人工降雨就是通過一定的手段在云霧厚度比較大的中低云系中播散催化劑（碘化銀）從而達到降雨目的。一是增加云中的凝結(jié)核數(shù)量，有利水汽粒子的碰并增大；二是改變云中的溫度，有利擾動并產(chǎn)生對流。而云中的擾動及對流的產(chǎn)生，將更加有利于水汽的碰并增大，當空氣中的上升氣流承受不住水汽粒子的飄浮時，便產(chǎn)生了降雨。

世界上許多國家普遍使用碘化銀做人工降雨的催化劑。中國采用干冰和碘化銀穿插使用的辦法。干冰是由人工降雨飛機的艙底“漏斗”灑向云層的。碘化銀做催化劑時，可用火箭把碘化銀焰彈發(fā)射上去。分析表明，如果向一塊云層中射入碘化銀微粒，并收集隨之產(chǎn)生的降雨，這些雨水如由一人飲用的話，他所吸收的碘量與吃一個加鹽的雞蛋所吸收的碘量基本相等。若用干冰做催化劑（即固體二氧化碳），那就更不會影響環(huán)境了，因為空氣中本來就有二氧化碳。

碘化銀在人工降雨中所起的作用在氣象學上稱作冷云催化。碘化銀只要受熱后就會在空氣中形成極多極細（只有頭發(fā)直徑的百分之一到千分之一）的碘化銀粒子。

1g碘化銀可以形成幾十萬億個微粒。這些微粒會隨氣流運動進入云中，在冷云中產(chǎn)生幾萬億到上百億個冰晶。因此，用碘化銀催化降雨不需飛機，設(shè)備簡單、用量很少，費用低廉，可以大面積推廣。除了人工降水（雨、雪）外，碘化銀還可以用于人工消云霧、消閃電、削弱臺風、抑制冰雹等。

人工降雨的原理_人工降雨 -人工影響降雨

中緯度地區(qū)冬季經(jīng)常出現(xiàn)大范圍的過冷卻層狀云，但很少降水。夏季也經(jīng)常出現(xiàn)云頂高于0℃層高度的積狀云，其中能產(chǎn)生降水的也為數(shù)不多。根據(jù)貝吉龍學說，這種云之所以沒有降水，主要是云內(nèi)缺乏冰晶，云滴得不到增長。影響冷云降水的基本原理是設(shè)法破壞云的物態(tài)結(jié)構(gòu)，也就是在云內(nèi)制造適量的冰晶，使其產(chǎn)生冰晶效應(yīng)，使水滴蒸發(fā)，冰晶增長。當冰晶長大到一定尺度后，發(fā)生沉降，沿途由于凝華和沖并增長而變成大的降水質(zhì)點下降，這就是所謂冷云的“靜力催化”。60年代又提出了“動力催化”試驗，其依據(jù)是：在云體的過冷卻（-10℃）部分，大量而迅速地引入人工冰核。當冰核轉(zhuǎn)化成冰晶時，要釋放大量潛熱，使云內(nèi)溫度升高，形成或增大上升氣流，促使云體在垂直和水平方向迅速發(fā)展，相應(yīng)延長云的生命期，加速云內(nèi)降水形成過程，從而增加降水量。靜力催化與動力催化都是從影響云的微物理結(jié)構(gòu)著手，所不同的是靜力催化著眼于云內(nèi)水的相態(tài)不穩(wěn)定性，動力催化立足于影響或加強云內(nèi)的熱力不穩(wěn)定。

在云內(nèi)人工產(chǎn)生冰晶的方法有二種，一種是在云中投入冷凍劑，如干冰（即固體二氧化碳），在1013hPa下，其升華溫度為-79℃。將干冰投入過冷卻云中后，在它的周圍薄層內(nèi)便形成一個冷區(qū)，在此冷區(qū)內(nèi)，過飽和度很大，因此水汽分子結(jié)合物能夠存在和長大。試驗表明，當溫度低于-40℃時，即有自生冰晶。因此，在干冰周圍形成了大量的冰晶胚胎，其中較大的冰晶經(jīng)過湍流擴散到四周空間，以后繼續(xù)成長為更大的降水質(zhì)點而下落。在不同溫度下，干冰所產(chǎn)生的冰晶數(shù)是不同的。理論計算指出，一克干冰所產(chǎn)生的冰晶數(shù)是隨氣溫的降低而增加的。溫度從-1℃降至-20℃時，所產(chǎn)生的冰晶數(shù)從5.55×1011個增到1.22×1014個，它比實驗值要大些。按實驗室測定，當云溫為-2―-15℃時每克干冰可產(chǎn)生8×1011個冰晶。

另一種方法是引入人工冰核（凝華核或凍結(jié)核）。人們認為碘化銀是一種非常有效的冷云催化劑。碘化銀具有三種結(jié)晶形狀，其中六方晶形與冰晶的結(jié)構(gòu)相似，能起冰核作用，適用于-4―-15℃的冷云催化。每克碘化銀所能產(chǎn)生的冰晶數(shù)視溫度而定，溫度低，有效冰核數(shù)目多，產(chǎn)生的冰晶數(shù)也多。例如當溫度t=-10℃時，一克碘化銀能產(chǎn)生1010―1012個冰核，當t=-20℃時則能產(chǎn)生1016個冰核。

對碘化銀成冰作用的機制，多年來爭論很大，有人認為水汽分子直接在AgI質(zhì)點上凝華形成冰晶，碘化銀起凝華核的作用。也有人認為碘化銀起凍結(jié)核作用，一開始碘化銀質(zhì)點作為凝結(jié)核形成水滴，然后再凍結(jié)產(chǎn)生冰晶。另外也有人認為碘化銀起接觸核的作用，也就是碘化銀質(zhì)點與過冷水滴互相碰撞后凍結(jié)而形成冰晶。有的云霧工作者又提出這樣的看法：自然界中的水汽過飽和度一般是小于1％的，當溫度低于-12℃時，碘化銀質(zhì)點的成冰機制主要是凝華作用。當溫度在-12―-5℃時，主要是起先凝結(jié)后凍結(jié)的作用。當溫度等于-5℃時，起接觸核的作用比較明顯。

（二）人工影響曖云降水
整個云體溫度高于0℃的云稱為暖云。中國南方夏季的濃積云、層積云多屬于這種云。在暖云中，膠性穩(wěn)定狀態(tài)的維持往往是由于云中缺乏大水滴，滴譜較窄，沖并作用不易進行之故。暖云內(nèi)不可能有冰晶效應(yīng)，促使降水形成起決定性作用的是水滴大小不均勻和沖并過程。因此，要人工影響暖云降水可以引入吸濕性核（如食鹽）。由于其能在低飽和度下凝結(jié)增長，故可在短時間內(nèi)形成數(shù)十微米以上的大滴。也可直接引入30―40μm的大水滴，從而拓寬滴譜，加速沖并增長的過程，達到降水的目的。或引入表面活性物質(zhì)（能顯著減小水滴表面張力又可抑制蒸發(fā)的物質(zhì)），改變水滴的表面張力狀態(tài)，以利于形成大水滴并促使其破碎，加速鏈鎖反應(yīng)，從而形成降水。

中國南方大量的野外試驗中，發(fā)現(xiàn)在暖性對流云頂播撒大顆粒（直徑大于100μm）、大劑量（每千米幾十千克）的鹽粉，效果很顯著。對于發(fā)展快、垂直厚度大、含水量豐富而又有上升氣流的暖性對流云進行反復催化，可以得到大量降水。但是這種方法消耗食鹽量大，效率低。要求飛機有較大的載量。

在美國、澳大利亞和中國都曾對暖云作過播散大水滴的試驗，用飛機從云頂或云下部撒水。發(fā)現(xiàn)能使暖云降水有所發(fā)展，并可使薄云消散。用這種方法要求飛機有較大的載量，其效能也不如播散吸濕性物質(zhì)。

人工降雨的原理_人工降雨 -設(shè)備選型

在試驗中應(yīng)用的人工降雨裝置有側(cè)噴式、下噴式、擺動式等。這些裝置一般只有100m2左右的降雨面積。實體模型的水平面積將在10000m2以上。對于在大范圍進行人工降雨試驗應(yīng)當選用何種降雨裝置，也是一個關(guān)鍵問題，它涉及未來試驗研究的開展。

根據(jù)實體模型建設(shè)和試驗研究的需要，人工降雨裝置必須符合以下要求：
1、裝置的降雨均勻性好，能夠滿足試驗；
2、裝置可以模擬降雨強度的空間和時間變化，并可模擬黃土高原的高強度降雨過程；
3、裝置的可擴展性好（易組合，易移動）；
4、裝置便于自動化控制；
5、裝置的可靠性高，便于維護；
6、造價較低；
7、便于與正在建設(shè)的比尺模型降雨裝置協(xié)調(diào)和協(xié)同試驗，使試驗數(shù)據(jù)有可比性。

通過分析比較，選擇下噴式人工降雨裝置，該裝置可以同時滿足以上7項要求。
1、該裝置的降雨均勻性系數(shù)大于85%，具有較高的降雨穩(wěn)定性，可重復性好。生成的雨滴特性與天然降雨雨滴特性具有較高的相似性。
2、可生成的降雨強度范圍為30mm-240mm/h?？梢阅M實現(xiàn)天然降雨條件下的連續(xù)變雨強降雨過程。試驗開始時刻，裝置的雨滴生成速度快，試驗結(jié)束時刻，噴頭噴水迅速停止，基本不存在噴頭滴水現(xiàn)象；雨強轉(zhuǎn)換速度快。
3、該裝置由孔徑大小不同的，獨立的噴頭組成，每個模擬降雨單元裝置由16個噴頭組成，可以根據(jù)需要任意擴展。經(jīng)過裝置的輕量化改進后，可以從一個地點移動到另一個地點。
4、該裝置的噴頭采用電磁閥，可以實現(xiàn)計算機遠程自動控制，操作系統(tǒng)采用WINDOWS2000。
5、該裝置在運行過程中，只要供電正常，水質(zhì)清潔，可以保證試驗研究的持續(xù)進行，具有較高的可靠性。日常維護主要是清潔水池、防止噴頭堵塞。
6、該裝置造價較低，安裝的裝置（含自動控制系統(tǒng)），平均每m2降雨面積造價3300元，隨著降雨面積（規(guī)模）的擴大，單位降雨面積造價將大幅度降低?？疾鞌[動式降雨裝置，每m2降雨面積造價高達7000多元。
7、模型黃土高原比尺模型建設(shè)的降雨裝置也采用該類型裝置，系統(tǒng)相同，可以在今后的試驗研究中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同試驗。

在小流域?qū)嵤┤斯そ涤?，需要進一步對降雨裝置進行深化研制。初步考慮有三種備選方案：一是地面鋪設(shè)式。即將采用的下噴式人工降雨裝置在距離地面10m的高度內(nèi)鋪設(shè)。相當于裝置的機械擴展。該方案優(yōu)點是裝置在技術(shù)上較成熟，不需要再進行率定；缺點是小流域地面高低不平，架設(shè)存在一定難度，同時裝置對地面干擾較大，影響試驗觀測。二是高空懸掛式。在小流域兩側(cè)的山梁上架設(shè)鋼索，將降雨噴頭懸掛其上。該裝置的最小高度要滿足兩側(cè)山梁頂部的降雨要求。該方案的優(yōu)點是將已有裝置機械高移，可以直接建設(shè)，裝置對地面沒有干擾，缺點是架設(shè)難度較大，且高空水分蒸發(fā)損失較大，需要重新率定。三是高空噴射式。在兩側(cè)山梁上架設(shè)不同口徑、不同壓力的高壓噴頭，相對均勻噴灑，實現(xiàn)降雨要求。該方案的優(yōu)點是架設(shè)相對簡單，但裝置沒有先例，需要從頭研制，且高空噴灑水分蒸發(fā)量大。

人工降雨的原理_人工降雨 -實施條件

人工降雨是要有充分的條件的。一般自然降水的產(chǎn)生，不僅需要一定的宏觀天氣條件，還需要滿足云中的微物理條件，比如：0℃以上的暖云中要有大水滴；0℃以下的冷云中要有冰晶，沒有這個條件，天氣形勢再好，云層條件再好，也不會下雨。

然而，在自然的情況下，這種微物理條件有時就不具備；有時雖然具備但又不夠充分。前者根本不會產(chǎn)生降水；后者則降雨很少。此時，如果人工向云中播撒人工冰核，使云中產(chǎn)生凝結(jié)或凝華的冰水轉(zhuǎn)化過程，再借助水滴的自然碰并過程，就能使降雨產(chǎn)生或使雨量加大。催化劑在云中起的作用，打個不太確切的比方說，就好像是鹽鹵點豆腐，使本來不會產(chǎn)生的降水得以產(chǎn)生，已經(jīng)產(chǎn)生的降水強度增大。

人工降雨的原理_人工降雨 -對人無害

人工降雨的原理是讓積雨云中的水滴體積變大掉落下來，高炮人工降雨就是將含有碘化銀的炮彈打入有大量積雨云的4000至5000米高空，碘化銀在高空擴散，成為云中水滴的凝聚核，水滴在其周圍迅速凝聚達到一定體積后降落。碘化銀由炮彈輸送到高空，就會擴散為肉眼都難以分辨的小顆粒。

和巨量的水滴相比，升上高空的碘化銀只是滄海一粟，太多了不僅不會增雨反而會把積雨云“嚇跑”，所以，在如此懸殊的情況下，人們絕不會感覺到碘化銀的存在。

此外，炮彈彈片在高空爆炸后會化成不足30克，甚至只有兩三克的碎屑降落地面，其所落區(qū)域都是在此之前實驗和測算好了的無人區(qū)，不會對人體造成傷害，同時，人工降雨已有一段歷史，技術(shù)較為成熟，所以對人工降雨人們不必心存疑慮。

運用云和降水物理學原理，通過向云中撒播催化劑（鹽粉、干冰或碘化銀等），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水。又稱人工增加降水。其原理是通過撒播催化劑，影響云的微物理過程，使在一定條件下本來不能自然降水的云，受激發(fā)而產(chǎn)生降水；也可使本來能自然降水的云，提高降水效率，增加降水量。撒播催化劑的方法有飛機在云中撒播、高射炮或火箭將碘化銀炮彈射入云中爆炸和地面燃燒碘化銀焰劑等。

人工降雨的原理_人工降雨 -常見的人工降雨劑

干冰

碘化銀

人工降雨的原理_人工降雨 -費用昂貴

目前人工增雨主要有兩種方法。一種是用飛機把干冰等冷卻劑撒播到云中，使云內(nèi)溫度顯著下降，細小的水滴冰晶迅速增多加大，迫使它下降形成降水。而另一種是利用火箭、炮彈把化學藥劑打向高空，轟擊云層產(chǎn)生強大的沖擊波，使云滴與云滴發(fā)生碰撞，合并增大成雨滴降落下來。

兩種增雨方式成本不一樣，選擇火箭炮轟擊主要從節(jié)約成本出發(fā)，因為一次飛機播撒成本高達幾百萬元。

上海首次施行人工增雨的初步預(yù)算中寫道，實施一次人工增雨需要470萬元，其中僅僅直接作用于云層的催化劑一次就需要40萬元。當然這份等待批準的預(yù)算中不僅有飛機租用費、播撒設(shè)備等硬件費用，還包括地面監(jiān)測費用、人力資源費用等幾十項。

人工增雨所用的火箭彈一枚的價值在4000元左右，用于使用的人工增雨火箭發(fā)射架價值在20萬元左右?；鸺龔棇儆谲娀?，從運輸費、押送費、保管費、發(fā)射費等都是一筆不小的開支。還有那么多工作人員背后默默地付出不能不算，每次都要發(fā)射探空氣球，而且還要對數(shù)據(jù)進行分析處理，這些間接投入不好算，也算不清。

另據(jù)江蘇省一份《人工影響天氣作業(yè)表》顯示，2000年到2004年，全省共發(fā)射增雨火箭872枚，增雨17.5億立方米。其中2004年已發(fā)射106枚，增雨1.1億立方米。而人工增雨還需要GPS定位系統(tǒng)等多種設(shè)備及其他費用，所以成本比較昂貴，但投入產(chǎn)出比還是比較劃算的 。

根據(jù)世界公認的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，人工增雨投入產(chǎn)出比普遍都在1∶5以上，比較高的地區(qū)能達到1∶30。

而且無論是緩解電荒，或是除旱減災(zāi)，人工增雨對經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益是顯而易見的。

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