什么样的云彩会下雨?

摘要

呼风唤雨,这是人类历来的梦想,但要把这个梦想变为现实,还必须依靠科学。大气科学是研究大气中发生的各种自然现象和循环的学科,它也是实现人类呼风唤雨梦想的科学基础

编者注:本文作者为毛节泰教授,他是中国大气科学著名专家,原中国大气物理学会会长,现任北京大学物理学院大气与海洋科学系教授、博士生导师、中国气象学会大气物理与人工影响天气委员会主任。主要从事大气辐射、云物理与气溶胶的探测与研究工作。

呼风唤雨,这是人类历来的梦想,但要把这个梦想变为现实,还必须依靠科学。大气科学是研究大气中发生的各种自然现象和循环的学科,它也是实现人类呼风唤雨梦想的科学基础。

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大气水循环是地面和大气中水物质的循环过程,它是地面清洁水的主要来源,也是驱动大气中各种运动所需能量的主要来源之一。大气水循环整体说来并不复杂,它包括蒸发过程、成云过程和成雨过程。

更详细地说,地表水是液态或固态的,它们通过蒸发过程变为气态的水汽,这就是蒸发过程,是水的第一次相变。水汽在大气中随气流运动,但在再一次相变之前它是不可能回到地面的。水汽要回到地面,必须再经过一次相变,如凝结或凝华,从气态又变成液态或固态的云滴,这就是成云过程。水汽经过第二次相变就具备回到地面的条件,但它不一定就能回到地面,因为云滴太小太轻,它飘浮在大气中掉不下来,在某些条件下它还会再一次蒸发又回到气态。为了要使云滴回到地面,它必须长大到一定大小,这一使许多小云滴合并成大的雨滴的过程就是成雨过程。自然云中云滴可以通过凝结过程或碰并过程使云滴长大,当它长大到一定尺度就可以成为降水,战胜引力掉到地面,例如直径大于200微米云滴就有可能掉到地面成为毛毛雨,直径大于500微米就会形成雨滴或各种固态降水物。

【形成降雨的条件】

从上面关于水循环过程的讨论中我们必需注意两个关键问题:一是相变; 二是其中的能量需求。

前面已经提到大气水循环中包含了2次相变过程,这是由于地表水和大气中水汽的相态是不同的,水循环过程是通过第一次相变把地表水变成气态的,再经过第二次相变过程又变成液态或固态,这才能回到地面。这一点是很重要的,因为大气中的水汽,如果它没有机会经过第二次相变过程变成液态或固态的水,它们是回不到地面的,也就是说,虽然水汽很多,但它们没有机会发生相变,那么它们就不可能形成降水。

因此只有那些有机会发生相变的水汽才会对降水有供献。从这个意义上来说,对某一地区某一时段而言,单纯水汽多少并不能决定会有多少降水,决定降水多少的是那些已经发生了第二次相变的水量,这才是降水的资源。

这些经过第二次相变后的凝结(凝华)水就构成了这一地区这一时段的最大可能降水量,这一个量很重要,它才是人工增雨潜力的基础。当然这个最大可能降水量并不能全都变成降水,因为不是所有的云粒子都会顺利长大,其中很多一部分会一直停留在空中,甚至又一次被蒸发掉。这就决定了成雨过程的效率,它反映某一地区某一时段中实际降水量与最大可能降水量之比。

第二个问题是能量,这也是我们在企图影响自然过程中必须考虑的。从上面的分析中可以看到,大气水循环的几个过程都涉及到很大的能量需求。我们必须考虑是否有能力提供这样的能量,来改变自然进程的发展?大自然的能量是十分巨大的,对此我们需要进行一些定量的估测。把每年全球人类使用的能源数作为一把尺子,把它作为1个单位(其具体数值约在1020焦尔的量级),来估测大气过程所涉及的能量。

地球大气所有的运动都是靠太阳提供的能量驱动,据大气科学估计,每年太阳提供给地球的能量约为40 000个单位,其中用于地面蒸发的能量约为10 000个单位,而在成云过程中用于抬升气块运动的能量约为100个单位。因为人类只撑握1个单位的能量,面对蒸发过程和成云过程所涉及巨大的能量,人类显然是无能为力的。

但很幸运,大气科学也发现成雨过程实际上是不涉及到能量需求的,它的效率高低主要和云中的微物理结构有关,因此我们可以适当地改变云中的微物理结构,调整它的成雨过程的效率,从而达到增雨或减雨的目的。这就是我们搞人工增雨的基础。

【什么样的云彩会下雨】

人工增雨作业是希望通过人类的干预,改变云中的微物理结构,从而提高成雨过程的效率,使地面降水量增加。为此我们需要了解在自然云中,雨滴是怎么形成的? 即在自然条件下成雨过程是怎样在进行的?

大气科学的研究指出,成云过程中形成的云滴或冰晶都很小,其直径在10微米左右,这种颗粒在具有上升气流的大气中是不可能落到地面的。要使云中的云滴长大为雨滴(直径至少为200微米,甚至1毫米)需要两个过程,一是凝结增长过程,但由于这一过程的效率随云滴直径增加越来越低,对直径大于10微米的云滴来说,就很难通过凝结实现体积的增长了;另一种是碰并增长过程,如果云中粒子的大小不同,则大粒子的下降速度会大于小粒子,因此它会追上小粒子并且和它碰撞、并合(简称“碰并”),使大粒子下降一路上的小粒子都并到这个大粒子中去,从而迅速变大,而且粒子越大它的碰并增长效率越高。自然界的降水粒子,无论是液态的雨滴还是固态的雪花、霰、冰雹主要都是通过这一过程形成的。

既然自然界有形成降水粒子的过程,为什么有的云就会下雨,而有的云就不下雨呢? 这里面的关键就在于云滴微物理结构的差异,也就是云中粒子大小分布的差异。前面关于云滴碰并增长的模型可以看到,云中要发生碰并增长,云滴一定要有不同大小,这才能发生大云滴追上并碰并小云滴的现象。如果云中粒子大小都相同,它们都以相同的速度运动,谁也追不上谁,也就谈不到让大粒子很快增大的情况,这种情况我们说云是处于胶性稳定状态,没有粒子会增大为雨滴,降水也就不可能产生。

平常我们常常可以看到云飘浮在天上,有时云层也相当厚(看起来比较暗),但就是不下雨,这种云就应当是处于胶性稳定状态。那么怎么去改变这种情况呢? 我们可以人工地在云中增加一些大滴,破坏云中的胶性稳定状态,这样就可以使云中碰并过程开始进行,很快地形成降水粒子。当然,事情也要从两个方面去思考。云中若没有大粒子,处于胶性稳定状态,降水就不易形成;但如果大粒子很多,是不是对降水的形成就一定有利呢?这也不一定。如果大粒子太多,它们都去争食那些有限的小云滴,而小粒子是有限的,结果谁也长不大,可能最后还是无法形成有效的降水。因此说为了要让处于胶性稳定状态的云体尽快产生降水,要向其中播撒适当数量的大云滴,但若大云滴太多了,反而会阻止降水的发生了,这就成为消雨了。

【如何实现人工增雨】

那么怎样向云中播撤大云滴呢?直观的想法就是直接播撤30~50微米的水滴,但其效率是很低的。目前人工增雨作业是针对云体条件,采用播撒适当数量的暖云催化剂或冷云催化剂。

对暖云,也就是温度高于零度的云,这种云全部是由液态水滴组成的,我们选用有一定尺度(直径为几微米)的吸湿性颗粒物作为暖云催化剂,让它们到云中迅速地吸收水气而形成大云滴。目前更多地是用氯化铵等无机盐甚至某些有机化合物,只要它们对水汽的吸收能力强,而且容于分散成小颗粒就可以考虑试用。

另一种是混合云,这种云比较厚,其上部的温度是低于零度的,而下部高于零度。这种云在零度线以上常常会存在过冷水滴。这是在清洁大气中可能出现的一种不稳定现象,如果一有扰动,这些过冷的水滴马上就会结成冰。如果飞机进入这种过冷水的云区就会出现飞机结冰现象;在地面,若这种由过冷水滴形成的云雾碰到一些障碍物,如电线,就是很快地在电线上冻结造成电线结冰的现象。这些都是有害的自然现象,但也正是人工增雨要利用的。大气科学研究发现,在这种具有过冷水滴的云体中,若出现几个小的冰晶,那么小冰晶就会迅速长大,而那些过冷水滴就会很快地蒸发掉,把水汽集中到这些冰晶上去,这就是贝吉龙过程(BergeronProcess)。因此对于那些具有过冷水的云,可以通过播撒成冰核使它迅速形成一批小冰晶,这些小冰晶通过贝吉龙过程很快长大,到几十微米后就可以开始通过碰并过程形成迅速长大而成为雨滴,发生降水。目前用得最多的冷云催化剂就是碘化银,还包括一些与碘化银具有类似晶格结构的复合催化剂。

这些就是当前人工增雨作业的基本思路。简而言之,人工增雨的基本思路是对于那些处于胶性稳定的云,它是因为缺少初始的大云滴,因此无法通过碰并过程形成有效的地面降水,这时我们就向云中播撒一些催化剂,促使形成一批大云滴,从而使云的成雨效率提高,增加地面的降水量。同样,对另外一些云体,由于它的大云滴的数量不足,也可以考虑补充一些大云滴,从而提高云体的成雨效率,增加地面降水量。

当然,事情也可能走向反面,即云体原来的大云滴是合适的,成雨效率已经很高了,过多地加入大云滴会去争食那些有限的小云滴,可能反而使降水效率降低,甚至出现消雨的后果。由于这种改变云中大云滴浓度的工作并不消耗很多能量,因此是人类可以考虑采用的方法。

【前路依然曲折】

那么这种做法确实是有效的吗? 回答这个问题是相当困难的。尽管上面提到的这些物理过程,如碰并过程、贝吉龙过程等,在物理学上都是正确的,我们可以用理论模式进行模拟,甚至在实验室中进行实验、测试,但要了解自然云中到底是什么情况,无论是国外还是国内,至今一直没有好的解决方案。

我们一直用各种直接或遥感探测的手段,估计云的最大可能降水量,也用飞机安装云物理观测仪器到云中进行探测,希望能了解到云中大小云滴分布的状况,并进一步估计自然云的成雨效率。但这些探测至今的效果都不甚理想,尤其是云中参数的强烈起伏,很不规律,使单次观测的结果很难具有代表性。另外,从作业计划的安排和实施而言,等飞机飞到云中观测才能了解到云的状况实在已经是太晚了,我们很希望在地面通过遥感的方法就能了解到大范围云微物理结构的特征,从而判断当前云的自然降水效率的情况,这才能决定我们应当怎么样去改变云中微物理结构,增加地面降水。这些技术都需要在今后大力开发。

就是由于我们对云的状况了解不足,使当前人工增雨的作业具有一定的盲目性。在这种情况下我们只能从最终效果这方面来评估作业的效果,这就是希望有数据能够证明通过人工增雨作业地区的降水量确实是增加了,这就认为是达到目的了。但这件事简直就是不可能完成的,因为当我们说这次作业增加了多少降水量,意味着要估算作业后的降水量比不作业时多了多少? 但因为已经做了作业,我们只能观测到作业以后的降水量,而不作业的自然云降水量就不得而知了。目前通用的办法是利用统计的方法,如目标区和对比区的统计分析或随机试验的统计分析。从统计学的要求来说,只有符合随机化试验设计的试验才有统计上的意义,但在现实条件下这种随机化试验是相当困难的,目前我们只能在某些地区开展严格的有设计的随机化试验。

本文转载自《环球科学》(《科学美国人》中文版)网站

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