呼风唤雨的一只“手” | 我们如何助力人工影响天气
    来源:  时间:2018/10/23

    人工影响天气(简称“人影”)是指为避免或者减轻气象灾害,合理利用气候资源,在适当条件下通过人工干预的方式对局部大气的云物理过程进行影响,实现以增雨(雪)、防雹、消雾、消云等为目标的活动。它是气象服务于防灾、减灾、保护人民生命财产安全和提高人民生活质量、合理开发利用气候资源、生态建设与保护的重要科技手段之一。目前国际上有几十个国家正在广泛的研究和实施人工影响天气计划,把它作为一项防灾减灾的重要措施。

    1、人工影响天气的发展现状

        呼风唤雨、祛灾避祸是人类长期以来梦寐以求的美好愿望,自古以来,人类不断尝试通过人工影响天气,来实现风调雨顺。早在原始社会时期,人们采用符咒、祈祷及各种宗教形式求雨。17世纪末,中国清代的《广阳杂记》就记载:“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。国外首次有科学依据的人工增雨的设想是气象经典著作《风暴原理》(1841年)的作者美国人艾斯比(Espy)在1839年提出的。他认为在潮湿空气中可用烈火产生上身气流造云致雨。
        1956年1月25日在毛泽东主席主持召开最高国务会议期间,在讨论并通过《1956年到1967年全国农业发展纲要草案》时,中央气象局涂长望局长向毛主席汇报说:“在新制定的《12年科学技术发展愿景规划》中,已将人工降雨试验列入重要项目。”毛主席听了高兴地说“人工造雨是非常重要的,希望气象工作者多努力。”毛主席这个批示既是对气象工作者的殷切期望,也是对人工影响天气研究工作的支持。从此,我国人工影响天气工作开始启动。
        国外则是从20世纪30年代起,开始了人工降雨、人工消雾试验,20世纪50年代起开始发展人工防雹技术,通过多年来的研究,人类对于自然云(雨、冰雹、雪)的微物理、动力和降水过程以及人为干预上述过程所造成的影响在认知上有了很大的提高。据世界气象组织(WMO)的统计,目前有30多个国家每年进行着100多项的人工增雨、防雹和消雾工作。
        目前国外开展人工增雨作业较多的有俄罗斯、美国、以色列、泰国等,开展人工防雹作业规模较大的有俄罗斯。国外人工增雨多采用飞机作业和地面燃烧焰剂作业的方式,主要针对地形云、对流云、层积混合云进行催化。针对不用的作业云,播撒剂采用碘化银冰核、致冷剂、吸湿性焰剂为主。观测多采用记载云粒子探测系统、含水量仪、多普勒雷达、偏振雷达、双波长天气雷达等。业务作业效果检验方法采用作业前后的雷达观测资料进行对比分析,作业区和非作业区降水量、防雹特征及灾情的对比、统计检验等方式,科学研究采用随机试验的方式。俄罗斯人工防雹主要采用火箭运载催化剂方式(高炮已停止使用),并研制了自动化识别、决策和作业实施系统。美国、法国、德国等国还采用地面自动化燃烧焰剂的方式。南非近些年来开展了使用吸湿性焰弹对对流云的随机催化试验。
        经过50余年的不懈努力,我国初步建立了有中国特色的国家-省-地-县四级人工影响天气业务体系。在业务技术方面,国家级主要提供全国人工影响天气业务技术指导,装备技术支持和跨区域作业协调;省级业务主要有业务管理,作业(飞机增雨)组织、指导、科研和技术开发;地市级业务主要有业务管理,指挥高炮、火箭作业,作业指挥系统开发;县级业务主要有组织实施高炮、火箭作业,装备管护、信息收集。
        人工影响天气业务基本形成了以下技术路线:
        ① 依托天气气候预测预报、地面和高空观测、卫星和雷达实时遥感监测、部分运用云物理特种观测技术和设备以及数值模式等为手段的作业条件监测识别方法;
        ② 以飞机、高炮、火箭和地面发生器等运载工具播撒人工冰核(碘化银)和致冷剂的作业催化手段;
        ③ 物理检验和统计检验评估相结合的作业效果评估方法。

    2、人工影响天气需解决的问题

        由于自然云雨的复杂多变,人工影响天气作业条件和催化技术方法的实时掌握以及增雨效果的客观评估仍有较大难度,人工影响天气至今仍是一项发展中的科学技术,尚存在许多关键技术问题亟待突破和解决。
        人工影响天气发展很大程度上需借鉴大气科学中的最新监测、遥感和数值模拟技术。首先应建立人工影响天气的实时监测分析系统,还应建立合理考虑不同尺度云降水过程的相互作用、云中详细微物理过程和催化过程的中尺度和云分辨模式;建立多尺度云场初始化和多种云观测资料的同化技术;建立催化作业后云微物理和中小尺度热力、动力和水汽变化响应的数值模拟分析和预测系统。结合人工影响天气监测分析和催化数值模拟预测,建立综合的大气-云-降水和人工影响天气实时监测和模拟分析预报系统。
        人工影响天气在催化对象的选择、播撒世纪和播撒部位的确定以及催化剂量的控制等诸多方面都要力求符合播云原理和当前的科学证据,方可能使作业达到预期的目的。为提高人工影响天气的成效,需开发研制新型高效的人工影响天气催化剂、催化作业工具及其优化播撒方法。充分利用卫星和雷达等地基遥感资料、常规地面和高空观测、飞机云微物理结构探测资料,结合数值模式,研究不同降水云和云系催化作业条件的判据和实时识别技术,结合不同催化剂与催化工具的性能特点,对作业时机、作业部位和催化剂量总结出相应的对策,进而研制出相应的实用处理分析软件和作业指挥系统,形成人工影响天气催化作业综合技术体系,以提高人工影响天气催化作业科技水平。
        效果检验是人工影响天气的技术难点。为使人工影响天气科学技术持续健康发展,定量的人工影响天气效果检验技术是亟待解决和不可回避的科学问题。目前我国人工影响天气的规模与投入很大,但效果评估中物理证据不足,科学基础比较薄弱。效果评估方法也是最薄弱的部分。
        目前国际上普遍接受的人工影响天气的效果评估办法是随机统计检验方法。随着对云降水的复杂性和多尺度性认识的深化以及数值模拟和观测技术的发展,物理检验在人工影响天气作业效果检验中的权重将逐步加大。物理检验因子可能包括云的参量(如液态水含量、上升气流速度、大液滴的浓度、冰晶浓度和雷达反射率)和气象参数(如温度、湿度)等。

    3、我们如何助力人工影响天气

        人工播云催化作业是基于一定的宏观降水形势下进行的。云层条件如何(云状、云顶高度、云体厚度、云内上身气流、温度、含水量和云体所处的发展阶段等),会直接影响到人工影响天气作业的效果。故基于雷达、卫星以及特种观测设备的资料处理应用、作业条件的分析与判定是人工影响天气作业的核心业务。
        雷达在人工影响天气中的应用
        地基雷达探测在人工增雨防雹中的应用主要有三个方面:首先是遥测和监视云带和降水,以了解其物理结构和特征;作为选定作业区域、作业目标、作业方法以及作业具体实施的依据;另外也是引导指挥人工增雨和防雹作业及作业效果检验的依据。
        我们可以对处理后的雷达资料进行回波移动路径分析,使地面固定作业点与机动作业相结合,选择有利天气进行有效催化,把回波资料(对流降水回波单体的水平结构、垂直结构、移向、移速、生消发展变化特征)是否具备作业条件通报各炮点,指挥协同作业。
        雷暴的发展高度与冰雹形成的概率有关,为更加及时有效地开展人工防雹作业,需要对作业区域冰雹云的特征进行识别分析与预警。冰雹云雷达回波强度图像存在一些较典型的形态特征,即:PPI上的钩状回波、指状回波、“V”形缺口。冰雹云的RHI上也表现了与其他云体不同的特点,它具备了典型的前悬回波、弱回波区和回波墙特征,是一种强烈的对流云体。同时由于这种垂直结构的气流分布特点,云内冰晶、冰雪晶的分布、散射在冰雹云回波顶部形成了“V”形缺口。它可以作为识别雹云的一个重要形态特征。雷达探测的强度、回波顶高、强回波顶高,以及冰雹云回波的纵向宽度(RHI)对人工防雹作业指挥也是很重要的识别指标。
        
    多普勒雷达探测的多普勒径向速度场是一种探测大气中云雨内部气流结构的资料,不能将其等同于回波移动速度。通过对它的识别分析,可以得到回波中的气流结构,冰雹云在雷达回波速度场中有其特殊的图像特征。
        航天宏图基于雷达资料,将图像处理技术光流法和机器学习神经网络算法结合,通过对历史数据做训练,生成最优预报模型,此套算法可以学习到雷达的时间演变特征,并进行非线性外推,可以识别出对流单体的生消合并趋势,实现了0-2小时的雷达临近外推预报;并基于雷达拼图数据研制了雷电大风识别预警和降水反演等预警预报产品。


    图 1任意经纬度连线的反射率垂直剖面

    图 2任意经纬度dbz单点查询

    图 3 京津冀区域雷达反射率36分钟预报结果与实况对比
    (整体看,在36分钟预报出了北京石家庄段对流单体的分离过程)

    卫星云图在人工影响天气中的应用
        大尺度天气尺度系统所对应的高空云系一般都具有相对稳定的云型特征。我国典型大尺度天气系统包括冷锋云系、暖锋云系、锢囚锋云系、水汽干侵入水汽型云系、温带气旋云系,我们可以利用风云四号静止气象卫星图像及其生成的各种反演产品,结合风云二号系列静止气象卫星历史数据,基于其在卫星图像上表现的特征,结合常规、数值预报资料,利用图像识别结合深度学习的技术建立符合卫星气象学和动力气象学的概念模型,实现对云状、云类以及典型大尺度天气系统云系的综合监测和解译识别,帮助预报员提高对云系、云类的识别和云图的整体认识,为人工影响天气作业潜势天气形势分析提供辅助支撑。
        卫星云图通过监测云宏观特征及其发展演变,为预报预警提供了依据。我们在利用卫星资料反演云参数方面也开展了相应的工作。目前,应用于人工影响天气作业指导的卫星资料反演云宏微观物理特征参数主要包括云顶高度、云顶温度、云体过冷层厚度、云粒子有效半径和液水路径等。
        (1) 云顶高度(Ztop):云顶相对地面的距离,单位为km。有助于了解云系的发展程度和演变趋势。
        (2) 云顶温度(Ttop):云顶所在高度的温度,单位为摄氏度(℃)。可用于进行云系播云温度窗的选择。
        (3) 云体过冷层厚度(E):0℃层到云顶之间的厚度,单位为km。可用于了解云系冷暖云垂直结构配置。
        (4) 云粒子有效半径(ref):在假设云层在垂直方向均匀的条件下,云粒子的有效半径(即云滴谱的三阶矩与二阶矩之比)单位为μm。可用于进行云中粒子大小的判断。
        (5) 液水路径(path):云体单位面积上的液水总量(柱液水量),单位g/m2或mm,1g/m2相当于10-3mm。可用于了解云中液水含量。
        在组织开展人工影响天气作业时,卫星反演云参数可以作为作业判据,也可以通过作业前后参数对比分析作业效果。


      图 4 FY-2G VISSR 2017年08月23日13时30分(北京时)云顶高度
       
        图 5 FY-2G VISSR 2017年08月23日13时30分(北京时)云粒子半径

    探空资料在人工影响天气中的应用  
        探空资料是人工影响天气作业指挥中最基本的资料之一,与雷达和微波辐射计等一起应用,可提高对云层结构,温、湿廓线测量的准确度,有利于人工影响天气作业的指挥和事后效果评估。探空资料可直接用于冷云人工催化的宏观判据。
        利用探空资料可以判断云层,定出云底和云顶,从而定出云的层次和厚度。如通过温度对数压力图(T-InP)可以利用温度露点差值、温压曲线和露压曲线、高空风在垂直方向上的变化均可以用来判断云底、云顶层结。同时,利用探空资料计算的对流参数可以用来判断强对流潜势。
        大气对流现象都是与大气的不稳定性相联系的,特别是强对流天气,它们的发生、发展一般是与不稳定能量的转化有关,对流能量的大小一定程度上也决定了对流发展的程度。合理、恰当的对流参数对于局地强对流事件的潜势预测、强度判别有一定的指示意义。
        沙氏指数、抬升指数等都是预报常用的物理参数。近年来,航天宏图气象业务中引入了许多新的物理参数,如对流有效位能CAPE、下沉对流有效位能DCAPE、相对螺旋度SREH、垂直切边和稳定度的组合指数——粗理查逊数BRN、能量螺旋度指数EHI、与下击暴流潜势有关的大风指数WINDEX、与预报风暴强度有关的风暴强度指数SSI等。对流参数估计已逐渐成为预报强天气潜势的基础。以上一些对流参数和稳定度指标可以帮助进行对流性天气的分析和预报,但是探空资料时间、空间分辨率很低,所以还需要结合卫星云图以及数值预报产品进行综合分析。


    图 6探空曲线
        
        图 7 物理量诊断(K指数)