人工增雨开发空中水资源以缓解赤峰地区水资源匮乏的探讨

第２Ｏ期总第１５０期　２００７年１Ｏ月　内蒙古科技与经济　ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｏｏｎｏｍｙ　Ｎｏ．２０，ｔｈｅ　１５０ｔｈ　ｉｓｓｕｅ　Ｏｃｔ．２００７　人工增雨开发空中水资源以缓解赤峰地区水资源匮乏的探讨　于建华，包云辉　（内蒙古赤峰市气象局，内蒙古赤峰０２４０００）　摘　要：本文通过论述人工增雨的科学性，国内外一些实践证明的有效性及在赤峰市干旱和半干旱　地区人工增雨的可行性和关键点，提出了实施人工增雨是缓解赤峰地区水资源匮乏的一个重要的补充　方式，以此希望能推动此项工作的开展，为缓和干旱做一些贡献。　关键词：人工增雨；空中水资源　中图分类号：Ｓ４２３　９（２２６）　文献标识码：Ａ　人工影响天气是一门有广泛应用前景的应用科　学，是在人类与灾害性天气作斗争中发生、发展起来　的，它不仅已经在增雨、防雹等方面发挥了积极作　用，而且随着这门学科的不断发展，在消雾、防霜、影　响雷电、降雨的重新分布、削弱台风和暴雨等方面，　都有很大的应用潜力。长期实践结果告诉我们，人　工影响天气是一种有效的、高科技的、投入产出比很　高的防灾减灾手段，应尽可能地发挥其应有的效益。　１人工增雨历史　文章编号：１００７－－－６９２１（２００７）２０—００４３—０３　对于温度高于０１３的暖云，其降水机制不同于　冷云。早在１９３８年，美国的亨利・Ｇ－霍顿（Ｈｅｎｒｙ・Ｇ　Ｈｏｕｇｈｔｏｎ）首先提出雨滴可以通过云滴的碰并形　成，１９４８年，美国学者朗格谬尔（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）根据水　滴重力碰并和在下落中的变形、破碎现象，进一步提　出了暖云通过重力碰并增长和雨滴破碎连锁反应作　用的机制，为暖云降水建立了物理基础。同年美国　有人用水撒播暖积状云，有两块云下了雨。　６０年代美国提出“动力催化”原理，并开展外场　试验，其原理是在对流云的过冷部５－＞（一４℃～　８℃）引进１００～１　０００个／ｌ的碘化银成冰核，促使　过冷云迅速冰晶化，释放出大量潜热增加浮力，加速　云中垂直气流的发展，相应的延长了云体的寿命，达　到增加降水的目的。　目前，全世界有几十个国家都在开展人工影响　天气工作，美国、以色列、南非等国的人工影响天气　技术处于世界领先水平。５０年代我国在毛泽东主　席的关心和指示下，经过认真的准备工作。于１９５８　年开始人工增雨试验，拉开了人工增雨防雹工作的　序幕。　２解决在目前气候条件下水资源匮乏应有多种途　・一在人类对自然规律尚认识不清，处于蒙昧状态　的时期，人们就已经采用敲鼓震云等方法来进行求　雨、驱雨、驱雹等，与灾害性天气进行了长期的斗争，　但是，作为一门科学来研究，在世界范围内也不过一　百多年的历史。　１８３９年，美国的詹姆斯・Ｐ・埃斯皮（Ｊａｍｅｓ・Ｐ・　Ｅｓｐｙ）提出了第一个有科学根据的人工降雨建议，他　认为，可以用生大火的办法产生上升气流，在潮湿的　大气中，上升气流促使积云发展，导致降雨，但这种　想法的野外试验没有文献记载。　１９３０年，荷兰人范拉特（Ｖｅｒａａｒｔ）用干冰作播撒　剂进行了一次大规模的人工降水试验，获得了成功。　１９３３年瑞典科学家贝吉龙（Ｂｅｒｇｅｒｏｎ）明确地提出冷　云降水的冰水转化理论，１９３９年德国的芬德生　（Ｆｉｎｄ２ｅｌｓｅｎ）完善了这一理论后才奠定了现代人工　影响冷云的理论基础。　１９４６年，美国科学家谢弗尔（Ｓｃｈａｅｆｅｒ）从一架　小型飞机的座舱里，在一块过冷层云上部播撒了约　１．３６ｋｇ干冰，实施了人类首次对过冷云进行科学的　催化试验。播撒干冰后５ｍｉｎ内，几乎整４－云都变成　了雪，并形成雪幡降落约６００ｍ后升华消失。在谢　弗尔取得重大突破的同时，英国科学家冯内古特　（Ｖｏｎｎｅｇｕｔ）另辟蹊径，他把注意力放在冰的成核作　用上来，试图开辟另一条寻找有效人工冰核的渠道。　通过大量的实验，终于找到了有效的成冰核物质　碘４Ｌ银，它只要在零下几度就有效。　碘化银能使过冷云冰晶化的重大发现，为人工　影响冷云降水提供了有效的催化剂，奠定了试验研　究和作业的物质基础，至今为止，干冰和碘化银仍然　是公认的人工影响冷云的最有效的催化剂。　——径　２．１水利工程　赤峰市具有丰富的山地和地下水资源。但这方　面的开发存在着补充水周期长的问题。对于赤峰市　的水资源时空分布不均的问题，通过适当兴修水利　工程对于荒漠严重的地区是十分必要的，另外也可　以利用水利工程，在汛期多蓄水，甚至搞家庭式的蓄　水窖等等，都有利于在一定范围内缓解水资源缺乏　的问题。　２．２搞好生态环境建设，保护赤峰市水资源　党中央和国务院提出的“退耕（牧）还林（草）、封　山育林”政策是调整人与自然争水争地，改善生态环　境的重大战略措施。要根据当地的气候和水资源条　件，宜林则林，宜草则草，宜荒则荒，科学规划，保护　好现有山林和草地。根据赤峰市的气候特点，实行　乔、灌、草相结合，以灌、草为主。同时，针对赤峰市　范围广，自然和社会条件各自不同的特点，对不同地　区采取不同的开发利用办法，杜绝污染，保护水源，　收稿日期：２００７一Ｏ５一ｌ９　作者简介：于建华（１９５４一），女，辽宁大学函授，现从事人工影响天气工作。　・４３・　维普资讯 http://www.cqvip.com 总第１５０期　规划与建立水源保护区也是保护水资源的另一重要　措施。　２．３节水措施、合理利用　内蒙古科技与经济　高或根本无降水，是因为自然云中缺乏足够的冰晶，　通过播撒干冰或碘化银的人工引晶技术可弥补冷云　中自然冰晶不足，促使降水过程得以有效发动和进　行，进而达到增雨目的。动力催化理论则假设，若在　孤立积云的过冷却部位大量播撒冷云催化剂，可使　过冷云水迅速冰晶化，释放冻结潜热，使云的浮力增　大，并随空气加速上升，云体增高变大，使云的生命　期更持久，从而可预期更多的降雨。此外，对积云群　体实施过量播撒，还可促使云体合并，有可能大大增　加区域降雨量。此外，该理论还认为，动力催化降雨　的同时，也将增强降水引起的冷湿气流下沉，从而激　节水不仅仅保护水源，杜绝浪费，它还减少排放　意味着环保。①赤峰地区水资源相对偏少，必须防　止工农业、城市生活用水的增长过快和用水的不合　理；②在经济中要全面规划节水，建立节水型社会　（包括农业和城市的节水）；③节水措施多种多样，不　仅包括水的回收、处理，还包括可能利用而未被利用　水的开发等等。　２．４利用空中水资源进行人工增雨（雪）也是一个　重要补充途径　地球上的淡水资源由地表水、地下水和空中水　三个部分组成。空中水资源（也称大气水资源）通常　是指大气中的水汽及其派生的液态水和固态水的总　和。常见的天气现象如云、雾、雨、雪、霜等是空中水　资源的存在形式。降雨和降雪合称大气降水，简称　降水，是大气中的水汽向地表输送的主要方式和途　径，也是陆地水资源最活跃、最易变、最值得关注的　环节。大气降水是地表水和地下水的最终补给来　源，在全球水循环和淡水资源演化中具有举足轻重　的作用。一个地方所得到的大气降水与流经本地上　空的水汽有关，而当其他条件具备时，形成降水的物　理过程也有一种效率问题，其中提高水汽对降水的　转换率，增加降水量，人工增雨就是基本途径之一。　赤峰地区空中水汽转化为地面降水的直接转化　率为２１．３％，下降到地面的降水有７１．３％又蒸发进　入大气，而后者仅１５％再形成地面降水成为内循环　降水，因而赤峰地区仅能截留空中水汽的２３．７％，　接近全国平均转化率３４％的６９．７％，说明还有潜力　可以增雨。在现代科学技术的指导下，有效地开发　和调控空中水资源，以补充地表水及地下水的严重　不足，实现水资源的可持续利用，是可能解决区域水　资源严重紧缺问题的重要方法。人工增雨（雪）是开　发空中水资源的重要手段之一，在干旱的赤峰地区　实施人工增雨（雪）是缓解赤峰市水资源匮乏的重要　补充途径。　３人工增雨（雪）是有科学依据的。是可行的　３．１人工增雨（雪）是有科学基础的　我们所说的空中水资源，它包括了水汽资源和　云水资源。水汽的数量最大，但它不能直接利用，必　须通过上升冷却，过饱和部分才能凝结成云，一般情　况下云中只有一部分水量能转化为降水，落到地面　成为可用水资源。对于温度低于０℃的冷云中常含　有液态过冷水滴，它们主要通过凝结和碰并机制增　长，比较缓慢，其中大量过冷云水不能及时变成降水　而最终会蒸发掉，致使云的降水效率很低。这种不　能及时变为降水的过冷水可看成是自然云中一种无　法泄出的空中水库，这就是“云水资源”。　开发空中水资源，目前主要是通过人工增雨手　段使空中更多的水汽和云转化为降水。其基本理论　和方法是利用自然界云雨过程中存在的相态不稳定　或胶性不稳定平衡状态，向云中播撒合适的催化剂　改变云的结构，进而影响云的微物理过程和热力、动　力结构，促使大雨滴或冰晶的生成，使更多的云水转　化为雨水，或者在一定范围内促进大气的上升运动。　使云体增大，使本来不能降水的云产生降水，或使能　降水的自然云提高降水效率而增加降水量。　人工增雨的原理有静力催化和动力催化两个方　面。静力催化的理论认为，冷云降水是由冰晶过程　开始的，并通过“冰——水”转化的“贝吉龙”过程及　随后的凇附或碰并过程完成。有些云的降水效率不　・４４・　发出新的对流单体，进而延长云降水系统的生命期，　增加总降水量。　世界气象组织（ＷＭＯ）关于人工影响天气现状　的声明（２００１年）指出：“根据目前所掌握的知识，我　们认为，对气流流经高山上空形成的云撒播成冰剂　是最具有前景的，而且是经济可行的增加降水方式。　这种类型的人工影响天气作业极具吸引力，因为从　水资源管理方面来说，它们大有潜力，也就是可以将　水储存在水库或高海拔地区的冰雪积累区。统计证　据表明，在一定条件下，现有的技术能够增加过冷却　地形云产生的降水。对一些长期试验项目提供的地　面降水记录进行统计分析后表明，降水确有季节性　增加”。这个声明有力地支持了在赤峰市实施人工　增雨开发空中水资源的设想，不但科学依据充分，且　条件十分有利。　３．２国内外的实践证明是行之有效的　人工增雨的科学基础已被大量室内实验、数值　试验研究和外场试验所证实。实践证明，人工增雨　不仅理论依据充分，也是行之有效的。据世界气象　组织的统计资料表明，目前有３０多个国家进行着　１００多项人工增雨工作。美、俄、以色列等国在对当　地云降水的科学认识、人工影响天气的科学概念模　型、作业的监测催化仪器装备以及作业设计和效果　检验等方面处于世界前列。以色列经过２０年的研　究试验确认了增雨效果，现在其北部约５　０００ｋｍ２的　地区建立了人工增雨业务，日雨量平均增加６％～　１５％，每年增加水资源量为８　０００万ｍ３，折合每ｍ３　水的成本为２．５美分，投入产出比为１：６．５。在美　国西部山地，人工增水作为业务手段用于增加蓄水　发电和灌溉已有几十年历史，增雨量为１０％以上。　这些项目大都利用云水条件好的季节作业，增加的　降水再利用水库水渠等水利设施的调蓄输运，较好　地开发了空中水资源。我国从１９５８年开始，在抗旱　减灾的强烈需求推动下，进行了大量的人工影响天　气作业，取得了很大成绩，在技术上积累了很多经　验，作业规模也处于国际前列，在科学技术上也有了　显著进步。　党中央和国务院领导对人工影响天气开发利用　空中水资源工作十分重视，２００４年４月３０日～５月　１２日，胡锦涛总书记、温家宝总理以及曾培炎、回良　玉副总理都相继做出重要批示，温总理指出：“我国　干旱少雨，人工影响天气的工作很重要。搞好这项　工作关键在完善机制，提高效益”。显然对于干旱的　北方地区，开展这项工作尤为重要。　４开展科学规模作业进行机理研究是做好此项工　作的关键　４．１开展赤峰空中水资源的时空分布和变化规律　的研究　目前，对赤峰空中水资源的时空分布和变化规　律还缺乏全面系统的认识。尽管对大气水汽含量、　总云量以及大气降水等分布和变化特征有一定研　维普资讯 http://www.cqvip.com

于建华，等・人工增雨开发空中水资源以缓解赤峰地区水资源匮乏的探讨　究，但并不系统和深入，有许多重大的科学问题还没　有开展研究，或者还没有很好了解。例如，对大气中　云水的高空间分辨率分布特征还缺乏了解，对大气　水汽、云量和降水在各种时间尺度上的变化规律了　解得还很少，对其变化的机理或成因更缺乏足够的　认识。因此，必须全面深入地研究和掌握我国空中　水资源的时空分布特征和变化规律，研究赤峰地区　大气水汽、蒸发和降水的高分辨率区域分布特征和　时间演化规律，预估未来２０～５０年赤峰地区大气水　资源的变化特点和趋势，为科学合理地规划开发大　２００７年第２０期　上，针对赤峰地区催化对象以冷云和混合云为主。　合理应用冷云催化剂，吸湿性焰弹等暖云催化剂，综　合采用飞机、火箭和高炮，按其作业有效射程和赤峰　当地地形云况特点布设成网，保证能够对影响目标　区的所有云体实施及时有效的催化，建立先进高效　的催化系统，形成人工增雨的催化作业综合技术体　系，科学合理高效地开发空中水资源，以期更加有效　地开展人工增雨缓解赤峰水资源匮乏。　５赤峰市人工增雨情况介绍　赤峰市自１９８８年开展人工增雨以来，经过近　气水资源提供必要的科学依据。　４．２　开展空中水资源的转化机理和开发利用潜力　的研究　大气中的水汽、云和降水在一定的条件下可互　相转化。对大气的动力和热力过程和云中的微物理　过程必须深入进行研究，探索水汽和云水向降水转　化的条件和规律。不同地区、不同大气条件下的大　气水资源的转化机制大不相同，只有彻底了解赤峰　地区空中水资源的转化机制，才能有效地开发利用　空中水资源，补充地面水和地下水，直接为抗旱减灾　和国民经济服务。自然条件下的水汽和云水部分地　转化为降水，存在一个降水效率问题，对不同云条件　和天气过程中的降水效率问题的研究非常必要。对　降水效率较高的云，自然条件就能促使较多的云水　转化为降水落到地面，无需人工开发，或者说人工开　发潜力不大；对降水效率较低的云，通过人工催化的　方法可提高云的降水效率，或者说人工开发潜力较　大。必须深入研究赤峰不同地区、不同大气过程和　云条件下的空中水资源开发利用潜力问题，做到有　的放矢、事半功倍。　４．３　开展空中水资源监测技术的研究　只有提高综合监测能力，才能准确掌握赤峰空　中水资源的静态和动态状况。因此，必须加强空中　水资源的综合监测技术研究，包括：卫星遥感、雷达　遥感、飞机探测等现代探测技术，在探测水汽、云、降　水等宏、微观特征及其时空分布和变化等方面更多　的应用研究。特别是应用卫星和地基遥感、飞机观　测以及常规气象观测相结合的方法，深入、准确、全　面了解赤峰地区水汽输送特征，地形云与降水宏、微　观结构空间分布及其变化规律和机制，对赤峰地区　地形云人工增雨潜力做出科学的评估，并研究设计　出能够长期、稳定地对地形云进行人工增雨催化作　业的技术方案。　４．４实施科学规模化作业　长期以来，东北地区人工影响天气主要以地区　为单位组织作业，缺乏对跨区域天气系统有设计的　联合探测和作业，对建立东北地区不同天气系统完　整的人工增雨模型、科学合理开发ｚｋ资源十分不利。　急需联合相关省区，建立稳定的、有科学设计的区域　外场试验和业务应用示范基地，这样不仅对突破赤　峰地区人工影响天气关键技术难题有重要作用，而　且对捕获赤峰地区主要天气过程实施科学作业，产　生规模化效益更具特别重要的意义。实现科学规模　化作业需加强系统开发和建设。　４．５科学的外场试验方案设计及高效催化系统　科学地设计外场作业方案，是取得人工影响天　气作业最佳效果的关键。外场试验作业的方案设　计，包括监测设备和催化装备的配置布点、作业流程　规则、人员组织等都是人工增雨技术的重要组成部　分，直接影响到作业的总体科学水平和效果、效益。　必须针对人工增雨外场试验进行有目的、有预估、有　比较、有检验的监测和作业方案设计。在上述基础　２０年广大人工影响天气工作者的努力，全市人工影　响天气作业规模不断扩大，作业条件不断改善，科技　水平不断提高。现赤峰市租用人工增雨作业飞机一　架，机上装有地空通讯指挥系统、ＧＰＳ定位系统、温　湿探头、碘化银燃烧炉作业系统、燃烧烟条作业系　统、液态二氧化碳作业系统；新型火箭发射架２２部，　作业车２０台，全部装有ＧＰＳ监控指挥系统；“三七”　高炮２１５　ｆ－ｊ；现有作业人员７００多人。　赤峰市人工增雨工作主要集中在以下几个方　面：农牧业抗旱人工增雨作业、森林草原防扑火人工　增雨作业、增加水库蓄水及河流径流量人工增雨作　业。这些工作均取得了明显的经济和社会效益。目　前，增雨抗旱作业已覆盖全市的９万多ｋｍ２，直接经　济效益近亿元。并在解决工业用水和城市生活用水　及改善水质、减轻污染、生态环境保护等方面做出了　积极探索。　６人工增雨应用前景　全球普遍存在的水资源短缺问题的日益突出，　引起了世界各国科学家的关注，１９９７年５月世界气　象组织（ＷＭＯ）执行理事会云物理化学及人工影响　天气研究专家组，就水资源短缺问题发出了紧急呼　吁。专家们认为，水资源短缺问题目前虽然只威胁　着某些地区，但用不了几年将发展成世界性的问题，　专家们预测，到２０２５年全世界２／３以上的人口将面　临水资源短缺的严重威胁，而人工影响天气工作可　望缓解这一问题，因此，他们呼吁ｗＭｏ成员国的科　学部门认真考虑在本国开展人工影响天气的可能　性，呼吁拨款部门在其预算中加入对人工影响天气　研究工作的支持，以期到２０２５年能掌握可靠的播云　增雨技术。　我国淡水资源短缺，仅为世界人均占有量的　１／４，而且分布非常不均匀，干旱和水资源短缺问题　一直是困扰我国经济发展的一个重大课题，随着我　国经济的迅速发展、人口的增加以及大量新兴城镇　的出现，不少地区的水资源短缺进一步加剧，从而对　我国国民经济、特别是农业生产造成重大影响。从　我市２０年来人工增雨的效果来看，人工增雨是有效　的，且投入产出比高，是一项值得推广的科技手段，　因此，在加强水利基础设施建设的同时，积极开展人　工影响天气工作，对进一步增加农牧业抗御自然灾　害的能力、缓解水资源短缺、改善生态环境、对农牧　业发展和广大的农村牧区的脱贫致富具有重要意　义。　［参考文献］　［１］　李大山．人工影响天气现状与展望［Ｍ］．北京：　气象出版社，２００２．　［２］　陈传宏、田保国．２１世纪初期中国环境保护与　生态建设科技发展战略研究［Ｍ］．北京：中国　环境科学出版社，２００１．　［３］　中国气象局．人工影响天气岗位培训教材　［ｓ］．北京：气象出版社，２００３．　・４５・