人工降水

人工降水，又稱人工增雨，是指根據自然界降水形成的原理，人為補充某些形成降水的必要條件，促進雲滴迅速凝結或碰並增大成雨滴，降落到地面。其方法是根據不同雲層的物理特性，選擇合適時機，用飛機、火箭向雲中播撒乾冰、碘化銀、鹽粉等催化劑，使雲層降水或增加降水量，以解除或緩解農田乾旱、增加水庫灌溉水量或供水能力，或增加發電水量等。 ^[1] 

根據不同雲層的物理特性，選擇合適時機，用飛機、火箭彈等向雲中播散乾冰、碘化銀、鹽粉等催化劑，促使雲層降水或增加降水量。人工增雨分為暖雲增雨與冷雲增雨。要使暖雲（温度高於0℃的雲）降水或增雨，要在雲中播撒鹽粉、尿素等吸濕性粒子，促使大雲滴生成導致形成或增加降水。若要冷雲（温度低於0℃的雲）降水，就要用飛機等播撒乾冰、碘化銀等催化劑，從而產生大量冰晶，使冷雲上部的冰晶密度增大，促成或增加降水。 ^[2] 

人工影響雲的微物理過程，可以在一定條件下使本來不能自然降水的雲受激發而降水，也可使那些水分供應較多、往往能自然降水的雲，提高降水效率而增加降水量。但不能自然降水的雲能供應的水分較少，因此人工催化的經濟價值有限。

一般在自然雲已經降水或者接近於降水的條件下，人工降水的方法才能發揮作用。由於降水的自然變率很大，人工增加降水量的幅度較小，如何估價人工降水的效果就顯得十分困難。人工催化增加的降水量，是催化後的實際降水量和不經催化的自然可能降水量之差。實際降水量可以測定，但能否正確估價自然可能降水量，就成了效果檢驗的關鍵。在對降水的物理規律認識不足的情況下，主要依靠統計學的方法對自然可能降水量作出估價。初期的統計檢驗方法，多數採用迴歸統計法，在人工催化目標區附近選擇一個不受催化影響的地區作為對比，用歷史資料建立目標區和對比區降水量的迴歸方程。把人工降水試驗期間對比區的降水量代入迴歸方程，求出目標區的自然可能降水量，再與目標區實測降水量對比，就可估價人工降水的效果。採用這種方法對於同一次試驗，選用不同的對比區或者不同年限的歷史資料作對比，得出的結果，可能出入很大，所以這種方法的可信度不高。一般認為隨機試驗可以避免主觀的偏差得到統計學上的可信估價。隨機試驗是把適合於人工降水的試驗機會（試驗單元）按照隨機規則（例如抽籤）分成兩組：一組催化並觀測，另一組不催化只觀測，作對比。當試驗單元足夠多時，隨機決定的兩組試驗單元的自然條件應該只有極小的系統性差別，而兩組試驗實測降水量的系統性差異，就可以歸之為人工催化的結果。判斷催化效果，存在着成功和失敗的可能性，當判斷催化有效而實際無效時，常以顯著度水平來表示這種可能性。顯著度水平越小，判斷催化有效的可信度越高。在人工降水試驗中，一般要求顯著度水平小於5%，即可信度大於95%。

由於水資源對國民經濟的重要性，人工降水試驗作為開發水資源的一種潛在手段，受到廣泛的重視。世界上先後有大約八十個國家和地區開展了這項試驗，其中以美國、澳大利亞、中國和前蘇聯等國的試驗規模較大。1958年以後，中國北方各省，曾用飛機向大範圍層狀雲中播撒乾冰或碘化銀等成冰催化劑，試圖增加冬季和春季的降水量；中國南方各省，也曾用飛機或高射炮向積狀雲內播撒鹽粉或碘化銀等催化劑，以期增加夏旱時期的降水量。但自然降水過程和人工催化過程中的很多基本問題，仍不很清楚，人工降水的效果檢驗還有很多困難。

人工降水的效果受雲和其他條件所制約。在某種條件下可能有顯著的正效果，在另一種條件下可能無效甚至出現負效果。不分條件籠統地進行統計，分析得出的效果往往不顯著。把試驗單元按照某種指標分成幾類分別統計，有時就能得出比較顯著的結果。例如在冷雲催化試驗中按雲頂温度分類，統計得出，在一定温度區間裏有比較顯著的效果。從人工降水研究來説，僅對降水增量作出估價是不夠的，必須對整個物理過程的各個環節都有確切的瞭解。如催化劑在雲中指定部位是否達到了一定的濃度，冰晶或大滴的濃度是否明顯增加等。觀測和統計這些宏觀和微觀特徵量的變化，可從物理過程上分析人工催化的效果。這種觀測檢驗，稱為人工降水效果的物理檢驗。如在冷雲試驗中觀測到催化後冰晶濃度增大，過冷水滴減少，説明人工催化對雲的微物理過程已起到作用。一般認為，人工降水的科學試驗，必須根據統計學的要求，嚴格按照預定的設計進行長時間的試驗，同時對自然降水過程和人工催化過程，進行細緻的野外探測和數值模擬，才能使試驗具有比較堅實的物理基礎和統計的可信度。

在自然雲內冰晶濃度有時不足，這時需要引進人工冰核，使雲中微觀結構發生變化，促進冷雲降水過程而增加降水量。這種作用過程叫冷雲催化。在冷雲降水過程中，冰晶的濃度起着重要作用。據有關資料介紹，冰晶濃度達到1～100個/L量級時降水效率較高。在冷雲催化中，雲的温度條件十分重要。一般來説，當雲頂温度很低時，冰核自然活化的濃度很高，雲中自然冰晶濃度較高，自然降水過程進行得比較充分，增雨潛力比較小。反之，冰晶和水的飽和水汽壓差異較小，冰晶的增長速率比較低，人工冰核物質的成冰能力也大大降低，人工催化很難達到要求的冰晶濃度。因此，有資料顯示，當雲頂温度在-4～-10℃範圍時進行催化，效果比較好，這個温度範圍被稱之為“催化温度窗”。同時，冷雲催化還會影響降雪的分佈。這是由於對冷雲進行催化以後，雲中冰雪晶數量增加，過冷水滴減少，使得下降的雪晶不但個體較小，而且很少帶有凍滴，它們的落速就比自然降雪小得多，在氣流作用下，它們就會落到下風方更遠的地方，使降雪的分佈發生改變。 ^[3] 

在温度高於0°C的暖雲裏，降水主要在雲滴碰並過程中得到發展。雲滴越大，碰並增長就越快。計算表明，當雲滴半徑超過0.04毫米時，就可以迅速碰並而長成雨滴。在那種大雲滴的濃度不足的自然雲中，播撒大量半徑大於0.04毫米的水滴，就能夠促進降水過程。計算表明，每克水可以形成約幾百萬個大雲滴，要催化10立方公里的雲體，則需要幾噸水。若往雲中播撒一定大小的吸濕性物質顆粒或者溶液滴，它們能在雲中吸濕而迅速長成大雲滴，這樣所需的催化劑量，就用不到水的十分之一。

除了播雲以外，法國和蘇聯有人試驗在地面加熱，造成人工上升氣流的方法，試圖在一定氣象條件下激發或增加降水。美國有人設想利用瀝青或碳黑吸收太陽輻射，提高局地空氣的温度，促進雲的發展以增加降水。中國有人研究過爆炸對降水的影響。這些人工降水方法的研究，都還處在探索的階段。

通過冷雲催化使雲中產生大量冰晶，所釋放的潛熱將改變積雲的宏觀動力過程而增加降水。它是60年代在人工降水試驗方面的一項進展。積雲中上升氣流的速度，主要決定於雲內外温差造成的浮力。在發展旺盛的積雲內，存在着大量過冷水滴。在這種雲中播撒大量的成冰催化劑時，能使過冷水滴凍結而釋放潛熱，水汽在冰粒表面凝華時也釋放潛熱。估計這兩種潛熱足以使雲中局部温度升高0.5℃左右，這將加大浮力而促使某些積雲的上升氣流速度增大，雲體擴展，生命期延長，結果使進入雲體的水分總量增大而增加降水量。雖然動力催化同一般冷雲催化所用的催化劑一樣，但着眼點不同，動力催化所用的催化劑量必須大大增加，才可能收效。積雲動力催化在50年代曾作過初步的嘗試，但周密設計的積雲動力催化試驗，直到1963年才開始。J.辛普森在美國佛羅里達州所做的隨機試驗表明，催化後積雲的雲頂平均增高1.6公里，平均雨量增加1.7倍。他指出，催化後雲頂增高量同大氣層結（見大氣靜力穩定度）有密切的關係。在其他國家和地區，也作過類似試驗，但效果不一。有人對整個地區積雲羣體進行過動力催化的隨機試驗，初步結果表明有增雨的效果。

催化作業的方式大體有三種： ^[4] 

一是以在地面佈置AgI燃燒爐為主手段。催化劑依靠山區向陽坡在一定時段常有的上升氣流輸送入雲。這種方式的優點是經濟、簡便，其明顯的缺點是難以確定催化劑入雲的劑量。這種方式主要適合於經常有地形雲發展、交通不便的山區。

二是以高炮和火箭為主的地面作業。由於增程焰劑炮彈和焰劑火箭的研製成功，將催化劑在合適的時段按需要的劑量輸送到雲的合適部位的問題已基本上獲得解決。其缺點是雖已有車載火箭裝備，可在一定範圍內移動，但相對於飛機機動性仍差，適合於在固定目標區（如為水庫增水）作業，特別是對飛機飛行安全有威脅的強大對流雲進行的催化作業。WR－1B型增雨防雹火箭作業系統是經國家人影辦唯一認定的火箭作業系統。它採用中國氣象科學研究院BR－91－Y型高效碘化銀焰劑，產生含AgI的複合冰核氣溶膠，具有很高的成核率，其性能指標高於美國和獨聯體的同關產品。

三是飛機催化作業。飛機催化作業的面比較寬，可以根據不同的雲層條件和需要，選用暖雲催化劑及其播撒裝置，選用製冷劑及其播撒裝置（如干冰、液氮），也可掛載Agl燃燒爐、掛載飛機焰彈人發射系統。還可裝載探測儀器進行雲微結構的觀測和催化前後雲宏、微觀狀態變化的追蹤監測。不過不是所有的雲都可以用來“播雨”的，一般説來低雲族中的雨層雲和層積雲，或中雲族中的高層雲較為適宜；少雲或者晴空條件下，就不能進行飛機人工增雨。

乾冰是二氧化碳的凝結固態。乾冰的温度是攝氏的負78.5度，因此在保持物體維持冷凍或低温狀態下非常有用。乾冰能夠急速的冷凍物體和降低温度並且可以用隔離手套來做配置。乾冰已經被廣泛的使用在許多層面了，乾冰在增温時是由固態直接昇華為氣態，直接轉化為氣體而省略掉轉為液態的程序，因此其相變並不會產生液體，也因此稱它做“乾冰”。要將二氧化碳變成液態，就必須加大壓強至5.1大氣壓才會出現液態二氧化碳。 ^[1] 

製造人造雨：利用飛機將乾冰灑在雲上，雲中的小水滴就會被凍結成許多小冰晶，促使更多的水蒸氣凝結在上面，化為雨滴，降落到地面。製造雲霧：由於乾冰的温度很低，昇華後低温的二氧化碳氣體碰到空氣後，可以使空氣中的水蒸氣凝結成小水滴，所以有白氣出現，所以舞台表演上，常使用乾冰來製造雲霧般的特殊效果。 ^[1] 

冷凍劑：由於二氧化碳比空氣重，乾冰昇華後仍可包覆在冷凍的物品上，能夠維持較好的冷凍效果，尤其是在空運需要特別冷凍的物品，往往都使用它。 ^[1] 

碘化銀（AgI）為碘和銀的化合物，黃色粉末（558度），見光分解，並大量吸熱，先變灰後變黑，不溶於水和氨水，用於照相術和人工降雨的晶核。 ^[1] 

上海首次施行人工增雨的初步預算中寫道，實施一次人工增雨需要470萬元，其中僅僅直接作用於雲層的催化劑一次就需要40萬元。當然這份等待批准的預算中不僅有飛機租用費、播撒設備等硬件費用，還包括地面監測費用、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2000-4000元，用於使用的人工增雨火箭發射架價值在20萬元左右。火箭彈屬於軍火，從運輸費、押送費、保管費、發射費等都是一筆不小的開支。還有那麼多工作人員背後默默地付出不能不算，每次都要發射探空氣球，而且還要對數據進行分析處理，這些間接投入不好算，也算不清。

另據江蘇省一份《人工影響天氣作業表》顯示，2000年到2004年，全省共發射增雨火箭872枚，增雨17.5億立方米。其中2004年已發射106枚，增雨1.1億立方米。而人工增雨還需要GPS定位系統等多種設備及其他費用，所以成本比較昂貴，但投入產出比還是比較划算的。

1.人工降雨作業只有在一定的自然雲的條件下才能獲取所需的增加水量的結果，技術條件還無法做到人工造雨。 ^[3] 

2.對於不同條件的雲進行同樣的催化作用，可能會得出正、反兩種不相同的結果。所以為了獲得增雨效果，必須對自然雲條件和降水過程進行更深入的探測研究。 ^[3] 

3.自然降水量的變率很大，而人工增雨量又往往比較小，在一次降水過程中，很難把人工增雨和自然降雨區分開來。因此，評價人工降雨效果及其檢驗方法仍然是人工影響天氣科學主攻目標。 ^[3] 

4.人工降水已從初期的試驗研究，逐步轉為有嚴格設計、多種探測手段及作業技術現代化與通訊等相結合的試驗應用技術，成為我國及不少國家的抗旱減災的措施之一。 ^[3] 

早在遠古時代，我們的祖先就幻想着掌握呼風喚雨的本領。刀耕火種的初民，跪在赤熱的陽光下祈求雨水；巫師們為了求雨使盡了花招，有時戴上面具手舞足蹈，有時放開喉嚨咿呀歌唱；他們還常常向冥冥中的神靈祭獻牛羊牲靈，有時甚至祭獻活人。巫師們用葦管向空中吹噴水珠，希望這種象徵性的雨滴可以帶來豐沛的雨水。美洲的印第安人在籬笆上掛上乾癟的蛇屍求雨，東方人跳龍舞，西方人做祈禱；但無情的乾旱卻一次次地使他們的希望和田地裏的禾苗一起枯萎。

後來，求雨的花樣不斷翻新。有人鳴槍，有人爆破，還有人燃點化學物質，相信這類化合物的煙霧可能引來雨水。這些求雨者中也有個別幸運兒，偶然的巧合使他們的法術名噪一時。美國曆史上曾有一個求雨者，機會趕得巧，頗有幾次“靈驗”，但弄巧成拙，幾乎因此罹禍身亡。當時加利福尼亞州南部降雨達51釐米，大水吞沒土地，人畜死傷無數，損失達數百萬美元。愚昧的村民怨天尤人，指控這個求雨者施行法術招來大禍。

人工降水第一次試驗是在1946年，美國科學家謝費爾用飛機向温度為-20℃的層狀雲播撒乾冰碎塊，5min後出現降雪。這一試驗成功引起各國重視，先後有80多個國家開展這項試驗和應用作業。其中以美國、以色列、澳大利亞和前蘇聯等試驗研究較多。我國於1958年後在大多數省區進行了試驗和應用，北方各地主要用飛機向系統性層狀雲播撒碘化銀等冷雲催化劑，以期增加冬春季節降水量；南方主要用飛機或高炮向積狀雲內播撒碘化銀或鹽粉，以期增加夏旱季節的降水量，少量試驗在雨季進行，以期增加水庫蓄水量。 ^[3] 

首次實現人工降雨的科學家是傑出的美國物理化學家歐文·朗繆爾。歐文·朗繆爾，1881年1月31日生於美國紐約市布魯克林。他從小對自然科學和應用技術極感興趣。他年輕時就有一個偉大的理想：實現人工降雨，使人類擺脱靠天吃飯的命運。朗繆爾經過深入地研究，終於搞清了有云未必就下雨的原因，是因為雲中冰核、冰晶的數目太少了。 ^[1] 

當時，在人們中流行着一種觀點：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着人們對人工降雨的實驗與研究。朗繆爾通過實驗告訴人們：塵埃對降雨並非絕對必要，乾冰具有獨特的凝聚水汽的作用，即相當於雲中的冰晶或冰核。温度降低也是使水蒸氣變為雨的重要因素之一。他在實驗中不斷調整加入乾冰的量和改變温度，發現只要温度降到零下40℃以下，人工降雨就有成功的可能。朗繆爾發明的乾冰布雲法是人工降雨研究中的一個突破性的發現，它擺脱了舊觀念的束縛。之後，朗繆爾決心將乾冰布雲法實施於人工降雨的實踐。 ^[1] 

1946年，已經66歲的朗繆爾像年輕人一樣燃燒着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雲海上空。試驗人員將207千克乾冰撒入雲海，30分鐘以後，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。朗繆爾開創了人工降雨的新時代。 ^[1] 

直到1948年，人們才真正發現了科學的人工降雨方法。這一年，美國通用電氣公司的科學家文森特謝福經過長期的探索，在一次實驗中偶然地找到了人工降雨的關鍵，解決了千百年沒有解決的課題,成為科學史上的一段佳話。

隨着科學技術的進步，人們逐漸瞭解了下雨的來龍去脈。水汽從海洋和湖泊的水面上升騰成為空氣的一部分，然後形成雲朵，雨水或雪片就從雲中降下來。但是,水汽究竟怎樣凝聚成雨滴，長期以來始終不甚瞭然。後來，約翰愛特金證明，水汽是積聚在灰塵等細小微粒周圍形成水滴或冰晶的。這些微塵十分細小,肉眼根本無法覺察，但如果沒有這些微塵，儘管空氣中有足夠的水汽，卻不可能形成一滴雨水。

第二次世界大戰期間,通用電氣公司聘請愛爾文蘭格繆爾博士研究飛機機翼在穿過雲層時結冰的課題。年青的謝福正是蘭格繆爾博士的助手。他們接受任務後，就動身到美國東北部的新罕布什爾州去，那裏的山峯終年積雪，雪暴頻繁,寒風凜冽。

謝福和蘭格繆爾整日在山間的嚴寒空氣中工作。他們逐漸發現了一個奇怪的現象：雖然氣温常常在零攝氏度以下，但在他們周圍和腳下繚繞的雲朵之中，卻並沒有形成一粒冰晶。這個奇異的現象，深深留在謝福的腦海裏。大戰結束後,謝福製造了一台小機器，它能產生寒冷的濕空氣。和新罕布什爾州山區雲層中的空氣十分相象。

謝福推測冷空氣中不能形成冰晶可能是因為缺少如愛特金提到過的結晶中心。謝福往他的小機器裏呼一大口氣，然後開始冷卻，再往冷空氣中投放一點點粉末,比如麪粉、糖粉等等。謝福耐心地做了幾個月實驗，往機器裏扔進去各種他能夠想得出來的各種各樣的粉末，但是竟然沒有一種物質可以形成雪花或雨珠凝結的中心。

1948年7月裏的一個上午，炎日當空。謝福繼續耐心地往冷空氣裏一次次地扔進各種粉末,仍然沒有結果。這時，謝福的一個朋友邀清他去吃飯。謝福筋疲力盡，很樂意藉此休息一下。臨走，他把製冷器蓋好,口朝上，使較重的冷空氣沉到底部.不致逃逸出來。

謝福匆匆吃完午飯，心裏還惦記着機器中的冷空氣。他回到製冷機旁，一看温度計,已經上升到冰點以上了，不禁有些懊惱。幾個月來，他專心致志地做實驗，竟沒有注意到盛夏已經不知不覺快要到了。謝福心想,大熱天做冷凍實驗，以後可得多留神些。今天的實驗怎麼辦呢?他把蓋子蓋緊，耐心地等着製冷機重新使空氣降温。謝福注視着緩緩下降的水銀柱，心裏着急，他轉身找到一點乾冰，想用來加快空氣降温的過程。

謝福打開製冷機的蓋子，把冒着白汽的乾冰扔進去。這時，他又往製冷器里長長吐了一口氣。突然感到眼前一片銀色的光芒在閃爍,在射進制冷機的一束金色陽光裏，他看見了無數晶瑩的銀色晶體在滾動。謝福立刻明白了，這正是他夢寐以求的冰晶。經過無數次失敗，他竟然在偶然的一揮手之間成功了。謝福連忙叫來助手,他往製冷器里長長地吐了一口氣，同時又扔進一大把乾冰。這時立刻出現了一片銀光燦爛的小冰晶，緩緩地落下去，彷彿一層美麗的白色絨毛——人造雪的實驗成功了。

謝福想,既然能在實驗室中製造雪花，為什麼不在田野上的雲朵中去試試呢?他決定在飛機上裝一架噴撒乾冰的裝置，飛上天試試看。

11月裏寒冷的一天，謝福和蘭格繆爾看見天邊出現了一片雲。謝福立刻登上飛機。他知道很可能要飛許久才能找到適於播撒乾冰的雲層。這是一種體積碩大的灰色雲朵,裏面飽含着水汽。謝福選好時機，開動了機器，乾冰像一條拖曳的飄帶落在雲朵中。噴撒了一半，乾冰使周圍氣温降低,竟使飛機的發動機也熄了火。謝福急中生智，把剩下的乾冰立刻從機艙窗口統統扔到下面的雲層中。

在地面上等待的蘭格繆爾博士仰望着從雲端飄然而下的潔白的雪花，萬分激動，謝福從飛機上走下來時,渾身凍得發青，蘭格繆爾歡呼着跑過去迎接他，欣喜地喊道：“你創造了歷史上的奇蹟！”謝福的實驗確實在人類影響天氣的歷史上揭開了新的一頁。從此，牧場、田野和山區的上空,時常飛翔着科學家的飛機，他們在雲層中傾撒乾冰，讓晶亮的雨滴滋潤乾渴的植物的根鬚。

謝福發現了用冷凍的方法可以形成人造雨之後，就不再去苦心尋求可以形成水滴中心的物質了。但是,通用電氣公司的另一位青年科學家伯納德馮尼古特卻不滿足謝福的結論。正象當初年青的謝福有志於探索未知事物一樣。他相信愛特金關於雨滴中心有微細顆粒的結論是有根據的。他查閲了大量資料，希望找到一種體積和形狀都適於形成水珠或冰晶中心的化學物質。馮尼古特最終選定了碘化銀。他採用燃燒後得到的極細的粉末，希望撒播在雲層中後形成雪花。

馮尼古特採用地面發射裝置把碘化銀髮射到雲層中，耐心地等待着。不料卻毫無動靜。馮尼古特百思不得其解,前去請教一位化學家。他們很快發現了原因，原來馮尼古特使用的碘化銀不夠純淨。他很快換了新的碘化銀，射入雲層之後，果然紛紛揚揚飄下了潔白的雪花。

碘化銀催雨劑一經使用，很快獲得了比干冰更為廣泛的應用;因為碘化銀很容易從地面上用簡單的裝置發射到雲層中，不象使用乾冰那樣麻煩。使用乾冰有時還有些危險。有幾次巨大的乾冰塊直墜屋頂，鑿成大洞，引起一片恐慌。

在成功的事實面前，最保守的人也承認，現代的人工降雨是控制天氣的一大進展。今天，耕雲播雨已經不是神話。謝福和馮尼古特的發明，給苦於乾旱的人們帶來了福音。他們勤於觀察、勤于思索，有鍥而不捨的探索精神。