什么樣的云彩會下雨？

編者注：本文作者為毛節泰教授，他是中國大氣科學著名專家，原中國大氣物理學會會長，現任北京大學物理學院大氣與海洋科學系教授、博士生導師、中國氣象學會大氣物理與人工影響天氣委員會主任。主要從事大氣輻射、云物理與氣溶膠的探測與研究工作。

呼風喚雨，這是人類歷來的夢想，但要把這個夢想變為現實，還必須依靠科學。大氣科學是研究大氣中發生的各種自然現象和循環的學科,它也是實現人類呼風喚雨夢想的科學基礎。

大氣水循環是地面和大氣中水物質的循環過程，它是地面清潔水的主要來源，也是驅動大氣中各種運動所需能量的主要來源之一。大氣水循環整體說來并不復雜，它包括蒸發過程、成云過程和成雨過程。

更詳細地說，地表水是液態或固態的，它們通過蒸發過程變為氣態的水汽，這就是蒸發過程，是水的第一次相變。水汽在大氣中隨氣流運動，但在再一次相變之前它是不可能回到地面的。水汽要回到地面，必須再經過一次相變，如凝結或凝華，從氣態又變成液態或固態的云滴，這就是成云過程。水汽經過第二次相變就具備回到地面的條件，但它不一定就能回到地面，因為云滴太小太輕，它飄浮在大氣中掉不下來，在某些條件下它還會再一次蒸發又回到氣態。為了要使云滴回到地面，它必須長大到一定大小，這一使許多小云滴合并成大的雨滴的過程就是成雨過程。自然云中云滴可以通過凝結過程或碰并過程使云滴長大，當它長大到一定尺度就可以成為降水，戰勝引力掉到地面，例如直徑大于200微米云滴就有可能掉到地面成為毛毛雨，直徑大于500微米就會形成雨滴或各種固態降水物。

【形成降雨的條件】

從上面關于水循環過程的討論中我們必需注意兩個關鍵問題:一是相變; 二是其中的能量需求。

前面已經提到大氣水循環中包含了2次相變過程，這是由于地表水和大氣中水汽的相態是不同的，水循環過程是通過第一次相變把地表水變成氣態的，再經過第二次相變過程又變成液態或固態，這才能回到地面。這一點是很重要的，因為大氣中的水汽，如果它沒有機會經過第二次相變過程變成液態或固態的水，它們是回不到地面的，也就是說，雖然水汽很多，但它們沒有機會發生相變，那么它們就不可能形成降水。

因此只有那些有機會發生相變的水汽才會對降水有供獻。從這個意義上來說，對某一地區某一時段而言，單純水汽多少并不能決定會有多少降水，決定降水多少的是那些已經發生了第二次相變的水量，這才是降水的資源。

這些經過第二次相變后的凝結(凝華)水就構成了這一地區這一時段的最大可能降水量，這一個量很重要，它才是人工增雨潛力的基礎。當然這個最大可能降水量并不能全都變成降水，因為不是所有的云粒子都會順利長大，其中很多一部分會一直停留在空中，甚至又一次被蒸發掉。這就決定了成雨過程的效率，它反映某一地區某一時段中實際降水量與最大可能降水量之比。

第二個問題是能量，這也是我們在企圖影響自然過程中必須考慮的。從上面的分析中可以看到，大氣水循環的幾個過程都涉及到很大的能量需求。我們必須考慮是否有能力提供這樣的能量，來改變自然進程的發展？大自然的能量是十分巨大的，對此我們需要進行一些定量的估測。把每年全球人類使用的能源數作為一把尺子，把它作為1個單位（其具體數值約在1020焦爾的量級），來估測大氣過程所涉及的能量。

地球大氣所有的運動都是靠太陽提供的能量驅動，據大氣科學估計，每年太陽提供給地球的能量約為40 000個單位，其中用于地面蒸發的能量約為10 000個單位，而在成云過程中用于抬升氣塊運動的能量約為100個單位。因為人類只撐握1個單位的能量，面對蒸發過程和成云過程所涉及巨大的能量，人類顯然是無能為力的。

但很幸運，大氣科學也發現成雨過程實際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結構有關，因此我們可以適當地改變云中的微物理結構，調整它的成雨過程的效率，從而達到增雨或減雨的目的。這就是我們搞人工增雨的基礎。

【什么樣的云彩會下雨】

人工增雨作業是希望通過人類的干預，改變云中的微物理結構，從而提高成雨過程的效率，使地面降水量增加。為此我們需要了解在自然云中，雨滴是怎么形成的? 即在自然條件下成雨過程是怎樣在進行的?

大氣科學的研究指出，成云過程中形成的云滴或冰晶都很小，其直徑在10微米左右，這種顆粒在具有上升氣流的大氣中是不可能落到地面的。要使云中的云滴長大為雨滴（直徑至少為200微米，甚至1毫米）需要兩個過程，一是凝結增長過程，但由于這一過程的效率隨云滴直徑增加越來越低，對直徑大于10微米的云滴來說，就很難通過凝結實現體積的增長了；另一種是碰并增長過程，如果云中粒子的大小不同，則大粒子的下降速度會大于小粒子，因此它會追上小粒子并且和它碰撞、并合（簡稱“碰并”），使大粒子下降一路上的小粒子都并到這個大粒子中去，從而迅速變大，而且粒子越大它的碰并增長效率越高。自然界的降水粒子，無論是液態的雨滴還是固態的雪花、霰、冰雹主要都是通過這一過程形成的。

既然自然界有形成降水粒子的過程，為什么有的云就會下雨，而有的云就不下雨呢? 這里面的關鍵就在于云滴微物理結構的差異，也就是云中粒子大小分布的差異。前面關于云滴碰并增長的模型可以看到，云中要發生碰并增長，云滴一定要有不同大小，這才能發生大云滴追上并碰并小云滴的現象。如果云中粒子大小都相同，它們都以相同的速度運動，誰也追不上誰，也就談不到讓大粒子很快增大的情況，這種情況我們說云是處于膠性穩定狀態，沒有粒子會增大為雨滴，降水也就不可能產生。

平常我們常常可以看到云飄浮在天上，有時云層也相當厚（看起來比較暗），但就是不下雨，這種云就應當是處于膠性穩定狀態。那么怎么去改變這種情況呢? 我們可以人工地在云中增加一些大滴，破壞云中的膠性穩定狀態，這樣就可以使云中碰并過程開始進行，很快地形成降水粒子。當然，事情也要從兩個方面去思考。云中若沒有大粒子，處于膠性穩定狀態，降水就不易形成；但如果大粒子很多，是不是對降水的形成就一定有利呢？這也不一定。如果大粒子太多，它們都去爭食那些有限的小云滴，而小粒子是有限的，結果誰也長不大，可能最后還是無法形成有效的降水。因此說為了要讓處于膠性穩定狀態的云體盡快產生降水，要向其中播撒適當數量的大云滴，但若大云滴太多了，反而會阻止降水的發生了，這就成為消雨了。

【如何實現人工增雨】

那么怎樣向云中播撤大云滴呢？直觀的想法就是直接播撤30～50微米的水滴，但其效率是很低的。目前人工增雨作業是針對云體條件，采用播撒適當數量的暖云催化劑或冷云催化劑。

對暖云，也就是溫度高于零度的云，這種云全部是由液態水滴組成的，我們選用有一定尺度（直徑為幾微米）的吸濕性顆粒物作為暖云催化劑，讓它們到云中迅速地吸收水氣而形成大云滴。目前更多地是用氯化銨等無機鹽甚至某些有機化合物，只要它們對水汽的吸收能力強，而且容于分散成小顆粒就可以考慮試用。

另一種是混合云，這種云比較厚，其上部的溫度是低于零度的，而下部高于零度。這種云在零度線以上常常會存在過冷水滴。這是在清潔大氣中可能出現的一種不穩定現象，如果一有擾動，這些過冷的水滴馬上就會結成冰。如果飛機進入這種過冷水的云區就會出現飛機結冰現象；在地面，若這種由過冷水滴形成的云霧碰到一些障礙物，如電線，就是很快地在電線上凍結造成電線結冰的現象。這些都是有害的自然現象，但也正是人工增雨要利用的。大氣科學研究發現，在這種具有過冷水滴的云體中，若出現幾個小的冰晶，那么小冰晶就會迅速長大，而那些過冷水滴就會很快地蒸發掉，把水汽集中到這些冰晶上去，這就是貝吉龍過程（BergeronProcess）。因此對于那些具有過冷水的云，可以通過播撒成冰核使它迅速形成一批小冰晶，這些小冰晶通過貝吉龍過程很快長大，到幾十微米后就可以開始通過碰并過程形成迅速長大而成為雨滴，發生降水。目前用得最多的冷云催化劑就是碘化銀，還包括一些與碘化銀具有類似晶格結構的復合催化劑。

這些就是當前人工增雨作業的基本思路。簡而言之，人工增雨的基本思路是對于那些處于膠性穩定的云，它是因為缺少初始的大云滴，因此無法通過碰并過程形成有效的地面降水，這時我們就向云中播撒一些催化劑，促使形成一批大云滴，從而使云的成雨效率提高，增加地面的降水量。同樣，對另外一些云體，由于它的大云滴的數量不足，也可以考慮補充一些大云滴，從而提高云體的成雨效率，增加地面降水量。

當然，事情也可能走向反面，即云體原來的大云滴是合適的，成雨效率已經很高了，過多地加入大云滴會去爭食那些有限的小云滴，可能反而使降水效率降低，甚至出現消雨的后果。由于這種改變云中大云滴濃度的工作并不消耗很多能量，因此是人類可以考慮采用的方法。

【前路依然曲折】

那么這種做法確實是有效的嗎? 回答這個問題是相當困難的。盡管上面提到的這些物理過程，如碰并過程、貝吉龍過程等，在物理學上都是正確的，我們可以用理論模式進行模擬，甚至在實驗室中進行實驗、測試，但要了解自然云中到底是什么情況，無論是國外還是國內，至今一直沒有好的解決方案。

我們一直用各種直接或遙感探測的手段，估計云的最大可能降水量，也用飛機安裝云物理觀測儀器到云中進行探測，希望能了解到云中大小云滴分布的狀況，并進一步估計自然云的成雨效率。但這些探測至今的效果都不甚理想，尤其是云中參數的強烈起伏，很不規律，使單次觀測的結果很難具有代表性。另外，從作業計劃的安排和實施而言，等飛機飛到云中觀測才能了解到云的狀況實在已經是太晚了，我們很希望在地面通過遙感的方法就能了解到大范圍云微物理結構的特征，從而判斷當前云的自然降水效率的情況，這才能決定我們應當怎么樣去改變云中微物理結構，增加地面降水。這些技術都需要在今后大力開發。

就是由于我們對云的狀況了解不足，使當前人工增雨的作業具有一定的盲目性。在這種情況下我們只能從最終效果這方面來評估作業的效果，這就是希望有數據能夠證明通過人工增雨作業地區的降水量確實是增加了，這就認為是達到目的了。但這件事簡直就是不可能完成的，因為當我們說這次作業增加了多少降水量，意味著要估算作業后的降水量比不作業時多了多少? 但因為已經做了作業，我們只能觀測到作業以后的降水量，而不作業的自然云降水量就不得而知了。目前通用的辦法是利用統計的方法，如目標區和對比區的統計分析或隨機試驗的統計分析。從統計學的要求來說，只有符合隨機化試驗設計的試驗才有統計上的意義，但在現實條件下這種隨機化試驗是相當困難的，目前我們只能在某些地區開展嚴格的有設計的隨機化試驗。

（作者：毛節泰）

發表于 2014-07-01 00:00
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