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北京化工大学北方学院毕业设计（论文）文献综述文献综述前 言 1946年，美国科学家朗缪尔(I.Langmuir)等人提出通过人工产生冰晶来影响冷云降水的设想，同年11月，他的助手施弗(V.J.Schaefer)第一次成功地用干冰(固体CO)对冷层状云进行人工催化试验(产生了降雪)，才引起人们的广泛重视，推动了人工影响天气试验的迅速发展。人工影响天气就是在认识自然的基础上，去改造自然。目前，人工影响天气主要是指人工增雨和人工消雹，当然也可以扩展到人工消雨、消雾、防霜、人工引雷等方面。掌握云雾物理原理，运用这些理论，人为地把大量的凝结核用现代运载技术，如高炮、火箭、飞机播撒到水汽深厚、缺乏凝结核的云团或云层中去，使之产生大量的云滴。云滴随着气流运动，相互碰撞，而合成大量的大水滴，当大水滴的重力足以克服空气的悬浮力时，掉到地面上，使原没有降水的云团或降水量不大的云团或云层有了降水或者降水量增加。1 人工增雨和防雹的科学基础实际上人工降水的道理就是根据自然降水形成的原理, 在云内对某些微观物理过程作些改变, 间接影响云的宏观状态, 这就是通常所说的播云催化技术。这种技术就是在云体内部加入一些关键性的物质, 改变云滴的大小分布, 或增加冰晶浓度, 以达到改变或加速降水粒子的生长过程, 促使云层下雨。1.1 云层的形成云其实就是水滴, 冰晶和过冷水三者混合组成的, 或者是由水滴、冰晶单独组成的,是雨水的仓库。如果空气中水分含量较多，那么当空气被冷却超过露点和饱和点之后，云层便形成了。随着高空压力的下降，上升的空气膨胀起来，从而也将热量分散开来，同时导致本身温度下降。 图1 云的形成暖空气上升后变冷，所含水汽凝结后形成云当气温达到露点之后，在极小的一些尘粒上，即在所谓的凝结核上凝结起第一批小水滴。它们具有很强的吸水能力，甚至可以在自己周围凝结起一个大水滴。在寒冷的地带，云则由极小的冰晶体组成。1.2 几种常见的物理现象1.2.1 蒸发我们把这种由液态的水变成气态的水蒸气的现象称为蒸发。在一般情况下, 蒸发现象总在发生。而且蒸发与温度和风力有关系。温度愈高, 蒸发愈快, 风力愈大, 蒸发愈快。1.2.2 凝结我们称这种由气态变成液态的现象叫做凝结。显然, 常温下水蒸气遇到冷的东西后变成极小的水滴, 而温度低于摄氏零度时就会凝成小冰粒。1.2.3 饱和状态从分子运动的观点来看, 实际上水的分子是在不停地运动的, 水的温度越高, 其分子运动速度就越快。水分子从水中跑出来变成水汽，即蒸发；不规则运动状态的水分子也可能重新跑回水内,即凝结。从水内跑出来的水分子数同返回水中去的水分子数相等,我们把空气中水汽的这种处于平衡状态的现象叫做饱和状态。饱和状态，换句话说, 这时空气中所容纳的水蒸气达到最大极限数。1.2.4 过冷水当温度达到摄氏零度以下时, 水就要结成冰。可是, 自然界中并不都是这样。因为水要结成冰, 除外界温度条件以外, 还需要别的条件, 如凝结中心等, 所以有时温度虽然降到摄氏零度以下, 水仍不结冰。我们把这种在摄氏零度以下仍不结冰的水, 称为过冷水。在实验室中过冷水可以低到- 40度时仍不结冰。1.3 降雨与雹暴的形成机制1.3.1 冰雹形成因素在1953年，威克曼设想由于云中上升速度和含水量都不均匀，在强烈上升气流区，含水量大，大水滴被上升气流带至云顶，当它超过冻结高度时就成为霰粒，处于云顶的气流减弱，霰粒又落入云中，水缓慢增长而形成软雹，在含水量大的地方增长很快，形成冰雹。1.3.2 降水形成机制存在于大气中的水汽发生凝结形成降水，大气中经常存在着一定数量的微小的固体和液体质点, 如灰尘、烟粒、盐粒等, 这些微小的质点能使水汽凝附在上面, 形成液态或固态水。这些在水汽凝华或凝结过程中起着中心核，作用的小质点, 称为凝结核或凝华核。因此, 凝结核和凝华核是水汽发生凝结的必要条件（有了凝结核、凝华核而使水汽凝成的小水滴和小冰晶, 还不一定能降到地面形成降水）。下降速度, 必须超过气流的上升速度, 水滴或冰晶下降所经过的空间必须具有一定的相对湿度, 这样它们在下降的过程中才不至于完全被蒸发。2 人工增雨和防雹的科学原理2.1 防雹理论 1995年，WMO（世界气象组织）列出六种防雹理论假设：利益竞争，早期清除，云水冻结，轨迹降低，促进合并，动力效应。其中前两种比较合理，“有利竞争”具有一定可实施性，即向云中播撒碘化银微粒，提供更多人工雹胚争食过冷水。“早期清除”指在大量自然冰雹发生之前，以人工冰核在冰雹生长区播撒，促进雹胚形成区尽早产生降水，使之不能参与冰雹生长过程。2.2 增雨的重要机制气溶胶与云相互作用，从具体机制上来讲，某些大气气溶胶粒子在大气过饱和或接近饱和的情况下，可以作为云凝结核或冰核，形成降水粒子胚胎。在这个过程中，大气气溶胶参与了云过程，同时也间接影响了云的辐射特性。云中水滴或冰晶的形成包括两种机制：自发核化（同质核化）和异质核化。自然界中由水汽形成的水滴，冰晶，或者由过冷却水形成的冰晶，主要依赖于异质核化。异质核化过程与云雾形成有关的气溶胶微粒密切相关。其形成的凝结核和冰核是自然界成云致雨的重要环节。3 有效地进行人工降水的催化剂 播云催化剂：按作用机制可以分为三类：致冷剂、吸湿性催化剂和人工冰核：致冷剂如液氮（N）、干冰（CO），又称匀质核化催化剂，主要用于冷云催化；吸湿性催化剂亦称吸湿性巨核，如粒度在520um或更大的食盐（NaCl）、氯化钙（CaCl）、硝酸铵等；人工冰核也称成核剂或核化剂，最常用的有异质催化剂碘化银和碘化铅。3.1 新型催化剂：3.1.1 有机催化剂目前仍处于探索阶段，例如间苯三酚等。有机催化剂有潜在优点：可以生物降解、比碘化银便宜、有较高的活化阀温，是个值得努力的方向，能提供绿色环保的催化剂。3.1.2 碘化银复合配方近年来人们对人工冰核的研究已从寻找高效有机人工冰核又回复到以碘化银为主体,优选配方,寻找具有最佳催化性能的复合核上来。气溶胶的物化性质对冰晶的形成速率和效率起着重要作用，由此发展出来一种新型高效的碘化银成冰剂，这些可溶性核可加强快速凝结冻结冰核机制的作用。例如：烟火催化剂是目前国内应用最广的催化剂 ，其主要成分包括：过氯酸铵，酚醛树脂、碘化钾、碘化银铜盐及其他助剂。结论通过对云物理各种现象的分析、降水和冰雹的形成过程、催化剂的微物理过程的作用机制的分析和对相关催化剂种类的查阅，得到如下结论：增雨机制：核化和凝结，对冷云催化用冷云催化剂，对暖云催化用盐粉等吸湿性催化剂。我国防雹技术所依赖的理论：争食云中有限的过冷水和提前清除两种机制。近年来人们对人工冰核的研究已从寻找高效有机人工冰核又回复到以碘化银为主体,优选配方,寻找具有最佳催化性能的复合核上来。催化剂核化机理是人工影响天气的关键科技问题，对人工影响天气机制、人工影响天气技术及服务水平有支撑作用。参考文献1中国气象局应用气象研究计划.（2009-2014），2010.32 渠永兴甘肃省冰雹云研究综述J干旱气象，2004，22(1)：80-843 雷恒池，洪延超等. 近年来云降水物理和人工影响天气研究进展J大气科学，2008，32(4)：967-9744 班显秀，杨洪斌，宫蔚蔚.无界大气中催化剂扩散模拟实验辽宁气象，2004，（34）：33-34. 5 段婧，毛节泰. 气溶胶与云相互作用的研究进展化学通报，2008 ，23 (3)：252-2616 陈文新，熊孝锋对人工局部影响天气问题的探讨现代农业科技2009，22：284-2857 刘卫国，李念童等. 层状冷云人工增雨可播性实时识别技术. 应用气象学报，2001，12(Suppl)：14-22.8 陈光学，段英，吴兑火箭人工影响天气技术M.北京：气象出版社，200819 郑国光，陈跃，王鹏飞等译.人工影响天气研究中的关键问题M.北京，气象出版社，20051010 Committee on Progress and Priorities of U.S. Weather Research and Research-to-Operations ActivitiesWhen weather maters: Science and Services to Meet Critical Social Needs M. Washington, D.C.：The National Academies Press，2010.11 Committee on the Status of and Future Directions in U.S. Weather Modification Research and Operations. Critical Issues in Weather Modification Research MWashington, D.C.：THE NATIONAL ACADEMIES PRESS，2003.12 廖向花，廖代秀，李轲重庆冰雹气候特征及人工防雹对策J气象科技，2010.10，38（5）：60-624.13 徐国强，黄丽萍，薛纪善，陈德辉. 中国冬夏季模式降水方案的应用分析研究J. 气象 学报，2005.2，63(1)：49-5614 连志鸾,段英