一种云水消减及增雨规模预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气象干涉技术领域，具体涉及一种云水消减及增雨规模预测方法，特 别适用于涉及减弱、转移和增加降水的云水迀移技术。
【背景技术】
[0002] 我国是洪水灾害频繁的国家。据史书记载，从公元前206年至公元1949年中华人 民共和国成立的2155年间，大水灾就发生了 1029次，几乎每两年就有一次。解放后全国性 的大水灾主要有两次，1954年大水灾和1998年大水灾。1954年水灾全国受灾面积达2. 4 亿亩，成灾面积1. 7亿亩。长江洪水淹没耕地4700余万亩，死亡3. 3万人，京广铁路行车受 阻100天。国家对自然灾害的救济费为3. 2亿元。1998年，一场世纪末的大洪灾几乎席卷 了大半个中国，长江，嫩江，松花江等大江大河洪波汹涌，水位陡涨。800万军民与洪水进行 了殊死搏斗。据统计，当年全国共有29个省区遭受了不同程度的洪涝灾害，直接经济损失 高达1666亿元。成灾6000万亩，因灾害造成粮食减产上百亿公斤。
[0003] 与洪水灾害相对应的是，我国又是一个旱灾频发的国家，不仅历史上有多次导致 颗粒绝收的大旱情发生，更有数不胜数的局部旱灾发生。例如在修建林县红旗渠的官方记 载上就有局部旱灾的真实记载，旱灾的发生甚至导致人吃人的灾难性现象发生。与旱灾对 应的是，2012年7. 21北京特大暴雨、2015年6. 16上海"看海"等都是暴雨成灾。
[0004] 旱灾与洪涝灾害的产生，都是降水集中与不均衡造成的：一是降水空间差异大，南 涝北旱，二是降水时间分配差别大，7、8、9三个月降水占全年降水量的70 %，此期间常有高 强度暴雨或受北上台风影响而形成的长历时连续降水，造成洪涝灾害。在秋冬季，由于气温 低，蒸发量小，秋季滞流耕地中的雨水及受冻结温度梯度作用上升到地表的地下水冻结成 为固态，与冬季降雪一起，春暖融化滞存于耕地表层形成春涝，"一年秋雨，两年成灾"。
[0005] 因此，人们迫切期望能掌握云水消减及增雨的技术，能够实现天气的调节，特别是 能实现以云水人工迀移、饱和水汽转移为基础的降水再分配技术。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明人经过多次设计和研究，本申请提出一种云水消减及 增雨规模预测方法，特别适用于涉及减弱、转移和增加降水的云水迀移技术。本技术利用云 水人工迀移方法，遵循室内模拟、方法筛选、可行性分析、实施方案设计、先导试验等技术研 究路线，解决了雨涝、洪涝、干旱分布不均等问题。
[0007] 依据本发明的第一方面，提供一种云水消减及增雨规模预测方法，其包括下述步 骤：
[0008] 第一步，预测云水消减规模。
[0009] 第二步，确定消雨区、增雨区位置。
[0010] 第三步，测算云水迀移作业规模及所需设备数量。
[0011] 第四步，设置浮空平台。
[0012] 第五步，设置浮空大通径管道。
[0013] 第六部，云水迀移作业实施。
[0014] 其中，所述云水消减及增雨规模预测方法利用云水消减及增雨规模预测技术，所 述云水消减及增雨规模预测技术主要基于云物理结构和降水微物理认识，通过气象雷达回 波、飞机穿云检测等方法探测降水云（积雨云、雨层云、层云等）云顶、云底高度、云体大小、 含水量大小及分布等，预测云水总规模和需要消减的规模、效果。
[0015] 进一步地，由于水汽的露点温度下降较空气温度下降缓慢，因此一定高度后，湿空 气将达到饱和，热力、动力耦合将使水汽饱和在l〇〇〇m左右的中低空即可出现，形成低云 (雨层云、层云、积雨云等）。这时云的水滴较小，在沉降中相互合并、凝结将产生降水。雨 涝、洪涝区上方云中的小水滴、小冰晶被抽汲、转移，可以减少降水，达到消减降水作用。云 水人工迀移到所选合适的地方和高度后，在适当时机以合理速度喷射干冰等催化剂人工增 加凝结核，产生降水，使云水不再返回原地，并发挥增雨效果。通过一体化浮空管道，定向迀 移云水，在雨涝区消减降水，同时增加水库、湖泊或干旱地区的降水，此消彼长，联合作用， 是人工云水迀移的基本原理。
[0016] 更进一步地，利用雷达等工具较准确探测云水分布，通过雷达回波可以测定含水 量，回波值越大，表示云的含水量或云粒越大；在冷锋天气系统，积雨云平面回波多数是排 列成带状，气团内部积雨云回波分散为单体。
[0017] 优选地，云水分布也可通过数值模拟定量预测，其中建立数值模型、描述云水和大 气运动的数学方程主要有涡度方程、水汽控制方程和包含水汽的欧拉方程组：
[0018] 涡度方程
[0019]
[0021] n:相对涡度。涡度是用以描述流体旋转情况的流体力学概念，向量。大气中，涡 度是一个空气微团的旋度。为了方便辨识，设有正负涡度。在北半球中，逆时针为正涡度， 顺时针相反，气旋为正涡度。由于地球是旋转的，所以一般情况下采用相对涡度（即不考虑 地转产生的涡度）；
[0022]X，z:水平和垂直方向；g:重力加速度；P:空气密度；y:空气粘度；P:大气压 力；
[0023] T:大气温度；
[0024] 水汽控制方程：
[0025] n= (Pdh-Pdht)/yd
[0026] 其中yd表示单位气柱中干空气的质量，pdh和pdht分别为干空气中的气压及模式 顶气压。
[0027] 包含水汽的欧拉方程组为：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 干空气静力方程：
[0036]
[0037] 湿空气状态方程：p=p。(Rd 0m/p。ad)Y
[0038] 其中，a,为干空气密度的倒数；RdS干空气比气体常数；p。为参考气压；等号右边 各项FpF^F^Fe表示模式物理过程、遄流混合、球面投影和地球旋转引起的强迫项；a为任 意常数；T=Cp/Cv= 1. 4 ;a为所有水成物密度的倒数：
[0039] a=ad(l+qv+qc+qr+qi+--〇 1
[0040] qx分别为水汽、水滴、雨水、云冰等的比含水量。
[0041] 优选地，消减降水方法与作用：根据现代气象学认识，当云中宏微观物理结构适宜 时，在动力和热力的作用下，就产生了降水。云物理研究中，以半径100ym为界区分云滴和 雨滴，以半径150ym为界区分冰晶和雪晶。云中的小冰晶、云滴、小水滴是降水的物质基 础，转移走这些云水，也就消除了降水。
[0042] 云水人工迀移作用的大小体现于迀移的云水数量。迀移的云水量可以通过下式计 算：
[0043] Nw= 3infwvwr2t
[0044] 式中，凡:输水量，kg;
[0045] fw:云中含水量，g/m3;
[0046] vw:云水移动速度，m/s;
[0047] r:管道半径，m;
[0048] n:管道数；
[0049] t:输送时间，小时。
[0050] 在前面推荐采用的内径2m，云水移动速度17m/s、含水量较充足为5. 5g/m3条件 下，单支浮空管道每小时可迀移云水4228kg，折算水量1. 17m3/s，与我国南水北调水量和速 度相比较，南水北调东线从2013年11月15日开始第一次正式通水，至12月10日通水结 束，历时25天，共调3400万立方米的水，水流量15. 75m3/s，由此计算，16支浮空管道迀移 的云水就已经相当于东线水量，而费用不到千分之一，效率提高百倍，水质上更是有质的提 高。特别是对于消减降雨而言，一旦云水迀移使得云中云滴饱和度降低到临界饱和度之后， 降水就将停止。未达到临界饱和度时，由于云滴、凝聚核的减少，也降低了云滴下降中因碰 并等作用产生的雨水，根据云底高度不同，消减雨水量将是运移出云水量的10-30倍。
[0051] 此外，增雨原理与方法：通过浮空管道输送云水到达增雨区上空后，随着输入水分 的大量增加，云滴将迅速增长，短时间内会出现一定数量的大云滴。大云滴与增雨区上空的 小云滴经过相互碰并、凝结核增长，变成较大水滴，当云滴增长较大，数量又增多后，克服上 升气流的影响落出云外就产生了降雨。
[0052] 其中，对云水人工输送来的温度在0°C以上、以小水滴为主的暖性云水，可以进一 步喷射盐粉，促进云滴吸湿增长，促进降水。在冬季近地面温度在〇°C以下，空中温度更低的 情况下，为了增加降水，在出口端选择适当时机和合理速度喷射干冰、液氮、碘化银等，促使 云中冰晶数量增加，凝华云中过冷云滴，使其继续长大，增加层状冷云降水。干冰是固态二 氧化碳，白色、无味，比重1. 3-1. 6g/cm3,压力一个大气压时的气化温度为-78. 9°C，每千克 干冰升华为气体时吸收的热量为573. 5kJ，以液态贮存在钢瓶中，成粉状干冰粒子施放。液 氮密度805kg/m3,沸点-195. 8°C，气化潜热99600kJ/kg，与干冰同为"绿色催化剂"，不会污 染环境，是首选催化剂。降水量与消减、输送的云水量成正相关关系。内径2m的浮空管道， 单支浮空管道每小时迀移云水4228kg，加上空中碰并、凝结增长，可以形成降水42-100t。 百支云水管道每小时就将增加降水1万吨，效果显著。
[0053] 此外，根据云水迀移速度、迀移距离要求等，计算和准备作业所需浮空管道、浮空 平台等数量。一体化浮空管道：云水迀移，特别对于大中城市消减降水，一般每次在1〇〇万 吨规模，折算到云水质点，为3. 3-10万吨，按照作业2昼夜时间计，需要并联内径2m的浮空 管道164支-493支。浮空平台：每支浮空管道及附件重量2260kg，工业抽风机重量170kg， 合计2430kg，1-2艘浮空器即可负担。优选地，浮空平台由浮空器升级改造而成，位于对流 层之内平流层之下，距离地面1000-2500m，以系留索固定于地面固定式系留粧，部分固定于 可移动系留台。单艘浮空平台载荷大于l〇〇〇kg，根据云水迀移规模和输送距离长短，多艘联 合使用，浮空管道起始点在云中依抽吸半径呈动态面积或立体分布。
[0054] 进一