AgI焰剂对层状云催化的数值模拟

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000 m)、最大冰面过饱和度区(5000 m)和低温度区(5500 m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400 min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40 min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400 μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

一次层状云降水过程微物理机制的数值模拟研究

层状云由于在水平上较为均匀, 可以用一维模式来模拟其云微物理过程。因此, 本文使用一个包含详细微物理过程的一维层状云分档模式结合地面Doppler雷达、 PMS观测资料, 对2007年7月1日吉林省一次锋面抬升引起的层状云降水系统进行了模拟研究。计算结果详细地刻画了水滴、 霰、 雪花和冰晶粒子谱分布、 含水量在垂直高度上的分布与变化, 并定量分析了该例中冰晶层、 混合层和暖层中凝华、 凝结、 碰并等微物理过程对粒子谱型的影响, 以及冰晶层、 混合层和暖层对地面降水的贡献率。结果表明, 在该例中, 冰晶层对混合层的播撒以直径D＜300 μm的小冰晶粒子为主。从混合层播撒D＞100 μm的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子对暖层中小云滴粒子的碰并收集作用较强, 同时, 一部分降水粒子在暖层内可通过随机碰并机制产生。三层云对降水的贡献分别为3.5%、 38.5%和58%。三层云中若缺少混合层, 地面降水仅为0.475 mm/h, 谱宽920 μm, 且雨滴粒子数浓度较高; 若无暖层, 降水时间滞后, 雨强增加缓慢, 地面降水达0.807 mm/h, 雨滴粒子谱宽达1500 μm; 无冰晶层时, 降水强度与三层俱全时的模拟结果基本一致, 降水及雨滴谱的改变非常微弱。     

典型层状云系催化试验的云物理响应研究

利用2003年秋季延安地区一次典型层状云系加密探空和实时雷达观测资料,设计了催化和对比探测方案,计算得出催化影响区及下风方可能采集到响应值的区域。按照设计方案进行催化和探测。云物理响应观测结果表明:PNS粒子探测系统检测到催化后30min,小云滴减少;大冰晶的浓度增加;催化前冰晶以片状为主,催化后可看到有霰坯;催化前大雪晶浓度很小,雪晶之间没有攀附;催化后雪晶浓度增加,且大雪晶增加很多,可明显看到几个雪团攀附在一起形成的较大雪团;雷达观测到催化前拟播撒区内云的回波强度较弱、范围较小,催化后云体明显增大,强中心增加了5～10dBz;催化约1h后影响区雨量均有增加,说明催化引入的人工冰晶,使冰晶凝结比水滴凝结更有利于过冷云水转化为降水,冰晶效应和雪晶攀附过程是这次层状云系降水系统中的主要过程。过冷水冻结释放的潜热,导致云内升速加大,使催化区云和降水得到发展。     

播撒碘化银粒子进行人工防雹的数值试验

本文在二维完全弹性冰雹云数值模式中，引入冰晶浓度和播撒物质AgI粒子的守恒方程，建立了一个二维催化模式，考虑了人工冰核的三种成核机制，即凝华核化（包含凝结—冻结核化）及与云、雨滴的接触冻结核化，模拟了几种不同冰雹云、不同催化方案下的人工防雹催化效果，指出了防雹的最佳催化方案和适宜催化作业的冰雹云条件。     

山西中部一次积层混合云降水微物理特征研究

基于2011年5月9日山西中部地区一次积层混合云降水的机载探测和地面雨滴谱观测资料,分析了空中云系微物理参量的垂直分布、冰晶形态及演变和地面降水的微物理特征。结果表明：此次积层混合云为冷云结构,垂直分布不均匀,云中过冷水较为丰沛,对流泡的存在造成云内不同区域云水含量不均匀。云滴的凝华增长导致5.3 km处大云粒子和降水粒子数浓度明显增加。小云粒子谱分布以单峰型为主,峰值直径主要位于5～6 μm或9～10 μm,大云粒子谱分布呈多峰型,不同高度处变化较大。此次降水观测到的冰晶形态包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则形状,4.9 km处受聚合和淞附过程的共同影响,辐枝状和针柱状冰晶增多,在4.1 km处融化层附近淞附状冰晶明显增加。地面降水受到雨滴谱仪布设位置的影响,其微物理结构主要呈现为层状云降水的特征。     

碘化银播撒对云和降水影响的中尺度数值模拟研究

通过在WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度天气数值模式中引入碘化银与云相互作用过程, 建立了中尺度播撒碘化银数值模式。研究了碘化银播撒对于中尺度对流天气过程中云和降水的影响, 研究了不同播撒部位、 播撒时间和播撒剂量情况下碘化银的扩散、 传输及其对云中水成物和降水量的影响。研究结果表明, 碘化银在云中的扩散传输过程与播撒的位置有很大关系, 在最大上升气流区播撒的碘化银能随着气流更快地扩散到云体上部过冷水含量丰富的区域, 播撒在云上层入流区和云下层入流区的碘化银扩散到云中过冷水区需要时间更长, 同时有大部分停留在云体边缘。碘化银能与云中过冷水相互作用, 消耗过冷水使云中冰晶数浓度明显增加, 从而使霰粒子转化减少, 过冷水更多地转化为雪粒子, 过冷水凝结释放出潜热使上升气流增强, 促进了对流发展。由于雨水含量的增加, 地面降水也出现增加。碘化银播撒率对地面降水量影响很大, 当播撒率为0.6 g/s时, 播撒对降水的影响时间超过4小时, 增雨的效果更好。播撒率为0.1 g/s时增雨效果不明显, 当播撒率为1.2 g/s 时, 对总降水可能出现抑止作用。对比碘化银播撒率为0.6 g/s时12小时地面增雨量, 在云上层入流区播撒碘化银试验中, 地面增雨量比对最大过冷水含量区的催化试验提高了48.7%, 最大上升气流区播撒试验增雨效果最好, 地面增雨量比在最大过冷水区域播撒提高了72.1%。     

基于飞机真实轨迹的一次层状云催化的增雨效果及其作用机制的模拟研究

层状云降水效率通常较低,但却具有较高的云水资源开发潜力,是人工增雨作业的重要对象。随着中国南方地区生态改善、水库增蓄、抗旱等社会需求的增加,针对这些地区降水云系的人工增雨研究显得愈发重要。使用三维中尺度冷云催化模式,对2018年10月21日湖北省一次层状云飞机人工增雨作业过程进行了数值模拟研究,并将模拟结果与卫星、降水和机载云物理观测数据进行了对比。模式合理地模拟出了云和降水的主要宏、微观特征,观测和模拟结果均显示作业云区具有较好的冷云催化条件,在此基础上,按照实际作业中的飞机播撒轨迹,完整地模拟了此次催化作业过程。对数值模拟结果的分析表明:凝结冻结核化和凝华核化是碘化银催化剂的主要核化方式;90%以上碘化银粒子的局地活化比为0.01%—2%,平均活化比为0.07%—0.27%;云系降水是由冷云降水和暖云降水两种机制共同作用的结果,催化作业使两种降水机制均有增强,增雨效果明显;催化后4 h,整个评估区内的累计净增雨量为2.12×108 kg,局地增雨率为?51.1%—306.7%,区域平均增雨率为8.1%;催化作业也使部分地区出现减雨,主要是由于催化过程中的潜热释放引起过冷层动力场扰动,一部分云区的上升气流减弱,从而导致降水粒子的成长减弱,地面出现减雨;在过冷云区,碘化银核化使冰晶浓度升高,导致冰晶-雪、雪-霰的转化过程增强,雪、霰粒子总量增加,更多的雪、霰粒子从冷区落入暖区,在暖区上层产生更多的大雨滴,从而使暖区的云雨粒子碰并过程增强,最终地面降水增加,这是此次催化作业导致增雨的主要微物理链条。      

太行山东麓层状云微物理特征的飞机观测研究

本文利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”的飞机和地面雷达观测数据,重点研究分析了2018年5月21日一次典型西风槽天气系统影响下的层状云微物理特征。结果表明,?5°C层的过冷水含量低于0.05 g m?3,冰粒子数浓度量级101～102 L?1。冰粒子数浓度高值区主要以针状和柱状冰晶为主。这可能低层是Hallett-Mossop机制和其他冰晶繁生机制共同作用下所产生的冰晶碎片在冰面过饱和条件下凝华增长所形成的。冰粒子数浓度低值区的冰晶形状基本以片状或枝状为主。?5°C层的冰雪晶增长主要以凝华和聚并增长为主,凇附过程很弱。零度层附近云水含量峰值区的液态水占比达到70%以上。云水含量峰值区的粒子主要以直径10～50 μm的云滴为主,伴随着少量聚合状冰晶。零度层其他区域的过冷水含量维持在0.05 g m?3左右,冰晶形态主要以聚合状、凇附状及霰粒子为主。液水层则主要以球形液滴及半融化状态的冰粒子为主。垂直探测表明:零度层以上的冰雪晶数浓度呈现随高度递增的趋势。在发展稳定的层状云内,混合层的过冷水含量很低,冰粒子主要通过凝华和聚并过程增长,云体冰晶化程度较高。而在发展较为旺盛的层状云区里过冷水含量也较高,大量液滴的存在也表明混合层冰-液相之间的转化不充分。不同温度层的粒子谱显示,冷水含量高值区的冰粒子平均浓度比过冷水低值区高,但平均直径比过冷水低值区小。     

河北省一次降水云系云物理结构的飞机探测研究

利用机载粒子测量系统资料、天气雷达和Ka波段云雷达资料,分析了2017年5月22日河北省一次低槽冷锋降水过程积层混合云的微物理结构。结果表明:降水云系出现在低槽槽前西南气流中,积层混合云为大范围的层状云系中镶嵌大量对流云核结构,0℃层高度位于3577—4004m,随降水过程发展0℃层高度降低,嵌入的对流加强将抬升云顶高度。云内粒子浓度随云内对流的发生和加强而提高,云粒子浓度从1.8×10^5L^-1上升至5.0×10^5L^-1;云内过冷水含量大幅提高,从0.05g·m^-3上升至0.60g·m^-3,冷云中上层过冷水含量可长时间维持在0.20g·m^-3,中上层过冷水占比达60%。对流发生和加强可提高冰晶粒子增长速度,弱对流区冷云低层出现冰晶粒子浓度爆发增长区,强对流区冷云中上层成为冰晶粒子浓度快速增长区;最大降水粒子直径从8000μm增长至10000μm以上,直径在10000μm以上降水粒子谱分布区域从云底向中上层拓展。     

福建古田积云降水及其人工催化的数值模拟

本文用一维半时变积云模式模拟了福建古田水库地区积云的自然降水及人工催化对积云降水和地面雨滴谱的影响。计算结果表明:通过播撤,云上部冰晶增加。120分钟后,地面总降水量比自然云增加了0.5毫米,相对增雨量7.1%。文中还讨论了增雨机制,对AgI的播撒剂量作了一些数值试验,并与本区实测的雨滴谱、雨强等进行了比较。     

一次基于飞机观测的低槽冷锋云系微物理结构的综合分析

针对2012年9月25日山西一次低槽冷锋层状云,组织有设计的飞机观测,通过斜飞、螺旋、分层探测等方式,实现对云微结构的精细观测,同时结合卫星、雷达、探空等资料进行该云系的综合分析。结果显示:1)本系统为冷暖混合层状云系,云中无明显夹层,云系宏、微观结构均匀、稳定,地面有明显降水。2)冷云区多为固态冰相粒子,以凝华增长为主,过冷水欠缺;小云粒子谱呈指数分布,大云粒子谱呈双峰分布,降水粒子谱呈三峰分布;云中相同高度的不同位置上,粒子谱型、浓度基本一致。3)暖云区大云粒子和降水粒子的谱宽较冷云区变窄,谱型由多峰变为单峰。随高度下降,降水粒子有效直径变大、浓度变小,其垂直分布同雷达回波的垂直剖面相吻合。4)地面降水主要是由冰相粒子增长造成,本次过程冰相粒子充分、过冷水缺乏,因此该层状云引晶催化的潜力较小。     

河北一次降水层状云系结构和增雨条件的模拟研究

利用中尺度模式模拟结果和卫星、雷达、飞机、地面雨量站等观测资料,对2012年9月21日河北一次西风槽降水层状云系的宏微观结构和增雨条件进行了分析。结果表明:此次西风槽降水过程的影响系统为500 h Pa低槽和700 h Pa切变线,地面并没有伴随冷锋系统;西风槽云系不同部位具有不同云层性质和垂直结构特征,前端为高层冷云,云顶温度为-35℃,云体由冰相粒子和过冷水组成,没有暖云,有少量冷云降水;槽线附近云系为冷暖混合云,云顶温度为-20℃,云体最为密实,地面降水较强;槽后云系为低层液态水云,云顶温度为-5℃,有少量暖云降水;云水分布对应上升运动和高饱和区,高饱和区越深厚、上升运动越强,产生的云水值越大;利用模式过冷水含量、上升运动区、冰晶浓度、温度和逐时雨强对冷云催化增雨作业条件进行分析,槽线附近云系过冷水含量较多,存在强可播区,播撒高度为3.8~6.5 km,最适宜冷云播撒增雨作业。     

北京地区一次降雪过程的人工催化数值模拟研究

利用中尺度气象模式WRF的双参数显示云物理方案,开展冬季冷性层状云降水过程的数值模拟和人工增雨催化数值试验。模拟个例为2013年3月19日北京地区的一次典型降水过程,在分析模拟得到的云中水成物和上升速度分布的基础上设计不同催化试验,研究不同催化时刻(云体发展期、云体成熟期)和三种催化剂量对地面降水、云中水成物浓度、动力场和热力场以及微物理转化过程的影响。模拟试验结果表明:模拟的自然降水分布和实测结果较为一致;不同的催化试验都可以使地面雨量增加,在云体发展期以107个·kg-1剂量进行催化的效果最佳;引入人工冰晶后催化区域水汽和过冷云水含量明显减少、冰晶和雪的含量有所增加、催化区域上升气流明显增强,温度提高;催化后40 min时雪的增长主要依靠其凝华增长、冰晶向雪的自动转化、雪和云滴之间的碰冻以及冰晶和雪之间的碰并;催化后200 min,催化云中各种微物理过程对雪的贡献高于自然云,催化前期消耗了过冷云水,此时云中雪和云滴之间的碰冻对雪的贡献非常微弱,雪的增长主要依靠凝华增长以及雪和冰晶的相互作用。     

一次人工消雨试验数值模拟及物理过程分析

利用中尺度非静力WRF模式对一次人工消雨过程进行了数值模拟试验。试验结果及实况资料分析表明,在大片的降水云系中对局部的降水云进行过量AgI播撒,由于潜热释放增温使得降水云内的对流加强,促使大量小冰晶在高空向四周流散,云体消散,地面降水量减弱。由此可见,选择合适的作业高度、作业部位是人工消雨取得最佳效果的必要条件。     

含AgI人工冰核粒子的电镜分析

为深入认识当前人工影响天气作业中广泛使用的AgI焰剂的成冰特性, 利用电子显微镜对含AgI焰剂产生的人工冰核粒子尺度特征进行分析研究。利用环境场扫描电镜对焰剂颗粒的尺度分布和形态学特征进行研究, 利用场发射高分辨透射电镜纳米区域的X射线成分分析 (EDS) 对实验样品的颗粒结构特点和主要组成成分进行研究。实验结果表明:不同配方焰剂燃烧产生的颗粒谱分布特征有明显差异, 所取5种焰剂产生的颗粒平均谱分布, 其直径在0.02~0.50 μm之间的粒子数占98.96%, 即产生粒子绝大部分都可直接参加云内的成冰核化过程, 但其谱宽、峰值直径, 分布特征都不相同。透射电镜结果表明:焰剂颗粒的主要组成是KCl, 其表面附着AgI小颗粒, 该结构特征可能更有利于焰剂颗粒的成冰核化。利用中国气象科学研究院1 m3等温冷云室对AgI焰剂阈温对比实验表明:5种焰剂的成冰阈温在-3.5~-4.4 ℃范围内, 不同焰剂配方的阈温不同, 最大相差1 ℃。焰剂成冰核化速率主要由颗粒的大小 (均立方根直径) 决定, 同时受到谱宽、主峰位置等多种分布特征量影响, 改进配方时应综合考虑。同时, 由于高于-4.4 ℃时, 焰剂产生颗粒接触过冷水滴缺少活性, 即含AgI焰剂不适于云中较暖区的催化。     

一次延安层状云微物理结构特征及降水机制研究

利用PMS资料对延安2003年9月17日降水性层状云各高度上的粒子特征量和粒子谱进行了分析研究,结果表明,降水性层状云宏微观垂直结构配置或云粒子主要特性可以分为5个层次。过冷水滴和冰晶共存层存在,冰晶快速增长,此层的存在可能是发生降水的关键;在0℃层以下,存在比较深厚的云滴浓度小、含水量较小的小云滴层,应是导致地面雨强较小的重要因素之一。     

基于火箭和高炮真实催化轨迹的一次对流云消减雨的数值模拟

效果评估仍是人工影响天气研究面临的困难问题，数值模式在催化效果的评估方面有望发挥更大作用，建立能够模拟真实催化过程的数值模式是一条可行的途径。本文对一套三维中尺度催化模式进行了改进，采用了新的碘化银核化计算方案，在模式中增加了人工冰晶预报量及相关微物理过程，并实现了对地面火箭和高炮作业方式的仿真模拟。使用改进后的模式，采用500 m的水平分辨率，模拟了2019年9月1日华北地区一次对流云系的人工消减雨作业过程，对催化作业的消减雨效果进行了数值评估，并对碘化银在对流云中的核化特征及其催化作用机制进行了分析。结果表明：（1）催化作业对目标云系的雷达回波强度产生了一些影响，催化导致较多降水粒子滞留在高空，使得云体上部的回波强度略有增加，云体中下部的回波强度减弱，但催化作业并未改变目标云系雷达回波的自然演变趋势。（2）催化作业达到了一定的消减雨效果，作业区下游出现大面积减雨区，降水总量减少，降水强度减弱，局地最大减雨量为0.27 mm，主要影响区的平均减雨率为5.1%。（3）碘化银催化剂主要的核化方式为凝结冻结核化，其次为接触冻结核化。（4）催化作业造成了过量播撒，人工冰晶的成长占据竞争优势，...     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

一次东北冷涡过程的宏微观物理特征分析

利用2019年5月20日机载DMT和SPEC粒子测量系统获取的飞机云微物理探测资料,结合高空、地面、卫星云图产品等常规气象数据,分析了东北冷涡在发展成熟期的云宏微观结构特征。结果表明:飞机探测区域为冷性层积混合云,云水充沛。云粒子探头(CDP)和二维云粒子图像探头(CIP)探测到的最大粒子数浓度分别为362.10cm~(-3)、191.08L~(-1),液态含水量变化范围为0～0.88g/m~3;CDP粒子谱呈指数型下降,谱宽较窄;CIP粒子谱呈双峰结构。云粒子图像探测仪CPI表明,层积云上部主要为冰雪晶粒子,以冰晶的核化和凝华增长为主;中上部粒子主要为小冰晶形态,也有冰晶聚合体和枝状冰晶;中下部是过冷水和冰晶粒子的共存区,过冷水较为丰富。     

河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

2018年1月6日河北省出现一次低槽冷锋天气系统,利用两次云粒子垂直探测资料分析层状云结构特征和演化规律,探讨冬季低槽冷锋系统层状云催化条件和催化时机。结果表明：天气系统初期西南风风速中心发生在6500 m高空时,风速随高度呈不连续分布,层状云云顶温度为-29.2℃,中低云层稀薄;3000 m以上云层粒子基本被冰化,云内过冷水含量小于0.05 g·m^-3,固态含水量为0.1 g·m^-3左右,3000 m以下云层有大量自然冰晶,过冷水低于0.15 g·m^-3,不具备催化条件。700—3000 m高度层西南风加强,云内过冷水含量普遍大于0.1 g·m^-3;2200 m风速中心风速达16 m·s^-1,该高度最大液态水含量达0.38 g·m^-3,冰晶浓度为6 L^-1,温度为-9℃,适宜催化。低槽冷锋天气系统层状云结构特征和催化条件受槽前西南风强弱和风速中心高度影响,天气系统初期层状云云顶过高、温度过低时,层状云为不可播云。随槽线东移,风速中心高度降低,3000 m以下西南风加强,层状云转变为可播云。