层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟研究

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(4000m)、最大冰面过饱和度区(5000m)和低温度区(5500m)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400min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,40min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400μm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。     

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。     

卫星遥感人工增雨作业条件 I: 对流云

利用卫星反演技术和云微物理分析方法,针对云微物理结构和降水形成过程探讨可播性、播撒方式,通过对不同类型对流云分析,归纳出4类可播云系,分析表明:1)重污染深厚对流云,当云底粒子有效半径小于7 μm、凝结增长带深厚、降水启动厚度大于20℃、碰并增长带薄、无雨胚带、晶化温度低于-30℃时,可播撒吸湿性核或播撒AgI.2)强上升冰雹云,若云外型强对流特征明显、各增长带增长缓慢、无雨胚带、晶化温度低于-30℃,且云顶附近存在明显的有效半径减小带,可播撒吸湿性核或播撒AgI.3)强上升强降水对流云,云底滴较大,通常大于10 μm,碰并增长较为充分,晶化温度低,一般低于-30℃,冰晶化延迟明显,冷云降水发展不充分,通过在0℃层附近播撒AgI促进冷云降水.4)污染性浅薄对流云,当云底有效半径小于10 μm、凝结增长带深厚、碰并增长带薄、无雨胚带、云顶有效半径小于14 μm、云厚3～6km,可播撒吸湿性核.     

跨区域人工影响暴雨强度的数值模拟Ⅰ:条件分析及增雨模拟

利用IAP三维云模式对2005年7月一次强暴雨过程上游的水汽通量进行了人工影响试验．模拟和分析发现，AgI播撒速率的选择对增雨效果影响较大，仅当播撒速率在0．07g／s以下时才有增雨效果；过冷云水发展到极大值时，以0．05g／s播撒AgI获得的增雨效果最好，播撒过程使得自然云内的冰晶和雪晶出现的时间提前，含量明显增加。     

碘化银、液态CO2播撒对流云防雹增雨的数值模拟

利用三维对流云模式对2001年8月23日发生在北京的降雹性对流天气过程进行播撒模拟和分析。结果表明，无论播撒剂为碘化银（AgI）还是液态CO2（LC），在最大过冷水区播撒均比在最大上升气流区播撒效果好。在最大过冷水区（温度0～-10℃）播撒时，AgI播撒消雹增雨的效果均优于LC播撒。在最大上升气流区（温度8～-7℃）播撒时，LC播撒的增雨效果要好于AgI播撒，而AgI播撒减雹量较大。对本例而言，无论哪种播撒方式，播撒时间越早，采用合适的剂量进行催化，消雹增雨的效果越好。在云体发展成熟之前播撒均可以取得消雹增雨的效果，而云体发展旺盛或发展后期播撒则会导致雨水减少，降雹增多。     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

液氮消冷雾微结构的演变分析

液氮已广泛用于外场的人工增雨和消雾，是“十五”人工影响天气攻关研究和推荐的催化剂之一；其优势在于价廉，对环境无污染，资源丰富，-8℃以上成冰率高于AgI。文章介绍用液氮在首都机场的消雾试验，讨论和分析了消雾前后雾微结构的演变。对地跨北京14个区县，持续48h，能见度最低时达20～30m的气团平流雾连续播撒液氮，35min后下风方4．8km的测立占出现冰雪晶，形状以柱状为主，平均浓度为0．35个／cm^3。冰雪晶的出现破坏了雾的胶性稳定性，能见度很快得以改善，水平能见度增加到300～600m。     

电子显微镜观测AgI水溶胶的颗粒谱

为了解AgI水溶胶在人工降雨实验中的成冰能力,我们用电子显微镜对AgI水溶胶中的AgI粒子的谱分布进行了观测。结果表明:不同配方AgI水溶胶的颗粒谱分布略有差别,但同一配方不同浓度的AgI水溶胶的颗粒谱分布几乎没有差别。若取不同配方、不同浓度的九种AgI水溶胶样品的平均谱分布,则直径大于0.05μ的粒子占总粒子数的3％。如果假定这些粒子在低温下都能起冰核作用,则1克AgI的最高成核率为10~(14)/克。然而,当在播撒过程中AgI水溶胶的雾滴对AgI粒子的分散不利时,AgI成核率将低于此值;如果假定AgI水溶胶的粒子以冻结水滴的形式使云晶化,水滴冻结将引起冰晶繁生作用,这将会使AgI的成核率高于上述的估算值。     

贵州夏季自然云中冰雪晶和大粒子观测结果的分析

本文对夏季贵州自然降水性云的冰雪晶、大粒子作了初步分析。主要结果有:(1)冰雪晶平均浓度比北方地区的低,另外云中含水量大的区域冰雪晶平均浓度值也较大。(2)积状云冰雪晶浓度频数分布较集中,大多数集中于平均值附近,不超过一个量级。(3)冰雪晶和大粒子空间分布有明显差异。(4)在浓积云内暖云部分有冰雪晶沉降。(5)贵州夏季自然云降水及其人工催化的研究必须考虑冰相过程。     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

在冬季地形云中飞机释放碘化银的扩散情况

研究碘化银(AgI)烟流的扩散,使用两架飞机,即一架播撒飞机和一架测量飞机。用飞机播撒 AgI 烟雾,造成一条瞬时的烟粒子线源或一个连续点源(椭园形)。在一小时后,用装备声型冰核计数器的另一架飞机捕获烟流中的烟粒子进行测量。在北方 Wasatch 山脉的冬季地形风暴中,由飞机上 AgI 发生器释放烟雾测量     

2008年奥运会开幕式日人工消减雨作业中尺度数值模拟的初步结果

2008年8月8日,在2008年北京奥运会开幕式举行之际,北京及周边地区出现了较强对流云团,给国家体育场内开幕式活动的顺利进行带来了极大威胁。根据云系的发展状况,北京市人工影响天气办公室有针对性地组织实施了大规模地面火箭人工消减雨作业,对抑制云、降水的形成和发展起到了一定作用。在中尺度数值模式MM5的Reisner2方案中引入了AgI粒子与云相互作用的过程,在MM5中实现了催化功能。参照2008年8月8日20:05至20:12进行的消减雨作业情况,利用加入催化方案的中尺度数值模式对该作业进行了数值模拟试验,就不同的播撒量对催化效果的影响进行了研究,并对其中的微物理机制进行了分析。研究结果表明:AgI播撒率对降水量改变影响很明显,当以5g·s-1的速率持续播撒AgI7min,在播撒作业后2h,催化区域内均表现为减雨,2h后为增雨。对于减雨的微物理机制主要是由于大量播撒AgI后导致空中云水大量减少,进一步导致霰减少,霰的减少导致雨水的减少;而2h后的增雨机制则是由于在雨水、云水、霰以及温度之间形成了正反馈,最终导致地面降水的增加。需要指出的是由于单参数方案的局限性,模拟的最大减雨率仅为8%～12%,离消雨的要求尚有差距,应利用双参数云方案作进一步模拟研究。     

LC播撒设备研制与播撒试验

研制出一套适于陕西播云作业的液态二氧化碳(LC)播撒设备，开发LC催化技术方法，通过试验得出最佳播撒速率，提高作业效果；根据播云作业需要提出技术指标，并进行地面、空中试验(包括静态、动态试验)。结果表明：LC的纯度是决定喷撒质量的关键；当环境温度较高时LC小粒子浓度较高，谱型较窄，当环境温度较低时粒子谱明显拓宽，峰值浓度降低；地面使用0．6mm喷头，喷撒速率为10～12g／s，喷头距离激光束为10cm时，PMS粒子测量系统检测到LC粒子谱宽在0．5～175pm之间，小粒子平均总数密度为146个／cm^3。冰雪晶平均总数密度为71个／L；陕西春、秋季适宜催化的降水云系云体温度较高，LC宜作为播云首选冷云催化剂。当播撒率为10～12g／s时，作业数分钟后．机载PMS粒子测量系统和地面雷达检测到云物理响应参数与云的本底值对比分析证明：播撒LC有利于云水向雨水的转化，催化效果较好。     

考虑附面层的冰雪晶浓度计算

云中冰雪晶、大云滴浓度是云微物理特征的主要参数,它不仅对研究自然降水过程有重要作用,而且是进行人工催化增雨的重要依据。 在冰雪晶、大云滴浓度的各种测量方法中,以金属箔取样技术较简单,也较可靠。国外从五十年代使用至今。国内从1963年开始,沿用到现在,仍不失为飞机上观测冰雪晶、大云滴浓度的主要方法之一。 由于取样器形状、安装部位、金属箔厚度、取样云状、取样部位不同,获得的资料相互比较时必须谨慎,不能简单地将各地计算浓度大小进行比较后就轻     

一次人工增雨作业效果的中尺度数值模拟

本文根据AgI播撒影响机制,把AgI催化过程耦合到初始条件、边界条件更完善且有业务化能力的中尺度WRF模式中,并利用该模式对溧阳天目湖积云增雨过程进行中尺度催化数值模拟分析。实况资料及数值模拟分析结果表明,该模式成功地模拟了溧阳天目湖地区的对流云系,作业后催化云的强回波面积扩大,平均回波强度增加,地面降水量增加,且微物理过程分析表明,作业后催化云中高空冰晶、雪、霰冰相大粒子含量增加,相应地低空雨水含量增加,导致地面降水量增加。     

2010年6月18日苏北一次强降雹过程及其催化数值模拟

结合实况资料,应用三维对流云模式,对2010年6月18日苏北地区一次持续时间长达5h的强降雹过程进行数值模拟研究.结果表明,模式模拟出了雹云的3次涌升、降雹过程及雷达回波特征.冰雹来自霰的转化,主要靠碰冻过冷云水和雨水增长.催化试验表明,地面降雹刚形成或降雹强度刚增强时,在过冷雨水中心区播撒AgI,减雹效果显著,最大减雹量可达21.1％;催化后,霰的数量增加、尺度减小,导致霰向雹的自动转化减少,且大量小尺度霰成为雹胚后,争食云水,增长受阻.     

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明:降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

一次降雹过程的AgI系列催化模拟研究

云数值模拟是研究降雹过程和人工防雹试验的重要手段。利用三维冰雹云AgI催化模式,对北京1996年6月10日的一次降雹过程进行AgI不同催化高度、催化剂量和催化时间的系列催化模拟试验,并优选催化方案,为外场防雹设计和作业提供依据。在催化系列模拟中发现,不同催化高度的催化剂均在上升到-5℃高度后开始核化。在2.1~4.9 km高度范围内催化,AgI成核率比较高,防雹效果较好。核化的人工冰晶有效弥补了该高度上自然冰晶的不足。小剂量催化,可在减雹的同时增加部分降雨量,而大剂量催化,在减雹的同时会减少降雨。在催化时间、剂量和高度的系列催化试验中得出,采用在模拟的第15分钟在5 km高度附近播撒AgI,连续4次以5×106 kg-1的催化剂量进行催化,催化效果较好,可减少降雹量约60%,同时可避免降雨量的大幅减少。     

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%。