宁南冰雹胚胎的研究

本文对宁南山区5个雹暴的395个冰雹做了切片分析,结果表明:霰胚占66.4％,冻滴胚占33.6％。通过10个冰雹的同位素氘和晶体分析发现,绝大多数霰胚的生长温度为-12℃—-23℃,冻滴胚形成的温度为-8℃—-14℃。霰胚的生长高度比冻滴胚形成的高度平均高1km以上。     

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。     

人工影响天气液氮载体的筛选

寻求高效、实用、经济、无毒的催化剂,最大限度地提高催化剂的催化效率,是广大人工影响天气科技工作者十分关心的问题。碘化银是较好的冷云催化剂,广泛、长期得以使用,但其催化阈温较低(-4℃以下才开始成冰晶);干冰虽然在较高温度下(-0．5℃)可以冷冻云(雾)滴成冰晶,但其储存、运输使用多有不便,     

枝状晶体

枝状晶体(dendritic crystal,或写作dendrite),是冰晶体,特指可见的形状(晶体形态)表现为复杂的树枝结构的平面冰晶。气象出版社2012年出版的《英汉汉英大气科学词汇》(第二版)收录了该条目,中文里还对应于戟状晶体(雪花的一种)。而商务印书馆2016年出版的《综合英汉科技大词典》(第2版)将其直接译为枝状冰晶,与2002年科学出版社出版的,由全国科学技术名词审定委员会编辑的《海峡两岸大气科学名词》中的译法一致。枝状冰晶为对称六角形,在-15℃上下通过水汽凝华导致冰晶增长时,如果饱和度接近过冷水,树枝状冰晶会发展形成。     

冰雪晶碰并勾连增长的实验与观测分析

冰雪晶碰并勾连成雪花或雪团的过程是降水的重要机制之一。冰雪晶形态不同导致各类晶动力特性的差异, 因此, 无论从理论、数值试验还是室内模拟研究这一过程都有很大困难。该文就室内、外场试验和自然云的观测, 讨论分析其发生机理和条件。结果表明:冰晶的增长过程有一个与云滴碰并增长相似的加速过程, 冰晶碰并过冷滴形成霰 (雹胚), 凇附长成冰雹; 冰雪晶相互碰并勾连、攀附增长为雪花或雪团, 都是降水质点加速增长的重要过程。此过程仅在水面饱和、过饱和条件下发生, 而水面欠饱和、无液滴 (无云) 时, 冰晶很薄、晶型简单, 无碰并勾连、攀附现象。冰晶在液滴存在的云雾中伴随气流对流、乱流运动中接触碰并勾连成雪花或雪团, 其碰并勾连效率既受晶体形状影响, 亦受晶体表面附着力的影响, 其机制有勾连亦有粘连, 晶型多样, 以相同晶型为主, 温度范围广 (-3~-17 ℃); 其中-13~-17 ℃碰并勾连效率最高, 该层的枝、星状晶是勾连、攀附的主要区域, 亦为冰晶繁生的主要区域、生长率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率较高的温度段。     

如何识别Cb的几种隐蔽形式

As(Ns)云和Cb互相取错的事常有发生,那么As(Ns)和Cb的共存或互相转化需要一些什么条件呢暖锋云系As(Ns)下部完全由水滴或过冷却水滴组成,顶部则由冰晶或雪花组成,     

三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟

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4.9 g m~(-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57.5 g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加Ag I剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230 g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。Ag I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。     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

一个缓慢移动的中尺度对流复合体内层状降水区的微结构分析

本文对一个中纬中尺度对流复合体层状降水区的微物理结构,结合雷达、卫星和其他飞机观测资料进行了分析.结果表明,MCC层状区内某些部位盛行冰晶聚合体,它们分布在相当厚的过冷气层内(0.5—-14℃或更冷).冰晶聚并过程足层状区内降水质点增长的主要机制.它起源于较高较冷的气层,在冰晶聚合体下降途中聚并效率渐趋增强,在0℃层附近形成一大的冰晶聚合带. 层状区中云滴液态含水量一般低于0.3g·m~(-3).0℃层以下降水质点数浓度较低,平均为0.8L~(-1)(2D-P资料)和2.3L~(-1)(2D-C资料),相应的平均体积中值直径分别为1.0和0.6mm.在0—-10c气层内,冰质点平均数浓度为27L~(-1)(2D-P资料)和133L~(-1)(2D-C),远人于0℃层以下的雨滴数浓度,相应的平均体积中值直径为0.8和0.4mm.冰质点数浓度随高度向上增加,在飞机垂直探测的顶部(6600m高度)观测到最大数浓度52L~(-1)(2D-P资料)和289L~(-1)(2D-C资料).冰质点大小则相反,是随高度下降而增大的.在0℃层附近冰晶聚合体较大较多,冰质点中15％以上是聚合体,2D-P探头观测的冰质点平均体积中值直径达1.8mm. 滴谱分析表明,负指数律分布能较好地拟合所有观测的降水质点大小谱分布.对水滴,斜率参数λ平均为17(±3.6)cm~(-1),相对变差不超过20％,在云模式研究中可以近似地假定λ是常数.然而,对冰质点样本,λ值可相差3倍以上,小能当作常数处理.至于截距参数N_0,不论是水滴还是冰晶样本,都是变量,其值可有2—3个数量级之差.但是,N_0与λ之间数值上相关很好,据此可以将降水质点谱简化为单参数分布.     

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。     

大气层结构概述

云是大气中的水汽凝结或凝华而成的水滴、过冷水滴、冰晶或它们混合组成的可见悬浮体。云和降水的形成、发展和消失的物理过程都是在大气中出现的,因而了解大气的结构是十分必要的。     

北京地区两次雨雪转换过程的相态模拟研究

利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting),对2015年11月20-22日和2016年11月20-21日北京地区两次雨雪转换过程进行数值模拟,根据模拟结果,结合探空等实况观测资料,分别对降水相态转换的机制进行了探讨,并比较分析了两次过程云微物理特征的差异。研究表明:中尺度数值模式WRF较为准确地模拟出了两次雨雪过程的降水量级和落区;同样是雨转雨夹雪过程,但是两次过程云中雪晶粒子的含量和分布的层次是截然不同的,导致相态转换的微物理过程也不同。2015年的过程,雪晶通过与过冷云(雨)滴的粘连碰冻作用而不断增长导致观象台的相态由雨转为雨夹雪;而2016年的过程,雪晶主要依靠冰晶的凝华、撞冻及碰并等机制而不断增长导致观象台的相态由雨转为雨夹雪。在预报冬季降水相态时,不仅要关注各标准层的经验阈值温度,还要充分关注模式产品中与微物理有关的水成物分布的层次和浓度大小。     

尿素作为过冷云冰核的实验研究

早在1956年日本的佐野(I.Sano)等人用扩散型小云室测定尿素在-14℃能出现较多的冰晶。1966—1969年美国的诺林贝格(R.G.Knollenbeng)测定尿素的成冰阈温为-15℃,尿素溶液滴的平均冻结温度为-16.8℃,但他认为“局部冷却”效应将会提高尿素的成冰能力,即尿素高速溶于水时高度吸热冷却达低共熔点温度(-11.4℃)成冰,因而使尿素成为优良冰核。根据国外报导,自1966年开始,我国北方一些省气象局,经常用飞机播撒尿素催化过冷云降水,仅吉林省每年用于尿素的费用(不计飞机等其他花费)就可超过万元。因此,为能正确评价野外试验效果和权衡这个支出是否值得,本文下面介绍对尿素微粒成冰阈温、成冰活化比以及尿素饱和溶液滴冻结温度的实验测定,给出我国对尿素的鉴定结果,并对尿素可否作为优良的过冷云冰核提出看法。     

冷云中冰晶浓度的分布特征

本文分析了世界气象组织于1981年在西班牙进行的增雨计划试验中法国飞机取得的云微物理资料。结果表明:(1)积云、层积云、雨层云中冰晶浓度值均可达10~2—10~3/升量级,其数值大小与云型无关,与云有无降水产生无关。(2)无论降水云或非降水云中在-3—-7℃范围内均出现高浓度冰晶,而在降水云中另外还存在二个冰晶高浓度区,处于-9—-12℃及-17—-19℃范围内。(3)发现在-3—-7℃温度范围内同时有大的软雹及大量的小冰针,並有相当数量d≤15μm和d≥24μm的过冷水滴存在,由此可认为-3—-7℃范围内出现高浓度冰晶可能是由于碎裂次生机制作用的结果。(4)产生降水的云,其云底温度与云顶温度之差值都达到或大于15℃     

光固印模法测量人造冰晶和雾滴

1981年吉林省气象科学研究所等单位研制出,在自然云雾中复制固液态粒子的光固印模新技术。作者将此项技术扩展应用到实验室条件下,复制人造冰晶和雾滴。直径几微米至100微米的人造冰晶和雾滴的印模实验指出:光固印模法复制云室冰晶非常理想,印模清晰,失真度小,并能保存,可取代现用糖液检测冰晶的方法;由于光固液膜对小雾滴的捕获效率低,并受取样时环境的温度、湿度和取样风速的影响严重,所以用它复制雾滴受到一定的限制。     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。     

2008年北京一次春季层状云探测分析

利用云和降水探测设备（DMT-PMS）对一次层状云降水过程进行了探测。分析发现CAS（云及气溶胶粒子探头）在该弱降水云中测得的云粒子平均浓度大于FSSP在其他地区层状云中所测平均值,CIP（二维云粒子图像探头）与2D-C及2D-GA2所测冰晶粒子平均浓度接近,PIP（二维降水粒子探头）与2D-P所测降水粒子平均浓度相当。观测发现云区雪晶浓度与冰晶浓度呈正相关关系,在冰晶浓度〈10^4个／m^3时,雪晶、冰晶浓度之比与冰晶浓度为负相关关系;在冰晶浓度〉10^4个/m^3的时刻,雪晶、冰晶浓度之比不因冰晶浓度变化而变化。温度为-10～-12℃的云区云水条件丰富,有较多的冰晶在该层孕育;降水粒子在温度-7～-10℃的云区生长。温度为-5～-7℃的云区云水不丰富,降水粒子蒸发变小;温度为-4～-5℃的云区仅有少量的降水粒子。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

一次飞机播云的微物理效应分析

根据1995年6月29日对辽宁省一次层状云降水过程的飞机探测资料，对人工增雨催化作业前后各高度层云的含水量、云雨滴数密度、谱型等微物理参量进行了分析研究。结果表明：作业云层(高度：4．0～5．5km，温度：-4．5～-13．8℃)的云水含量约为0．02～0．03g／m^3，是整个云体中最大的，但冰雪晶相对较少，特别是5km以上云层，冰晶粒子只有1000～2000m，因此对这一云层作业是适宜的。作业后在作业高度层产生了大量冰晶，由于冰晶和过冷云滴同时存在，导致小云滴的数密度由34．38cm^-3减少到8．97cm^-3，过冷液态含水量由0．015g／m^3减少到0．005g／m^3；大云滴和冰雪晶的数密度由618m^-3增加为2267m^-3、含水量由0．10g／m^3增加为0．17g／m^3；各高度层的云粒子谱也产生了相应的变化。这个实例验证了实施碘化银催化对作业云的微物理结构产生了影响。