冷云人工增雨催化区的探空判据

为解决冷云人工增雨催化前没有微物理资料确定人工增雨潜力区的问题,文中利用加密探空资料,根据发生贝吉龙过程的条件,分析了适宜冰晶增长的区域和冷云可播区,提出了冷云人工催化的宏观判据。适宜冰晶增长的区域先于降水在高层出现,降水开始时在-1℃层以上存在深厚的冰水转化区,这一区域自高空向下随天气系统自西向东传播。文中还构造了增雨潜力系数和结束冷云催化的判据。降水过程后期根据可播区、准饱和层的分布判断是否继续进行冷云催化。该宏观判据易于在人工增雨作业中使用。     

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.     

华南冷锋云系的人工引晶催化数值试验

在对华南2004年3月31日~4月1日的冷锋降水天气过程进行正确模拟的基础上, 通过向云中引入人工冰晶研究了催化效应, 结果表明: 催化使地面雨量在催化后30 min开始增加, 80 min时达到峰值, 120 min时减小到最小值。被催化的云团随着自然雨带逐渐向东南方向移动, 并且催化云影响其周围的云团, 造成了催化的下风方域外效应, 使催化效果可以延长到催化后10个小时, 随着自然云的消散而结束。人工冰晶的引入, 使得大量过冷雨滴快速转变为霰粒, 霰粒通过淞附云水和碰并雨滴过程增长, 使降水提前发展, 之后霰粒的融化使地面雨量增加。大量冻结潜热的释放, 使云中温度增加, 上升速度增强, 说明 “静力催化作用” 和 “动力催化作用” 是相互关联不可割裂的。在云体发展早期冷云降水过程还没有启动之前引入人工冰晶的催化效果优于云体发展接近成熟时的催化效果, 而只由催化剂量的不同造成的增雨差异较小。     

冰晶产生的非催化触发机制研究

本文研究了用压缩空气爆破(薄膜爆破,激波管等)和火药爆炸非催化方法触发冰晶产生的作用机制。我们通过大量实验认为超声波和冲击波的作用不一定能够触发过冷水滴冻结,而超声速气流的绝热膨胀冷却作用则是触发冰晶产生的确切机制。然后设计了超声速气流发生装置并在过冷雾中进行触发冰晶产生的实验。结果表明,超声速气流(M=1.1)触发冰晶产生非常有效。阈温为-2℃。冰晶产生的临界压强为2.1atm,阈压随实验温度升高而增加,当总压超过阈压0.2—0.3atm时,冰晶大量产生。这些结果与超声速绝热膨胀理论相一致。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(II)： 人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7~8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验, 研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响。进行了不同剂量和不同高度的催化试验, 详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化。结果表明： 累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区, 催化后累积降雪中心雪量增加, 增雪区周围出现分散的减雪区。过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件。加入人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水, 冰晶和雪的量值均有所增加, 雪碰并冰晶过程、 冰晶转化过程、 凝华过程是雪增长的主要过程, 相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强。这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变, 周围的上升运动减弱, 雪的含量减少, 产生了减雪区。     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(Ⅱ):人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7～8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验,研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响.进行了不同剂量和不同高度的催化试验,详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化.结果表明:累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区.催化后累积降雪中心雪量增加,增雪区周围出现分散的减雪区.过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件.加人人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水,冰晶和雪的量值均有所增加,雪碰并冰晶过程、冰品转化过程、凝华过程是雪增长的主要过程,相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强.这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变,周围的上升运动减弱,雪的含量减少,产生了减雪区.     

冬日话雪

“忽如一夜春风来,千树万树梨花开。”冬日早晨,推开窗户,啊!夜里下雪了!“山舞银蛇,原驰蜡象。”噢,雪好大!雪花是在既有冰晶又有过冷水滴的混合云体内生成的。在这种云体里,过冷水滴不断地蒸发着水汽,而水汽源源不断地涌向冰晶的表面,在那里凝华落脚,使冰晶不断地壮大,形成雪花。雪花的基本形状为六角形,每一朵雪花都是由独特而精美的图案构成,奇妙各异,其形状有千万种。雪花从高空飘落下来,气层温度始终在0℃以下,这就使它们能够以雪花的姿态降临到地面;落入高于0℃的气层,则融为雨滴而降落;当落入0℃以上气层时,已靠近地面了,来不及全部…     

一次冷涡过程降水的微物理机制分析

该文分析了一次冷涡天气过程中云微物理量的分布特征、降水粒子的增长机制及云下雨滴的蒸发效应。主要结果为:云系由低层暖性Sc云和冷性主体As云组成。As云底高2 km,云顶高大于5 km,云中存在比较大的过冷水区,–11.2 ℃时的过冷水含量0.21 g·m-3,但过冷水的含量分布极不均匀,大于0.05 g·m-3的过冷水区连续分布的宽度87%小于2.4 km,不利于云中冰晶的连续凇附增长;同时云下雨滴的蒸发效应大,直径小于1.0 mm的雨滴难以落到地面,因此本次过程只产生弱的降水。     

地基微波辐射计对咸宁一次冰雹天气过程的监测分析

利用咸宁MP-3000A地基微波辐射计探测资料对2010年4月12日发生在咸宁的一次冰雹天气过程进行了监测分析。结果表明:(1)在这次冰雹天气过程中,冰雹云中上升气流非常强盛,引起云底高度剧烈波动,同时将底层空气的感热和潜热向上输送导致等温线上抬,并伴随贝吉隆增长和过冷水滴与冰晶消耗等过程,由于这些宏观和微观过程使得整层水汽与液态水含量连续出现下降和上升过程,产生了多峰结构;(2)在4.2—8km高度过冷层的冰雹云中,08时40分—13时的固、液、气混合相态变化非常复杂,过冷水滴与冰粒子消耗过程、贝吉隆过程和过冷水滴与冰晶增长过程交替出现,产生了相对湿度在6km以下低于80%的区域,且液态水含量在4.2—8km高度处出现0.7—1.8g/m3的大值区,从而形成了冰雹生长过程中交替干、湿增长生长环境,非常有利于冰雹粒子群快速累积以及分层增长;(3)利用微波辐射计资料计算分析了MKI、KI、TT和HI四个不稳定指数,这些指数对强对流天气有很好的指示作用,并对强对流天气有一定的临近预警潜力,若选取KI≥38作为该地区强对流天气预警指标,可以提前45min预警第1次降雹强对流天气,且分别提前20、40和42min预警第2、3、4个对流单体影响该地区。     

青海秋季对流云降水及催化过程数值模拟研究

利用CAMS三维对流云模式和青海省河南县秋季外场试验取得的资料，对自然云的发展演变过程进行了数值模拟试验。进一步就催化时间、催化剂量对增雨效果的影响进行了数值试验。结果表明，该地区秋季对流云降水主要为冷云降水，冰晶是霰产生的主要来源，冰霰自动转化是霰产生的最主要方式，冰晶与霰的碰并又促进了霰的进一步增长，霰是云中过冷水消耗的主要因素。人工播撒催化剂应在冰核活化过程大量开始以前进行，以达到增加冰晶浓度，消耗过冷云水，从而增加降水的目的。     

表面活性剂的可能催化作用

人工降水是人类向天气控制作尝试的最早项目之一。30年来,人工催化冷云的试剂名目众多,并且最近仍不断有新的催化剂诞生使用。但人工催化暖云却依然使用直接向云中撒播如盐粉这类吸湿性物质或大水滴这些传统方法。 根据暖云降水的机制,把吸湿性物质(例如盐粉)人工引入云体后,就能吸附云中水汽,变成溶液滴,溶液滴表面饱和水汽压比水滴小,所以在它的表面会吸附更多的水汽,即借助凝结增长逐渐变成大水滴,再经过与小云滴重力碰并而增大,最后雨滴在云内下降过程中形变,并在强烈的垂直气流冲击下破碎,产生“连锁”反应而形成降水。撒播大水滴也是在云中人工输入“雨种”,使这些雨种经过与盐     

青海对流云数值模拟分析

利用中国气象科学研究院三维对流云模式和2002年青海省河南县秋季外场试验取得的资料，进行了数值模拟试验。该地区秋季对流云降水主要为冷云降水，暖雨过程不易启动。降雨主要是由于霰落入暖层融化，雨水的蒸发是雨水减少的主要机制。霰在降水的产生中发挥了重要作用。霰的生成又与冰晶密切相关。冰晶是霰的主要来源，而且也是霰生长的主要因素。初始的霰粒主要由冰霰自动转化生成，而较少由雨滴冻结生成。霰胚通过收集过冷云水和冰晶与霰的碰并又促进了霰的进一步生长。冰晶的生成主要是由于自然冰核的核化，因此，自然冰核的数浓度对整个降水过程都有影响。霰是云中过冷水消耗的主要因素。     

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。     

山东冰雹形成机制及雹云催化技术模拟——个例研究

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2006年7月5日山东境内一次以冰雹、雷雨大风为主的强对流过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制。结果表明:79%左右的冰雹胚胎是霰,雹胚以霰为主,霰主要来自于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雪的自动转换过程,霰形成后主要靠碰并过冷云水、雨水增长,而冰雹主要质量来源是霰的自动转化以及碰并过冷云水增长。人工催化试验表明:在强对流云中冰雹含量达到0.1 g·m^-3前1～4 min进行催化,能有效抑制冰雹粒子的增长,在过冷水含量中心(5.5 km)上方1.0～1.5 km催化防雹效果较好,在其下方催化防雹效果较差;剂量越大防雹效果越好。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含量降低。催化后雹胚特别是霰胚的数量增多,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度、质量均减小,降低了雹胚向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水增长也被减弱,导致冰雹总质量进一步减少。     

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

自然云中冰晶生成的核化过程及雪晶对过冷云滴的撞冻

鉴于冰晶过程在自然降水形成中的作用十分重要,对冰晶形成的物理过程曾进行过大量研究。由于自然云中冰晶的生成受大气热力、动力学条件及微物理过程等多因子制约,因而在自然云中研究冰晶的形成过程有很大困难,至今有关冰晶生成的核化过程的外场研究仍极少。室内实验可以在控制某些云物理条件下进行,但有些条件(过冷云维持时间、过冷云滴谱等)很难进行逼真的模拟。雪晶对过冷云滴的撞冻是雪粒子的重要增长过程之一;有关雪晶对过冷云滴的撞冻效率,已持续进行多年的室内实验与理论研究。这些研究工作中,都对雪晶形状做了不同程度的简化,对自然云中的雪晶撞冻过程的研究仍极少。     

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。     

一次冬季层状云的人工催化效果响应分析

2018年1月22日在邢台市区倒槽天气系统在低空形成的层状云中利用空中国王飞机搭载的粒子测量系统对水云进行催化作业探测资料,通过催化前后不同尺度的云粒子微物理变化和卫星监测结果,研究人工催化后效果响应,人工催化后目标云效果响应是降水量增加与催化作业之间证据链的重要一环,为增水效果分析提供坚实基础。结果表明,冬季冷云发展过程中,当云凝结核较为同一、且云被限制在某一层内,形成浅薄云层时,云粒子均质增长形成直径为4～6μm过冷水滴组成的水云,最大含水量为0.2 g·m~(-3);催化作业后,人工冰核消耗丰富的过冷水迅速增长形成冰晶及冰晶聚合体,催化使云粒子浓度200 cm~(-3)迅速降到15 cm~(-3),100～1000μm冰晶和雪晶浓度增长到150 L~(-1),1000μm以上降水粒子浓度增长到70 L~(-1),出现直径达6000μm雪花,表明催化促进降雪形成;催化影响区形成无云或少云云区,葵花8卫星云图上沿催化轨迹呈现为深色云带,表明此次催化作业效果显著。     

一次基于飞机观测的河北中南部降雪云系微物理结构的对比分析

2017年2月21日河北省出现一次低槽降雪天气系统，河北省人工影响天气办公室在系统槽前部位层状云系中开展飞机云微物理探测作业，通过对邢台、赵县两地云微物理垂直结构的精细化探测分析，发现本次过程云系为层状冷云。邢台、赵县两地云系均存在明显的逆温层，在逆温层及其下方出现过冷水，邢台过冷水较为丰富含量0.19 g/m3，在温度-8～-11 ℃过冷水丰富层下方可见结凇冰晶，直径有所增大，浓度没有出现明显增加；赵县云系过冷水含量偏低0.074 g/m3，冰晶在温度-8.7～-10.3 ℃的过冷水层以凇附、粘连增长为主，冰晶聚合体比邢台偏多，粒子直径和浓度均比邢台偏大。本次探测过程，邢台云内过冷水含量丰富，具有人工增雪作业的条件；赵县云内过冷水含量偏低，人工增雪条件差。