一种浸润冻结机制冰核测量装置（FINDA）的搭建与应用

为了定量评估降水（雨、雪、雹等）和大气中冰核浓度,搭建了一种新型的离线式冰核测量装置（FINDA）用于检测浸润冻结机制的冰核。对多通道测温元件进行了改装和校准,并利用红外热成像仪动态校准了冷台水平温差,开发了自动化软件实现对测量过程的控制和数据分析。通过超纯水冻结实验、雪水及大气样品中冰核检验评估了FINDA的测量性能。结果表明,FINDA温度测量偏差随温度降低而线性增大,?25℃时误差为±0.75℃;超纯水初始冻结温度平均为?21.27±1.45℃,中值冻结温度（T₅₀）平均为?25.65±0.64℃;对同一降雪融水样品中冰核浓度温度谱检测,FINDA与其他冻滴设备测量结果基本一致,同冰核浓度下温度偏差小于3℃;大气样品中冰核?20℃时比在线连续流量扩散云室测量值略高,与国际上其他学者的结论一致。FINDA能够有效获得0—?25℃每隔0.25℃的冰核浓度谱,超纯水和试验操作引入的冰核对测量结果影响很小。设备的广泛应用可帮助深入了解大气冰核在混合云降水中的作用,为预报和云模式的本地化改进及对云降水理论研究提供重要的实验数据和理论基础。      

沙尘气溶胶对大气冰相过程发展的敏感性试验

利用分档云动力学模式,研究了沙尘气溶胶输送过程中在不同大气背景环境条件下对云内冰相粒子形成、发展和降水过程的影响.通过敏感性试验发现:在背景气溶胶浓度不断增加的情况下,冰相降水率以及冰相降水在总降水量中的比例逐渐减小;只有在大陆性云和污染严重的地区,含有一定比例可溶性物质的沙尘粒子提高了大气中的巨核浓度,使云中冰相降水质粒提前出现,有利于降水的形成.另一方面,当把不可溶矿物气溶胶粒子作为有效的大气冰核参与云降水形成的物理过程时,由矿物气溶胶引起的大气冰核浓度增加在一定程度上抑制云中冰相降水质粒的发展,部分抵消巨核对降水的促进作用.     

改进的人工增雨水滴冻结实验装置

介绍一个改进的水滴冻结实验装置,它由冷腔、冷腔温度控制、水滴冻结信号检测及记录、循环散热和冷环境箱等几部分构成.实验时,将被测水样分散为数十个均匀水滴,分布在涂有硅油的冷板上,温度控制系统使水滴温度线性降低.由于每个水滴中所含冰核引发水滴冻结的温度不同,群滴将会陆续发生冻结.利用水滴冻结释放的潜热和帕尔帖效应,在笔式记录仪上自动地连续给出水滴冻结事件的脉冲信号.对某种水样进行多次的冻结实验得到其水滴冻结温度谱,按Vali给出的方法可以推算该水样中冻结核含量.用该装置曾对北京地区各类降水做过冻滴实验,结果表明不同降水的冻结核浓度的温度谱有明显差异.如能对播云催化作业前后的雨水进行采样并在此装置中进行冻结核浓度的检测,有望为人工影响天气效果的检验提供一个新的物理判据.     

用滤膜法观测大气冰核的静力扩散云室

用滤膜法观测大气冰核的静力扩散云室本项目是在中国气象局云物理基金资助下完成的。它是通过模拟冰核活化环境对大气冰核（或人工冰核）浓度进行观测，研究冰核活化机制，为云物理和人工影响天气的研究提供基本参数的设备。该设备由大气气溶胶粒子滤膜取样器、扩散云室及...     

人为气溶胶的变化趋势及其对气候的影响

一、绪言人类从事的许多活动,其范围是如此之广,尺度是如此之大,已经对区域性气候造成了影响。如果这一过程继续下去,也必将对全球性气候产生察觉得到的影响。随着工业和农业的发展,大气中的气溶胶日渐增多,对气候将产生如下两种影响:1)改变低层大气和地面的辐射平衡。2)可充当凝结核或冻结核,从而影响降水率。本文只讨论第一种影响。人类活动所产生的气溶胶,在被降水冲洗掉以前,大部分仍留在低层大气中。因此,人为气溶胶对气候的影响仅限于地面及对流层下部。为了估算其对地面和低层大气热平衡的总的平均影响,需考虑以下三个主要因素:1)各种气溶胶的产生率与浓度的地区变化趋势。2)气溶胶在被清除掉以前,从一给定源区散布     

新型扩散云室搭建及其对黄山地区大气冰核的观测研究

本研究利用自行搭建的大气冰核高压静电采样器和静力真空水汽扩散云室,并结合其他大气冰核及气象要素观测仪器,于2011年5～9月及2012年9～10月在黄山三层不同高度上同时进行大气冰核及相关气象要素的连续观测。结果显示:黄山地区总冰核数浓度平均为18.74 L-1,凝结冻结核化冰核数浓度平均为0.79 L-1,凝华核化冰核数浓度平均为0.19 L-1。黄山地区冰核数浓度,随着高度的增加而减小;且存在春季较高、秋季居中、夏季较少的季节变化规律;下午达到一天中的最高值,夜晚达到一天中的最低值;总冰核数浓度较北方少。黄山山顶冰核数浓度随活化温度的升高而减小,随过饱和度的升高而增大,随风速的增强而增大,长期主要由西南风向山顶的输送,且其主要由大粒子来充当。     

水滴冻结实验测量降水物中的冻结核含量

文中介绍了一套新研制的均匀水滴冻结实验装置 ,实验水滴与周围环境同步冷却 ,其温度梯度很小 ,可控制降温速率 ,并能自动记录冻结事件 ,从而提高了实验的精度。用此装置对北京地区 1995年底至 1998年出现的各类降水样品进行了实验 ,由水滴冻结温度谱推算了降水的冻结核浓度 温度谱 ,并对结果进行了分析和讨论     

冰核观测中两种滤膜采样方法的比较

大气冰核观测是研究自然冷云降水和人工影响天气的一项基础性工作,滤膜—扩散云室法是观测冰核浓度的主要方法之一。为检测分析两种滤膜采集方法对冰核观测结果的影响,2011—2015年用自制的大气颗粒物采样器和FA-3型撞击式9级采样器开展了平行采样试验,采集的滤膜样本均在同一静力扩散云室中进行冰核活化显现分析。结果表明：自制采样器较9级采样器观测的冰核浓度高数倍甚至数十倍,但两者随季节和不同气象条件的变化表现出一致的起伏特征。自制采样器适用于对大气中总的冰核浓度分布及理化特征研究;9级采样器适用于对PM₁₀中不同粒径段大气冰核浓度和尺度分布以及理化特征的研究。滤膜法对冰核数量的低估与采样体积成正比,改变采样器气泵的抽气流量和控制采样体积对改进“体积效应”影响均有明显效果。     

气溶胶对热带气旋强度及电过程影响的数值模拟研究

将详细的气溶胶活化方案和非感应起电参数化方案耦合到WRF模式的Morrison微物理方案中,在此基础上模拟了理想的热带气旋个例,讨论了气溶胶对热带气旋强度及电活动的影响。研究发现气溶胶对热带气旋强度和电活动的影响在不同发展阶段是不同的。在热带气旋发展阶段,气溶胶增加使云内的云滴数浓度增加,云滴尺度降低,抑制了暖雨过程,未降落的小云滴粒子上升到冻结层之上,冻结形成了更多的冰相粒子,冻结过程释放潜热,激发云系对流发展,使热带气旋强度增强,电活动更为剧烈。而在热带气旋成熟阶段,污染个例中的冰相粒子降落,形成更多的降水,降水粒子在下落过程中对上升气流产生拖曳作用,抑制对流强度。降水粒子在海平面蒸发吸收了大量潜热,使该区域温度降低,这也阻碍了外部暖湿能量向内输送,抑制了对流发展,从而使热带气旋强度降低。而由于污染个例中的冰粒子较少,参与起电过程的冰粒子减少,热带气旋的电活动强度降低。     

新书架上

Chemistry of Multiphase Atmospheric Systems(多相大气系统化学) Wolfgang Jaeschke编,Springer-Verlag出版,1986年,773页。本书介绍的是多相(气相、液相、固相)大气化学问题。全书分五部分。第一部分介绍一些分析和实验方法。这些方法对研究云滴、降水和气溶胶粒子的化学组成和化学转换过程是很必要的。第二部分是关于云、雾、降水的外场研究。第三部分主要是关于在有气载粒子和液态水存在的条件下大气主要痕量气体的产生、分布和清除问题。第四部分是关于     

对冬季云贵—华南准静止锋上一次多相态降水过程的模拟研究

云贵—华南准静止锋使其以北地区成为研究冬季雨雪过渡区内不同降水相态的理想平台。通过对2018年1月25—27日南方凝冻天气过程中天气学和云微物理参数的分析,定性探讨了次冻结层的温度与冰核活化温度对不同降水相态形成的影响,进而利用耦合BTC降水相态诊断方案（简称“BTC方案”）的WRF(Weather Research and Forecasting)模式,对本次凝冻天气的降水相态、冻雨发生区域与冻雨量进行数值模拟。结果表明：横贯云贵高原和南岭地区的准静止锋导致的锋前“冷—暖—冷”的温度垂直结构有利于多相态降水的形成。耦合BTC方案的WRF模式可模拟出不同降水相态落区的空间分布,其模拟冻雨落区时空分布与观测基本一致,但冰粒的空报率非常高。分析WRF模式模拟的多相态降水时温度、相对湿度和水成物的垂直分布特征,云内水成物初始相态为液态,在高空逆温层存在的前提下,次冻结层中冰核活化温度是区分冻雨和冰粒的临界指标且具有明确的物理机制。利用次冻结层中的冰核活化温度来代替BTC方案中有关冻雨和冰粒的判据后,冻雨落区预报准确率较BTC方案提高了13%,表明直接利用次冻结层的冰核活化温度判断冻雨可行。     

一个检测水中冻结核含量的新装置

为了检测降水物中冻结核的相对浓度,在Vali均匀水滴冻结实验方法的基础上,研制了一种可自动检测冻结信号和处理实验数据的装置。其主体是由一组热电偶制冷的冷台,49个热敏元件等间隔地贴在冷台上,其中一个贴上小型的Pt100测温元件,另一个作为信号参考,其他47个热敏元件各滴上一个被测水滴。试验进行时冷台和水滴线性降温,降温率由818P4欧陆控温仪控制。每个水滴冻结时释放的潜热被热敏元件检测,经电路转换为电压信号,全部水滴冻结产生的一串等值信号由计算机实时跟踪监测。可得到水滴冻结的温度谱和时间谱。通过软件计算可方便地推导出水中所含冻结核的微分和积分浓度的温度谱。与以前的同类装置相比,提高了效率和检测精度。文中简要地介绍了该系统的结构、软件功能、试验程序,并给出了几种人工和自然水样的初步检测结果。这个装置对检测水中冻结核和播云催化剂研究都是有用的。人工冰核(如AgI)常用于人工增雨作业,如果对催化前后的降水样品取样检测它们的冻结核含量,可能发现其中的差别,有助于评估播云效果。     

一个用于催化剂成冰性能检测的新型等温云室

云雾物理实验是我国大气科学研究需要加强的一个方面, 文中介绍了中国气象科学研究院新建用于人工冰核催化剂成冰性能研究的1 m3等温云室。阐述了该云室主要结构组成、 性能特点、 附属设备和实验程序, 以及所开展的催化剂成冰效率的初步检测研究。实验结果表明, 该云室在原建系列云室基础上, 对制冷及保温性能有很大的改进和优化, 更适合催化剂成冰性能检测和研究, 为今后我国开展云雾、 降水微物理实验研究和提高人工影响天气催化技术水平提供了一个有用的综合研究平台。     

气溶胶对新疆冰雹形成物理过程影响的数值模拟研究

利用带有分档微物理方案的中尺度模式（WRF-SBM）模拟了一次新疆夏季的冰雹天气过程,并通过敏感性试验研究了气溶胶浓度变化对雹云微物理特征、降水过程及冰雹形成机制的影响。结果表明:初始气溶胶浓度越大,对流云发展越旺盛。雹云发展阶段,云中液水含量随气溶胶浓度增加而增多,冰水含量在中度污染时最多。冰雹的含量随气溶胶浓度的增加呈现先增加后减小的趋势,相较而言中度污染条件下,云滴尺度适当,过冷云水含量相对充足,更有利于液相水成物向冰粒子的转化,也更有利于冰雹的生长。冰雹最初几乎全部由冰晶碰冻过冷水生成,随后该过程迅速减弱,液滴冻结过程短暂地成为主要来源,但冰雹一旦形成,自身就会迅速收集过冷水开始生长,成为冰雹生长的主导过程。重度污染条件导致各种成雹过程推迟发生。气溶胶浓度增大导致地面液相累积降水增加,冰相累积降水先增加减少,并且气溶胶浓度适当增大可使降雹量及冰相降水中冰雹的比重增加,过量则会减小。在此基础上,本文提出最适合冰雹生长的“最优气溶胶浓度”,同时也是人工防雹工作中应重点关注的浓度。     

沙尘气溶胶作为冰核对阿克苏地区一次多单体型强对流风暴降水及其微物理过程影响的数值模拟研究

将DeMott冰核浓度参数化方案引入到WRF中尺度数值模式中,模拟了新疆阿克苏地区一次多单体型强对流风暴,并对背景大气条件和沙尘条件下气溶胶作为冰核,对云中微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析,结果显示:在背景大气条件和沙尘条件下增加冰核浓度对降水中心强度影响较小,并且总体上看降水分布变化不大,但是降水局部的变化量较明显;不同背景条件下IN（Ice Nuclei）浓度的增加使得冰晶和雪的质量混合比和数浓度均有较大幅度的增加,其中雪的主要源项为凝华增长过程,而霰增长主要来源于冰相粒子碰并过冷云滴,并且在背景大气和沙尘条件下增加IN都使得霰的数浓度增加,尺度减少。     

稀土气溶胶成冰性能的实验研究

本文介绍了用憎水型滤膜收集稀土化合物和碘化银气溶胶的力法,并用油浸滤膜,水滴冷台冻结测温对上述气溶胶作成冰性能的对比实验。实验结果表明,稀土化合物气溶胶的成冰能力为中等,与AgI比较其成冰性能从高到低依次为:AgI(-4.3℃),R_2(C_2O_4)_3(-11.7℃),R(IO_3)_3(-13.1℃),RPO_4(-13.8℃),R(OH)x(-15.2℃),RF_3(-15.6℃)。     

沙尘气溶胶辐射特性及其观测方法初步评述

沙尘气溶胶在全球及区域尺度气候和环境变化中起着十分重要的作用,大气中的沙尘可通过"阳伞效应"、"冰核效应"和"铁肥料效应"影响全球气候。本文对沙尘气溶胶的气候效应及观测方法进行了介绍。     

云降水物理与人工影响天气研究进展(2008～2012年)

本文回顾和总结了近5年(2008～2012年)云降水物理与人工影响天气主要研究进展,并讨论了目前存在的主要问题和亟待解决的关键科学问题.内容涉及可分辨云数值模式及模拟研究、云降水的观测与遥感反演研究、气溶胶对云降水的影响及人工影响天气相关的数值模式、观测试验研究等.提高对云降水形成过程、时空结构与演变机理的深入认识,对揭示大气水循环、气候变化过程,提高天气精细化预报、大气云水资源开发利用及气象防灾减灾的能力,具有十分重要的作用.     

首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理

中国气象科学研究院在国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理”中承担第２分项——首都北京及周边地区大气污染机理与调控原理。该项目在２０００年的主要进展如下：１）卫星资料反演技术探讨了利用静止气象卫星ＧＭＳ－５可见光通道的资料反演北京市大气气溶胶光学厚度分布的可能性;利用太阳光度计资料和卫星资料相结合反演北京市大气气溶胶光学厚度的可能方祛。研究城市高反射率对遥感气溶胶光学厚度的影响。利用数值模拟方法（包括使用６Ｓ软件）,研究了在不同下垫面反射率值条件下反演…     

大气化学、大气成分观测与服务进展

1．973项目“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”主要进展 中国气象科学研究院主持的国家重点基础研究发展计划项目“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”在2010年年底完成,并顺利通过了项目验收。取得的主要研究进展如下：