人工影响天气碘化银催化剂研究进展

碘化银（AgI）类催化剂是人工影响天气外场试验和业务作业中使用最广泛的催化剂,其核化效率和核化机制在很大程度上影响催化效果。在总结美国、中国和欧洲多个国家利用云室和风洞研究AgI类催化剂的核化机制、核化阈温及成核率的室内实验成果的基础上,梳理利用室内实验成果发展的AgI数值催化模式,旨在为下一步优选新型高效AgI类催化剂和改进数值催化模式提供借鉴。AgI类催化剂核化机制包括凝华核化、接触冻结核化、凝结冻结核化和浸没冻结核化,其核化过程受大气温湿条件、催化剂粒子大小、成分等多种因素影响,并与催化剂粒子的燃烧溶液法、燃烧焰剂法和爆炸法等发生方式有关。目前国内外使用的AgI类催化剂含有不同成分,有多种催化剂粒子产生方式,催化剂粒子的核化机制和成核率有很大差异。将来应重点基于高性能云室和风洞,分析不同催化剂配方的核化机制和成核率,优选新型高效催化剂,改进AgI数值催化模式。     

含AgI焰剂成冰性能与物化特征的实验研究

利用CAMS的1 m~3等温云室系统筛选出新型高效AgI焰剂WMC-IN-001和WMG-IN-002。检测结果表明,它们具有较高的成核率,在-15℃时达到10~(15)g~(-1)AgI量级,尤其在-7℃时WMC-IN-001的成核率仍可达到10~(14)g~(-1)AgI量级。同时给出对节银剂配方和2011年市场上主要的几种催化剂的检测结果进行对比。WMC-IN-001和WMC-IN-002的成冰速率较慢,在各检测温度的成冰速率差异较小,均在40~55 min。利用冷场发射扫描电镜和能谱仪对WMC-IN-001燃烧产生的气溶胶粒子作了物化特征分析,粒子分布在0.02~0.60μm,具有两个典型的模态:0.02~0.10μm的较小的粒子和0.20~0.55μm的较大的粒子,均立方直径为0.2472μm。WMC-IN-001气溶胶粒子明显偏大,小粒子相对较少,这可能是其成冰速率偏慢的原因之一。     

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。     

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。     

几种碘化银焰剂成冰性能检测

碘化银焰剂是人工影响天气作业中重要的冷云催化剂,目前国内使用的碘化银焰剂有多种配方,有必要对它们的成冰性能进行统一评估。本研究采用1m^3等温云室,对我国人影作业中使用的7种碘化银焰剂(编号为1~7号)进行了统一检测。结果表明:7种焰剂成核率的量级按每克催化剂计算在10^(10)~10^(13)g^(-1)(-8^-18℃)之间,用指数函数拟合能较好地反映成核率随温度的变化;在低温段(≤-16℃),各焰剂成核率较高,不同焰剂之间的成核率差异相对于高温段(>-16℃)要小;在高温段,3、4、7号焰剂也具有较高的成核率,成冰性能要好于其他焰剂;7种焰剂的核化速率不同,-8℃时90%的冰核完成核化的时间在7.8~18min之间,推断该温度下的成核机制以接触核化等慢过程为主。     

生物冰核Snomax成核性能分析测试

为了研究生物冰核Snomax的成核性能,在静态等温云室中对Snomax的成核性能进行测试分析,得出其成核率、核化速率、成核阈温等性能参数,结果表明在-4～-18℃,Snomax成核率在108/g～1011/g范围内变化,不同温度、过冷水含量、冰核浓度对Snomax催化产生的冰晶形态有重要影响。此外,对比分析测试了AgI焰剂与Snomax的成核性能,试验结果表明AgI焰剂成核率比Snomax高出3～4个数量级,但亲水性Snomax冰核蛋白具有更快的核化速率和环境友好性。通过对比两种冰核的成核特性,分析了生物冰核在人工影响天气作业中可能的应用。     

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。     

AgI水溶胶单滴的冻结实验研究

为了解单个AgI水溶胶滴的冻结特性,本文采用热电偶金属丝悬挂水滴,在小冷室中对AgI水溶胶滴和蒸馏水滴的冻结过程进行了观测,实验结果指出:虽然影响水滴冻结的因子很多,但滴的冻结温度主要取决于水滴中的杂质,由于水滴中出现了AgI水溶胶粒子,因而使得AgI水溶胶滴与蒸馏水滴的冻结温度谱呈现明显的差异,然而若将AgI水溶胶单滴冻结谱的峰值温度,与在小云室中测定的AgI水溶胶雾滴的成冰阈温相比较,两者很为一致,因此揭示出这两种成冰机制的内在联系.观测水滴冻结的另一特征参数固有冻结时间(由滴内冰芽形成到滴全部冻结所     

纳米碘化银在人工影响天气的应用研究 II: 室内实验

运用爆炸法,使用“37型”降雨实弹分别在室内20 L和1200 L云室对研制的人工影响天气纳米碘化银催化剂的成冰性能,包括成核率、成冰阈温、核化速率等,进行检测和研究.在相同实验条件下,在“37型”降雨实弹上将纳米碘化银催化剂与目前常用碘化银催化剂进行对比试验.结果表明,纳米碘化银催化剂成冰性能明显优于常规碘化银催化剂,其成核率比常规碘化银催化剂提高1～2个数量级;成冰阈温值增加;核化速率明显加快.     

南京青奥会开幕式期间人工减雨作业对雨滴谱的影响分析

本文利用南京青奥会开幕式期间的OTT雨滴谱仪观测资料、探空数据和地面降雨及雷达等资料,结合火箭减雨作业的时间和地点,通过人工减雨作业对雨滴谱的影响分析来评估开幕式期间人工减雨作业的效果。首先以奥体中心为目标区域,利用探空数据分析火箭减雨作业的最佳高度和作业点与奥体中心的最佳距离,所得结果与实际作业情况一致。然后,利用实测雨滴谱拟合滴谱廓线,计算雨滴粒子平均直径、中数直径等特征直径,对比南京站点人工减雨作业前后时刻的雨滴谱变化;再拟合各时刻的雨滴粒子总数浓度、雨滴谱谱型参数γ(反映雨滴粒子尺度分布),将人工减雨作业后同时段内的南京站点与芜湖站点的雨滴谱作比较分析。结果发现人工减雨作业后,南京站点的雨滴谱较作业前谱宽变窄,直径小于1 mm的小滴粒子占比增加,大于1 mm的大滴粒子减少,雨滴粒子各特征直径均小于作业前;同时段内南京站点雨滴粒子总数浓度、质量加权平均直径在减雨作业影响时段内均小于芜湖站点,而谱型参数γ总体大于芜湖,且随时间变化趋势与芜湖站点相反。这些特征表明人工减雨作业明显改变了雨滴谱分布,有效减小了雨滴群中的大粒子,从而抑制了降雨的发展,起到减雨效果。     

THE STUDY OF HIGH EFFICIENT AgI PYROTECHNICS AND THEIR NUCLEATING PROPERTIES*

Two kinds of high efficient Agl pyrotechnics BR-88-5 and BR-91-Y have been developed.The tests in the cloud chamber show that the AgI ice nucleating effectiveness can reach up to 10¹⁵/g,and the BR-91-Y has even higher ice nucleating rate.Two kinds of foreign AgI pyrotechnics have been made according to the given formulations and also tested in the cloud chamber for comparison.X-ray diffraction analysis for the aerosols produced by burning BR-91-Y shows that AgI in acrosols still retains the hexagonal crystal form and the lattice parameters are smaller than those of pure AgI and other AgI composite nuclei,and closer to ice.Combining with the other tests,the reasons for the high efficiency of BR-91-Y have been discussed.     

THE STUDY OF HIGH EFFICIENT AgI PYROTECHNICS AND THEIR NUCLEATING PROPERTIES

Two kinds of high efficient Agl pyrotechnics BR-88-5 and BR-91-Y have been developed.The tests in the cloudchamber show that the AgI ice nucleating effectiveness can reach up to 10~(15)/g,and the BR-91-Y has even higher icenucleating rate.Two kinds of foreign AgI pyrotechnics have been made according to the given formulations and alsotested in the cloud chamber for comparison.X-ray diffraction analysis for the aerosols produced by burning BR-91-Yshows that AgI in acrosols still retains the hexagonal crystal form and the lattice parameters are smaller than those ofpure AgI and other AgI composite nuclei,and closer to ice.Combining with the other tests,the reasons for the high effi-ciency of BR-91-Y have been discussed.     

三种含AgI的气溶胶在水面欠饱和条件下成冰性能的实验研究

在水面欠饱和、冰面过饱和条件下，对三种含碘化银的冰核气溶胶的成冰性能进行了研究。实验是在2 m3等温云室中进行的。在无云条件下排除了接触核化的可能性，同时把冰晶中心有无冻滴作为辨认凝结冻结核化与凝华核化的标志。从实验得到的一些定性结果表明，这三种碘化银气溶胶在成冰性能方面存在着明显的差异。     

三七炮弹的碘化银成核率检测

三七炮弹是进行人工增雨和防雹作业所需碘化银催化剂的主要载体之一,炮弹中碘化银催化剂的成核率数据是人工影响天气作业设计和指挥中进行催化剂作业剂量测算的重要参考,因此,对人工影响天气业务中使用的三七炮弹的碘化银成核率进行检测非常重要。2013年11—12月中国气象局人工影响天气中心利用新建的1200 L等温云室和钢板式20 m3专用爆炸室等设备,对目前人工影响天气业务中使用的两个厂家三七炮弹 (样品1、样品2) 的碘化银成核率进行国内首次统一检测。检测结果表明:两厂家炮弹成核率检测结果的拟合值量级均为109~1012/(g·AgI)(检测温度-6℃至-20℃),样品2成核率明显高于样品1。将本次检测结果与国内历次三七炮弹检测结果相比发现,两样品在负温高温段的成核率值均高于以往检测结果,其中,在具有指示意义的-10℃下的成核率,两样品均比以往检测结果要高2~3个量级。不同检测实验中成核率检测结果存在较大差异的现状说明,采用同一平台开展成核率统一检测十分必要。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF HAIL CLOUD-PART Ⅰ:THE NUMERICAL MODEL

In order to study mechanisms of hailstone formation and hail suppression with seeding and to obtain optimum seeding technique for hail cloud,a 3-D compressive numerical seeding model for hail cloud is developed.The water substance in hail cloud is divided into 8 categories,i.e.,water vapor,cloud droplet,raindrop,ice crystal,snow.graupel,frozen drop and hail,and the detailed microphysical processes are described in a spectrum with two variable parameters and more reasonable particle number/size distributions.Then,the model is able to predict concentration and water content of various particles.Especially.it can calculate the number of hailstones whose cores are graupel or frozen drop and apply to study mechanism of hailstone formation.Additionally,a conservative equation of AgI as seeding or glacigenous agent is found and nucleation by condensation of artificial nucleus,and nucleation by freezing of cloud droplet or rain drop which contact with AgI particle are considered.The dynamic energy flux of hail shooting on ground is used to verify seeding effect.Therefore the model is also used to study mechanism of hail suppression with seeding and the seeding technique.     

人工增雨火箭发射仰角及用弹量的估算

根据南阳气象观测站探空资料及AgI在云中成核率与温度的关系,确定了豫南BL-1型火箭人工增雨可播云体的判别标准、火箭发射仰角及火箭用弹量。     

人工增雨火箭发射仰角及用弹量的估算

根据南阳气象观测站探空资料及AgI在云中成核率与温度的关系，确定了豫南BL-1型火箭人工增雨可播云体的判别标准、火箭发射仰角及火箭用弹量。     

含碘化银人工冰核检测问题

对中国人工影响天气中常用的几种碘化银催化剂的成核率做了比对，讨论了不同云室可能响应的主要冰核活化机制和混合云室检测误差来源，此外还给出了动态检测的尝试性结果。结果表明：碘化银类播云剂的检测除了应模拟冰核活化条件外，还应模拟冰核发生时的环境条件，当务之急是建造动态检测设备以取得更为接近实际的检测结果。     

一次中小尺度强降水火箭增雨作业效果评估

分析了2003年7月23夜间至24日,衡水市受副热带高压外围强西南气流及弱冷空气共同作用下出现的一次小尺度强雷雨天气。介绍了实施火箭人工催化增雨作业情况,在作业同时进行了雨量、雨滴谱、雷达和闪电定位观测,利用常规天气图资料、雷达观测资料、闪电定位仪和雨滴谱、雨量等观测资料,对此次天气过程进行了分析,并采用作业区和非作业区对比的方法,就增雨效果从雨量、雨滴谱及秩和检验(Wilcoxon氏法)等方面进行了效果分析,结果显示:在局地强对流云系含水量丰沛,云顶高度高,云层温度低,过冷水区浓厚,同时垂直风切变有利于AgI粒子的结晶和扩散时,作业时机宜选择在降雨初期云中能量聚集尚未释放时,可进一步提高增雨作业效果。