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...     

一个观测冰核的15 L混合云室

小型混合云室常用于自然冰核浓度的观测和人工冰核成核率的检测。使用表明:由于受云室容积、造雾方法和操作程序等因素的影响, 检测结果有很大差异, 难以相互比较。为提高检测数据的可信性, 设计并制作了15 L混合云室。云室由F22压缩机系统制冷, 最低能达到-28℃。为减小云室温度的波动, 在云室外围设计有装满乙二醇-水溶液的夹套。在溶液中, 安装了1个1 kW的电加热器, 接通后可使云室升温。在夹套外, 采用发泡技术形成约10 cm厚的绝热层, 以使云室与外界绝热。云室运行时, 可通过控制压缩机和电加热器得到实验温度。此外, 为拓宽检测冰核浓度的检测范围, 设计了玻璃片接取显微镜读数和糖盘接取目测读数两种可供选择使用的冰晶观测方法, 前者在冰晶浓度高时使用 (人工冰核), 后者在低浓度时使用 (自然冰核)。另一个重要改进是:先由一个超声雾化器产生常温雾, 而后使常温雾穿过一个低温狭缝进行预冷, 当雾温等于或低于云室温度后再进入云室。这一措施不仅避免了瞬时高度过饱和, 而且还减小了对云室温度的扰动。该云室在弹载催化剂成核率的改进实验中发挥了重要作用, 曾用它对多个人工冰核复合配方进行了检测和对比。结果表明:云室具有较好的稳定性和重复性, 整体性能优于以往的同类云室。这一结果是由于改进了提供过冷雾的设计和冰晶接取方法得到的。     

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。     

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。     

沈阳春夏季大气冰核浓度的观测研究

为了解沈阳地区大气冰核浓度的时空分布状况,2010年起开始对沈阳地区的大气冰核浓度分布进行观测和研究.地面采用Bigg型混合云室法和滤膜法进行冰核气溶胶的采样测量,高空利用辽宁省人工影响天气办公室租用的人工增雨飞机进行滤膜法采样.采样滤膜的处理都是统一在活化温度-15℃及冰面过饱和度20％、水面过饱和度3％的湿度条件下进行的.根据取得的部分观测资料,给出了沈阳春夏季大气冰核的浓度及冰核温度谱分布参数,分析了冰核浓度在3～6月各月以及在不同天气状况下的分布特征,初步给出了大气冰核浓度的尺度谱分布及其随高度的变化.     

两种不同云室进行冰核检测的研究

本文针对吉林省440L卧式云室和20L分体式云室结构特征,介绍两种云室不同之处及冰核成冰性能检测特点,440L云室采用高速气流等成冰方法的模拟试验,不仅验证了气流动力作用具有良好的成冰性能和应用前景,还验证了该云室在冰核检测中具有良好的性能。20L分体式云室在微、纳米AgI冰核成冰试验检测的结果表明,该云室催化剂冰核检测的检验效果明显。     

福建石塔山大气冰核的观测和分析

1983年和1984年4—6月,在福建石塔山应用混合型毕格云室进行大气冰核观测,结果表明石塔山冰核浓度和北方各地观测结果没有量级上的差异。 当测点出现大雾时,观测到的冰核浓度明显偏低。另外,由毕格云室观测法和滤膜观测法的结果比较表明,毕格云室的观测结果偏小。      

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。     

一种改进的测量冰核的滤膜技术

关于冰核浓度的测量,还没有令人满意的标准外场方法,尽管滤膜技术是一个有希望的选择,但这要能消去或能说明随取样体积增加冰核浓度下降的趋势。为此研制和试验了一种改进的显现暴露后滤膜的通风(动态)云室系统。对从新的动态云室得出的自然冰核浓度与同时由静态扩散云室得出的结果进行了比较。采用静态云室方法,其结果表明存在体积效应,但在新的动态系统的结果中这种效应消失了。为了证实通风气流效应,对混有氯化钠或不混有氯化钠粒子(吸湿材料)的碘化银和四聚乙醛这两类不同人造冰核的取样滤膜进行显现。不管是否混有吸湿物质,测量的人造冰核浓度具有相同的数量级。自然和人造冰核浓度测量的一致性表明用新的动态云室技术可以消除体积效应。     

在线连续流量扩散云室对华北冬季大气冰核的观测分析

利用国内首台在线连续流量扩散云室,2017年冬季在华北地区高山站开展了大气冰核观测;结合常规气象要素、降水滴谱、气溶胶观测,分析了大气冰核数浓度特征,并对冰核活化参数化方法以及降雪对冰核的影响进行了研究。结果表明:（1）大气冰核在不同时间的浓度差异较大,?20°C时数浓度变化范围为2.50～76.8 L?1,平均值为18.347 L?1;（2）大气冰核浓度随活化温度降低呈指数增加趋势,随过饱和度增加呈指数增加,凝华核化所占比例约为18.64%;（3）大气冰核与粒径大于0.5 μm的气溶胶数浓度的关系可用参数化表示,相关性大于仅基于活化温度建立的参数化公式;（4）降雪过程大气冰核具有先增加后减少的特征。降雪开始后大气冰核数浓度增加,降雪后期系统过境伴随的大风,对气溶胶的清洗作用明显,大气冰核随之减少。本研究为在线连续流量扩散云室类型的冰核观测仪在国内首次使用,所建立的冰核参数化公式有助于华北地区冬季地形云及其降水的微物理特征研究,同时在云模式的发展和人工影响天气研究中也有重要的参考意义。     

A 2M~3 ISOTHERMAL CLOUD CHAMBER FOR THE STUDY OF ARTIFICIAL ICE NUCLEI

A 2m~3 isothermal cloud chamber mainly for ice nucleation research is described in this paper.Its structure,attached instruments and experimental procedures are also presented.The experiments of determining the icenuclei effectiveness for the Agl-containing aerosols produced by three formulations have been conducted andthe results have been compared with those of the CSU 960-liter isothermal cloud chamber.All experimentalresults show that the chamber has advantages of stable performance and reproducibility.It would be expectedto become a useful experimental facility for ice nucleation research.     

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。     

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。     

碘化银核化过程的数值模拟研究

根据DeMott等给出的不同成核机制下AgI成核效率的实验结果 ,通过数值模拟的方法 ,研究了AgI粒子在云室、层状云和对流云中的核化过程。通过对云室的模拟 ,发现云滴浓度和云雾持续时间是造成不同云室检测的AgI成核率相差悬殊的主要原因。数值试验结果表明AgI的成核方式在层状云和对流云中有很大不同 :层状云中AgI主要以接触冻结、浸没冻结等慢核化过程为主 ,而对流云中则以凝结冻结过程为主。     

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。     

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。     

Sensitivity Study of Anthropogenic Aerosol Indirect Forcing through Cirrus Clouds with CAM5 Using Three Ice Nucleation Parameterizations

Quantifying the radiative forcing due to aerosol–cloud interactions especially through cirrus clouds remains challenging because of our limited understanding of aerosol and cloud processes. In this study, we investigate the anthropogenic aerosol indirect forcing (AIF) through cirrus clouds using the Community Atmosphere Model version 5 (CAM5) with a state-of-the-art treatment of ice nucleation. We adopt a new approach to isolate anthropogenic AIF through cirrus clouds in which ice nucleation parameterization is driven by prescribed pre-industrial (PI) and presentday (PD) aerosols, respectively. Sensitivities of anthropogenic ice AIF (i.e., anthropogenic AIF through cirrus clouds) to different ice nucleation parameterizations, homogeneous freezing occurrence, and uncertainties in the cloud microphysics scheme are investigated. Results of sensitivity experiments show that the change (PD minus PI) in global annual mean longwave cloud forcing (i.e., longwave anthropogenic ice AIF) ranges from 0.14 to 0.35 W m^–2, the change in global annual mean shortwave cloud forcing (i.e., shortwave anthropogenic ice AIF) from–0.47 to–0.20 W m^–2, and the change in net cloud forcing from–0.12 to 0.05 W m^–2. Our results suggest that different ice nucleation parameterizations are an important factor for the large uncertainty of anthropogenic ice AIF. Furthermore, improved understanding of the spatial and temporal occurrence characteristics of homogeneous freezing events and the mean states of cirrus cloud properties are also important for constraining anthropogenic ice AIF.     

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.