人工冰核的核化速率实验

如同成冰总数一样,核化速率也是催化剂性能的关键参数之一,对于科学设计和指导人工影响天气试验和作业有非常重要的意义,以前很少引起人们的关注。通过借鉴DeMott等使用的化学动力学方法,利用催化剂检测实验中时间特征等资料展开核化速率研究。结果表明,对于其他实验条件相同时,不同样品核化速率不同;同一样品不同温度动态特征明显不同:对于低温段(-16℃),形成冰晶对应快过程,主要表现是凝结冻结核化、凝华核化;而较高温度(≥-12℃)时形成冰晶是慢过程(接触核化、浸入核化机制)起主要作用。建议人工影响天气外场试验和作业中选择催化剂应关注其核化速率差异,根据实验目的优选具有不同核化速率的催化剂。     

云雾中冰晶形成的一种现象

1982年冬季,我们在吉林市松花江晨雾观测中,使用云雾粒子光固印模法,在气温为-22℃和-24℃的两次晨雾中,发现许多团聚形的冰晶。这种冰晶看来有点类似软雹,是由更小的冰晶松散地聚合而成,表面嶙峋起伏,似布满凇结,与取样片碰撞后,常常轻微散碎(见图①,编注:本文附图均见封二)。值得注意的是,在散碎的冰团中,往往可以看到留有一个结合较牢固、进入光固液较深的核。这个核或是由棱角分明的晶体组成,或是由冻滴组成,晶体或冻滴的直径一般小于10μ,结合的滴数1—10个(见图②)。在这两次的雾样品中,还找到了由几个似乎是滴结合成的不规则的小冰晶(见图     

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℃     

层状云飞机增雨催化剂用量研究

催化用量和催化云的温度场、水汽场、动力场、背景水凝物粒子数浓度和谱分布密切相关。根据层状云中催化层过冷云水量、冰水面饱和水汽密度差、增长形成的冰晶群平均质量、催化剂有效扩散空间、催化剂成核率,给出了催化用量的计算公式。选用尺度为50、100和150μm等效水滴质量表示不同核化增长环境的冰晶群平均质量,对于同质核化,催化剂成核率取为1012(个.g-1),对于异质核化以-6℃-、8℃-、10℃为例,计算了催化用量。计算结果和广泛采用的经验用量吻合。比较后发现,国内飞机增雨的实际催化用量明显偏低,应当引起重视。     

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。     

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。     

苏联中央高空观象台二十五年来人工影响云、雾的研究

中央高空观象台(以下简称“观象台”)从1949年开始,对人工影响云、雾进行了系统的研究.以下分别介绍自开展这一工作二十五年以来各方面的进展情况. 1.人工消除过冷低云和雾的研究第一阶段,在实验室试验中研究了干冰和碘化银对云雾的影响,并测定了有效阈温.与此同时,在各种不同的气象条件下,在不同的地理区域进行了外场试验.试验结果证明此方法具有较高的效率;确定了用干冰来驱云消雾的有效阈温为-3℃;并得到了各种温度条件下的最佳剂量值. 利用这些实验资料进行了科学原理研究:(1)研究过冷云雾中引进干冰后,冰晶胚胎的形成机制.确定外界环境参数和催化剂播撒方法对成冰效率的影响,得出不同温度下每克催化剂的冰晶胚胎输出率.(2)研究过冷云雾中人工冰晶化的传播过程.研究结果阐明了影响传播速度和形成的消散区宽度的气象参数.研究表明,催化剂的剂量对人工冰晶区的传播速度及其最终宽度的影响比较小.     

用超声速气流产生冰晶的试验及测定

在２ｍ３等温云室中进行了塑料小泡压爆及超声速气流在过冷雾中产生冰晶性能的试验，在－１℃到－１７℃温度范围内测试其产生冰晶效率。发现这两种方法均能在过冷雾中产生大量冰晶，直到－１℃。在－８℃时每升空气产生的冰晶为１０１１－１０１２量级。是一种经济有效的催化过冷云雾的方法，很有应用前景。     

华北积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程的飞机探测研究

利用中国国家科技支撑计划重点项目环北京地区3架飞机联合云探测试验数据,分析了2009年4月18日和5月1日两次积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程。结果表明：飞机在0—-16℃范围的云层内观测到的冰晶形状主要包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状。云中低层的冰晶形状受云顶温度影响,云顶温度不同,冰晶形状不同,当云顶温度高于-8℃时,云中低层的冰晶以板状和针柱状为主;当云顶温度低于-13℃时,在云中低层可观测到辐枝状冰晶;当云顶温度低于-18℃时,在云中低层可观测到柱帽状冰晶。同时冰晶形态还受其所处云中位置的影响,在积层混合云中的嵌入对流区含有更多的凇附状冰晶;在融化层以上,冰晶的增长过程主要包括凝华、凇附和聚合过程,在垂直方向上,随着高度降低云中过冷水增多,冰晶的凇附增长也相应增强。积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别,在4.8—4.2 km（-11.6—-8℃）高度层,对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km,而层云区为3.67 mm/km,层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区;而在4.2—3.6 km（-8—-5℃）高度层,对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km,层云区为2.33 mm/km,对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍,主要原因是对流区低层的过冷水含量较高。     

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.     

宁南山区雹块氘含量的分析

由10个大雹块(长轴47—64mm)切片中的43个氘样分析得知:雹块的平均δD值为-93.8‰,其相应高度为海拔807m(-14.7℃),干生长层的平均δD值为-101.8‰,相应高度为8803m(-19.5℃),湿生长层的平均δD值为-91.5‰,相应高度为7413m(-11.4℃)。氘含量与冰晶平均长度之间有较好的统计关系。     

利用普通塑料溶液复制冰晶

研究了利用普通塑料,如聚苯乙烯、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚碳酸酯(聚碳酸盐)来复制冰晶.结果表明,所有经试验的普通塑料配合使用合适的溶剂都可以复制冰晶.有机玻璃配合二氯乙烯或三氯乙烯,聚苯乙烯配合1,1,1-三氯乙烷或四氯化碳,比其它被试溶液效果好.还发现,使用塑料和试验过的溶剂的组合的蒸气方法一般不适合复制微小冰晶的细微表面结构.     

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。     

霜生成条件的新认识

通河县连续３天出现霜、这几天的气温、地温都高于０℃，霜一般都凝结在较干的植物面或物质上，这种现象很少见。有人认为，有冰晶结构出现就应记录霜，有人认为既然地面最低温度高于０℃，就不应记霜，究竟怎样记录正确呢？气象学定义：霜是近地面空气中的冰气在地面或地物上直接凝华而成的冰晶，呈白色且具有疏松的晶体结构。并且贴地层空气温度必须低于０℃。为此记录霜不合适，但地面物体上确实出现了霜，这应怎么办呢？１气温、地面最低高于０℃时出现霜的原因从天气图上看，这场霜的形成主要是冷平流入侵使下垫面温度降低造成的。另外…     

含水量对冰晶增长影响的风洞实验研究

用小型垂直过冷云风洞及其测试系统,使冰晶在自由悬浮的情况下生长。在实验温度为-5℃—15℃、含水量为0.5—2.0g/m~3的范围内,结果表明:在水面饱和条件下,冰晶的形状决定于所处的环境温度,含水量的大小对冰晶的基本形状没有影响,只是当含水量加大时,冰晶上会出现更加明显的碰冻增长的痕迹;冰晶的质量和速度增长的峰值和谷值温度分布与含水量的大小无关;随着含水量的增加,冰晶的质量和下落速度的增长会加快,但没有发现含水量的增加有加快冰晶2a轴增长的明显效果。     

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。     

1963年4-6月吉林地区降水性层状冷云中的冰晶与雪晶

1963年4—6月,在吉林地区15次降水性层状冷云的飞行中,用铝箔取样器观测了云中的冰晶与雪晶,共取得432份样品资料。本文将利用这些资料,研究降水性层状冷云中冰晶与雪晶的一般特征。其结论有:(1)云中冰晶(直径为1.1—0.3毫米)的平均浓度为26.2个升~(-1),雪晶(平均直径为1毫米)的平均浓度为0.18个升~(-1);(2)浓度频率的分布较集中,大多集中出现于平均值的一倍以内;(3)云中冰晶与雪晶的平均状况与云顶温度及高度密切相关,云顶温度愈低,高度愈高,云中冰晶与雪晶的平均浓度愈大;(4)云中不同温度或不同高度处的冰晶与雪晶状况是不同的。     

地面温度在0℃以上时能形成霜吗

霜，气象观测规范定义为：水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶；或者由露冻结而成的冰珠。有定义可知，霜形成时，贴地(或近地面物体表面)层空气的温度必须低于0℃。所以．地面温度(观测场地温场内读得的地面温度表的示值，下同)在0℃以上时肯定不会在裸露的地表面上形成霜，那么这个时候近地面物体上会不会形成霜呢?也就是说这个时候近地面物体上的温度会不会降低到0℃以下呢?     

华南飑线系统对流与层云区闪电起始和通道位置处的云微物理特征

利用广州S波段双偏振雷达观测数据和低频电场探测阵列三维闪电定位数据, 分析了2017年5月4日和5月8日华南地区两次飑线过程中闪电起始和通道位置处的雷达偏振参量和降水粒子特征。两次飑线中约80%的闪电起始和通道(统称闪电放电)定位于对流区。对流区闪电放电位置处的雷达反射率(Z_H)要比层云区平均大4~5 dBZ, 其它偏振参量的平均值较为接近。闪电放电位置处的Z_H中值随高度增加而减小, 但差分反射率(Z_DR)、差分传播相移率(K_DP)和共极化相关系数(CC)在-10 ℃层以上随高度变化不大; -10 ℃层以下, 对流区闪电放电位置对应Z_DR和K_DP随高度下降明显增大。闪电起始位置的平均Z_H比闪电通道位置处的平均Z_H大1~2 dBZ, 但前者在对流区内对应Z_H分布峰值区间为25~30 dBZ, 弱于后者的30~35 dBZ; 同时, 它们的对比关系在-20 ℃层上下不同。对流区内闪电放电位置处的主导性粒子是霰和冰晶, 它们的区域占比接近。在层云区内, 闪电放电位置主要是干雪和冰晶, 干雪区域的占比显著大于冰晶。      

基于地基微波辐射计资料对咸宁两次冰雹天气的观测分析

利用地基微波辐射计观测资料,对两次冰雹过程进行观测分析。结果表明:中低层暖湿气流输送、中层干冷空气侵入,在0~10 km形成"上干、下湿"2层垂直分布结构。低层的感热和潜热随上升气流向上输送,2~3 km层明显增温,0、-5和-20℃层略微上升。同时,低层水汽也随上升气流向上输送,降雹前大气液态水总含量(ILW,下同)和大气水汽总含量(IWV,下同)及过冷水含量快速增长。水汽经过冷层后,冰晶增多增大。当冰晶增大落入0℃以上区融化层时,冰晶融化导致液态水增加,一部分形成冰雹或地面降水,导致降雹之后ILW、IWV及0℃以下液态水含量减小。上述结论对冰雹的预警有一定指示意义。