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。     

减弱对流云降水的AgI催化原理的数值模拟研究

在对流云模式中增加了AgI两个预报量,耦合了考虑受水汽过饱度和温度影响的4种核化机制的AgI催化模块,使其具备了对AgI类催化剂的模拟能力,能够研究AgI类催化剂对对流云系统的影响。利用该模式对一次华南对流云降水过程进行了AgI催化数值模拟试验,对人工减缓对流云降水的可能性及原理进行了研究。模拟结果表明,在适当的时机对适当的部位进行大剂量的催化,可以减少总降水量,也可以减少最大降水中心的雨强。当催化浓度达到2×10~8 kg~(-1)时,可以减少32%的降水量,具备有效减缓对流云降水的可能性。大剂量催化后,大量的AgI粒子在冷区核化后,消耗了大量的过冷水。催化后霰粒子的落速和雨水的落速减小。催化阶段由于霰融化成雨水减少而使降水减弱。催化结束后在霰融化成雨水增多的情况下,雨水的蒸发大幅增加,从而导致了降水量的持续减少。AgI在模拟的强对流云中主要以受过饱和度影响的凝结冻结和催化剂长时间作用的浸没冻结这两种方式成核。研究所用催化方法在外场作业中具有技术可行性。     

播撒碘化银粒子进行人工防雹的数值试验

本文在二维完全弹性冰雹云数值模式中，引入冰晶浓度和播撒物质AgI粒子的守恒方程，建立了一个二维催化模式，考虑了人工冰核的三种成核机制，即凝华核化（包含凝结—冻结核化）及与云、雨滴的接触冻结核化，模拟了几种不同冰雹云、不同催化方案下的人工防雹催化效果，指出了防雹的最佳催化方案和适宜催化作业的冰雹云条件。     

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。     

冰晶核化动力学在地形云中的应用

1.引言控制对流云和地形云增雨的主要因子包括目标云和播撒(或催化)物质的特有性能.对于冷云播撤,成核剂的关键的可变因素包括核化机制、核化时间速率和产量(或成核率).在被催化的云中,有效的核化时间可能十分短促.对流云中上升气流使气溶胶粒子     

一种纳米纯AgI气溶胶的制备方法 及其成冰核活性的检测

将100mg纯AgI粉末置于一个气氛炉的汽化管内加热到1600℃使之汽化,再利用高压空气将气态AgI爆冲到一个容积为2m~3的金属容器里,骤冷后形成AgI气溶胶。用碳支持膜对形成的AgI气溶胶粒子自然沉降取样,然后用X射线衍射仪和电镜检测其成分和粒子尺度。检测表明:粉末状纯AgI经汽化—冷凝产生的气溶胶其成分仍为纯AgI,粒子尺度在0.84～34.6nm,峰值直径约为2.17nm。为了验证产生的纳米纯AgI气溶胶在冰核化中是否具有成冰核活性,用15L混合云室分别在云室中有冷雾和无冷雾两种条件下定量注入纳米纯AgI气溶胶,检测了它们在不同温度下的成冰核效率,检测结果是:在云室中有-10℃冷雾时,成核率为1.1×10~(11)个·g~(-1),在云室中-10℃无冷雾时,成核率约为3.4×10~(10)个·g~(-1)。     

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。     

一次降雹过程的AgI系列催化模拟研究

云数值模拟是研究降雹过程和人工防雹试验的重要手段。利用三维冰雹云AgI催化模式,对北京1996年6月10日的一次降雹过程进行AgI不同催化高度、催化剂量和催化时间的系列催化模拟试验,并优选催化方案,为外场防雹设计和作业提供依据。在催化系列模拟中发现,不同催化高度的催化剂均在上升到-5℃高度后开始核化。在2.1~4.9 km高度范围内催化,AgI成核率比较高,防雹效果较好。核化的人工冰晶有效弥补了该高度上自然冰晶的不足。小剂量催化,可在减雹的同时增加部分降雨量,而大剂量催化,在减雹的同时会减少降雨。在催化时间、剂量和高度的系列催化试验中得出,采用在模拟的第15分钟在5 km高度附近播撒AgI,连续4次以5×106 kg-1的催化剂量进行催化,催化效果较好,可减少降雹量约60%,同时可避免降雨量的大幅减少。     

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     

层状云和对流云的雷达识别及在估测雨量中的应用

参考“峰值法”建立了利用新一代多普勒天气雷达回波强度识别混合型降水过程中层状云和对流云的方法,分析了反射率阈值和影响半径的变化对识别效果的影响,检验了识别效果,并分析该方法在雷达估测降水中的应用。表明本文所建立的暴雨中层状云和对流云识别方法基本合理,配合云的垂直结构分析大部分地区识别的效果较好,同时通过该识别方法对合肥2002年6月19日一次强降水天气过程的估测降水的应用,表明只按层状云的Z-I关系估测的雨强,相对于识别对流云和层状云后分别按各自的Z-I关系估测的单点雨强,其最大差别约达37%,相应的面雨量也有一定的差别;对流云的多少对发展的中尺度对流系统的雨强有很大影响,这次混合型降水过程以对流云降水为主。对流云和层状云是形成暴雨的重要因素,准确地识别两者,对估测降水的精度会有积极作用。     

一次浙江对流云催化数值模拟试验

为了研究吸湿性催化剂、碘化银催化剂及两者的联合催化效果,利用双参数三维对流云催化模式,对浙江南部一次对流云降雨过程分别进行盐粉暖云催化、碘化银冷云催化和冷暖混合催化试验,对比研究不同催化方案对对流云降雨的可能影响。结果表明:盐粉催化导致先增雨后减雨,主要通过盐溶滴与云滴碰并增长,及雨滴碰并和霰粒子碰冻过程消耗。在上升气流区和降雨前期进行催化的增雨效果更好,30 μm粒径的盐粉催化剂量为12.5/L时,可增加降雨量17.8%。在降雨过程的不同发展阶段进行AgI催化,表现出先减雨后增雨的催化效果。盐粉和碘化银的联合催化,由于两者催化效果的不同步,使得不同吸湿性催化剂和碘化银催化剂量配置会导致不同的催化效果。当30 μm的盐粉,催化剂量12.5/L,联合碘化银100/L的冷区催化,可取得19%的增雨效果。     

Macro- and Micro-physical Characteristics of Different Parts of Mixed Convective-stratiform Clouds and Differences in Their Responses to Seeding

This study investigates the cloud macro- and micro-physical characteristics in the convective and stratiform regions and their different responses to the seeding for mixed convective-stratiform clouds that occurred in Shandong province on 21 May 2018, based on the observations from the aircraft, the Suomi National Polar-Orbiting Partnership (NPP) satellite, and the high-resolution Himawari-8 (H8) satellite. The aircraft observations show that convection was deeper and radar echoes were significantly enhanced with higher tops in response to seeding in the convective region. This is linked with the conversion of supercooled liquid droplets to ice crystals with released latent heat, resulting in strengthened updrafts, enhanced radar echoes, higher cloud tops, and more and larger precipitation particles. In contrast, in the stratiform cloud region, after the Silver Iodide (AgI) seeding, the radar echoes become significantly weaker at heights close to the seeding layer, with the echo tops lowered by 1.4–1.7 km. In addition, a hollow structure appears at the height of 6.2–7.8 km with a depth of about 1.6 km and a diameter of about 5.5 km, and features such as icing seeding tracks appear. These suggest that the transformation between droplets and ice particles was accelerated by the seeding in the stratiform part. The NPP and H8 satellites also show that convective activity was stronger in the convective region after seeding; while in the stratiform region, a cloud seeding track with a width of 1–3 km appears 10 km downstream of the seeding layer 15 minutes after the AgI seeding, which moves along the wind direction as width increases.     

两次华北冷涡过程雹云结构特征及AgI催化效果数值研究

用三维完全弹性非静力平衡雹云模式模拟了不同低涡雹云演变特征和人工引晶催化效果,结果表明:冷涡雹云中不存在大量的过冷雨滴,过冷水几乎是由云滴组成的,雹胚形成以云霰转化为主,由冰相过程形成降水粒子。近地面有薄逆温层云体,云底温度高,云中垂直运动强,云中过冷云水含量增长迅速且丰富。在雹云主要上升气流到达的过冷水含量大值区下方和过冷水大值区中心部位分别一次引进×107/kg碘化银粒子进行大剂量催化试验,碘化银主要以凝结-冻结方式核化成冰,雹胚浓度增加,雹胚过多争食抑制冰雹增长,使得冰雹直径明显减小。     

基于飞机真实轨迹的一次层状云催化的增雨效果及其作用机制的模拟研究

层状云降水效率通常较低,但却具有较高的云水资源开发潜力,是人工增雨作业的重要对象。随着中国南方地区生态改善、水库增蓄、抗旱等社会需求的增加,针对这些地区降水云系的人工增雨研究显得愈发重要。使用三维中尺度冷云催化模式,对2018年10月21日湖北省一次层状云飞机人工增雨作业过程进行了数值模拟研究,并将模拟结果与卫星、降水和机载云物理观测数据进行了对比。模式合理地模拟出了云和降水的主要宏、微观特征,观测和模拟结果均显示作业云区具有较好的冷云催化条件,在此基础上,按照实际作业中的飞机播撒轨迹,完整地模拟了此次催化作业过程。对数值模拟结果的分析表明:凝结冻结核化和凝华核化是碘化银催化剂的主要核化方式;90%以上碘化银粒子的局地活化比为0.01%—2%,平均活化比为0.07%—0.27%;云系降水是由冷云降水和暖云降水两种机制共同作用的结果,催化作业使两种降水机制均有增强,增雨效果明显;催化后4 h,整个评估区内的累计净增雨量为2.12×108 kg,局地增雨率为?51.1%—306.7%,区域平均增雨率为8.1%;催化作业也使部分地区出现减雨,主要是由于催化过程中的潜热释放引起过冷层动力场扰动,一部分云区的上升气流减弱,从而导致降水粒子的成长减弱,地面出现减雨;在过冷云区,碘化银核化使冰晶浓度升高,导致冰晶-雪、雪-霰的转化过程增强,雪、霰粒子总量增加,更多的雪、霰粒子从冷区落入暖区,在暖区上层产生更多的大雨滴,从而使暖区的云雨粒子碰并过程增强,最终地面降水增加,这是此次催化作业导致增雨的主要微物理链条。      

层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟

在郭学良等(1999年)发展的层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,模拟了碘化银和液态二氧化碳的催化效率以及催化后云中过冷水的分布与演变过程.结果表明:碘化银和液态二氧化碳在5200～5600 m高度上的催化效率相当,最大达到11.1%;液态二氧化碳在2600～3000 m高度层的催化效率明显增大,达到14.2%;模式云被催化后,云中云水含量在200 min都较未催化时增长0.05 g/m3以上,表现出云中过冷水被消耗后的恢复趋势;碘化银和液态二氧化碳对云体催化后,云中水汽含量减少0.5～2 g/m3,对过冷水的恢复作出贡献;催化过程使得模式云中雨滴浓度在210 rin时较未催化时减少73%,在240 min时较未催化时增加309%.得出了两点结论:(1)模式云被催化后,云中过冷水在200 rin表现出恢复趋势,云中水汽对过冷水的恢复过程作出了贡献;(2)在过冷水较多的区域播撒液态二氧化碳可以取得较好的催化效率.     

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。