碘化银冷云催化的数值模拟研究

利用加入碘化银冷云催化模块的中尺度数值模式WRF对2014年5月9一11日发生在华北地区的一次降雨天气过程进行了增雨催化数值模拟研究。模式的催化参数根据实际增雨作业信息进行设置,探讨了增雨的效果和机理,并针对催化高度和催化剂量进行了两组敏感性试验。结果表明:在高度5~6 km,温度一20~一15℃左右的冷云区位置引入碘化银冷云催化剂可使地面降水量显著增加。地面增雨开始于作业后30 min左右,70 min左右达到最大,90 min后出现减雨,110 min后减雨效果大于增雨。增雨机制主要为:碘化银的播撤使融化层之上云中的过冷水含量显著减少,冰雪晶的含量增加,雨滴碰并雪的过程和雨滴捕获云滴的过程增强;增加的雪晶下落到暖区融化成雨滴的过程增多,最终造成地面降雨量的显著增加。从微物理过程的量级来看,雪晶粒子的融化是导致降水增加的最主要过程。不同催化高度和催化剂量的敏感性试验结果表明,针对这次过程在过冷云水丰富,温度较低而冰雪晶含量相对较少的高度进行催化效果较好。继续加大催化剂量,可以起到更好的增雨效果。     

对流云盐粉催化的数值模拟研究

利用三维对流云盐粉催化模式对一次对流云降水进行了盐粉催化模拟试验。模式中考虑了盐粉与云雨滴和冰相粒子间的相互作用。模拟结果显示,当采用20μm粒径的盐粉进行单次催化时,催化效果较好,地面总雨量可增加20%,催化次数的增多会导致降水的减少。霰融化成雨是雨滴增长的主要机制,霰碰并过冷云水是霰增长的主要机制,催化后霰融化成雨和霰碰并过冷云水的速率均有提高。催化会引起水成物云滴、冰晶、霰和雨滴的比质量变化。霰和云滴的粒径也在催化后出现了明显的增大。催化后短时间内动力过程出现了变化。     

三维对流云盐粉催化模式的发展和催化模拟试验

在三维混合相对流云模式中发展了盐粉催化方案,该方案考虑了盐粒与云雨滴和冰相粒子间的相互作用,模式中增加了盐溶滴的质量Qn和浓度Nn两个预报量.利用盐粉催化模式进行了个例模拟试验,并对催化结果进行了对比分析.结果表明,当采用30个·L-1剂量的盐粉两次催化时,催化效果较好,地面总降水量可增加10％;当催化剂量减少时,增雨效果不明显.同时催化剂量超过1 000个·L-1,可导致降水总量减少.催化时间提前或延后都会影响增雨效果.模拟第70 min后出现了少量的减雨,并持续到降水结束.通过分析催化后云中水成物,发现盐粉催化不仅影响了暖雨过程,而且云雨滴通过冻结形成霰等过程也影响了冷雨过程.     

吸湿性物质催化云雨的研究进展

用氯化钙溶滴消暖雾已经70年了,后来细盐粒子或盐溶液也被用于催化暖云,希望它们在云中形成雨胚,启动或加速碰并过程以增加降水.20世纪60年代,飞机播撒盐粉、地面烧盐粉成为我国人工影响暖云的主要方法,普遍反映有增雨效果,由于当时条件限制,没有进行严格的科学验证;同时,因为实施中播撒剂量大,对飞机又有腐蚀而被搁置.十多年前南非在人工增雨中开发了产生吸湿性微粒的新型焰弹技术,用于暖性对流云催化,通过随机化试验取得了具有统计显著性的增雨效果,这一结果在墨西哥的试验中得到重复;另一方面,泰国一直使用粗吸湿性粒子催化暖积云,近年来的随机化试验也证明能增加降水,但是降水的增加是4 h后在被催化云的新生云中出现的.这些结果重新激起人们对暖云催化的兴趣,成为当前国际云雾物理和人工影响天气领域的热点问题之一.     

黄河上游河曲地区对流云催化增雨的数值模拟研究

应用中国科学院大气物理研究所开发的三维对流云模式,对青藏高原河曲地区强对流云的催化增雨效果及催化云的动力特征、微物理机制进行了模拟研究.模拟结果显示:黄河上游河曲地区的对流云具备一定的催化潜力.如果催化时机、部位选择适当,降水总量增加有望达到30%～50%,催化所产生的动力效果比较显著.催化剂的加入使得云中凝华潜热释放量增加,上升气流加强,云顶升高,云水平尺度也有所加大,地面降水区域扩大,降水时间延长.由于云中冰晶大量生成,导致过冷云水、雨水减少,暖雨过程迅速减弱,云中霰和冻滴量增多,其融化过程加强引起的降水增加远远超过了暖雨量的减少,总的增雨效果比较显著.敏感性实验表明,催化高度对增雨效果的影响最为显著,高于某一催化高度,有可能产生增雨防雹的好效果;低于某一催化高度,则会在防雹的同时使地面降水减少.对流云早期催化的增雨效果较好.一定范围内催化剂量的变化对增雨量影响不大,小剂量催化也有可能达到较好的增雨效果.     

暖底对流云催化的微物理和动力效应的数值模拟

为加深理解暖云底对流云降水形成的微物理机制,调查对这类对流云实施碘化银催化所能产生的微物理和动力效应,本文使用三维对流云模式(包含6种水成物:云滴、雨滴、冰晶、雪花、霰和冰雹),对2004年7月8日发生在我国江淮地区的一例对流云进行模拟,并开展碘化银催化试验。结果表明:(1)模式能够较好地模拟出实测风暴的回波结构。(2)云雨自动转化和霰粒子融化是两个最重要的成雨机制,产生的雨滴占雨滴总数量(质量)的67%(19%)和18%(57%)。(3)对流发展初期在主上升气流区进行的催化试验表明,对本例对流云播撒碘化银能够同时获得增雨和减雹的正效果。(4)催化增加的霰粒子通过竞争机制抑制了前期冰雹的形成,但增强了向雨滴的转化(通过融化机制);催化也促进了二次对流的发展,增加了入云的水汽通量和云水含量,加强了后期的云雨自动转化及碰并增长,导致后期的雨和冰雹增加,并使地面降水分布发生变化。这些结果表明,对暖底对流云进行碘化银催化能够产生微物理和动力效应。     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

盐粉催化积云降水的数值模拟

本文利用二维直角坐标非定常积云降水模式模拟播撒盐粉催化降水过程.播撒是在云中一个网格点中一次引入盐粉,盐粉进云后碰并云滴长大并随云中气流移动和沉降.在计算盐粉成雨的同时还计算自然成雨. 计算结果表明,在合适条件下,盐粉催化后约半小时可出现增雨,增加雨量为10％—50％,它是播撒量的几千倍.盐粉直径小的降雨效率高,但在云中生长时间长,一般采用几十微米至一百微米直径的盐粉为宜.     

基于火箭和高炮真实催化轨迹的一次对流云消减雨的数值模拟

效果评估仍是人工影响天气研究面临的困难问题，数值模式在催化效果的评估方面有望发挥更大作用，建立能够模拟真实催化过程的数值模式是一条可行的途径。本文对一套三维中尺度催化模式进行了改进，采用了新的碘化银核化计算方案，在模式中增加了人工冰晶预报量及相关微物理过程，并实现了对地面火箭和高炮作业方式的仿真模拟。使用改进后的模式，采用500 m的水平分辨率，模拟了2019年9月1日华北地区一次对流云系的人工消减雨作业过程，对催化作业的消减雨效果进行了数值评估，并对碘化银在对流云中的核化特征及其催化作用机制进行了分析。结果表明：（1）催化作业对目标云系的雷达回波强度产生了一些影响，催化导致较多降水粒子滞留在高空，使得云体上部的回波强度略有增加，云体中下部的回波强度减弱，但催化作业并未改变目标云系雷达回波的自然演变趋势。（2）催化作业达到了一定的消减雨效果，作业区下游出现大面积减雨区，降水总量减少，降水强度减弱，局地最大减雨量为0.27 mm，主要影响区的平均减雨率为5.1%。（3）碘化银催化剂主要的核化方式为凝结冻结核化，其次为接触冻结核化。（4）催化作业造成了过量播撒，人工冰晶的成长占据竞争优势，...     

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。      

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。     

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。     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

三维冰雹云催化数值模式

为了研究冰雹形成机制、催化防雹机制和通过数值试验获得冰雹云优化催化技术,在以前工作的基础上,发展了一个３维弹性冰雹云催化数值模式。模式考虑了冰雹云中详细的微物理过程,各种粒子采用双变参数谱,将云中水物质分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和雹８类,可以预报粒子的比浓度和比含量,尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块的数量,非常适合研究冰雹的形成机制。此外,建立了催化剂ＡｇＩ的守恒方程,考虑了人工冰核的凝华核化及与云、雨滴接触的冻结核化过程,并用地面降雹动能通量检验催化防雹效果,因此,也可以研究催化防雹机制和对雹云的催化技术。     

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.     

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 toobtain optimum seeding technique for hail cloud,a 3-D compressive numerical seeding model forhail cloud is developed.The water substance in hail cloud is divided into 8 categories,i.e.,watervapor,cloud droplet,raindrop,ice crystal,snow.graupel,frozen drop and hail,and the detailedmicrophysical processes are described in a spectrum with two variable parameters and morereasonable particle number/size distributions.Then,the model is able to predict concentration andwater content of various particles.Especially.it can calculate the number of hailstones whosecores 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 andnucleation by condensation of artificial nucleus,and nucleation by freezing of cloud droplet or raindrop which contact with AgI particle are considered.The dynamic energy flux of hail shooting onground is used to verify seeding effect.Therefore the model is also used to study mechanism of hailsuppression with seeding and the seeding technique,     

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。