人工影响天气用碘化银催化剂对区域环境影响的研究进展

中国自1958年以来开展人工影响天气作业。碘化银作为主要的催化剂,是否会对环境造成影响备受关注。分析了国内外使用碘化银开展人工增雨雪和人工防雹外场试验作业后降水、土壤和湖泊等的Ag+含量,尽管催化后Ag+含量会有不同程度的增加,尤其是地面燃烧炉催化和人工防雹作业,但降水和水库中的Ag+含量远低于饮用水标准。统计了我国外场人工影响天气作业的碘化银用量,结合降水和水库中Ag+浓度观测,认为我国人工影响天气使用的碘化银不会对水资源和环境造成影响。     

广州地区春季污染雾的化学特征分析

使用2005年2～3月在广州地区采集的雾水样品资料,分析了广州地区污染雾雾水的化学组分;对3次典型污染雾过程雾水的离子浓度及其可能的来源进行了分析。广州地区的污染雾雾水中的诸离子浓度远高于雨水中的值,因而,雾不但造成视程障碍,而且是高浓度污染的液态颗粒物,对人体健康十分有害。在雾水中浓度最高的阴离子是SO4=, 其次是NO3-;在阳离子中Ca++、NH4+的浓度最高。雨水比雾水更酸,说明虽然雾水中的离子浓度较雨水高得多,但大量的离子成分中存在更多的缓冲物质,比如说NH4+和Ca++。雾水中的Ca++、SO4=、Mg++有明显的富集现象,广州地区的污染雾雾水主要受大陆环境和人类活动的影响。这期间广州地区出现严重污染雾与水汽充足和大量气溶胶污染粒子的存在直接有关。     

南岭大瑶山浓雾雾水的化学成分研究

文中利用 1998年 12月～ 1999年 1月和 2 0 0 1年 2～ 3月在南岭山地采集的雾水样品资料 ,分析了南岭山地浓雾雾水的化学成分 ;对 3次典型浓雾过程雾水的离子浓度及其可能的来源进行了分析 ;发现酸雾的频率达 5 1% ,酸雾的危害不容忽视。南岭山地的浓雾雾水中的诸离子浓度远高于雨水。不同过程雾水的化学特征变化差异明显 ,在雾水中浓度最高的阴离子是SO2 -4,其次是NO-3 ;阳离子Ca2 ,NH 4 的浓度最高。雨水比雾水酸性更强 ,说明虽然雾水中的离子浓度较雨水高得多 ,但大量的离子成分中存在更多的缓冲物质 ,比如说NH 4 和Ca2 。雾水中的Ca2 ,SO2 -4,Mg2 有明显的富集现象 ,南岭大瑶山的雾水主要受大陆环境和人类活动的影响。     

南京冬季持续性强浓雾天气中三级分档雾水的理化特性分析

2013年12月7—9日南京出现持续性强浓雾天气过程。利用观测试验中获取的三级分档雾水和分粒径气溶胶的水溶性离子浓度,气溶胶数浓度谱、雾滴谱以及自动气象站获取的气象要素等资料,通过对比研究浓雾过程中4—16 μm（3级）、16—22 μm（2级）、>22 μm（1级）3个粒径范围雾滴（雾水）与分粒径气溶胶的微物理特征和化学特性,探讨不同粒径气溶胶粒子吸湿增长对雾滴的贡献以及气溶胶离子组分对不同尺度雾滴化学性质的影响。结果表明,在强浓雾天气中,能见度为50 m左右,短波辐射减弱形成稳定逆温层,有助于污染气溶胶的累积并吸湿增长向雾滴转化。雾滴的增加主要集中在小滴范围, 直径在0.5—1 μm的气溶胶粒子对其贡献最大。各粒径段气溶胶中阴离子NO₃-和SO₄2-均表现出较高值,阳离子中Ca2+浓度最高。三档雾水中各阴、阳离子浓度均在4—16 μm小滴雾水中最高,16—22 μm中滴雾水和>22 μm大滴雾水的阴、阳离子浓度没有明显的高低之分。阳离子中Ca2+的浓度在第1级小滴雾水中最高,2级和3级雾水中NH₄+的浓度最高,阴离子中NO₃-和SO₄2-在各级雾水中浓度相差不大。雾水pH值2.7—6.9,呈酸性,小雾滴酸性更强。      

人工增雨对密云水库Ag等化学组分影响研究

针对作业期(5～9月)在密云水库上游汇水区开展以飞机播撒AgI催化剂为丰的人工增雨试验,在水库与白河入口处2个采样点对水质进行定期连续监测,利用2004年6月至2006年12月监测数据,发现2个采样点所测组分与变化趋势大致相同;分析了水库水质Ag变化特征,得出Ag月变化在作业期间波动较大,其平均值作业期间低于非作业期间,并呈现逐年下降趋势.化学特征2个采样点无明显差异,阴离子SO42最高,其次是CI-和NO-3;碱金属Ca,其次是Mg和Na浓度最高.人工增雨后,水库蓄水量虽然增加但水库水质未发生明显变化.     

答疑解惑

人工影响天气会污染环境吗 人工影响天气是微物理过程,而不是产生新物质的化学变化过程。人工影响天气作业中经常使用的干冰、液氮、碘化银等催化剂并不会造成环境污染。干冰、液氮汽化后成为二氧化碳和氮气,它们本身就是空气的组成部分,对环境不会产生影响。碘化银中的银离子是重金属,但碘化银用量极小,分散在很大的区域里面,单位体积的含量微乎其微。     

一次罕见的辐射-平流雾研究(Ⅱ)——雾水化学性质分析

利用2006年12月24-27日南京市持续浓雾的雾水样品资料,结合雾滴谱仪观测的雾的微物理结构和系留气球探测的边界层资料,分析了本次浓雾雾水的化学特征.结果表明:酸雾的频率达61.5%,平均pH值为5.63;雾水中主要阳离子是NH+4、Na+、Ca2+,主要阴离子是SO42-、NO-3,其次是Cl-;雾水中总离子和SO2-4浓度水平较高,说明本次过程大气污染比较严重;雾水的Na+/Cl-为3.09,明显高于其它地区,Cl-亏损严重,主要是因为此次雾是辐射-平流雾,受到东南海面上吹来的暖湿平流的影响;雾水中的离子浓度远高于雨水中的浓度,但雨水比雾水更酸;雾水离子总浓度与雾滴粒径呈反相关趋势(r=-0.71);浓雾发展过程中,pH值先升后降,前后出现三次起伏,其趋势与各离子和总离子浓度的变化大体相反.     

密云水库及增雨汇水区白河入库段水质变化趋势

2005—2009年在密云水库及人工增雨汇水区白河入库河段开展了水质监测和分析。结果表明：两监测点pH值年平均值差异很小,并表现出春季最高,冬季最低,夏秋季相对较低的时间变化特征;水库pH值年变化下降趋势较白河明显;分析水库蓄水量及降水量对水库pH值变化影响,5—9月随着降水量增大减小,10月至次年4月随蓄水量变化呈负相关;降水量对pH值年变化影响比蓄水量明显。所测的化学组分含量（K除外）水库均低于白河,其中Ca浓度含量最高,其次是SO42-,碱金属（Ca、Mg、Na、K）总浓度远大于阴离子（SO42-、Cl-、NO3-、F-）;碱金属和阴离子月变化均是冬春季浓度值大于夏秋季,冬季值最高。水库阴离子年际变化趋势不明显,碱金属呈下降趋势。Ag年际变化呈上升态势,白河略高于水库。     

南京冬季辐射雾和平流辐射雾的化学特征差异

利用2006和2007年冬季南京雾外场试验中取得的雾水离子成分资料,分析了雾水化学组分特征,探讨了雾水酸度来源及辐射雾和平流辐射雾的化学特征差异。结果表明,南京冬季雾水中总离子浓度偏高,浓度最高的3种离子成份是SO^-24、NH^＋4和Ca^2＋,但雾水酸性不强,碱性离子成分的中和作用是pH值较高的原因。平流辐射雾中雾水离子总浓度约为辐射雾的2.2倍,平流辐射雾中浓度最高的阳离子为NH^＋4,辐射雾中为Ca^2＋。     

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.     

实施飞机人工增雨对密云水库水质中Ag+影响研究

针对2004年6月--2005年7月汛期（5—9月）在密云水库上游汇水区开展以飞机播撒AgI催化剂为主的人工增雨试验，对水库与白河入口处2个采样点水质进行定期连续监测，分析了作业期间汇水区降水量增加对水库水质Ag^＋及化学组分的影响，发现水库水体所测组分浓度值作业期小于非作业期；Ag^＋有明显的月变化，即作业期为低值区，非作业期为高值区。得出人工增雨后，降水量的增加未影响到水库中Ag^＋离子浓度的增加。     

气球携带碘化银焰弹技术研究

主要介绍在北京地区开展气球携带碘化银焰弹雨雪作业的作业技术，经济效益等问题。通过各种增雨雪技术比较，认敢球携带碘化银焰弹增雨雪作业在北方干旱地区的抗旱工作中或作为收音机增雨雪作业的补充手段具有应用价值     

北京地区一次降雪系统大气水凝物输送特征及降雪微物理机制的数值模拟研究

北京冬季降雪云系存在丰富的可开发利用的云水资源。出于人工增雪研究和充分开发云水资源的需要,文中对北京2019年11月29日发生的年度首场降雪进行了观测,对其资料做了分析和中尺度数值模拟,研究了降雪过程的宏观特征、水凝物输送及降雪的微物理机制。结果表明:影响本次北京降雪的是稳定性层状冷云云系,水凝物主要从北京区域的西边界和南边界输送到区域内,而从东边界和北边界流出,具有西向和南向分量的湿气流是降雪云系水物质的输送通道。降雪云中的水凝物基本全为冰晶和雪,有少量的云水,整层云系都含有非常丰富的水汽并且贯穿整个降雪时段。在冰面过饱和环境中,水汽凝华（Prds）是雪的主要增长过程;其次是云冰增长成雪（Prci）和云冰聚合成雪（Prai）的过程。     

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。      

北京冬季降水粒子谱及其下落速度的分布特征

为了深入探讨北京冬季云降水的微物理特征,提高雷达反演冬季固态降水的精度和冬季降水的预报水平,利用PARSIVEL（Particle Size and Velocity）降水粒子谱仪所观测的冬季降水粒子谱,结合地面显微镜粒子图像和云雷达数据,对比分析了北京海坨山地区冬季过冷雨滴、霰粒、雪花、混合态降水的粒子谱和下落速度特征,得到主要结论如下:（1）霰粒降水过程的云顶最高,整层的含水量最大,低层的退偏振比（LDR）最小,粒子更接近于球形;降雪过程的云顶最低,云中含水量最少,低层的退偏振比较大;混合态降水过程的雷达回波强度和高度特征介于两者之间,但低层的退偏振比最大;（2）在云中上升或下沉气流及湍流的影响下,过冷雨滴、霰粒和雪的下落速度均对称分布于各自理论下落末速度曲线的两侧。因此可根据粒子浓度相对于其直径和速度分布的中轴线位置,判断出该段降水过程中的主要粒子形态;（3）冬季雪花、霰粒和混合态降水粒子下落速度分布的散度较雨滴更大,其原因是由于冷云降水过程的粒子形态复杂,且固态粒子下落过程中更容易受破碎、聚并和凇附等微物理过程影响;（4）在4种降水类型中,雪的平均直径和离散度最大,雨滴最小;混合态降水粒子的总数浓度最大,雨滴的总数浓度最低,并且4种降水类型的粒子数浓度、平均直径和离散度均随降水强度的增大而增大。      

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。     

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。     

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 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,     

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.