典型层状云系催化试验的云物理响应研究

利用2003年秋季延安地区一次典型层状云系加密探空和实时雷达观测资料,设计了催化和对比探测方案,计算得出催化影响区及下风方可能采集到响应值的区域。按照设计方案进行催化和探测。云物理响应观测结果表明:PNS粒子探测系统检测到催化后30min,小云滴减少;大冰晶的浓度增加;催化前冰晶以片状为主,催化后可看到有霰坯;催化前大雪晶浓度很小,雪晶之间没有攀附;催化后雪晶浓度增加,且大雪晶增加很多,可明显看到几个雪团攀附在一起形成的较大雪团;雷达观测到催化前拟播撒区内云的回波强度较弱、范围较小,催化后云体明显增大,强中心增加了5～10dBz;催化约1h后影响区雨量均有增加,说明催化引入的人工冰晶,使冰晶凝结比水滴凝结更有利于过冷云水转化为降水,冰晶效应和雪晶攀附过程是这次层状云系降水系统中的主要过程。过冷水冻结释放的潜热,导致云内升速加大,使催化区云和降水得到发展。     

关中夏季层状云系结构特征和降水机制研究

本文利用综合探测手段较仔细地研究了一次典型混合性层状云的微物理结构,得出As(Ns)和Sc中降水元增长过程在-1.0—0℃区以冰晶、雪晶的淞附增长和攀附聚合增长为主,正温区以水滴的凝结碰并增长为主。降水元质量增长则是碰并过程起主导作用。采用赫尔吉安——马逊经验公式计算的云滴谱与实测结果有较好的相关性,相关系数为0.8657。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

一次层状云降水过程微物理机制的数值模拟研究

层状云由于在水平上较为均匀, 可以用一维模式来模拟其云微物理过程。因此, 本文使用一个包含详细微物理过程的一维层状云分档模式结合地面Doppler雷达、 PMS观测资料, 对2007年7月1日吉林省一次锋面抬升引起的层状云降水系统进行了模拟研究。计算结果详细地刻画了水滴、 霰、 雪花和冰晶粒子谱分布、 含水量在垂直高度上的分布与变化, 并定量分析了该例中冰晶层、 混合层和暖层中凝华、 凝结、 碰并等微物理过程对粒子谱型的影响, 以及冰晶层、 混合层和暖层对地面降水的贡献率。结果表明, 在该例中, 冰晶层对混合层的播撒以直径D＜300 μm的小冰晶粒子为主。从混合层播撒D＞100 μm的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子对暖层中小云滴粒子的碰并收集作用较强, 同时, 一部分降水粒子在暖层内可通过随机碰并机制产生。三层云对降水的贡献分别为3.5%、 38.5%和58%。三层云中若缺少混合层, 地面降水仅为0.475 mm/h, 谱宽920 μm, 且雨滴粒子数浓度较高; 若无暖层, 降水时间滞后, 雨强增加缓慢, 地面降水达0.807 mm/h, 雨滴粒子谱宽达1500 μm; 无冰晶层时, 降水强度与三层俱全时的模拟结果基本一致, 降水及雨滴谱的改变非常微弱。     

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。     

云室在云雾物理学研究中的应用进展

云室是云雾降水物理学的实验室装置,在云物理实验研究方面一直有着广泛的应用。本文介绍了目前国内几种主要云室的构造和基本性能,以及它们在大气冰核浓度的观测与研究、高效碘化银焰剂及其成冰性能的研究、液氮（LN）消雾成冰性能的实验研究、稀土化合物成冰性能的实验研究、冰雪晶碰并勾连增长的实验与观测分析中的应用,并着重介绍了这几方面试验研究目前在国内的进展情况。     

降水性层状云系结构和降水过程的观测个例与模拟研究

2004年7月4～6日, 在我国东北地区有一次大范围的降雨过程。作者分析了此次层状云降雨的观测资料, 包括机载PMS资料、雷达资料以及地面雨强计资料等, 并用包含详细微物理过程的一维层状云模式进行了数值模拟, 用顾震潮的三层概念模型（把层状云垂直结构分为三层:第一层为冰晶层, 第二层为过冷水层, 第三层为暖水层）分析了云的结构及降水形成过程。结果表明, 这个模型基本反映了降水性层状云的结构和降水产生的物理过程。在第一层中, 冰晶的凝华增长很重要, 也存在冰晶的碰并过程。在第二层中, 冰晶和雪的增长主要是通过凝华过程, Bergeron过程作用很大, 但不同时刻Bergeron过程的作用程度不同。第三层中主要有云滴、雨滴和从第二层降落下来以后融化的雪和霰。云的第一层对第二层有播种作用, 冰晶层对降水的贡献为7%, 过冷水层对降水的贡献为54%, 暖水层对降水的贡献为39%, 降水的产生中冷云过程作用稍大, 但暖云过程也起重要作用。     

山西春季一次层状冷云的微物理结构特征

利用2009年3月11日机载DMT（droplet measurement technology）粒子测量系统获取的山西层状云探测资料,结合天气、卫星、雷达等,分析了降水性冷云的宏微观结构特征.结果表明,降水云系由高层云和层积云组成,液态含水量变化范围为0 0.42 g/m3.CDP（cloud droplet probe;云粒子探头）和CIP（cloud imaging probe;云粒子图像探头）观测到的粒子数浓度偏大,CDP探测到最大粒子数浓度为451.93 cm-3,CIP探测到最大粒子数浓度为162.78 L-1.本次探测适宜的人工增雨作业温度区间为-11.4-7℃、-4.40℃.高层云上部以冰晶的核化和凝华增长为主;高层云的中下部为冰雪晶活跃增长层;通过凝华、碰并机制高层云降落的冰雪晶粒子在层积云进一步长大.层状云水平分布不均匀特性很明显.统计云滴谱谱型分布发现,双峰型、多峰型出现几率较高,指数型主要出现在层积云的中部和顶部,出现单峰型时LWC（liquid water concentration;液态水含量）小于0.03 g/m3或大于0.1 g/m3.     

北京“7.21”特大暴雨云降水结构及云雨转化特征

利用多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和MODIS极轨卫星反演产品,研究2012年7月21日北京特大暴雨的云降水结构及云雨转化特征。结果表明:降水过程三阶段的云降水垂直结构不同。1)在暖区对流降水阶段,降水以暖雨机制启动,雨滴在暖区存在深厚的碰并增长过程,暖雨过程对降水起主要贡献。随着云体的发展,冷雨过程加剧。T-Re分析表明,-10℃层以下云滴凝结碰并显著,-10℃层以上为深厚的冰相增长带,云顶以冰相大粒子为主,云水向雨水转化迅速。2)在锋面对流降水阶段,降水系统为高度组织化的"低质心"强降水液态MCC(Mesoscale Convective Complex)系统。回波强度在冰水混合层增长较快,冻结层是此阶段成雨微物理的关键层。降水粒子在暖云区碰并增长较快,而蒸发或破碎过程并不显著。3)在锋后降水阶段,0℃层附近冰晶粒子与云水的碰并增长较为明显。前期降水存在明显的雨滴蒸发过程。随着云体的发展,暖区云水含量较少,降水粒子不能有效碰并增长。     

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。     

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。     

云雾物理膨胀云室研制及参数测试

膨胀云室可形成水汽、水面和冰面过饱和环境,是研究气溶胶粒子、人工影响天气冷暖催化剂核化过程和机理的重要实验设备。但长期以来,我国缺乏装备先进云雾粒子谱和图像测量系统的膨胀云室。2019年完成的我国自主研制的膨胀云室系统由云室主体、控制系统、通讯系统及环境和云雾测量系统4个子系统组成。该系统首次采用了国产云粒子谱仪和成像仪测量系统。测试结果表明:该云室具有良好的温度和压力控制能力,平均降温速率达到0.26℃·min-1,温度分布均匀,-40℃时舱内温差小于0.29℃;膨胀造雾过程4 min,雾可维持4 min,雾滴较小;可以实现从室温到-50℃低温环境的控制,具备压力膨胀成云雾模拟和微物理参数监测能力,解决了我国缺乏气溶胶粒子和暖云催化剂室内实验装备的状况,对验证暖云催化剂核化性能和提高暖云人工增雨科技水平有重要价值。     

典型非球形冰晶粒子的凝华增长数值模拟试验

在凝华增长过程中,冰晶的形状随着温度和湿度的改变而改变,准确模拟冰晶粒子的演变对于提高云模式的模拟能力起着非常重要的作用。在现有的云模式中,冰晶形状通常假设为球形,而在实际大气中,冰晶形状十分复杂。本研究中,我们根据冰晶凝华增长理论模型建立了一个单个冰晶粒子增长模型,模拟了温度分别为-1℃~-30℃时,单个典型非球形冰晶粒子的凝华增长过程。与风洞观测数据相对比,该模型能够抓住单个冰晶粒子的轴长,质量以及纵横比随温度和湿度的变化过程。我们进一步将该理论增长模型应用到群粒子的凝华增长过程的模拟。我们釆用欧拉二维正定平流输送法(MPDATA)模拟了典型非球形冰晶群粒子的凝华增长,并对比分析了在不同纵横比分辨率下的模拟效果以及温度变化对冰晶形状的影响,结果表明运用该数值方法可以合理地模拟出群粒子在凝华增长过程中纵横比的演变。与目前采用的拉格朗日-欧拉混合平流算法比较,该算法能够耦合到欧拉动力框架下的分档云模式中去,这对我们研究冰晶粒子形状对云微物理过程和动力过程的影响,以及它们对冰粒子凝华增长的反馈作用具有非常重要的科学意义。     

导线积冰的云雾特征观测研究

导线积冰在贵州山区是常见的气象灾害, 导线积冰增长率与气象云雾因子密切相关。研究选择贵州西部、北部、中部3个积冰区进行了专门外场观测, 观测项目有:云滴谱、含水量、气温、风向、风速、导线上积冰的长径、短径。观测分析表明:贵州云滴浓度、特征平均直径没有显著性地区差异; 云滴平均浓度140~312个/cm3, 云滴算术平均直径、均立方根直径、中值体积直径分别为7.5 μm, 11.3 μm和20 μm; 14 μm以上大云滴浓度平均占云滴总浓度的12.5%, 但对含水量的贡献高达78%, 大滴与导线碰撞效率高, 大滴是导线积冰的关键因子; 云雾含水量平均0.20 g/m3; 在0~-6 ℃之间, 含水量随温度的降低而降低; 南北向导线积冰比东西向的积冰多; 导线积冰增长率与含水量的大小成正比, 风速超过3 m/s时, 积冰增长率与风速有较明显的正比关系。     

初冬一次层状云较弱云区垂直结构的飞机观测

为分析层状云垂直微物理结构,了解雷达参数特征,揭示降水机制,利用机载Ka波段云雷达和DMT（Droplet Measurement Technologies）粒子测量系统,针对2019年11月17日山东冷锋层状云系开展从云顶至云底的垂直探测。结果表明:观测云层由高层云（3100~4500 m高度）和雨层云（800 ~2600 m高度）两部分组成。高层云过冷水含量较低,平均值为0.0026 g·m-3,最大值为0.008 g·m-3,云内冰晶通过水汽凝华增长,平均浓度为8.2 L-1,最大直径为900 μm,平衡谱状态下冰晶浓度与雷达反射率因子具有较好相关性,相关系数最大为0.84。雨层云过冷水含量丰富,最大含水量为0.354 g·m-3,过冷水区平均雷达反射率因子为7.48 dBZ,多普勒速度为-2.3 m·s-1,速度谱宽为0.7 m·s-1;雨层云中上部以冰晶为主,下部为暖区融化粒子,冰晶通过凇附过程增长,平均浓度为208 L-1,最大直径为450 μm;雷达反射率因子随高度降低至1500 m不断增大,在1200~1500 m高度保持不变,1200 m高度以下减小,未出现明显0℃亮带,速度谱宽随高度降低增大。     

太行山东麓层状云微物理特征的飞机观测研究

本文利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”的飞机和地面雷达观测数据,重点研究分析了2018年5月21日一次典型西风槽天气系统影响下的层状云微物理特征。结果表明,?5°C层的过冷水含量低于0.05 g m?3,冰粒子数浓度量级101～102 L?1。冰粒子数浓度高值区主要以针状和柱状冰晶为主。这可能低层是Hallett-Mossop机制和其他冰晶繁生机制共同作用下所产生的冰晶碎片在冰面过饱和条件下凝华增长所形成的。冰粒子数浓度低值区的冰晶形状基本以片状或枝状为主。?5°C层的冰雪晶增长主要以凝华和聚并增长为主,凇附过程很弱。零度层附近云水含量峰值区的液态水占比达到70%以上。云水含量峰值区的粒子主要以直径10～50 μm的云滴为主,伴随着少量聚合状冰晶。零度层其他区域的过冷水含量维持在0.05 g m?3左右,冰晶形态主要以聚合状、凇附状及霰粒子为主。液水层则主要以球形液滴及半融化状态的冰粒子为主。垂直探测表明:零度层以上的冰雪晶数浓度呈现随高度递增的趋势。在发展稳定的层状云内,混合层的过冷水含量很低,冰粒子主要通过凝华和聚并过程增长,云体冰晶化程度较高。而在发展较为旺盛的层状云区里过冷水含量也较高,大量液滴的存在也表明混合层冰-液相之间的转化不充分。不同温度层的粒子谱显示,冷水含量高值区的冰粒子平均浓度比过冷水低值区高,但平均直径比过冷水低值区小。     

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。     

对流云中冰相过程的三维数值模拟——Ⅱ:繁生过程作用

在可压缩三维冷云数值模式里对冰晶繁生过程进行了参数化,显式考虑了过冷滴冻结破裂和Hallett-Mossop两个繁生机制,并对冰晶浓度进行了订正。对暖底孤立积云的模拟实例表明繁生作用对对流系统宏观特征没有显著改变,地面总降水略有增加,最大雨强增大且时间提前。繁生过程的主要作用是改变了云的微物理结构特征,使云中冰化时间提早,冰化程度大大加强,引起云上部增暖并抬高云顶。在所考虑的两个繁生机制中,冻结破裂繁生机制是引起微物理结构发生变化的主要过程。还对各冰相微物理过程的相对作用进行了分析。     

云室中两种检测冰晶方法的比较

通过实验比较了在云室中检测冰晶的两种方法－糖盘法和玻片法，结果表明玻璃片测到的冰晶数比糖盘高数倍，讨论了两种方法检测的上下限，优缺点及应用范围。