改进的人工增雨水滴冻结实验装置

介绍一个改进的水滴冻结实验装置,它由冷腔、冷腔温度控制、水滴冻结信号检测及记录、循环散热和冷环境箱等几部分构成.实验时,将被测水样分散为数十个均匀水滴,分布在涂有硅油的冷板上,温度控制系统使水滴温度线性降低.由于每个水滴中所含冰核引发水滴冻结的温度不同,群滴将会陆续发生冻结.利用水滴冻结释放的潜热和帕尔帖效应,在笔式记录仪上自动地连续给出水滴冻结事件的脉冲信号.对某种水样进行多次的冻结实验得到其水滴冻结温度谱,按Vali给出的方法可以推算该水样中冻结核含量.用该装置曾对北京地区各类降水做过冻滴实验,结果表明不同降水的冻结核浓度的温度谱有明显差异.如能对播云催化作业前后的雨水进行采样并在此装置中进行冻结核浓度的检测,有望为人工影响天气效果的检验提供一个新的物理判据.     

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     

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。     

一个检测水中冻结核含量的新装置

为了检测降水物中冻结核的相对浓度,在Vali均匀水滴冻结实验方法的基础上,研制了一种可自动检测冻结信号和处理实验数据的装置。其主体是由一组热电偶制冷的冷台,49个热敏元件等间隔地贴在冷台上,其中一个贴上小型的Pt100测温元件,另一个作为信号参考,其他47个热敏元件各滴上一个被测水滴。试验进行时冷台和水滴线性降温,降温率由818P4欧陆控温仪控制。每个水滴冻结时释放的潜热被热敏元件检测,经电路转换为电压信号,全部水滴冻结产生的一串等值信号由计算机实时跟踪监测。可得到水滴冻结的温度谱和时间谱。通过软件计算可方便地推导出水中所含冻结核的微分和积分浓度的温度谱。与以前的同类装置相比,提高了效率和检测精度。文中简要地介绍了该系统的结构、软件功能、试验程序,并给出了几种人工和自然水样的初步检测结果。这个装置对检测水中冻结核和播云催化剂研究都是有用的。人工冰核(如AgI)常用于人工增雨作业,如果对催化前后的降水样品取样检测它们的冻结核含量,可能发现其中的差别,有助于评估播云效果。     

降温速率对三种类型水滴冻结过程影响的实验研究

大量实验研究表明,水滴的异质冻结既与所含冰核有关,又包含一定的随机过程。本研究一方面对已有的实验研究结果进行验证,同时寻找水滴冻结与温度及时间的定量关系,检验随机假设和奇点假设的相互作用。选用雨水、纯净水和瓶装饮用水3种水样,采用中国气象科学研究院的均匀水滴冻结实验装置,对3类水样做了不同的恒定降温速率实验,并对雨水进行了恒温实验。结果表明,总体来看,随温度降低,降温速率慢的液滴累加冻结比例高于降温速率快的液滴,并且在纯净水和瓶装饮用水中更明显;降温速率越大,平均冻结温度和中值冻结温度越低,不同的是雨水的值跟降温速率成对数关系,而瓶装饮用水的值与降温速率成线性关系(纯净水因为只有两种降温速率,故不能确定是哪一种关系);不同水样的冻结几率随温度的降低指数增大,而瓶装饮用水冻结几率函数中指数前的系数随降温速率的增大指数减小;恒温阶段,雨水的冻结几率随时间指数衰减,在恒温的前2 min衰减较快,之后减慢,并且水滴冻结在前2 min发生较多,之后变的很少,15 min之后则没有冻结事件发生。该现象可以用随机假设和奇点假设结合起来解释,当温度达到或低于特征温度时,水分子在冻结核上的聚合需要一段时间,所以造成了在恒温阶段出现水滴冻结的现象。水滴冻结是两种假设的共同作用。     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究北大核心CSCD

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)>5 m·s^(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W>5 m·s^(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|>0.1 nC·m^(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)>5m·s^(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s^(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|>0.5 nC·m^(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W<20 m·s^(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

水滴冻结实验测量降水物中的冻结核含量

文中介绍了一套新研制的均匀水滴冻结实验装置 ,实验水滴与周围环境同步冷却 ,其温度梯度很小 ,可控制降温速率 ,并能自动记录冻结事件 ,从而提高了实验的精度。用此装置对北京地区 1995年底至 1998年出现的各类降水样品进行了实验 ,由水滴冻结温度谱推算了降水的冻结核浓度 温度谱 ,并对结果进行了分析和讨论     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)5 m·s~(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W5 m·s~(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|0.1 nC·m~(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)5m·s~(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s~(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|0.5 nC·m~(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W20 m·s~(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

大气电场中水滴表面电应力的理论计算及实验探讨

在雷雨云中,雨滴在强电场作用下产生变形和破碎的放电过程,是与闪电的形成和发展密切相联系的。因此,大气电场中水滴表面应力的理论计算和分析,是受到广泛重视的研究课题。1964年泰勒(Taylor,G.I.)分析了电场中水滴破碎的问题,在泽伦(Zeleny,J.)、威尔森(Wilson,A.T.)和麦基(Maocky.W.A.)、罗兰(Nolan,P.J.)等人工作的基础上,提出了水滴呈旋转长椭球和呈圆锥状突起时的应力平衡方程。在泰勒等人的工作中,对水滴表面所受电应力的计算分为两种情况。一是水滴本身带电,而无外电场:另一是有外电场,但水滴本身不带电。显然,实际大气还存在既有外电场,同时水滴又带电荷的第三种情况。本文针对上述问题,提出了在均匀电场中,存在长椭球状带电水滴时,在水滴外空间的电势分布表达式,并给出水滴表面电场强度和所受电应力的计算公式并对有关实验进行讨论。     

梅雨对大气气溶胶粒子的清除

应用Wang等的水滴碰并粒子的碰并系数和滴谱资料,计算南京地区梅雨对气溶胶粒子的清除性能。结果为:(1)冲洗系数K(ap)与降水强度Ⅰ的关系为K(ap)=A(ap)Ⅰ~b(ap)。A(ap)在ap=0.2附近有极小值3.13×10~(-s),当ap=10μm时A(ap)增大到3.54×10~(-4)。指数b(ap)取值0.79—0.85(2)一次历时2—3小时的降水,冲洗掉ap<1.0μm的粒子百分之几至千分之几。但能冲洗ap>10μm粒子的90％以上。(3)谱平均碰并系数与降水强度有微弱的关系。雨强增大10倍,该系数增减1—10％,E取值在8.5×10~(-5)到9.6×10~(-1)之间,因粒子大小不同而异。     

稀土气溶胶成冰性能的实验研究

本文介绍了用憎水型滤膜收集稀土化合物和碘化银气溶胶的力法,并用油浸滤膜,水滴冷台冻结测温对上述气溶胶作成冰性能的对比实验。实验结果表明,稀土化合物气溶胶的成冰能力为中等,与AgI比较其成冰性能从高到低依次为:AgI(-4.3℃),R_2(C_2O_4)_3(-11.7℃),R(IO_3)_3(-13.1℃),RPO_4(-13.8℃),R(OH)x(-15.2℃),RF_3(-15.6℃)。     

青藏高原中部冻融强度变化及其与气温的关系

使用青藏高原中部野外22个站点2010-2014年观测数据结合GLDAS-NOAH陆面模式1960-2014年3 h 0.25°×0.25°格网数据,通过线性拟合等方法分析了高原中部的冻结强度变化并探讨了其与气温的关系。选取典型站点资料,结合GLDAS-NOAH数据对四次冻融过程进行分析比较,结果表明:(1)冻结强年和冻结弱年,高原中部季节冻土区各站点冻结、消融过程的持续时间差异大。(2)1960-2014年,高原中部平均气温呈上升趋势,其速率为0.39℃·(10a)^-1;冻结起始日以0.91 d·(10a)^-1的速率延后,冻结结束日则以2.88 d·(10a)^-1的速率提前,冻结结束日对气温变暖的响应更迅速。(3)垂直方向上,不同冻结强度年表层5 cm处土壤温度、湿度差异最大,差值随土壤深度的增加逐渐减小。冻结强、弱年土壤水分相变速率不同引起的热量差使得各层土壤温度的日变化产生明显差异。     

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅱ:电结构形成机制

文中利用文献[1]所建立的三维强风暴动力-电耦合模式模拟研究了CCOPE(Cooperative Convective Precipitation Experiment)计划1981年7月19日的一次强雷暴过程,分析了该雷暴云中电结构的时空演变特征和形成机制,讨论了起电、降水和对流三者间的相互关系.结果表明,感应和非感应起电机制是雷暴云电结构形成的主要机制,冰相物的出现大大增强了雷暴中的起电过程.雷暴云中最大电场出现的时间与最大固态降水强度的出现基本同时,但比最大液态降水强度和最大上升速度出现的时间略有滞后,云中最大上升速度与最大液态降水强度基本同时出现.云中最大电场出现的时段正好是最大上升速度达到最大值后回落的阶段.雷暴云中起电活动的强弱还受云中微物理过程的发展和冰相物出现时间的影响,对流运动与起电过程的关系主要体现在对流运动影响着云中的凝结和冻结过程,从而与冰相物出现的时间有关.而仅仅依靠对流运动对正负离子的输送机制不可能产生云中接近放电的临界电场.     

近10年青藏高原及其周边湍流通量变化的数值模拟

应用改进地表粗糙度的中尺度模式WRF模拟青藏高原及其周边地区2004-2013年地表湍流通量的变化特征,结果发现,自2004-2013年以来,青藏高原中部和东南部地区感热通量增加,分别增加了9. 952 W·m~(-2)·(10a)~(-1)和14. 595 W·m~(-2)·(10a)~(-1);青藏高原其他区域感热减小,减少了-4. 473 W·m~(-2)·(10a)~(-1);青藏高原周边东南部横断山脉增加了9. 928 W·m~(-2)·(10a)~(-1),云贵高原地区增加了9. 868 W·m~(-2)·(10a)~(-1)和江南丘陵地区增加了15. 177 W·m~(-2)·(10a)~(-1);其他周边地区感热减小,减少的量级为-10. 26 W·m~(-2)·(10a)~(-1)。青藏高原东部地区潜热有较弱的增加[1. 175 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],青藏高原其他区域都减小[-3. 762 W·m~(-2)·(10a)~(-1)];青藏高原东侧四川盆地、南侧孟加拉湾附近以及周边北部地区减弱,分别为-0. 27,-2. 416和-2. 287 W·m~(-2)·(10a)~(-1);周边其他地区潜热通量都有不同程度的增加,我国东南部江浙地区有较强的增加[11. 385 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],印度半岛增加的幅度不大[2. 988 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],云贵高原以东缅甸增加[9. 287 W·m~(-2)·(10a)~(-1)]和黄土高原增加[1. 160 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],但云贵高原是减少的[-2. 705 W·m~(-2)·(10a)~(-1)]。     

超声速气流成冰率和冰晶形成机制

在温度为0—12℃并悬浮有雾滴的冷箱中测量了超声速气流的成冰率ρ_(io)结果表明,在马赫数1.1—1.84和总压小于6个大气压范围,ρ_1介于10~(12)-10~(12)g~(-1)。结果还表明,ρ_2随马赫数和总压增大以及环境温度降低而缓慢增加。这些结果与超声速气流膨胀理论所表明的规律相一致。 对冰晶形成机制分析表明,超声速气流中的水汽均质核化(凝结-冻结)是产生冰晶的主要过程。本文指出,超声速气流用于飞机人工影响天气具有价廉、无污染、简便和长距离作业等优点。根据实验提供的数据,发展一种新的人工影响天气新技术是可能的。     

庐山气溶胶的观测与分析

1.资料情况 气溶胶是指半径在10~(-7)厘米—10~(-3)厘米的大气凝结核。自然气溶胶粒子的浓度中比例最大的是半径≤10~(-5)厘米的爱根核半径＞10~(-5)厘米的气溶胶粒子，每立方厘米的空气中的浓     

青藏高原臭氧谷极端事件的定义及其特征

利用1979—2016年ERA-interim逐日再分析资料,定义了青藏高原臭氧谷(Ozone Valley over the Tibetan Plateau,OVTP)极端和普通强(弱)事件,并讨论了其特征。结果表明:1) OVTP极端强事件在夏秋季节多发,10月最多,频率达2. 0%; OVTP普通强事件在春夏季多发,7月最多,频率达1. 7%。OVTP极端弱事件在秋冬季多发,12月最多,频率达3. 8%; OVTP普通弱事件在冬季多发,1月最多,频率达2. 0%。2) OVTP极端强事件出现频率显著增加(0. 004%·a~(-1)),极端弱事件出现频率显著减少(-0. 015%·a~(-1))。OVTP普通事件的变化均不显著。3) OVTP极端强事件的面积和强度均在秋季最大,10月达到最大值,面积为4. 3×10~5km~2,强度为1. 5×10~5t; OVTP普通强事件的面积和强度均在夏季最大,7月达到峰值,面积为1. 7×105km~2,强度为4. 1×10~3t。OVTP极端弱事件的面积和强度在春夏较小,4月达到最小值,面积为3. 2×10~4km~2,强度为1. 1×10~2t; OVTP普通弱事件的面积和强度在春夏秋均较小,4月和10月达到极小值,4月面积为2. 5×10~4km~2,强度为68 t,10月面积为2. 2×10~4km~2,强度为97t。4) OVTP极端和普通强事件的面积(强度)均呈显著增大(增强)趋势,极端强事件的面积达2. 5×10~2km~2·a~(-1),强度达2. 5×10~2t·a~(-1),普通强事件的面积达4. 5×10~2km~2·a~(-1),强度达4. 5 t·a~(-1)。极端和普通弱事件的面积(强度)均呈显著减小(减弱)趋势,极端弱事件的面积达-1. 7×10~4km~2·a~(-1),强度达-7. 0×10~3t·a~(-1),普通弱事件的面积达-2. 3×10~3km~2·a~(-1),强度达-2. 7×102t·a~(-1)。     

香河地区亚微米气溶胶粒子尺度谱分布特征

为了解香河地区气溶胶尺度谱的基本特征,自2012年5月起,利用扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)对河北香河地区的亚微米(13.8~723.4 nm)气溶胶尺度谱分布进行了近2 a的测量。基于该数据集,分析了气溶胶尺度谱的季节变化和日变化特征及气象要素对气溶胶浓度的影响。结果发现,观测期间埃根核模态(20.0~100.0 nm)、积聚模态(100.0~723.4 nm),以及总的气溶胶数浓度、表面积浓度和体积浓度均值分别为7.0×103cm~(-3)、7.5×103cm~(-3)、14.9×103cm~(-3)、1125μm2·cm~(-3)和50μm~3·cm~(-3)。香河地区积聚模态的粒子数浓度接近华北地区其他污染测站的结果,但高于发达国家的测值。冬季气溶胶的平均浓度最高(18.1×10~3cm~(-3)),而春季最低(12.3×10~3cm~(-3))。不同季节,气溶胶的数谱分布主要为单峰分布,平均峰值直径约为105 nm。气溶胶浓度的日变化受机动车排放的影响显著,存在早晚两个高值中心,分别出现在早上的06:00—09:00和晚上的19:00—21:00。风速、风向对气溶胶数浓度的影响较大,低风速(2 m/s)和南风条件,尤其是吹西南风时,气溶胶浓度的增加显著。     

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅱ:电结构形成机制

文中利用文献 [1]所建立的三维强风暴动力 -电耦合模式模拟研究了CCOPE(CooperativeConvectivePrecipita tionExperiment)计划 1981年 7月 19日的一次强雷暴过程 ,分析了该雷暴云中电结构的时空演变特征和形成机制 ,讨论了起电、降水和对流三者间的相互关系。结果表明 ,感应和非感应起电机制是雷暴云电结构形成的主要机制 ,冰相物的出现大大增强了雷暴中的起电过程。雷暴云中最大电场出现的时间与最大固态降水强度的出现基本同时 ,但比最大液态降水强度和最大上升速度出现的时间略有滞后 ,云中最大上升速度与最大液态降水强度基本同时出现。云中最大电场出现的时段正好是最大上升速度达到最大值后回落的阶段。雷暴云中起电活动的强弱还受云中微物理过程的发展和冰相物出现时间的影响 ,对流运动与起电过程的关系主要体现在对流运动影响着云中的凝结和冻结过程 ,从而与冰相物出现的时间有关。而仅仅依靠对流运动对正负离子的输送机制不可能产生云中接近放电的临界电场。     

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℃