THE STUDY OF HIGH EFFICIENT AgI PYROTECHNICS AND THEIR NUCLEATING PROPERTIES

Two kinds of high efficient Agl pyrotechnics BR-88-5 and BR-91-Y have been developed.The tests in the cloudchamber show that the AgI ice nucleating effectiveness can reach up to 10~(15)/g,and the BR-91-Y has even higher icenucleating rate.Two kinds of foreign AgI pyrotechnics have been made according to the given formulations and alsotested in the cloud chamber for comparison.X-ray diffraction analysis for the aerosols produced by burning BR-91-Yshows that AgI in acrosols still retains the hexagonal crystal form and the lattice parameters are smaller than those ofpure AgI and other AgI composite nuclei,and closer to ice.Combining with the other tests,the reasons for the high effi-ciency of BR-91-Y have been discussed.     

含AgI人工冰核粒子的电镜分析

为深入认识当前人工影响天气作业中广泛使用的AgI焰剂的成冰特性, 利用电子显微镜对含AgI焰剂产生的人工冰核粒子尺度特征进行分析研究。利用环境场扫描电镜对焰剂颗粒的尺度分布和形态学特征进行研究, 利用场发射高分辨透射电镜纳米区域的X射线成分分析 (EDS) 对实验样品的颗粒结构特点和主要组成成分进行研究。实验结果表明:不同配方焰剂燃烧产生的颗粒谱分布特征有明显差异, 所取5种焰剂产生的颗粒平均谱分布, 其直径在0.02~0.50 μm之间的粒子数占98.96%, 即产生粒子绝大部分都可直接参加云内的成冰核化过程, 但其谱宽、峰值直径, 分布特征都不相同。透射电镜结果表明:焰剂颗粒的主要组成是KCl, 其表面附着AgI小颗粒, 该结构特征可能更有利于焰剂颗粒的成冰核化。利用中国气象科学研究院1 m3等温冷云室对AgI焰剂阈温对比实验表明:5种焰剂的成冰阈温在-3.5~-4.4 ℃范围内, 不同焰剂配方的阈温不同, 最大相差1 ℃。焰剂成冰核化速率主要由颗粒的大小 (均立方根直径) 决定, 同时受到谱宽、主峰位置等多种分布特征量影响, 改进配方时应综合考虑。同时, 由于高于-4.4 ℃时, 焰剂产生颗粒接触过冷水滴缺少活性, 即含AgI焰剂不适于云中较暖区的催化。     

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。     

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...     

手机短信遥控人工增雨地面焰条播撒系统

针对我国目前高山人工增雪(雨)的需要,研制成功一种采用手机短信进行遥控的地面焰条播撒系统。该系统采用手机短信作为点火信号,可远距离遥控点火,实现了人工影响天气作业的自动化。系统由播撒装置、焰条、控制系统、控制软件4部分组成,播撒装置一次可装填焰条36支,每支焰条装BR-91-Y焰剂500 g,含AgI7.5 g。控制系统在手机信号覆盖的地方都可以实现遥控,而且对焰条的点火采用计算机软件控制,操作简单。应用该装置2006年4、5月在云南玉龙雪山进行了人工增雪试验,试验表明该系统性能稳定,具有应用推广价值。针对系统在试验中出现的问题,提出了改进方案。     

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。     

用滤膜法观测大气冰核的静力扩散云室

介绍了经过改进的用滤膜法观测冰核的静力扩散云室及其取样装置。叙述了其各组成部分的原理、结构、达到的性能指标，分析了各系统的工作对冰核活化条件的影响。给出了对相对稳定的人工ＡｇＩ冰核源作不同体积的取样和不同温度下的处理结果，同时也给出了用该设备对北京市海淀区冬季冰核浓度的日变化所做的初步观测结果。     

Development of a continuous flow thermal gradient diffusion chamber for ice nucleation studies

A supercooled continuous flow, thermal gradient diffusion chamber has been developed to study the ice nucleating properties of natural or artificial aerosols. The chamber has concentric cylinder geometry with the cylinder axis alignment and airflow vertically downward. Sample airflow is 1 l min⁻¹ and occupies the central 10% of the annular lamina; it is separated from the ice-covered walls by filtered sheath air. The wall temperatures are independently controlled over the range from about −4°C to −25°C, so that the vapor concentration at the location of the sample lamina can be set to a well defined value between ice saturation and a few percent water supersaturation. There is a range of temperature and supersaturation values across the sample region; for lamina center conditions of −15°C and +1% with respect to water, the range is −14.6 to −15.4°C and +0.53 to +1.31%. Errors in temperature control produce variations estimated as ±0.1°C and ±0.23%. Typical sample residence time is about 10 s. Ice crystals which form on active nuclei are detected optically at the outlet end of the chamber. To enhance the size difference between ice crystals and cloud droplets, the downstream 25% of the warm ice wall is covered with a thermally insulating vapor barrier which reduces the vapor concentration to ice saturation at the cold wall temperature, so cloud droplets evaporate.A mathematical model was developed to describe the temperature and vapor fields and to calculate the growth, evaporation, and sedimentation of water and ice particles. At 1% water supersaturation, the model predicts that ice particles will grow to about 5 μm diameter, and cloud droplets will achieve about 1 μm before they reach the evaporation section of the chamber. A different model was developed to describe the steady state airflow profile and location of the sample lamina.Experimental tests of the chamber were performed to characterize the airflow, to assess the ability of the technique to detect silver iodide ice nucleating aerosols and to distinguish ice crystals from water droplets.     

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。     

南京地区大气冰核浓度的测量及分析

2011年5～8月期间使用5L混合型云室以及静力扩散云室对南京不同成核机制的大气冰核进行了观测,进而分析了近地层冰核浓度特征。结果表明:活化温度为－20°C时,5L混合型云室观测的总冰核浓度为20.11个/L,静力扩散云室模拟高水汽(计算的云室内水面过饱和度为5%)和低水汽(计算的云室内冰面过饱和度为5%)条件下冰核浓度分别为0.93个/L以及0.29个/L。晴好条件下冰核浓度具有明显的日变化特征,白天冰核浓度高于夜间;在下午时段冰核浓度达到全天最高值,这说明大气冰核可能与大气湍流强度、人类活动以及工业污染有关。降水对冰核的清除作用明显,台风系统过程中冰核浓度明显增加。南京地区冰核浓度随温度降低和湿度增加而增加。后向轨迹模式分析表明东北海洋气团冰核浓度最高,不同气团中冰核浓度的差异随着活化温度的降低而减小。个例分析秸秆燃烧生成的PM₁(大气中直径小于或者等于1 μm的颗粒物)与冰核关系发现燃烧产物对冰核有一定的贡献。     

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...     

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。     

A 2M~3 ISOTHERMAL CLOUD CHAMBER FOR THE STUDY OF ARTIFICIAL ICE NUCLEI

A 2m~3 isothermal cloud chamber mainly for ice nucleation research is described in this paper.Its structure,attached instruments and experimental procedures are also presented.The experiments of determining the icenuclei effectiveness for the Agl-containing aerosols produced by three formulations have been conducted andthe results have been compared with those of the CSU 960-liter isothermal cloud chamber.All experimentalresults show that the chamber has advantages of stable performance and reproducibility.It would be expectedto become a useful experimental facility for ice nucleation research.     

一个用于人工冰核研究的2m3等温云室

本文介绍了一个以研究人工冰核为主要目的的2m~3等温云宝及其结构、测量仪器、实验程序及性能特点。井用对三种不同配方发生的碘化银气溶胶成核率检测结果与国外同类云室的结果进行了比较。已进行的各种试验表明,云室性能稳定,重复性好,是进行人工冰核研究的有效的专用设备。     

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。     

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。     

黄土高原尘沙作为大气冰核的实验研究

将黄土粒子直接撒入云室进行成核率检测，在–15℃时成核率可高达4×106/g。这些结果可解释在沙尘暴期间观测到的大气冰核的高浓度。从中国黄土高原扬起的沙尘粒子为下游地区提供了丰富的冰核。     

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。     

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。