用超声速气流产生冰晶的试验及测定

在２ｍ３等温云室中进行了塑料小泡压爆及超声速气流在过冷雾中产生冰晶性能的试验，在－１℃到－１７℃温度范围内测试其产生冰晶效率。发现这两种方法均能在过冷雾中产生大量冰晶，直到－１℃。在－８℃时每升空气产生的冰晶为１０１１－１０１２量级。是一种经济有效的催化过冷云雾的方法，很有应用前景。     

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。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。     

冰晶核化对雷暴云闪电行为影响的数值模拟研究

为了探讨冰晶核化对雷暴云闪电行为的影响,通过已有的三维对流云起、放电模式探讨对比了3种冰晶核化方案,分别为原模式中的经验公式YS方案及与气溶胶相关的DE方案和LP方案。研究表明冰晶核化方案对雷暴云内冰晶微物理发展特征、起电及放电过程均有一定影响。模拟结果显示:(1)考虑了气溶胶的两种新参数化方案中冰晶粒子在高温区(高于-13.8℃)出现,在雷暴云发展过程中DE方案和LP方案冰晶的垂直分布均大于YS方案。(2)DE方案和LP方案中高温区出现的冰晶所带电荷极性有明显的反转现象,导致雷暴云电荷结构产生差异;雷暴云发展旺盛时刻DE方案和LP方案出现三级性电荷结构,而YS方案在整个雷暴云过程都是偶极性,并且DE方案和LP方案中电荷空间分布区域更加广泛。(3)不同核化方案下雷暴云放电特征存在差异,YS方案在偶极性电荷结构背景下没有负地闪产生,而DE方案和LP方案中次正电荷区的存在促进了负地闪的发生,并且负先导出现在较低的高度范围内;DE方案和LP方案中电荷量级较大,因此云闪发生频次以及正、负先导传播次数增加明显。     

小型垂直过冷云风洞的超声波振子造雾系统

在小型垂直过冷云风洞中引进和改装了亚都工业用超声波加湿器，使其成为风洞实验的造雾系统，在实验中测量了其雾滴谱，模拟了冰雪晶生长过程，结果表明，此造雾系统符合实验要求。     

三套冰晶核化参数化方案的对比分析

基于大气模式CAM5对比分析了三套基于物理过程发展而来的冰晶核化参数化方案,包括BN方案、KL方案和CAM5自带的LP方案。针对三个方案的离线测试结果表明,由LP和BN方案计算得出的冰晶数浓度随硫酸盐溶液滴的数浓度增加而明显增加,而KL方案对硫酸盐溶液滴的数浓度不敏感;CAM5模拟结果显示,这三套方案得出的云辐射强迫、冰晶数浓度及其概率分布非常相似,基本上都接近观测。但是,使用KL方案得出的全球平均云长波辐射强迫从工业革命前到当代增加0.05 W·m~(-2),明显低于LP方案的0.36 W·m~(-2)和BN方案的0.33 W·m~(-2);由此可见,选择哪个冰晶核化参数化方案不会明显影响模式对冰云的模拟性能,但对评估人为产生气溶胶的间接效应可能有显著影响。     

水雾输送扩散的数值研究

本文利用边界层能量闭合模式,对金沙江上某地水电站泄洪产生的水雾的输送和扩散过程进行了模拟,分析了对下风方向湿度场的影响和水雾存在范围与主要气象条件的关系。模拟表明：水雾分布范围随水雾源强的增大而增大,并且随风速增加而增加,与背景相对湿度关系不大;相对湿度受影响的范围与背景相对湿度几乎无关,但与水雾的源强,风速有关;在较高背景相对湿度的河谷地带,影响水雾分布范围的最主要因素是水雾源强和风速。     

过冷云风洞中初始冰晶的初步研究

本着重研究了在过冷云风洞中，温度为－４—１６℃，含水量为１．４ｇｍ＾－３，爆泡后增长４５ｓ的初始冰晶的一些特性。结果表明：（１）初始冰晶质量在－４—１３℃有两个峰值，它们是－５．７℃时的１．８×１０＾－８与－１１．４℃时的６．３×１０＾－８ｇ，而在－８．４℃和－１３℃时出现的极小值分别为２×１０－９ｇ和５×１０＾－９ｇ。（２）初始冰晶的浓度值随着温度的降低出现三个递减的峰值，它们分别是－４．２℃     

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。     

云中可溶性物质对冰核化影响的实验研究

用冷台冻滴和２ｍ３云室试验相结合的方法，研究了云中可溶性物质对冰核化的影响。实验结果表明，一般云中观测到的可溶性盐类气溶胶（如ＮａＣｌ、（ＮＨ４）２ＳＯ４等）在温度高于－１８℃时不易成为冰核。而高浓度的可溶性铵盐（如（ＮＨ４）２ＳＯ４，ＮＨＣｌ等）则能显著提高ＡｇＩ的成冰温度。（ＮＨ４）２ＳＯ４能使ＡｇＩ成冰晶数在－１０℃提高２个量级，－６℃提高约１个量级。该结果对人工催化技术有一定指导意义。     

气溶胶核化清除的化学效应 I：云滴化学非均匀性的研究

本文将水汽在云滴上凝结增长的物理过程与气溶胶、气体的化学过程相结合，对气溶胶核化清除的化学效应进行了研究。 计算结果表明:气溶胶的核化清除造成了云滴化学成分随云滴大小分布的非均匀性，这种非均匀性又对云滴内发生的气体吸收、液相氧化产生影响。 本文还比较了不同污染状况下，不同大小的云滴内气溶胶核化清除与液相氧化对云滴化学的相对贡献的差异。 因此，这种云滴化学的非均匀性(云微化学)的研究对于云化学的野外观测及数值模拟都是重要的。     

强雷暴个例云内闪电与上升气流及液水含量关系的三维数值模拟

利用建立的三维闪电数值模式,模拟研究了北京2001年8月23日一次强雷暴发展过程中的云内闪电通道特征及其与上升气流和液水含量（LWC）之间的关系。结果发现：在强雷暴发展过程中,由于雪晶往往在上升气流相对较弱及LWC较低的地方形成、发展,与霰粒子之间的非感应起电过程首先发生在这些区域,然后发生电荷分离。因此,云内闪电往往在上升气流较弱和LWC相对较低的区域触发。闪电触发后,上行先导延伸区域的LWC较小,而下行先导延伸区的LWC取决于强风暴云发展的阶段。强风暴成熟期发生的闪电,下行先导可以延伸到较大LWC区,而无法延伸到LWC最大区。强雷暴衰退期发生的闪电,下行先导可以延伸到LWC最大区。     

北京地区雹暴气流结构的研究

应用单多普勒天气雷达观测资料、天气实况和卫星云图对1995年6月22日出现在北京地区的冰雹天气过程进行了分析。从单多普勒雷达资料反演出的水平流场和垂直气流结构可以看出这次过程沿着辐合带发生,垂直剖面上的气流有良好的组织,表现出强烈的旋转和上升。这种气流结构不同于传统的超级单体雹暴中的气流模式,有其局地地形特点。     

用于研究冰雪晶生长的小型垂直过冷云风洞系统

研制了一个新的小型垂直过冷云风洞及其测试系统,实现了风、温数据自动采集,风洞内含水量测量方便易行.实验测量了温度-5—-18℃、含水量0.5—3.0g/m~3范围内冰雪晶生长的习性、下落速度、线性尺度增长率等诸参数.     

地形对地转气流中重力惯性波稳定性影响的进一步研究

用一个带地形的2层均质流体线性模式,考虑了下层流体平均厚度不均匀性的影响,研究低空地转气流中波动的传播和稳定性。     

城市街道峡谷对称性对内部气流场的影响研究

应用雷诺应力湍流模型,模拟了不同高度比的城市街道峡谷的气流场。结果表明:峡谷的对称性对其内部气流场有显著影响。前高后低型峡谷下部为逆时针旋涡,上部为顺时针旋涡,峡谷越深,流场发展的越充分;峡谷内部墙面存在明显的驻点。前低后高型峡谷只存在一个大的顺时针旋涡,随着峡谷的加深,内部气流速率有减小的趋势;峡谷达到一定深度后出现驻点。对称型峡谷内部形成了顺时针旋涡,强度不大;随着峡谷的加深,内部流场转为一顺一反2个旋涡的二元结构;仅当峡谷很深时才出现明显驻点。前低后高型峡谷的气流场形式更有利于污染物的迁移、扩散,在城市规划中应尽量结合主导风向设计这类建筑布局。     

台风“利奇马”引导气流的计算方法研究

为了更准确计算台风的引导气流,基于相关系数计算方法,评估了各层环境风与台风移动速度的相关性。结果表明,剔除相关性差的低层环境风后,计算得到的引导气流与台风移动的一致性有所提高;引导气流分量的峰值谷值在时间上滞后于台风的峰谷值;低层风之所以与台风相关性差或与低空急流和地形的干扰有关。针对性调整引导气流计算方法,有助于提高引导气流与台风移动速度的相关性。     

过冷层状云中飞机播云有效区域的模拟研究

根据飞机人工增雨作业个例 ,利用层状云中催化剂输送扩散的三维时变模式 ,对过冷层状云中播云产生的有效区域、催化剂水平输送和扩散速率等进行了模拟研究。结果表明 :(1)飞机播云 4 5min线长 32 7km ,投影有效面积和有效体积在播云刚结束时 (5 0分 )达到极大 ,其值分别为 70 7km2 和 2 98.0km3 ,有效扩展宽度和厚度为 2 .5 1km和 0 .4 2km ;(2 )有效作用时段为 2 0～ 80min ,其间的投影有效面积平均值为 5 13.3km2 ,平均有效扩展宽度和厚度分别为 2 .4 1km和 0 .4 5km ;(3)在扩散作用下 ,投影有效面积和有效体积先随时间不断增加 ,达到极值后逐渐减小 ,播云结束 (5 5分 )后 ,云中的有效区域消失 ,其间的投影有效面积平均值为 389.7km2 ,平均有效扩展宽度和厚度分别为 2 .34km和 0 .4 4km ;(4)云中催化剂水平输送 1h的平均值达到 6 5km ,仅与风场有关。催化剂扩散速率 1h平均为 0 .82m/s,与风、温、湍流有关 ;(5 )在飞机增雨作业时 ,飞行方案的设计必须是严格科学的 ,以便进一步提高人工增雨的实效     

人工抑制上升气流对冰雹云降水影响的数值试验研究

利用三维对流风暴云数值模式,模拟研究了短时间施加人工抑制上升气流的方法对强冰雹云和降水发展的影响。结果表明,在雹云发展阶段的早期,对云中上升气流施加人工抑制将对冰雹云的发展和降水过程产生明显的影响,使地面降水量增加．尤其是使降雹量显著增加;而在云发展阶段的后期,这样的抑制不会导致地面降水明显的增加。当抑制强度足够大且范围较大时,只有在云发展到旺盛阶段时进行人工抑制才能使影响云的降雹量和固态降水总量明显减小。最后,文中还分析了人工抑制上升气流影响云中冰雹形成的微物理机制。