冰的用途ABC

水因气温的变化而呈现3种状态，当它冻结成为固态时就成相当坚硬的冰，冰是特殊的岩石。地面上的冰大体可分为3类，即水成冰、沉积冰、冰川冰。     

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。     

冰尘——兼论“是冰针还是针状雪晶”

大气中的冰晶都是由于冻结—凝华过程而产生的,冰晶的基本形状只有几种,如片状(板状)、针状、柱状……等。但是,这种冻结—凝华过程可以出现于不同的天气条件下,这时所形成的冰晶形状尽管相似,却被称为不同的“天气现象”(如霜、晶状雾凇、雪晶、冰针……等)。 什么是冰针呢?我国现行规范关于冰针的规定是:“飘浮于空中的很微小的片状或针状冰晶,在阳光     

基于能量平衡的分析模型在青海湖湖冰模拟中的应用

湖冰对气候变化响应敏感,在全球变暖的背景下,湖冰总体呈现衰退趋势,甚至北半球部分湖泊未来有可能不再冻结。青藏高原湖泊分布广泛,但目前对于湖冰的模拟研究开展较少,对青藏高原湖冰特征及冻结系数的认识还较为有限。本文利用飞航式雷达湖冰测厚数据、青海湖气象观测数据、 ERA5-Land再分析数据、 MODIS地表温度数据以及Aqua/MODIS卫星遥感图像,通过度日法湖冰生长模型确定了青海湖冻结系数A0,研究结果显示A0在青海湖具有空间异质性和时间异质性,且前者比后者更为明显。进一步利用度日法和基于能量平衡的分析模型模拟了青海湖的湖冰演变,结果表明：相较于度日法,基于能量平衡的分析模型模拟的青海湖2018-2019年冰期的开始结冰时间、融化结束时间与湖冰厚度同实际观测更为符合。分析模型是一种优于度日法、适用于青海湖湖冰模拟研究的方法,该方法能够综合考虑辐射、能量交换、气象要素、湖泊深度等因素的影响,其物理过程更为完善,同时也弥补了度日法模拟精度依赖于冻结初日的确定且无法表现融化过程的缺陷。     

一种浸润冻结机制冰核测量装置(FINDA)的搭建与应用

为了定量评估降水（雨、雪、雹等）和大气中冰核浓度,搭建了一种新型的离线式冰核测量装置（FINDA）用于检测浸润冻结机制的冰核。对多通道测温元件进行了改装和校准,并利用红外热成像仪动态校准了冷台水平温差,开发了自动化软件实现对测量过程的控制和数据分析。通过超纯水冻结实验、雪水及大气样品中冰核检验评估了FINDA的测量性能。结果表明,FINDA温度测量偏差随温度降低而线性增大,?25℃时误差为±0.75℃;超纯水初始冻结温度平均为?21.27±1.45℃,中值冻结温度（T₅₀）平均为?25.65±0.64℃;对同一降雪融水样品中冰核浓度温度谱检测,FINDA与其他冻滴设备测量结果基本一致,同冰核浓度下温度偏差小于3℃;大气样品中冰核?20℃时比在线连续流量扩散云室测量值略高,与国际上其他学者的结论一致。FINDA能够有效获得0—?25℃每隔0.25℃的冰核浓度谱,超纯水和试验操作引入的冰核对测量结果影响很小。设备的广泛应用可帮助深入了解大气冰核在混合云降水中的作用,为预报和云模式的本地化改进及对云降水理论研究提供重要的实验数据和理论基础。      

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。     

一般站白天栏露和霜天气现象转记问题的分析

《地面气象观测规范》规定中有10种天气现象不需记起止时间。这10种天气现象中轻雾、烟雾、霾、积雪、闪电、尘卷风生成和消失有很具体的标准划分,但对于冰针、露、霜、结冰四种只有生成的划分标准,没有消失的划分标准。其中露和霜这两种天气现象转记比较难把握。为此,笔者针对这个问题进行以下分析。　　根据定义:露是水汽在地面及近地面物体上凝结而成的水珠,(霜融化成的水珠,不记露);霜则是水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶,或由露冻结而成的冰珠。上述两种天气现象,从定义分析,其生成条件分别是凝结、凝华,生成条…     

结冰的观测和记录

结冰的观测和记录结冰指露天水面（包括蒸发皿中的水）冻结成冰，通常我们观测结冰的有无（因自然条件限制）是看蒸发皿中的水是否冻结，如冻结便记结冰如未冻结则不记。但由于观测方法的不同，就会出现不同的记录结果。如：５号２０时观测，蒸发皿中水虽冻结，但当时气温...     

新型扩散云室搭建及其对黄山地区大气冰核的观测研究

本研究利用自行搭建的大气冰核高压静电采样器和静力真空水汽扩散云室,并结合其他大气冰核及气象要素观测仪器,于2011年5～9月及2012年9～10月在黄山三层不同高度上同时进行大气冰核及相关气象要素的连续观测。结果显示:黄山地区总冰核数浓度平均为18.74 L-1,凝结冻结核化冰核数浓度平均为0.79 L-1,凝华核化冰核数浓度平均为0.19 L-1。黄山地区冰核数浓度,随着高度的增加而减小;且存在春季较高、秋季居中、夏季较少的季节变化规律;下午达到一天中的最高值,夜晚达到一天中的最低值;总冰核数浓度较北方少。黄山山顶冰核数浓度随活化温度的升高而减小,随过饱和度的升高而增大,随风速的增强而增大,长期主要由西南风向山顶的输送,且其主要由大粒子来充当。     

贵州冬季电线积冰及其天气成因分析

利用气象部门长期电线积冰观测和电力部门线路覆冰调查资料,对贵州冬季电线积冰的分布、类型特征与气象条件进行了综合分析,着重探讨了贵州电线积冰的形成机理和天气成因,主要结论:(1)贵州电线积冰的类型复杂多样,除具有雨凇、雾凇、雪凇(湿雪)三种基本类型外,还有雨雾混合凇、雨雪混合凇(雪凝)两种混合冻结类型;贵州电线积冰以危售最大的雨凇冰为主,混合冻结在贵州省分布十分普遍,这也是造成2008年贵州电网严重冰害的重要原因;(2)持续低温阴雨的凝冻大气是贵州电线积冰总的天气成因,其表现形式主要是冻雨但不局限于冻雨,此外还包括冻毛雨、雨夹雪、湿雪和过冷雾等多种天气现象,持续的凝冻天气过程往往有多种天气现象同时或交替出现,从而导致严重的覆冰灾害;(3)贵州电线积冰总体上属于较高环境温度下的低风速湿物理过程积冰,当地面气温持续降到0℃以下,出现降雨或浓雾是电线积冰开始与增长的关键气象条件,而最高温度上升到0℃以上是判断积冰转入消融的临界气象指标。     

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℃)。     

气溶胶对热带气旋强度及电过程影响的数值模拟研究

将详细的气溶胶活化方案和非感应起电参数化方案耦合到WRF模式的Morrison微物理方案中,在此基础上模拟了理想的热带气旋个例,讨论了气溶胶对热带气旋强度及电活动的影响。研究发现气溶胶对热带气旋强度和电活动的影响在不同发展阶段是不同的。在热带气旋发展阶段,气溶胶增加使云内的云滴数浓度增加,云滴尺度降低,抑制了暖雨过程,未降落的小云滴粒子上升到冻结层之上,冻结形成了更多的冰相粒子,冻结过程释放潜热,激发云系对流发展,使热带气旋强度增强,电活动更为剧烈。而在热带气旋成熟阶段,污染个例中的冰相粒子降落,形成更多的降水,降水粒子在下落过程中对上升气流产生拖曳作用,抑制对流强度。降水粒子在海平面蒸发吸收了大量潜热,使该区域温度降低,这也阻碍了外部暖湿能量向内输送,抑制了对流发展,从而使热带气旋强度降低。而由于污染个例中的冰粒子较少,参与起电过程的冰粒子减少,热带气旋的电活动强度降低。     

用电吹风排除风杯、风向标冻结现象

冬季我省有许多台站电接风仪的风杯、风向标常在有降水发生冻结现象,严重影响了记录的完整。关于解冻的方法有很多,如我站以前曾用热毛巾包在冻结部位的四周,将冰熔化。但这样只能暂时解决问题,容易重新冻结,因此效果不理想。我站1989.1.13.和1989.1.14.分别有一次风向标、风杯被冻住的情况发生,我们采用电吹风解冻,很快解决了问题,效果比较好。     

基于FDR原理的冻土测量方法

在我国地面气象观测中,冻土的自动观测一直未能实现,为了解决这一问题,本文基于频域反射(Frequency Domain Reflectometry,FDR)测量原理,通过测量土壤介电常数变化实现冻土测量的方法,设计了一种基于平面电容传感器分层检测冻土的传感器,土壤冻结时,其内部水分会相变为冰,水的介电常数远大于冰,利用水冻结相变后引起介电常数急剧变化的特性,建立了基于土壤介电常数、地温反演冻土的数学模型,并进行了典型土壤实验室冻结试验及外场对比观测试验,结果表明:冻土传感器能正确分辨土壤冻结状态,测量数据与人工观测趋势一致,相关系数可达0.99以上,平均测量误差小于3cm,基于介电特性的冻土传感器可以准确连续测量土壤的冻结深度及其生消变化。     

BCC_AVIM陆面过程模式冻融过程参数化的改进与检验

考虑冻融过程对陆气相互作用的重要性,参考国内外学者对于冻融过程的参数化方案研究,对BCC＿AVIM陆面过程模式的冻融过程参数化方案进行了改进与检验。改进的内容主要包括：（1）加入了过冷水概念,改进土壤冻结判断条件与含冰量更新标准;（2）加入平衡温度概念代替原方案中恒定的冻结温度;（3）在导水率的参数化方案之中加入不可渗透分数。用改进前后方案分别模拟玛曲站2018-2019年,2019-2020年两次冻融过程。发现改进后的方案在冻融过程中相比原方案：（1）增大了冻结状态温度模拟值、振幅减小、变化趋势更加接近实测;（2）增大了冻结状态中含水量的模拟值,变化趋势与实测相关性更好;（3）土壤中冰的产生日期延后,冰的融解日期提前,最大含冰量模拟减小;（4）冻融过程各阶段的转变日期模拟更接近实测;（5）新方案对于强冻融年份的模拟提升效果更优于弱冻融年份。     

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.     

对冬季云贵—华南准静止锋上一次多相态降水过程的模拟研究

云贵—华南准静止锋使其以北地区成为研究冬季雨雪过渡区内不同降水相态的理想平台。通过对2018年1月25—27日南方凝冻天气过程中天气学和云微物理参数的分析,定性探讨了次冻结层的温度与冰核活化温度对不同降水相态形成的影响,进而利用耦合BTC降水相态诊断方案（简称“BTC方案”）的WRF(Weather Research and Forecasting)模式,对本次凝冻天气的降水相态、冻雨发生区域与冻雨量进行数值模拟。结果表明：横贯云贵高原和南岭地区的准静止锋导致的锋前“冷—暖—冷”的温度垂直结构有利于多相态降水的形成。耦合BTC方案的WRF模式可模拟出不同降水相态落区的空间分布,其模拟冻雨落区时空分布与观测基本一致,但冰粒的空报率非常高。分析WRF模式模拟的多相态降水时温度、相对湿度和水成物的垂直分布特征,云内水成物初始相态为液态,在高空逆温层存在的前提下,次冻结层中冰核活化温度是区分冻雨和冰粒的临界指标且具有明确的物理机制。利用次冻结层中的冰核活化温度来代替BTC方案中有关冻雨和冰粒的判据后,冻雨落区预报准确率较BTC方案提高了13%,表明直接利用次冻结层的冰核活化温度判断冻雨可行。     

一个用于催化剂成冰性能检测的新型等温云室

云雾物理实验是我国大气科学研究需要加强的一个方面, 文中介绍了中国气象科学研究院新建用于人工冰核催化剂成冰性能研究的1 m3等温云室。阐述了该云室主要结构组成、 性能特点、 附属设备和实验程序, 以及所开展的催化剂成冰效率的初步检测研究。实验结果表明, 该云室在原建系列云室基础上, 对制冷及保温性能有很大的改进和优化, 更适合催化剂成冰性能检测和研究, 为今后我国开展云雾、 降水微物理实验研究和提高人工影响天气催化技术水平提供了一个有用的综合研究平台。     

2015年广西区北部超高压输电线路一次连续覆冰事件的天气学特征

广西区是我国南方电网西电东送输电的重要通道, 2015年1月26日—2月8日期间广西区北部桂林地区发生了一次大范围超高压输电线路的连续覆冰事件, 其最大覆冰厚度可达24.83 mm。利用ERA5再分析资料和气象观测资料结合南方电网超高压输电线路覆冰观测资料, 从天气形势、温湿垂直层结、局地气象要素以及大气环流指数等方面综合分析了此次电线覆冰的天气学成因。结果表明, 东亚大槽偏强, 阻塞高压引导脊前偏北气流南下, 冷空气入境与西太平洋副热带高压带来的暖湿气流汇合, 在北方寒潮与南方水汽的共同作用下, 地处高海拔的输电线塔杆易出现覆冰。冷暖气团在桂林北部山区上空相互对峙形成准静止锋时出现两种覆冰变化特征: 当冷空气强盛且水汽充沛时, 过冷却雨滴冻结或者雾滴凝华形成电线积冰; 而在暖气团主导下电线覆冰则自然融化。准静止锋的锋区移动在很大程度上影响着电线的覆冰增长过程, 特别地, 冷暖空气的交替主导是电线反复积冰的主要原因。      

尿素作为过冷云冰核的实验研究

早在1956年日本的佐野(I.Sano)等人用扩散型小云室测定尿素在-14℃能出现较多的冰晶。1966—1969年美国的诺林贝格(R.G.Knollenbeng)测定尿素的成冰阈温为-15℃,尿素溶液滴的平均冻结温度为-16.8℃,但他认为“局部冷却”效应将会提高尿素的成冰能力,即尿素高速溶于水时高度吸热冷却达低共熔点温度(-11.4℃)成冰,因而使尿素成为优良冰核。根据国外报导,自1966年开始,我国北方一些省气象局,经常用飞机播撒尿素催化过冷云降水,仅吉林省每年用于尿素的费用(不计飞机等其他花费)就可超过万元。因此,为能正确评价野外试验效果和权衡这个支出是否值得,本文下面介绍对尿素微粒成冰阈温、成冰活化比以及尿素饱和溶液滴冻结温度的实验测定,给出我国对尿素的鉴定结果,并对尿素可否作为优良的过冷云冰核提出看法。