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.     

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     

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。      

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。     

不同气溶胶对冰云形成的影响研究

本项目系国家自然科学基金项目主要研究能充当冰核的那部分气溶胶。它们的冰核化性质与气象因素的关系,其气候性变化,及对冰云微结构的可能影响。研究工作始于1994年,至1997年底完成,项目由部大雄‘游来光共同主持。该项目主要成果如下：实验研究部分：研制了一套均匀水滴冻结实验装置以检测浸入冻结核。对1蚊6－1998年北京出现的各类降水物的检测表明：冰雹融化水中高温冰核含量最高雪次之连续性降水最少‘主要合低温核。这一结果与降水形成过程及降水物对大气气溶胶的清洗作用有关。用微孔滤膜对大气取样,再放置在冷台上用蒸馏去离子…     

拉萨夏季一次典型降水过程雨滴谱特征及Z-I关系分析

研究降水滴谱特征和谱分布对了解高原降水的微物理特征、雷达定量估测降水以及科学实施人工增雨作业尤为重要。本文选取2018年7月8—9日拉萨夏季一次典型降水过程，利用DSG5型降水现象仪和地面小时降水资料分析了高原夏季对流云和混合云降水的雨滴谱分布特征及〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系。结果表明：降水现象仪和翻斗雨量计的降水变化趋势较为一致。对流云降水中2.0~3.0 mm的降水粒子对雨强的贡献最大，混合云降水雨强的主要贡献者是1.0~2.0 mm的粒子；混合云降水阶段的雨滴谱数浓度比对流云大一个量级。对流云和混合云降水的雨强与雨滴的质量加权平均直径和数浓度密切相关。拉萨地区雨滴谱适合〖WTBX〗Γ〖WTBZ〗分布，其拟合谱参数与青藏高原其他地区的差异表明高原地区雨滴谱分布存在时空差异；混合云降水谱参数〖WTBX〗N0、μ〖WTBZ〗和〖WTBX〗λ〖WTBZ〗与雨强的变化趋势相反。混合云降水〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系的系数和指数均小于对流云降水。应用标准〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系，对流云降水阶段雷达低估降水强度；混合云降水阶段，当雨强<2.3 mm雷达低估降水，否则雷达高估降水。     

大气冰核谱分布对对流风暴云人工催化影响的数值模拟研究

2002年9月在青海省河南县人工增雨综合试验基地开展了人工增雨外场综合观测试验.根据这次实验得到的大气冰核资料,以及文献给出的另外两组常用的冰核资料,利用中国科学院大气物理研究所研制和发展的三维对流云人工催化数值模式,讨论了3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云人工催化增雨效果的影响,模式中还考虑了国内人工影响天气部门常用的RYI-6300型和WR-1B型人工增雨防雹火箭播云弹道的差异.模拟结果表明,3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云的宏观和微观参量分布结构有很大影响,在这些对流云中进行火箭播云催化试验得到的播云效果也有很大差异.大气环境中高温冰核浓度低,而低温冰核浓度高时,对流风暴云人工催化将导致云中冰晶过量,不利于对流风暴云降水增加.在大气环境中高温冰核浓度较高,并且低温冰核浓度较低时,对流催化风暴云可获得最高的人工增雨效果.在青海试验区的大气冰核谱环境下,火箭催化对流风暴云增雨有一定效果.对不同地区进行人工增雨作业时,了解清楚当地大气冰核的基本背景状况对于正确地评估播云效果非常重要.文中还给出了导致这些结果差异的物理解释.     

背景云凝结核对台风“莫拉克”降水微物理过程影响的数值研究

利用WRF模式设计两个数值试验:敏感性试验（背景场云凝结核浓度为2 000 cm-3）和控制试验（背景场云凝结核浓度为300 cm-3）模拟气溶胶对登陆台风“莫拉克”(2009年第8号台风)降水的影响。结果显示大量气溶胶进入外围雨带中起到云凝结核作用,凝结水汽生成水滴,释放潜热有利于对流发展;气溶胶含量增多引起水滴半径减小,雨滴生成的时间加长,降水时间延后;大量液态水上升至冻结高度以上发生相变释放潜热,固态水物质含量增多;台风外围雨带的中小尺度对流云团增强,降水增加。      

山东飞机人工增雨作业决策系统

在由11个子系统组成的飞机人工增雨作业决策系统中，利用在人工增雨作业前能得到的探空、雷达和云的宏观物理量等资料，确定可播区的空间分布和播云时间。运用产生降水的指标性物理量分布、卫星云图降水概率分布和模式的降水预报等综合确定作业区的地理位置。决策系统还包括航线设计和效益估算。该系统使得飞机人工增雨作业的指挥决策系统化，可减少盲目作业带来的损失。     

人工影响天气工作方法及发展对策

1 引言 人工影响天气指用人为手段使天气现象朝着人们预定的方向转化,如人工增雨、人工防雹、人工消云、人工消雾、人工削弱台风、人工抑制雷电、人工防霜冻等.人工影响天气主要是利用云(雾)的微物理不稳定性,例如在温度低于0℃的冷云中往往存在着大量未冻结的水滴,播撒成冰催化剂可使它们转化为冰晶,释放的潜热会改变云的热力、动力结构,在不同场合下可以促进降水、减少冰雹、消云(雾)或者减小台风风力;在暖云(雾)中播撒大小适当的盐粒可以促进雨滴的生成,在不同场合下可以促进降雨或者消云(雾).从自然变化中把播云造成的变化区分开来是很困难的,因此人们对于人工影响天气试验的效果存在着不同的看法和估价.     

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...     

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。     

两次江淮气旋的云雨特征及其人工播云效果的综合分析

用天气学、云物理学、统计计算和数值模拟等方法，对1997年5月份影响我省的两次江淮气旋降水系统进行了综合分析研究，发现(1)中低空水汽输送条件较好，都形成了大范围较稳定的降水性层状云系，出现了连续性降水。两次过程的深厚程度、动力条件有差别，云雨的宏微观特征也有所不同；(2)云中过冷层较厚，过冷水含量较高，大滴浓度较高，众数直径较大，有利于人工催化；(3)云层降水粒子的形成，在冷层以凝华和淞附增长为主，核化和繁生相对较小，进入暖层后，主要是云滴与雨滴以及雨滴间碰并为主；(4)用干冰进行了6架次人工增雨催化作业，经综合检验，约增雨10%～40%；(5)使用层状云数值模式进行人工催化模拟，当加入50个/L人工冰核，可使地面降水增加30%左右。如果过量播撒(加入500个/L)人工冰核，降水反而减少。     

三维冰雹云催化数值模式

为了研究冰雹形成机制、催化防雹机制和通过数值试验获得冰雹云优化催化技术,在以前工作的基础上,发展了一个３维弹性冰雹云催化数值模式。模式考虑了冰雹云中详细的微物理过程,各种粒子采用双变参数谱,将云中水物质分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和雹８类,可以预报粒子的比浓度和比含量,尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块的数量,非常适合研究冰雹的形成机制。此外,建立了催化剂ＡｇＩ的守恒方程,考虑了人工冰核的凝华核化及与云、雨滴接触的冻结核化过程,并用地面降雹动能通量检验催化防雹效果,因此,也可以研究催化防雹机制和对雹云的催化技术。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF HAIL CLOUD-PART Ⅰ:THE NUMERICAL MODEL

In order to study mechanisms of hailstone formation and hail suppression with seeding and to obtain optimum seeding technique for hail cloud,a 3-D compressive numerical seeding model for hail cloud is developed.The water substance in hail cloud is divided into 8 categories,i.e.,water vapor,cloud droplet,raindrop,ice crystal,snow.graupel,frozen drop and hail,and the detailed microphysical processes are described in a spectrum with two variable parameters and more reasonable particle number/size distributions.Then,the model is able to predict concentration and water content of various particles.Especially.it can calculate the number of hailstones whose cores are graupel or frozen drop and apply to study mechanism of hailstone formation.Additionally,a conservative equation of AgI as seeding or glacigenous agent is found and nucleation by condensation of artificial nucleus,and nucleation by freezing of cloud droplet or rain drop which contact with AgI particle are considered.The dynamic energy flux of hail shooting on ground is used to verify seeding effect.Therefore the model is also used to study mechanism of hail suppression with seeding and the seeding technique.     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF HAIL CLOUD—PART Ⅰ:THE NUMERICAL MODEL

In order to study mechanisms of hailstone formation and hail suppression with seeding and toobtain optimum seeding technique for hail cloud,a 3-D compressive numerical seeding model forhail cloud is developed.The water substance in hail cloud is divided into 8 categories,i.e.,watervapor,cloud droplet,raindrop,ice crystal,snow.graupel,frozen drop and hail,and the detailedmicrophysical processes are described in a spectrum with two variable parameters and morereasonable particle number/size distributions.Then,the model is able to predict concentration andwater content of various particles.Especially.it can calculate the number of hailstones whosecores are graupel or frozen drop and apply to study mechanism of hailstone formation.Additionally,a conservative equation of AgI as seeding or glacigenous agent is found andnucleation by condensation of artificial nucleus,and nucleation by freezing of cloud droplet or raindrop which contact with AgI particle are considered.The dynamic energy flux of hail shooting onground is used to verify seeding effect.Therefore the model is also used to study mechanism of hailsuppression with seeding and the seeding technique,     

液态CO2人工引晶后云微物理和降水变化的观测分析

根据飞机探测仪器观测到的云中粒子微观结构,结合卫星、雷达和常规天气资料,分析了人工增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。结果表明,作业后影响区云中的冰晶浓度、雨滴直径比对比区有明显增加,云中过冷水减少;对比区降水回波强度和强回波区面积变化不大,而影响区最大回波强度增大,强回波区的面积扩大,降水增加。这与影响区云中降水粒子增多、直径增大是一致的,这些结果说明了液态CO2催化层状云的物理响应。     

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。