AgI焰剂对层状云催化的数值模拟研究

使用包含详细微物理过程的一维层状云全分档模式,并加入AgI焰剂催化方案,对2007年吉林省长春市一次层状云降水过程进行AgI播撒试验。分别选取云内过冷水含量峰值区(4000m)、最大冰面过饱和度区(5000m)和低温度区(5500m)作为播撒试验区,播撒时间选择云体未充分发展阶段和充分发展阶段。结果显示,在同等播撒剂量下,地面降水对云内AgI播撒高度较为敏感。ST2方案模拟400min后地面累计降水量增加10.4%。同等条件下,播撒时间越早,催化效果越佳。在充分发展的云体内播撒AgI焰剂,40min后云内过冷水含水量减少70%以上,表明云内过冷水消耗量与地面雨强增加量之间具有良好的正相关性。4种播撒方案均显示,云内AgI主要靠凝华核化机制产生冰晶,而接触核化机制对AgI核化过程贡献较小。与未催化云体相比,催化后云内冰晶粒子总凝华速率增加明显。同时,地面雨强增加,最大雷达回波强度减小。地面水滴粒子谱分布显示,相比于未播撒时,各播撒方案均使直径400μm左右的水滴粒子浓度增加1个数量级以上,而水滴粒子谱宽均略有下降,这表明AgI播撒后主要通过增加可降水粒子数量来影响地面降水强度和累计雨量,而对降水粒子谱型拓宽的贡献有限。     

层状云降水微物理过程的雨滴分档数值模拟#

通过建立层状云雨滴的分档模式,对中国北方常见的三类典型层状云降水形成的微物理过程以及冰粒子在降水形成中的作用进行了数值模拟。结果表明,对于由冰粒子驱动的降水过程,由于高空冰粒子的增长降落表现出一种准周期变化过程,导致与之相关的云水含量,雨水含量也出现准周期性的演变,这种演变在雨滴分档模式中能够较好地反映到降水过程中。     

层状云中冰晶繁生过程对降水影响的数值模拟

在层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,研究繁生过程对层状云微物理结构及降水过程的影响。结果表明:模式云发展到190 min时,冰晶繁生过程发生,繁生层内的冰粒子浓度由10-3L-1增加到7.3 L-1,随后迅速减少,250 min后趋近于无繁生的情况;繁生层及其下方的云水含量较繁生前相同时刻减少约0.05-0.2 g.m-3;190 min,2 400-4 800 m高度层内的水汽含量急剧减少0.1-1.0 g.m-3;190-230 min,2 400-5 000 m高度层的冰水含量较考虑繁生过程之前增加0.1-0.6 g.m-3,240-250 min,2 400-4 000 m高度层内的冰水含量较繁生前相同时刻减少了0.1-0.3 g.m-3。加入繁生过程之后,雨强极大值增加1.8 mm.h-1(6.6%)。由此得出结论:(1)繁生过程发生后,云中瞬时冰晶浓度增加,繁生层下方的云水含量减少,冰水含量先增加后减少,水汽含量减少;(2)繁生过程使得雨强极大值增大。     

碘化银播撒对云和降水影响的中尺度数值模拟研究

通过在WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度天气数值模式中引入碘化银与云相互作用过程, 建立了中尺度播撒碘化银数值模式。研究了碘化银播撒对于中尺度对流天气过程中云和降水的影响, 研究了不同播撒部位、 播撒时间和播撒剂量情况下碘化银的扩散、 传输及其对云中水成物和降水量的影响。研究结果表明, 碘化银在云中的扩散传输过程与播撒的位置有很大关系, 在最大上升气流区播撒的碘化银能随着气流更快地扩散到云体上部过冷水含量丰富的区域, 播撒在云上层入流区和云下层入流区的碘化银扩散到云中过冷水区需要时间更长, 同时有大部分停留在云体边缘。碘化银能与云中过冷水相互作用, 消耗过冷水使云中冰晶数浓度明显增加, 从而使霰粒子转化减少, 过冷水更多地转化为雪粒子, 过冷水凝结释放出潜热使上升气流增强, 促进了对流发展。由于雨水含量的增加, 地面降水也出现增加。碘化银播撒率对地面降水量影响很大, 当播撒率为0.6 g/s时, 播撒对降水的影响时间超过4小时, 增雨的效果更好。播撒率为0.1 g/s时增雨效果不明显, 当播撒率为1.2 g/s 时, 对总降水可能出现抑止作用。对比碘化银播撒率为0.6 g/s时12小时地面增雨量, 在云上层入流区播撒碘化银试验中, 地面增雨量比对最大过冷水含量区的催化试验提高了48.7%, 最大上升气流区播撒试验增雨效果最好, 地面增雨量比在最大过冷水区域播撒提高了72.1%。     

层状云的雨滴谱分档数值模拟研究

通过建立雨滴分档模式,结合部分观测资料,对中国北方常见的三类典型层状云系:强锋面抬升层状云系、气旋尺度辐合层状云系及弱锋面抬升层状云系的云中水成物总比含水量、降水强度及地面雨滴谱进行了数值模拟,并与观测值进行了比较分析。结果表明,雨滴分档模式较一般使用的单参数Marshall-Palmer（M-P）分布的参数化模式更能反映雨滴的自然演变特征。     

层状云数值模式与实际观测研究

改进了一维层状云雨滴分档模式,利用雨滴分档模式在计算雨滴粒子谱型及数浓度自然演变方面中的优势,对吉林省长春市6月21日3个不同时刻的降雨进行了模拟,并与实测资料进行了比较。结果表明,改进后的模式计算稳定,可以模拟出与实际降水谱型相接近的雨滴谱;对于层状云中上升气流速度难以直接测量的问题,通过选用不同的上升气流速度方案,并将计算所得的雷达回波反射率廓线与实际地面雷达观测值相拟和的方法,从而为实现通过雷达回波与模式计算相比较来测量定量降水提供一个新的思路;与实际观测结果比较可知,暖区碰并过程对本次降水的贡献在10%左右,与上升气流的速度有关。     

两次华北冷涡过程雹云结构特征及AgI催化效果数值研究

用三维完全弹性非静力平衡雹云模式模拟了不同低涡雹云演变特征和人工引晶催化效果,结果表明:冷涡雹云中不存在大量的过冷雨滴,过冷水几乎是由云滴组成的,雹胚形成以云霰转化为主,由冰相过程形成降水粒子。近地面有薄逆温层云体,云底温度高,云中垂直运动强,云中过冷云水含量增长迅速且丰富。在雹云主要上升气流到达的过冷水含量大值区下方和过冷水大值区中心部位分别一次引进×107/kg碘化银粒子进行大剂量催化试验,碘化银主要以凝结-冻结方式核化成冰,雹胚浓度增加,雹胚过多争食抑制冰雹增长,使得冰雹直径明显减小。     

延安层状云暖层中水凝物粒子的谱分布

分析了2003年9月延安上空机载PMS探测的层状云资料，发现延安层状云暖层中水凝物粒子的谱分布可以用一种形式的分布密度函数来表示。用这种函数拟合小云滴、大云滴和雨滴的谱分布，拟合结果与观测的谱分布较为一致，其特征值相关系数大于0．945，拟合出的平均直径、均方直径、均立方直径以及浓度与观测值也较接近，其相对误差小，拟合谱能表现出谱型特征。     

三江源地区对流云吸湿性催化的数值模拟

采用二维分档对流云模式,模拟研究了不同的云凝结核(CCN)背景下三江源地区对流云及其降水的发展,以及吸湿剂的催化效果。结果表明:该地区对流云以冰相过程为主,霰粒子在降水发展过程中具有支配性的作用;初始CCN数浓度增加使降水延迟、降水量减少;催化效果在初始CCN数浓度较高的环境下更好;在云发展的早期,于云底上升气流区播撒吸湿剂,能够获得较好的降水增加效果;对催化结果起决定作用的是粗粒子,小粒子对催化起到负作用。这些结果表明,在合理的催化方案下对该地区作吸湿性催化能得到较为理想的增雨效果。     

层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟

在郭学良等(1999年)发展的层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,模拟了碘化银和液态二氧化碳的催化效率以及催化后云中过冷水的分布与演变过程.结果表明:碘化银和液态二氧化碳在5200～5600 m高度上的催化效率相当,最大达到11.1%;液态二氧化碳在2600～3000 m高度层的催化效率明显增大,达到14.2%;模式云被催化后,云中云水含量在200 min都较未催化时增长0.05 g/m3以上,表现出云中过冷水被消耗后的恢复趋势;碘化银和液态二氧化碳对云体催化后,云中水汽含量减少0.5～2 g/m3,对过冷水的恢复作出贡献;催化过程使得模式云中雨滴浓度在210 rin时较未催化时减少73%,在240 min时较未催化时增加309%.得出了两点结论:(1)模式云被催化后,云中过冷水在200 rin表现出恢复趋势,云中水汽对过冷水的恢复过程作出了贡献;(2)在过冷水较多的区域播撒液态二氧化碳可以取得较好的催化效率.     

层状云飞机增雨催化剂用量研究

催化用量和催化云的温度场、水汽场、动力场、背景水凝物粒子数浓度和谱分布密切相关。根据层状云中催化层过冷云水量、冰水面饱和水汽密度差、增长形成的冰晶群平均质量、催化剂有效扩散空间、催化剂成核率,给出了催化用量的计算公式。选用尺度为50、100和150μm等效水滴质量表示不同核化增长环境的冰晶群平均质量,对于同质核化,催化剂成核率取为1012(个.g-1),对于异质核化以-6℃-、8℃-、10℃为例,计算了催化用量。计算结果和广泛采用的经验用量吻合。比较后发现,国内飞机增雨的实际催化用量明显偏低,应当引起重视。     

一次层状云飞机播云试验的云微物理特征及响应分析

根据2005年3月21日在河南进行的层状云飞机播云试验的探测资料,对人工增雨催化前后层状云的宏微观物理量进行对比分析.结果表明,播云前在4200m高度平飞中观测到的小云粒子数浓度最大值为1.36×108个/m3,相应平均直径在5μm左右;小云粒子数浓度和云液态水含量在催化后均减小,播撒层下方变化较之播撒层变化更加显著;5000m高度小云粒子平均直径由催化前的17.32μm增加到催化后的18.07μm,平均直径明显增大,这些作业前后微观物理量的变化表明了人工催化层状云的物理响应.不同高度飞行具有相似的粒子谱分布.     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

层状云系催化增雨的中尺度模拟研究

利用PSU/NCAR中尺度模式MM5研究层状云碘化银催化后的区域外效应.在MM5中双参数显式云物理方案基础上,采用显式方法加入碘化银粒子的成核机制,建立碘化银粒子比含水量和数浓度预报方程.通过增加催化过程的程序模块,建立起一个中尺度人工催化系统.采用三重嵌套到3.3 km格距模拟了一次层状云系大范围降水,此个例-5℃到-10℃上碘化银催化试验结果表明碘化银在高空风的作用下向下风方输送并影响云内的微物理过程,碘化银持续作用时间为3h.大多数碘化银主要起凝华核作用,催化后冰晶增加主要靠凝华过程.催化后3h内在下风方区域80 km到240 km有10％～30％的增雨,出现催化区域外效应.     

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。     

一次浙江对流云催化数值模拟试验

为了研究吸湿性催化剂、碘化银催化剂及两者的联合催化效果,利用双参数三维对流云催化模式,对浙江南部一次对流云降雨过程分别进行盐粉暖云催化、碘化银冷云催化和冷暖混合催化试验,对比研究不同催化方案对对流云降雨的可能影响。结果表明：盐粉催化导致先增雨后减雨,主要通过盐溶滴与云滴碰并增长,及雨滴碰并和霰粒子碰冻过程消耗。在上升气流区和降雨前期进行催化的增雨效果更好,30 μm粒径的盐粉催化剂量为12.5/L时,可增加降雨量17.8%。在降雨过程的不同发展阶段进行AgI催化,表现出先减雨后增雨的催化效果。盐粉和碘化银的联合催化,由于两者催化效果的不同步,使得不同吸湿性催化剂和碘化银催化剂量配置会导致不同的催化效果。当30 μm的盐粉,催化剂量12.5/L,联合碘化银100/L的冷区催化,可取得19%的增雨效果。