人工增雨降温机理的数值模拟研究: 对流云个例试验

为减轻夏季用电负荷,2004年我国许多省市实施了碘化银催化增雨降温作业。本文利用数值模拟方法讨论了强对流云(冰雹云)催化降温的机理。模拟结果表明,实施碘化银催化后,地面降雨量增加、降雹量减少、地面温度降低。催化使得云中冰晶、霰和雨水的含量增加,造成云雨蒸发、霰的融化(蒸发)及冰晶升华量增加,从而使空气温度降低。     

对流云催化增雨的作业体会

根据沂源县近几年高炮人工增雨作业实践,总结了对流云催化作业经验,指出适宜的作业时机、部位和用弹量。     

海口市人工催化热带对流云增雨降温的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的具有火箭人工增雨催化功能的三维云分档数值模式(IAP2HBM),对2004年7月8日海南岛海口市区的一次热带对流云火箭人工增雨降温作业过程的宏、微观物理演变过程和人工增雨降温作业效果进行数值模拟。结果显示,人工催化播撒AgI后地面降水增加、地面气温下降的区域扩大、维持时间延长。催化导致云水含水量降低,雨水、冰晶、霰、雪含量增加,云中雨水的大量蒸发和冰晶、霰和冰雹粒子融化造成空气温度降低。     

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。     

一次冰雹云过程及其催化试验的数值模拟分析

本文应用中科院大气所建立的三维完全弹性冰雹云模式，对2000年6月9日发生在江苏射阳地区的一次冰雹云过程及其催化试验进行了数值模拟，根据模式输出的高时空分辨率资料，分析了冰雹云发生发展过程中的热力和动力场作用及微物理过程的变化，对这次冰雹云形成的机制作了初步分析，并作了一系列碘化银催化试验，对催化防雹的物理机制又进行了较为深入的探讨。     

对流云微物理过程的数值模拟——引晶催化的效果分析

用一维时变微物理模式,模拟了1990年盛夏季节大冶县高炮人工降雨作业点作业日的积云及其催化效果。结果表明,高炮人工降雨作业技术难度大,作业效果与云顶温度、云体大小等有一定关系。     

黄河上游对流云降水微物理特征的数值模拟试验

利用二维动力-热力场和水凝物粒子分档数值模式,对黄河上游河曲地区浅对流云降水微物理特征进行了试验性模拟,得出了浅对流云中暖雨增长机制可以单独形成雨,且其成雨速率可以快于冷雨过程等有意义的结果。     

对流云盐粉催化的数值模拟研究

利用三维对流云盐粉催化模式对一次对流云降水进行了盐粉催化模拟试验。模式中考虑了盐粉与云雨滴和冰相粒子间的相互作用。模拟结果显示,当采用20μm粒径的盐粉进行单次催化时,催化效果较好,地面总雨量可增加20%,催化次数的增多会导致降水的减少。霰融化成雨是雨滴增长的主要机制,霰碰并过冷云水是霰增长的主要机制,催化后霰融化成雨和霰碰并过冷云水的速率均有提高。催化会引起水成物云滴、冰晶、霰和雨滴的比质量变化。霰和云滴的粒径也在催化后出现了明显的增大。催化后短时间内动力过程出现了变化。     

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...     

冷云中飞机播撒液态CO2的催化效应研究

根据2003年9月17日在延安机载PMS探测作业中观测到的资料，对催化作业区域及可能采集到相应作业信息的下风方影响区域的探测值进行了比较分析，并结合雷达、地面雨量进行了增雨效果检验。研究表明：催化作业下风云影响区的F-100，2DC和2DP的粒子浓度比背景值均有所增加；雷达回波增强，地面雨量增加，飞机增雨作业有一定的效果。     

对流云人工增雨潜力初步探讨

利用在古田水库建立的以新一代天气雷达为主,包括稠密地面雨量站网等人工增雨综合监测技术系统,结合古田水库“蓄水型”人工增雨外场试验研究对流云降水量、降水效率和人工增雨潜力。研究表明:①试验区对流云自然降水效率平均约为1222×103m3,最大为1626×103m3;②人工催化后18~36 min,平均降水效率提高6个百分点,每次作业降水量增加395.5×103m3;相对增加28.36%,最大分别增加10个百分点,为972×103m3和59.78%;③每次作业水库入库流量增加143×103m3;④综合12年(1975~1986)古田人工增雨试验和2004年古田水库“蓄水型”人工增雨效果分析,可以认为对流云云内含水量大,有明显的增雨潜力。     

华南冷锋云系的人工引晶催化数值试验

在对华南2004年3月31日~4月1日的冷锋降水天气过程进行正确模拟的基础上, 通过向云中引入人工冰晶研究了催化效应, 结果表明: 催化使地面雨量在催化后30 min开始增加, 80 min时达到峰值, 120 min时减小到最小值。被催化的云团随着自然雨带逐渐向东南方向移动, 并且催化云影响其周围的云团, 造成了催化的下风方域外效应, 使催化效果可以延长到催化后10个小时, 随着自然云的消散而结束。人工冰晶的引入, 使得大量过冷雨滴快速转变为霰粒, 霰粒通过淞附云水和碰并雨滴过程增长, 使降水提前发展, 之后霰粒的融化使地面雨量增加。大量冻结潜热的释放, 使云中温度增加, 上升速度增强, 说明 “静力催化作用” 和 “动力催化作用” 是相互关联不可割裂的。在云体发展早期冷云降水过程还没有启动之前引入人工冰晶的催化效果优于云体发展接近成熟时的催化效果, 而只由催化剂量的不同造成的增雨差异较小。     

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.     

青藏高原夏季对流云微物理特征和降水形成机制

青藏高原对我国天气、气候和水循环过程有重要影响。利用第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）2014年7月在那曲地区的飞机观测数据,研究青藏高原夏季对流云和降水的微物理特征及降水形成机制。飞机探测的云系主要为初生或发展阶段的冰水混合云,云滴数浓度低于平原、海洋地区1~2个量级,云内存在大量大云滴和雨滴,过冷水含量高。大粒子（D≥50 μm）数浓度量级为100~101 L-1,云内上升气流速度集中在1~4 m·s-1。青藏高原云滴谱主要呈双峰型,云内冰相粒子多为密实、不透明的霰粒子,云内凇附过程显著。云内暖雨过程产生的大云滴和雨滴有利于冰相过程,尤其是凇附过程的产生,使得青藏高原云更易产生降水。此外,残留云系与对流云有着较为类似的微物理特征。     

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。     

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。     

吸湿性播撒对暖性对流云减雨影响的数值模拟

利用以色列特拉维夫大学二维面对称分档云模式（two-dimensional slab-symmetric detailed spectral bin microphysical model of Tel Aviv University）,对2016年9月4日16:00（北京时）前后我国华东地区的一次暖性浅对流云降水过程进行模拟,模式模拟的强回波中心高度和最大回波强度范围与观测基本一致。并在此基础上进行了小于1 μm的吸湿性核的播撒减雨试验,分别考虑了不同播撒时间、不同播撒高度以及不同播撒剂量的敏感性测试。结果表明:在云的发展阶段早期播撒能起到更好的减雨效果,播撒时间越早对大粒子生长过程的抑制作用越强,随着播撒时间向后推移,受抑制作用最显著的粒径段向小粒径端偏移;在云中心过饱和度大的区域下方进行播撒,减雨效果更加明显,当播撒剂量为350 cm-3时,地面累积降水量减少率可达23.3%;另外,随着播撒剂量的增加,减雨效果更加显著,甚至能达到消雨的效果。因此,在暖性浅对流云中合理地播撒小于1 μm的吸湿性核能达到较好的减雨或消雨效果。     

A Numerical Investigation on Microphysical Properties of Clouds and Precipitation over the Tibetan Plateau in Summer 2014

In order to improve our understanding of microphysical properties of clouds and precipitation over the Tibetan Plateau (TP), six cloud and precipitation processes with different intensities during the Third Tibetan Plateau Atmospheric Science Experiment (TIPEX-Ⅲ) from 3 July to 25 July 2014 in Naqu region of the TP are investigated by using the high-resolution mesoscale Weather Research and Forecasting (WRF) model. The results show unique properties of summertime clouds and precipitation processes over the TP. The initiation process of clouds is closely associated with strong solar radiative heating in the daytime, and summertime clouds and precipitation show an obvious diurnal variation. Generally, convective clouds would transform into stratiform clouds with an obvious bright band and often produce strong rainfall in midnight. The maximum cloud top can reach more than 15 km above sea level and the velocity of updraft ranges from 10 to 40 m s-1. The simulations show high amount of supercooled water content primarily located between 0 and -20℃ layer in all the six cases. Ice crystals mainly form above the level of -20℃ and even appear above the level of -40℃ within strong convective clouds. Rainwater mostly appears below the melting layer, indicating that its formation mainly depends on the melting process of precipitable ice particles. Snow and graupel particles have the characteristics of high content and deep vertical distribution, showing that the ice phase process is very active in the development of clouds and precipitation. The conversion and formation of hydrometeors and precipitation over the plateau exhibit obvious characteristics. Surface precipitation is mainly formed by the melting of graupel particles. Although the warm cloud microphysical process has less direct contribution to the formation of surface precipitation, it is important for the formation of supercooled raindrops, which are essential for the formation of graupel embryos through heterogeneous freezing process. The growth of graupel particles mainly relies on the riming process with supercooled cloud water and aggregation of snow particles.     

Microphysical Properties of Convective Clouds in Summer over the Tibetan Plateau from SNPP/VIIRS Satellite Data

The Tibetan Plateau (TP) plays an important role in formation and development of the East Asian atmospheric circulation, climate variability, and disastrous weathers in China. Among the many topics on TP meteorology, it is critical to understand the microphysical characteristics of clouds over the TP;however, observations of the cloud microphysics in this area are insufficient mainly due to sparse stations and limited cloud physical data. The Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VⅡRS), onboard the Suomi National Polar-orbiting Partnership (SNPP) satellite, has an improved imaging spectroradiometer with 17 channels of 750-m moderate resolution and 5 channels of 375-m image resolution. The high-resolution instrument has an advantage for observing the small or initial convective clouds. Based on the methodologies that we proposed before for retrieving cloud microphysical properties from SNPP, an automated mapping software package named Automatic Mapping of Convective Clouds (AMCC) has been developed at the scale of satellite swath. The properties of convective clouds are retrieved by AMCC and their values are averaged over 0.33°×0.33° grids based on the SNPP/VⅡRS satellite data over the TP during the summers of 2013-17. The results show that:(1) the temperature of lifting condensation level (TLCL) at Naqu meteorological station and the cloud base temperature (Tb) retrieved from VⅡRS are linearly correlated, with a correlation coefficient of 0.87 and standard deviation (STD) of 3.0℃;(2) convective clouds over the TP have the following macro-and microphysical properties. First, the cloud base temperature (Tb) is about -5℃, the cloud base height above the ground (Hb) ranges between 1800 and 2200 m, and the cloud water content is low. Second, the cloud condensation nuclei concentration (NCCN) is between 200 and 400 mg-1 with 0.7% in maximum supersaturation (Smax);consequently, the condensation growth of water cloud droplet with less NCCN and higher Smax is fast. Third, because the precipitation initiation depth (D14) varies within 1500-2000 m and 500-1000 m at the Yarlung Zangbo River basin and southern Tibet, respectively, the clouds over these areas are more prone to precipitation. Fourth, mean height of the cloud top above sea level (Htop) is between 10 and 13 km, but the cloud depth (Dcld) is rather small, which is about 5000 m in southern TP and gradually reduces to 2500 m in northern TP. Fifth, the glaciation temperature (Tg) ranges from -30℃ in central and southern TP to -25℃ in northern TP, which, combined with the warmer Tg and the Tb less than 0℃, leads to the domination of ice process in the clouds;(3) the macro-and microphysical properties of convective clouds over the TP explain why rainfall there is frequent and lasts over a short time with small amount and large rain drops.