层状云中非垂直多条撒播线源催化剂扩散的数值模拟

首先建立了一个模拟层状云中催化剂扩散的三维时变烟团轨迹模式。该模式能够模拟层状云中多条（与风向）非垂直撒播线源的催化剂扩散特征。在模式中,详细考虑了地形、垂直风切变对催化剂扩散的影响以及催化剂播散参数的时空变化和催化剂的湿清除效应以更接近于实际过程。其次建立了一个细网格三维非静力中－β尺度动力学预报模式,用于模拟大气流场和湍流场,以其作为烟团轨迹模式的背景场。最后根据１９９６年３月３１日０８时实测常规气象资料和１４时飞机实际播撒参数,对陕西省关中地区飞机人工增雨作业中的催化剂扩散进行了数值模拟,对不同的大气层结和扩散参数做了敏感性试验分析。模拟结果表明：（１）在非均匀、非定常及非垂直直线源情况下,层状云中催化剂扩散的浓度等值线空间分布较复杂,不满足高斯分布。（２）催化剂的扩散与湍流扩散系数、风场分布相对应,水平扩散范围大于垂直扩散范围。（３）不稳定层结有利于催化剂扩散和多条线源的合并,扩散系数越大,扩散范围越大,线源间合并越早,撒播的线源间距可以大些。（４）陡峭地形对低层风场和湍流场影响较大。     

层状云人工增雨撒播方法的有效性初探

利用已建立的模拟层状云中催化剂扩散的三维时变烟团轨迹模式, 研究人工增雨撒播方法的有效性。根据１９９６－０３－３１－０８ 时实测常规气象资料和１４ 时飞机实际播撒参数, 对陕西省关中地区飞机人工增雨作业中的催化剂输送扩散进行了数值模拟, 对不同的大气层结和扩散参数做了敏感性试验分析, 根据达到有效催化的浓度（１０ 个／Ｌ）标准, 初步分析撒播方法的有效性。结果表明： （１） 非均匀、非定常、非垂直撒播线源的催化剂输送扩散特征是, 浓度等值线空间分布图形类似于撒播线, 但更为复杂, 已不满足高斯分布; （２） 催化剂的扩散与湍流扩散系数、风场分布相对应, 水平扩散范围大于垂直扩散范围; （３） 大范围的撒播并不象人们期望的那么有效, 因为云中存在许多无催化剂影响的区域, 建议飞机人工增雨作业中设计撒播方案时, 应该科学慎重;（４） 催化剂的扩散对湍流扩散系数非常敏感, 建议模式中最好含有湍流预报项。     

人工影响天气飞机播云作业有效催化范围的模拟评估

针对人工影响天气飞机播云作业效果评估需求,提出一种基于拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF的催化剂催化范围模拟评估方法.以典型催化剂碘化银为例,开发催化剂物理化学特性参数清单模块,结合飞机播云特点和模式源项特点,将飞机不规则线性播撒方式离散化为连续移动点源播撒方式,实现模式对飞机播云的模拟能力.通过对一次飞机播云作业的模拟试验,证实了模拟评估方法的可行性和有效性.     

一种考虑风切变的区域多源实用烟团轨迹模式

本文建立并论述了一种区域多源实用烟团轨迹模式。模式在作者先前工作的基础上,加进了对两个重要方面问题的处理,即:(1)运用质量连续风场调整的客观分析方法,得出三维风场并供作轨迹计算和扩散计算联接输入;(2)考虑风存在垂直切变的处理方案,使得模型更接近实际。对52×56km~2模拟域,含50个高架点源,非定常气象条件下的空气污染物输送与扩散作了计算,模式输出逐时网格风场和地面SO_2浓度分布以及日平均SO_2地面浓度分布与实测结果合理地一致。模式效能表明能够适应区域空气污染管理的需要。     

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     

飞机增雨催化剂水平输送与扩散速率的研究

研究了飞机增雨中催化剂的水平输送与扩散速率，为设计播云间距，估算影响区大小，位置，影响时间提供科学的定量依据。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空变模式，对播云催化剂水平输送和扩散速率进行了模拟研究。结果表明，云中催化剂水平输送仅与风场有关，1h的平均值达到65km，催化剂扩散速率与风、温、湍流有关，1h平均为0.82m/s。     

复杂气流系统中的空气污染物输送与扩散的烟团轨迹模式研究──Ⅰ:烟团轨迹模式介绍

建立了一个三维时变、考虑风切变的烟四轨迹模式,用以模拟复杂气流系统中污染物散布的特征.模式具有以下几个特点：（1）常规资料作为模式输入,对边界层参量进行参数化.（2）重新考虑了混合层反射。（3）利用新的扩散参数计算方案.（4）修正了烟团分裂方案。模式能够处理湍流和风切变引起污染物扩散、非均匀风场对污染物的输送、干湿沉积、线性化学反应、混合层高度和稳定度的周日变化、地形地物等对污染物散布的影响。     

河北省冬季低槽冷锋层状云结构特征和可播性分析

2018年1月6日河北省出现一次低槽冷锋天气系统,利用两次云粒子垂直探测资料分析层状云结构特征和演化规律,探讨冬季低槽冷锋系统层状云催化条件和催化时机。结果表明：天气系统初期西南风风速中心发生在6500 m高空时,风速随高度呈不连续分布,层状云云顶温度为-29.2℃,中低云层稀薄;3000 m以上云层粒子基本被冰化,云内过冷水含量小于0.05 g·m^-3,固态含水量为0.1 g·m^-3左右,3000 m以下云层有大量自然冰晶,过冷水低于0.15 g·m^-3,不具备催化条件。700—3000 m高度层西南风加强,云内过冷水含量普遍大于0.1 g·m^-3;2200 m风速中心风速达16 m·s^-1,该高度最大液态水含量达0.38 g·m^-3,冰晶浓度为6 L^-1,温度为-9℃,适宜催化。低槽冷锋天气系统层状云结构特征和催化条件受槽前西南风强弱和风速中心高度影响,天气系统初期层状云云顶过高、温度过低时,层状云为不可播云。随槽线东移,风速中心高度降低,3000 m以下西南风加强,层状云转变为可播云。     

层状云中垂直线源的扩散问题

下投式飞机和火箭焰弹分散的催化剂一般都形成若干条垂直线源。该文利用湍流扩散的梯度输送理论，提出了层状云中垂直线源催化剂扩散的理论模式，并给出了顺风向和垂直于风向发射的多条线源催化剂深度叠加效应的计算公式。     

三维辐射传输模式分析非均匀云对天空辐射场影响

为了解非均匀分立云体分布状况下的天空辐射场与无云晴空辐射场的差异, 本文借助一个三维辐射传输数值模式SHDOM模拟了离散云块分布条件下的天空辐射场分布, 重点分析不同云况分布情况下“非云”大气的辐射分布特征, 并将该区域与无云晴空大气辐射场的相同区域进行了比对。工作主要从辐亮度以及450 nm/650 nm的辐射比两参数入手进行讨论。研究发现, 相对无云晴空大气, 云的存在会对周围“非云”大气散射辐射产生影响, 影响程度与云量、云及气溶胶光学厚度等参数相关。数值模拟结果表明, 在云量不太大的条件下, 无云视场空间的大部分辐射值与无云晴空相比变化很小, 集中在±2％之间。这一结果表明, 已有的一维均匀大气辐射传输模式运算结果所得云与非云相元的判据基本适用于非均匀分布的有云大气。另一方面, 模拟结果表明我们也完全可以利用非均匀有云大气中的无云视场观测结果进行大气气溶胶等晴空大气光学特征的探测研究。     

A Three-Dimensional Model of Transport and Diffusion of Seeding Agents within Stratus

1. IntroductionMany projects and experiments of rain enhancement are carried out abroad. Most seeded cloud bodies are the convective or topographic clouds. The seeding agents are usually released near their bases and brought into the clouds by the updrafts. Whether the seeding material can reach the areas where cloud liquid water presents is emphasized. Tzivion et al.(1989) demonstrated that effective dispersal of seeding material strongly depends on the seeding altitude and the stage (time) …     

Comparison Between Computer Simulation of Transport and Diffusion of Cloud Seeding Material Within Stratiform Cloud and the NOAA-14 Satellite Cloud Track

A precipitation enhancement operation using an aircraft was conducted from 1415 to 1549 LST 14 March 2000 in Shaanxi Province. The NOAA-14 satellite data received at 1535 LST soon after the cloud seeding shows that a vivid cloud track appears on the satellite image. The length, average width and maximum width of the cloud track are 301 kin, 8.3 and 11 kin, respectively. Using a three-dimensional numerical model of transport and diffusion of seeding material within stratiform clouds, the spatial concentration distribution characteristics of seeding material at different times, especially at the satellite receiving time,are simulated. The model results at the satellite receiving time axe compared with the features of the cloud track. The transported position of the cloud seeding material coincides with the position of the track. The width, shape and extent of diffusion of the cloud seeding material are similar to that of the cloud track.The spatial variation of width is consistent with that of the track. The simulated length of each segment of the seeding line accords with the length of every segment of the track. Each segment of the cloud track corresponds to the transport and diffusion of each segment of the seeding line. These results suggest that the cloud track is the direct physical reflection of cloud seeding at the cloud top. The comparison demonstrates that the numerical model of transport and diffusion can simulate the main characteristics of transport and diffusion of seeding material, and the simulated results are sound and trustworthy. The area, volume, width, depth, and lateral diffusive rate corresponding to concentrations 1, 4, and 10 L^-1 are simulated in order to understand the variations of influencing range.     

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%。     

中国北方沙尘天气气象场的数值模拟

利用PSU/NCAR的非静力中尺度气象预报模式MM5对北方地区气象场进行模拟,通过对2001年3月21日发生并影响北京地区的沙尘过程的数值实验表明,该模式能够较好地模拟和预测北方沙尘天气的时空演变特征。低值系统以及其低层辐合、高层辐散的垂直结构,可以产生很强的上升气流,形成地面起沙和沙尘上扬,而强风是沙尘输送的动力条件。利用轨迹模式对空气质点轨迹进行了模拟研究,可以较好地反映沙尘的发生源区和输送路径,与卫星监测和天气系统分析是一致的。并编写软件用于演示气象场的动态效果。     

Three-dimensional air pollutant modeling in the lower atmosphere

A steady-state, three-dimensional turbulent diffusion equation describing the concentration distribution of an air pollutant from an elevated point source in the lower atmosphere is solved analytically. The same formulation can be used to obtain solutions from line, area or other kinds of sources. The solution is developed for the cases in which the velocity, vertical and lateral diffusivities are given by the power law. The model preserves the beauty of analytical solution without sacrificing much on the accuracy of approximating the velocity and eddy diffusivities. Methods of evaluating the parameters, which are required for the model applications, are discussed. Results indicate that the ratio of the plume width to the plume length increases with decreasing stability and with increasing source height. These consequences are in response to the variations of the size of eddies in the vertical direction.     

地面连续点源催化剂的扩散

在人工影响天气的作业和科学试验中,除了在云中或云下播撒、爆炸分散和燃烧分散催化剂以外,在某些地区相宜季节还可使用在地面或高山顶侧以点源形式燃烧催化剂人工影响降水的方法,地面点源可分瞬时点源和连续点源两种类型.建立了地面连续点源扩散模式.研究结果表明在不稳定、中性和稳定3种大气层结条件下地面连续点源的垂直扩散高度分别为640 m,555 m和475 m,而水平最大扩散宽度对应为600 m、450 m和430 m,催化剂的最大浓度中心都集中于催化剂发生器喷嘴的上方附近.在冬季,如果将源建立在较高的山坡或山顶上人工影响冬季降水是可能成功的,而在其它季节能否成功要视具体情况而定.     

一个对流边界层中的随机扩散模式

通过对对流边界层(CBL)湍流结构的分析,首次提出用两种不同尺度的湍流模拟CBL中的铅直扩散.在此基础上发展了一个随机扩散模式,并用它模拟了典型对流条件下两种高架连续点源的扩散.与Willis水槽模拟和Lamb等人数值模拟以及CONDORS计划外场试验的结果的比较表明,本模式能成功地模拟CBL中的横向积分浓度.与其它数值模式相比,还具有输入参数少、计算量极小和更加简单实用的优点.     

层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。