水分子结构模式及液态固态水若干特征成因探讨

水是包括海洋大气在内的地球生态系统中极重要又有很多特殊性的物质。其特性的成因尚远非清晰。本文提出一种水分子(H_2O)结构及其固态液态水体的结构模式,探讨和模拟计算了其若干特征的成因,结果能较好符合实测值。(1)从氢(H)氧(O)原子结构和电子绕各原子核及相互绕行规律的等概率随机轨道中实现符合库伦力和开普勒运动规律的优势轨道耦合成平均状态稳定的准刚性的水分子结构。其核心是O原子与等距离分立其两侧的2个H原子构成的等腰三角形,其间距平方之比(H-H)_2/(H-O)_2=2.5;电子云活动空间为1个由4个等边三角形为面构成具有6个等长稜的正四面锥体结构水分子模式(可简称"水分子正锥体模式");该模式具有很大电偶极矩。(2)水分子的端点间在约0.27 nm距离内可以按"+""-"电荷吸引原则耦合。6个水分子将按正、负电荷对接耦合,连接成六边环形"壁"的"笼式隧道空间",可容纳其他物质,无电荷显示,电导率极地。(3)在空气中0℃以下凝结冰晶时三维不对称,"薄片"的雪花形成概率更大,其形态也按自相似原则体现了水分子结构的六角六边六针形的特征。(4)液态水分子维持固态水冰的"冰/水笼"结构模式,但由于2个氢原子上的电子同时到达1个"-"电荷端的概率为1/11,当0℃以上部份水分子能摆脱框架水分子束缚后,可以再耦合一个从框架上"脱落"的"自由水分子"使其进入水笼,从而水容积缩小;固体冰和液态水的密度之比为11/12=0.916 667。自由水分子和水笼框架上的水分子可以随时互换(在10-5s时间尺度上),并适应固体壁的形态,既是不可压缩,又有柔软、可变形特点;水在0~100℃时的空/占比达2.28,模式可解译高温高压的水汽中检测到2.16 g·cm-3,水热传导系数很大,比热容量很大,有"异常"的U形特点,且液态水的比热容量略大于固态水冰的热容量的1/2等特征。(5)讨论了水对O_2、H_2S、NaCl、KCl等的溶解度随温度变化的若干特征的成因和计算模式。通过NaCl饱和溶液实验,证实了本文模式。(6)与液态水体表面特征有关的特点及本文实际应用将在随后续文中讨论。     

碘化银、液态CO2播撒对流云防雹增雨的数值模拟

利用三维对流云模式对2001年8月23日发生在北京的降雹性对流天气过程进行播撒模拟和分析。结果表明，无论播撒剂为碘化银（AgI）还是液态CO2（LC），在最大过冷水区播撒均比在最大上升气流区播撒效果好。在最大过冷水区（温度0～-10℃）播撒时，AgI播撒消雹增雨的效果均优于LC播撒。在最大上升气流区（温度8～-7℃）播撒时，LC播撒的增雨效果要好于AgI播撒，而AgI播撒减雹量较大。对本例而言，无论哪种播撒方式，播撒时间越早，采用合适的剂量进行催化，消雹增雨的效果越好。在云体发展成熟之前播撒均可以取得消雹增雨的效果，而云体发展旺盛或发展后期播撒则会导致雨水减少，降雹增多。     

微波辐射计探测降雨前水汽和云液水

1997年8～11月在陕西西安使用双通道地基微波辐射计对降水云系进行探测，除得到云中水汽含量(Q)和垂直路径积分云液水含量(L)的一般统计特征量外，还发现在降雨开始前，Q和L的数值均有跃增现象。提出在降水云系前方（周围）存在丰水区的假设，这里可能是云滴向雨滴转化的孕育区、人工增雨最佳作业区。     

降雪含水比研究进展

降雪深度预报与定量降水预报(QPF)一样是冬季天气预报最重要的业务之一,而降雪含水比是降雪深度预报中所必须的重要参数,国外一般多将其称为snow-to-liquid ratio(SLR)。本文回顾了过去几十年来国内外在SLR的变化特征、影响因素等方面的主要研究进展,并对其预报技术和方法进行了总结和比较。研究表明:SLR具有明显的时间变化,并且存在季节和空间分布差异;大气温度和相对湿度是影响SLR的两个最重要气象因子,气压、垂直运动等气象因素,以及地表风、积雪自重、太阳辐射和积雪融化也会不同程度地影响SLR;随着预报技术的发展,SLR的预报方法可概括为气候学的、统计学的和基于物理基础的三类预报方法,气候学方法过于简单化,统计学方法的应用提高了SLR的预报能力,但仍无法摆脱统计方法自身的缺陷,比较而言,基于数值模式的瞬时预报更符合未来雪深预报业务的精细化发展趋势;目前,国内降雪深度观测资料较少、观测频率较低,有效开展地面降雪和探空加密观测,解决观测资料不足是今后SLR研究中亟待解决的问题;基于数值天气预报业务模式,探索气象因子对SLR的影响机理,建立适合我国冬季天气预报业务需求的降雪预报系统是未来的发展方向。     

利用机载探测设备研究云中零度层附近云雷达反射率与液态含水量的关系

利用机载Ka波段云雷达（an airborne Ka-band Precipitation cloud Radar, KPR）与DMT （Droplet Measurement Technologies）粒子测量系统对山东一次积层混合云进行同步穿云观测。对获取的KPR资料进行飞行轨迹误差订正和数据插值处理,与DMT粒子测量系统计算的云中的液态含水量进行相关性研究。从试验飞行云层中选取了两段云区,共划分成9个时段（累计飞行18 min）展开讨论,其中有3个时段相关性比较好,相关系数超过0.7,并且利用相关系数最大的时段拟合出KPR反射率与云中液态含水量之间的关系式。针对每个时段的粒子特征参数、云滴谱型、冰晶谱型及典型粒子图像展开详细分析,结果表明,较强相关性时段内,大云滴浓度要高于小云滴,且观测粒子多为小于100 μm的小粒子;较弱相关性时段,CIP（Cloud Imaging Probe）探头观测到的粒子多为针状或板状冰晶,尺度为毫米量级。     

2006年6月28日河南省强对流天气过程分析

利用濮阳、三门峡新一代天气雷达产品及云图、自动站等资料,分析了2006年6月28日河南省强对流天气过程.结果表明:濮阳新一代天气雷达基本反射率明显特征为弓形带状回波,对应径向速度上为一条明显的辐合线,强降水回波带和此中尺度辐合线位置吻合;三门峡新一代天气雷达显示,洛宁冰雹的组合反射率达65dBz,回波顶高达14～17 km,垂直液态含水量达55～65 kg·m-2,径向速度产品显示有中尺度气旋,以上特征早于降雹30 min左右出现.     

Analysis of the Microphysical Structure of Heavy Fog Ｕsing a Droplet Spectrometer: A Case Study

The microphysical properties of a long-lasting heavy fog event are examined based on the results from a comprehensive field campaign conducted during the winter of 2006 at Pancheng (32.2°N, 118.7°E), Jiangsu Province, China. It is demonstrated that the key microphysical properties (liquid water content, fog droplet concentration, mean radius and standard deviation) exhibited positive correlations with one another in general, and that the 5-min-average maximum value of fog liquid water content was sometimes ...     

Aircraft Measurements of the Microphysical Properties of Stratiform Clouds with Embedded Convection

The presence of embedded convection in stratiform clouds strongly affects ice microphysical properties and precipitation formation. In situ aircraft measurements, including upward and downward spirals and horizontal penetrations, were performed within both embedded convective cells and stratiform regions of a mixedphase stratiform cloud system on 22 May 2017. Supercooled liquid water measurements, particle size distributions, and particle habits in different cloud regions were discussed with the intent of characterizing the riming process and determining how particle size distributions vary from convective to stratiform regions. Significant amounts of supercooled liquid water, with maxima up to 0.6 g m~(-3), were observed between -3℃ and-6℃ in the embedded convective cells while the peak liquid water content was generally less than 0.1 g m~(-3) in the stratiform regions.There are two distinct differences in particle size distributions between convective and stratiform regions.One difference is the significant shift toward larger particles from upper -15℃ to lower -10℃ in the convective region, with the maximum particle dimensions increasing from less than 6000 μm to over 1 cm. The particles larger than 1 cm at -10℃ are composed of dendrites and their aggregates. The other difference is the large concentrations of small particles(25–205 μm) at temperatures between -3℃ and-5℃ in the convective region, where rimed ice particles and needles coexist. Needle regions are observed from three of the five spirals, but only the cloud conditions within the convective region fit into the Hallett-Mossop criteria.     

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。     

50 km以内雷暴系统的分类识别方法研究

为解决水平尺度在50 km以内的雷暴系统自动分类识别问题,提出了系统结构疏密性特征、移出率、液态水含量及累加液态水含量特征的构建算法;这些特征既在冰雹和短时强降水之间具有显著性差异,又可以共同描述冰雹和强降水同时发生的具有双重性特质的复合性系统。为配合累加液态水含量这种与时间相关特征的使用,在所实现的分类树中引进了迭代机制。实验表明,本文方法对50 km以内雷暴系统引发的短时强降水击中率达到89.1%,误报率9.5%;对其引发的冰雹的击中率为79.8%,误报率3.5%;平均临界成功指数达到80.0%。