陕北地区层状云系催化的物理效应分析

１９８０、１９８９和１９９１年飞机人工增雨作业结果表明。对展状云系催化后含水量、云雨滴浓度、云雨滴分布、粒子增长、谱型特征和地面降水分布等物理效应均有明显效果，起到增雨作用．     

西北区一次联合探测层状云系云物理特征分析

对2003-09-17我国西北地区东部层状云降水天气过程的层状云系进行了联合探测。经观测对比分析发现：对同一天气系统开展多省联合探测．对认识云系发展变化、结构特征及降水潜力很有帮助；同一条锋面云系由于流场结构的差异，其不同位置的云层结构、温度、湿度、水汽含量存在一定差异；陇东和陕北虽然同处于副高西侧的偏南气流里，但是，低层天水处于反气旋区，抑制了水汽辐合，而延安处于横切变右侧的气旋性辐合区，有利于低层水汽辐合上升，促使该地区云系发展加强，其过冷层厚度大于天水地区；PMS粒子测量系统测得在整个过冷层中，小云粒子的数浓度平均值天水比延安少1个量级，2D—P测出延安的粒子谱较宽，说明上述条件下天水地区人工增雨潜力较小．延安地区相对条件较好，人工增雨潜力大。     

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。     

降水性层状云的微物理特征及人工增雨催化条件的研究

根据２７架次粒子测量系统的探测资料，综合分析了影响山东春，秋季降水云系的微特征，计算了探测层以上云中积分含水量，并依据综合分析结果对山东春，秋季降水性层状云的人工引晶剂量进行了探讨。     

河南春季降水性层状云微物理特征及催化潜力分析

通过对１６个降水个例的模拟计算，归类分析指出：不同类型层状云降水微物理过程各有特点，普通存在“播种￣供应￣机制；我省春季层状云含水量丰富，但自然冰晶不足，人工催化潜力较大。     

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。     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

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.     

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.     

山西春季层状云系结构和人工增雨潜力研究

对两架次飞行个例的DMT资料进行分析,发现山西春季层状云降水系统存在水平不均匀性。2010年4月20日的个例由高卷云、降水性高层云和非降水性高层云组成,高卷云与高层云之间千层较厚不利于形成降水。4月21日的个例由降水性高层云组成,云滴浓度随高度增加减小。对高卷云、非降水性高层云和降水性高层云的宏微观特征进行对比分析。云的垂直厚度越大,云底高度越低,云厚和过冷云层厚度越大,越有利于降水的产生。对这两次个例的云中可播性进行判别,发现存在可播区,无强可播区。     

AgI焰剂对层状云催化的数值模拟

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(4000 m)、最大冰面过饱和度区(5000 m)和低温度区(5500 m)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400 min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,40 min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400 μm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。     

层状云中飞机人工增雨作业间距的研究

利用数值试验方法, 设计了4 km, 8 km和20 km 三种飞机增雨播云间距方案, 研究了不同间距对有效区域的影响.从结果分析发现, 实际形成的播云线受水平风场输送作用, 与设计的航线产生了偏离; 不同播云间距形成的投影有效面积、有效作用时段不同, 其时空分布及投影有效面积所对应的地面位置也不尽相同.另外, 提出了增雨效益的数学表达式.效益分析表明, 在相同作业条件下, 8 km间距的增雨效益比20 km间距提高31%, 比4 km间距提高了23%, 4 km间距比20 km间距提高6%, 其物理原因主要是并合作用.最后, 针对交叉和平行播云方案, 提出了设计最佳播云间距的数学表达式.     

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。     

飞机增雨作业物理检验方法探究及个例分析

人工增雨效果的物理检验为评估人工影响天气的效果提供物理依据,因此越来越受到关注,文章根据2009年5月1日在河北张家口的一次积层混合云降水过程的飞机人工增雨作业探测资料,尝试了从不同高度上寻找对比区,来进行作业效果的物理检验。结果表明：利用反证法思路,发现温度在-10℃时,FSSP 100ER量程1（测量范围为2~47 μm）测量的云粒子中并不全是液相的,也有一定量冰相云粒子存在;而且不同高度粒子浓度急速增大的时刻与冰相云粒子陡增的时刻是趋于一致的,观测的实际结果基本符合冷云催化原理;降雨区域面积是扩大的,某种程度上讲,作业收到了一定的效果。     

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。     

Microphysical Effects of Cloud Seeding in Supercooled Stratiform Clouds Observed from NOAA Satellite

Based on the satellite retrieval methodology, the spectral characteristics and cloud microphysical properties were analyzed that included brightness temperatures of Channels 4 and 5, and their brightness temperature difference (BTD), the particle effective radius of seeded cloud track caused by an operational cloud seeding and the microphysical effects of cloud seeding were revealed by the comparisons of their differences inside and outside the seeded track. The cloud track was actually a cloud channel reaching 1.5-km deep and 14-km wide lasting for more than 80 min. The effective radius of ambient clouds was 10-15μm, while that within the cloud track ranged from 15 to 26μm. The ambient clouds were composed of supercooled droplets, and the composition of the cloud within the seeding track was ice. With respect to the rather stable reflectance of two ambient sides around the track, the visible spectral reflectance in the cloud track varied at least 10%, and reached a maximum of 35%, the reflectance of 3.7μm in the seeded track relatively decreased at least 10%. As cloud seeding advanced, the width and depth were gradually increased. Simultaneously the cloud top temperature within the track became progressively warmer with respect to the ambient clouds, and the maximum temperature differences reached 4.2 and 3.9℃at the first seeding position for Channels 4 and 5. In addition, the BTD in the track also increased steadily to a maximum of 1.4℃, compared with 0.2-0.4℃of the ambient clouds. The evidence that the seeded cloud became thinner comes from the visible image showing a channel, the warming of the cloud tops, and the increase of BTD in the seeded track. The seeded cloud became thinner mainly because the cloud top descended and it lost water to precipitation throughout its depth. For this cloud seeding case, the glaciation became apparent at cloud tops about 22 min after seeding. The formation of a cloud track in the supercooled stratiform clouds was mainly because that the seeded cloud volume glaciated into ice hydrometeors that precipitated and so lowered cloud top height. A thin line of new water clouds formed in the middle of the seeded track between 38 and 63 min after seeding, probably as a result of rising motion induced by the released latent heat of freezing. These clouds disappeared in the earlier segments of the seeded track, which suggested that the maturation of the seeding track was associated with its narrowing and eventual dissipation due to expansion of the tops of the ambient clouds from the sides inward.     

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.