（大气物理学与大气环境专业论文）基于粒子分档技术的云模式研究.pdf

刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 摘要 在一维层状云雨滴分档模式中，加入冰晶繁生过程，研究了冰晶繁生过程 对层状云降水的影响；进行碘化银和液态二氧化碳催化数值试验，研究层状云 催化后过冷水的分布与演变规律。结果表明：( 1 ) 模式云被催化后，云中过冷 水在2 0 0m i n 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。 在三维完全弹性冰雹云参数化模式动力框架和二维面对称分档模式( 微物理 过程分档处理) 的基础上，建立粒子全分档的三维对流云分档模式。利用建立的 分档模式对2 0 0 0 年6 月2 9 日美国堪萨斯州的一次超级单体风暴进行了模拟， 并将模拟结果与三维冰雹云参数化模式的模拟结果作了对比。结果表明：分档 模式可以较好的模拟出强对流云中两支上升气流，模拟得到的最大上升气流速 度大于参数化模式；分档模式模拟得到的雷达回波强度、顶高和回波宽度与实 测接近；参数化模式模拟得到的回波强度较弱，回波高度较低，宽度相对较窄。 利用微物理过程分档处理的三维对流云分档模式进一步模拟了初始时刻不 同的湿度扰动、位温扰动和气溶胶浓度变化对对流云发展的影响。随着初始时 刻低层相对湿度的增大，模拟云中的上升气流速度极大值增大，极大值出现的 时间提早，高度升高。模拟云中液水含量和液滴浓度的极大值也随着初始时刻 相对湿度的增大而增大。相对湿度的增大导致模拟云中液滴质量分布函数与直 径增大，进而促进云中霰粒的形成和增长。 模拟云中的垂直上升气流、液水含量和液滴数浓度均随着位温扰动的增大 而增大，当位温扰动为2 5 时，最大上升气流达到4 1 7i ns 一，液水含量和液 滴数浓度达到9 6gk 9 1 和6 2 6 2o f f 。 模拟云中气溶胶浓度的总体增大使得云中最大上升气流、液水含量、液滴 浓度和雷达回波极大值增大。气溶胶浓度的整体减少导致液滴浓度极大值减小， 液水含量极大值增加。半径大于0 0 4 m 和小于0 0 4 m 的气溶胶数浓度的增大 导致模拟云中液滴浓度和液水含量的极大值均增大。气溶胶数浓度整体增大， 阻碍了云中霰粒和大液滴的形成。气溶胶数浓度整体减少时，在模拟云的形成、 发展阶段产生的液滴直径相对较大，但是质量分布函数总体减少，依然不利于 云中霰粒的形成。相对于半径大于o 0 4 “m 的气溶胶，半径小于o 0 4 岬的气溶 胶数浓度对液滴直径和质量分布函数的影响，特别是对4 0m i l l 时霰粒融化产生 液滴的质量分布函数的影响更为显著。 关键词：微物理过程分档，层状云，三维对流云分档模式，数值模拟，初始扰 动 e x t e n d e d a c c o u n t r e s e a r c h e so nc l o u dm o d e lw i t hs p e c t r a l b i nm i c r o p h y s i c s e x t e n d e da c c o u n t i c em u l t i p l i c a t i o np r o c e s si si n t r o d u c e di n t oo n e d i m e n s i o n a lr a i nc a t e g o r y m o d e l ，a n de f f e c to f i c em u l t i p l i c a t i o n0 1 1p r e c i p i t a t i o no f s t r a t i f o r mc l o u di se x p l o r e d n u m e r i c a l l y s e e d i n ge f f e c to f a g ia n dl i q u i dc 0 2 ，a n dt h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o n o f s u p e r c o o l e dl i q u i dw a t e ri nt h es e e d e ds t r a t i f o r mc l o u da 船s t u d i e d i ti sc o n c l u d e d t h a tg r o w t hp r o c e s so f s u p e r c o o l e d l i q u i dw a ：c e - i b e g i n sa t2 0 0r a i n , v a p o t 瑾c o n t e n t c o n t r i b u t e sal o tt ot h eg r o w t hp r o c e s s ；b e t t e rs e e d i n ge f f e c tc a nb ea c h i e v e db y 1 i q u l dc 0 2s e e d i n gi nr i c hs u p e r c o o l e dl i q u i dw a t e rr e g i o n a3 - dc o n v e c t i v eb i nc l o u dm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e do nt h eb a s i so f t h ei a p 3 - dh a i l s t o r mn u m e r i c a lm o d e la n dt h e2 - ds l a b - s y m m e t r i cm o d e lw i t hs p e c t r a lb i n m i c r o p h y s i c s a n ds i m u l a t e da r e a lc l o u dc a s e r e s u l t sa r cc o m p a r e dw i t hi a p3 - d h a i l s t o r mn u m e r i c a lm o d e l s ，i ti n d i c a t e st h a tt h en l r x i m m “u p d 斌v e l o c i t y o b t a i n e df r o mb i nc l o u dm o d e ld e p i c t st h et w ou p d r a f f si no b s e r v a t i o n sw e l l ；a n dt h e s t r e n g l h ，h e i g h t , a n dw i d t ho f r a d a re c h os i m u l a t e db yb i nc l o u dm o d e li sm o l ec l o s e e f f e c to f t h ei n i t i a lp e r t u r b a t i o no f r e l a t i v eh u m i d i t y , p o t e n t i a lt e m p e r a t u r ea n d c c nc o n c e n t r a t i o no nd e v e l o p m e n to f c o n v e c t i v ec l o u dh a sb e e ne x p l o r e d r e s p e c t i v e l yb a s e do nt h e3 - dc o n v e c t i v eb i nc l o u dm o d e l a st h ei n i t i a lp e r t u r b a t i o n o f r e h t i v eh u m i d i t yi n c r e a s i n g , t h en l 锄d _ r f l r l 2 1u p d r a ra p p e a r se a r l i e ra n dh i g h e r , a c c o m p a n i e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e m a x i i n l u nl i q u i dw a t e rc o n t e n ta n dd r o p c o n c e n t r a t i o n , a sw e l la st h ew i d e no f d r o pm a s sd s t r b u t i o nf u n c t i o nw b c hc a n a c c e l e r a t et h ef o r m a t i o na n dg r o w t ho f g r a u p e lp a r t i c l e s t h e r ei sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ei n i t i a lp e r t u r b a t i o no f p o t e n t i a l t e m p e r a t u r ea n d t h em a x i u l u mu p d r a f t v e l o c i t y , l i q u i dw a t e rc o n t e n ta n dd r o p c o n c e n t r a t i o n w i t h2 5 p e r t u r b a t i o no f t h e p o t e n t i a lt e m p e r a t u r e t h em a x i m u m o f u p d r a f tv e l o c i t y , u q u i dw a t e rc o n ：t e n ta n dd r o pc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e st o4 1 7m 8 1 ，9 6gk g 1a n d6 2 6 2c l n - 3 ，r e s p e c t i v e l y t h ei n e l 七a s eo f t h et o t a lc c nc o n c e n t r a t i o ni n d u c e st h ei n c r e a s eo f t h e m a x i m u mu p d r a f tv e l o c i t y , l i q u i dw a t e rc o n t e n t , d r o pc o n c e n t r a t i o na n dr a d a r r e f l e c t i v i 锣t h ed e c r e a s eo f t h e t o t a lc c nc o n c e n t r a t i o na c c o m p a n i e dw i t ht h e r e d u c t i o no f t h en k i i 眦d r o pc o n c c n t m f i o na n dt h ee n h a n c m c n to f t h e1 1 1 a x i l n u n l l i q u i dw a t e rc o n t c n l t h ee n h a n c e m e n to f c c n o 0 4i n na n d 0 0 4 恤b o t h a c c o m p a n i e dw i t h t h ei n c r e a s eo f t h en 1 出d n m l n ld r o pc o n c e n t r a t i o na n dl i q u i dw a l e r c o n t c n l 1 1 ”e n h a n c e m e n ta n dr e d u c t i o no f t h et o t a lc c nc o n c e n m t f i o nb o t hh a v e n e g a t i v ee f f e c to nt h ef o r m a t i o no f t h eg r a u p c lp a r t i c l e sa n dl a r g ed r o p s w i t hr e s p e c t t ot h ec c n 0 0 4p r o , t h ei n c r e a s eo fc c nc o n c e n t r a t i o n 2 7 0 k 1 - o 2 s ( r 一2 6 8 ) 2 2 7 0 t e 2 6 8 k( 2 3 ) 1 0 1 1 ( t 一2 6 8 ) 22 6 8 耳2 6 5 k 0 e 2 6 5 k 云中直径大于2 4 岫的云滴数浓度为； 心= c p 瑚i + d + 1 撇) 2 】 ( 2 4 ) 上式中，n 。为云滴比浓度，取为常数，d 为2 4 岫。模式中将所有的冰相粒 子作为整体统一考虑。如果将冰相粒子的总浓度代入冰晶繁生过程进行计算， 势必会放大云中的冰晶繁生过程。为此，假定直径大于o 5m m 的冰相粒子才能 够对冰晶繁生过程作出贡献。直径大于0 5m m ( d = o 5 衄) 的冰晶浓度为： j i 。如= m 8 一印( 1 + d ) ( 2 5 ) 2 3 模拟结果分析 以1 9 9 5 年6 月2 3 日在吉林白城地区的一次降水过程为例进行模拟，该层 状云系由强锋面抬升形成，云顶温度低( 一2 5 ) ，云体深厚( 5 6k m ) ，云 顶高度为7k m ，零度层位于2 6 0 0m 。取云内最大上升气流速度w 眦为0 2m s 1 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 进行模拟。对于这次个例，郭学良等1 已经进行了模拟，并将模拟结果用与实 况作了比较分析。雨滴分档模式可以较好的反映该次降水过程。 云滴尺度、冰粒子大小以及冰粒子的垂直落速都在繁生过程中起着重要的 作用( 图略) 。1 5 0m i n 后，繁生层( 3 2 0 0 4 0 0 0m ) 内的云滴直径逐渐增大， 出现直径大于2 4 岫的大云滴，云水向更高层发展；同时，冰粒子直径也随时 间增大，繁生层内的冰粒子直径在1 9 0m i n 时达到极大( 1 2n m ) ；冰粒子直 径的增大直接导致其下落速度的增大，繁生层内的冰粒子下落速度在1 9 0m i n 时也达到极大( 1 8i ns - 1 ) 。繁生层内云滴直径、冰粒子直径以及冰粒子落速的 增大为云中繁生过程的发生提供了必要的条件。 2 3 i 繁生过程对云微物理结构的影响 在云的初生、稳定阶段以及云的上部，无论考虑繁生过程与否，云中的冰 粒子浓度值是一致的( 图2 - 1 ) 。考虑繁生过程后的模拟云发展到1 9 0 n f i n 时，繁生 层内的冰粒子浓度急剧增大，3 4 0 0m ( - 4 4 ) 高度上冰粒子浓度从繁生前的1 0 - 3 l 4 增加到7 3l 1 ，1 9 0r a i n 后，冰粒子浓度迅速减少，到2 5 0m i n ，冰粒子浓度 渐趋近于无繁生的情况，本个例中的繁生过程只维持了6 0r a i n ，在时间上具有 阶段性。 第二章层状云中冰晶繁生过程对降水影响的数值模拟 图2 - 1 冰晶浓度的时间一高度剖面分布( 单位：l - ) 冰晶繁生过程发生后，云中的微物理过程发生了相应的变化，云中的云水 含量、冰水含量和水汽含量在一定时间段内重新分布。由图2 2 可见，繁生过程 发生后，3 8 0 0 - - 4 0 0 01 1 3 之间含量为0 0 5gm - 3 的云水被迅速消耗，随着繁生过程 产生的次生冰粒子的迅速下落，1 4 0 0 3 0 0 0m 高度层的云水含量减少o 0 5 0 2g i n - 3 ，云水被消耗后有一个逐渐恢复的过程。2 5 0r a i n ，云水恢复至无繁生过程时 的状态，这一消耗恢复过程用了6 0r a i n 。 一无胜有警生 图2 2 云水含量的时间一高度剖面分布，等值线间隔均为0 1g 一；最大值均为0 3 5gm - s 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 ( 单位：gm a ) 繁生过程发生后，冰粒子浓度急剧增加，冰粒子的增长必然会引起云中水 汽含量的变化。1 9 0r a i n ，2 4 0 0 - 4 8 0 0m 高度层内的水汽含量( 图2 3 ) 急剧减少 0 1 1 0gm - 3 。2 6 0r a i n 后，水汽含量恢复至无繁生时的情况。水汽比含量远大 于云水含量和冰水含量。 一无矬有l 陛 图2 - 3 水汽含量的时间一高度剖面分布，等值线间隔均为1 0g 一；最大值均为8 0gm - s ( 单位：gm - 3 ) 繁生过程发生后( 1 9 0 - - 2 5 0m i n ) ，繁生层及其下方的冰水含量( 图2 4 ) 经历 了一个先增大后减少的过程，1 9 0 2 3 0r a i n ，冰粒子浓度迅速增大，消耗云中云 水和水汽增长，2 4 0 0 , - 4 6 0 0m 高度层的冰水含量较考虑繁生过程之前增加0 1 - - - 0 6 gn l - 3 ，2 4 0 - - , 2 5 0r a i n ，云水和水汽逐渐恢复，冰水含量减小。2 4 0 0 - 4 0 0 0m 高度 层内的冰水含量较繁生前相同时刻减少了0 1 - - , o 3gm - 3 ，2 5 0 r a i n 后，冰水含量 恢复，与考虑繁生过程之前基本一样。考虑繁生过程后，冰水含量仍然呈现出 明显的周期分布。在参考文献【2 1 中提到，模式云发展到1 0 0r a i n 以后，冰粒子的 数浓度在时间分布上没有出现明显的时断时续的周期性现象，但其对应的冰粒 子的含水量在1 0 0 r a i n 后呈现出明显的准周期变化，周期约为1 0 0 m i n 。冰粒子 的浓度和含水量在模式中是两个完全独立的预报量，在浓度变化不大的情况下， 第二章层状云中冰晶繁生过程对降水影响的数值 墓塑 引起含水量显著周期性变化的原因只能是冰粒子的长大过程呈现周期性变化。 ，本模式假定冰粒子的长大过程只有凝华和碰并过冷云水两种过程。这种准周期 现象发生在零度层附近，也就是说这种变化主要是由冰粒子碰并过冷云水引起。 一秘生有， 生 图2 - 4 冰水含量的时间一高度剖面分布，等值线间隔均为0 3g 一；最大值均为1 0g 一 ( 单位：gi - 2 ) 2 3 2 繁生过程对降水的影响 加入繁生过程之前，雨强极大值( 图2 5 ) 出现于8 0r a i n ，为2 7 4m m h - 1 。 加入繁生过程之后，于2 1 0r a i n 出现了新的雨强极大值，为2 9 2m m1 1 1 ，较考 虑繁生过程之前增加了1 8r a n lh 1 ( 6 6 ) 。 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 2 4 结论 ooooo ooooooooo 。o h o 一ho t , , - - o n nnp q 时间l i n 图2 - 5 雨强随时间的变化( 单位：h - 。) 1 当繁生层内含有足够的大云滴和冰晶时，云中发生冰晶繁生过程，繁生过 程使得冰粒子浓度一段时间内从繁生前的1 0 d l 以增加到7 3l 1 ，但6 0 r a i n 后便 趋近于无繁生的情况，表现出阶段性。 2 繁生过程发生后的6 0r a i n ，繁生层及其下方的云水含量较繁生前减少约 0 0 5 - 0 2gm - 3 。繁生过程发生后，2 4 0 0 - - 4 8 0 0m 高度层内的水汽含量急剧减少 0 1 1gm - 3 。1 9 0 - 2 3 0r a i n ，2 4 0 0 - - 4 6 0 0m 高度层的冰水含量较考虑繁生过程之 前增加0 1 - - 0 6gm - 3 ，2 4 0 - 2 5 0r a i n ，2 4 0 0 - 4 0 0 0n l 高度层内的冰水含量较繁生 前相同时刻减少了o 1 - 0 3gn 1 3 。 3 繁生过程使得雨强极大值增加1 8i n l l lh - 1 ( 6 6 ) 。 参考文献 【1 】1许焕斌、段英，粒子谱演化研究中的些问题，气象学报，1 9 9 9 ，5 7 ，4 5 0 - 4 6 0 【2 】 郭学良、黄美元、徐华英等，层状云的雨滴分档数值模拟研究，大气科学，1 9 9 9 ，2 3 ， 4 1 1 4 2 1 【3 】 郭学良、黄美元、徐华英等，层状云降水微物理过程的雨滴分档数值模拟，大气科学， 1 9 9 9 。2 3 7 4 5 一5 2 【4 】 汪学林，降水性层状云微物理特征的初步探讨，云雨物理论文集。北京，中国科学技 术出版衽，1 9 8 7 ，1 7 - 2 7 【5 】5 m o r r i sd s a n dt wc h o u l a r t o n ，用一维混合层模式模拟层状云中二次冰晶的生成， 国外云和降水研究一第十二届国际云和降水会议论文选编，北京，气象出版社，1 9 9 8 ， 2 5 3 - 2 5 5 6 】p r u p p a c h e rh 1 la n dj d k l e t l , m i c r o p h y s i c so f c l o u d sa n dp r e c i p i t a t i o n , l o n d o n , k l u w e r a c a d e m i cp u b l i s h e r s ，1 9 9 7 ，6 8 7 , - 6 8 9 【7 】h a l l e t tj a n ds c m o s s o p ，p r o d u c t i o no f s e c o n d m 7i c ep a r t i c l e sd u r i n gm e 衄l j n g p r o c e s s , n a t u r e , 1 9 7 4 2 4 9 , 2 6 - 2 8 8 】s c m o s s o p ，p r o d u c t i o no f s e c o n d a r yi c ep a r t i c l e sd u r i n gt h eg r o w t ho f g r a n p e lb yr i m i n g , q u a r l 】r o y m e t e o r s o c ，1 9 7 6 1 0 2 。4 5 - 5 7 【9 】c o t t o nw r ，gj t f i p o f ia n d 瓦乩r a u b e l - e ta l 。n u m e f i a ls i m u l a t i o no f t h ee f f e c to f v i n gi c ec r y s t a ln u c l e a t i o nr a t e sa n da g g l e 鲥o np r o c e s so no r o 当阳p h i cs l l o w , j c 1 i m a p p l m e t e o r ，1 9 8 6 ，2 5 ，1 6 5 8 1 6 8 0 1o 】胡志晋、秦瑜、王玉彬，层状冷云模式，气象学报，1 9 8 3 ，4 1 ，1 9 4 - 2 0 3 【1 1 】孙可富，降水性层状冷云中的冰晶与雪晶，云雨物理论文集，北京，中国科学技术出 版社，1 9 8 7 ，2 8 - 3 8 【1 2 】黄美元、徐华英等，云和降水物理，北京，科学出版社，1 9 9 9 ，5 2 5 5 【1 3 】胡志晋、严采蘩，层状云微物理过程的数值模拟( 一) ：微物理模式，气象科学研究 院院刊，1 9 8 6 ，1 ，3 7 5 2 【1 4 胡志晋、严采蘩、王玉彬，1 9 8 3 ，层状暖云降雨及其催化的数值模拟，气象学报，4 1 ， 7 9 - 8 8 1 5 】吴月，宁夏5 8 月降水性层状云的宏观特征，高原气象，1 9 8 7 ，6 ，1 7 0 。1 7 5 【1 6 】牛生杰、马铁汉、管月娥等，宁夏夏季降水性层状云微结构观测分析，高原气象，1 9 9 2 ， l l 。2 4 l 2 4 8 【1 7 】牛生杰、何珍珍，降水性层状云中水凝物粒子的谱分布。高原气象，1 9 9 5 ，1 4 ，1 1 4 - 1 1 9 【1 8 】牛生杰、安夏兰、桑建人，不同天气系统宁夏夏季降雨谱分布参量特征的观测研究， 高原气象，2 0 0 2 ，2 1 ，3 8 - - 4 4 【】9 】石立新、汤达章、万蓉等，利用多普勒天气雷达估算层状云的降水效率，气象科学， 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 2 0 0 5 ，2 5 ，2 7 2 2 7 9 2 0 】周德平、宫福久、高建春等，一次飞机播云的微物理效应分析，气象科学，2 0 0 4 ，2 4 ， 4 0 5 4 1 2 【2 1 】r u t l e d g es a ，a n dp vh o b b s ，t h em e s u s c a l es l n l c t o r ea n do w o a u l z a d o no f c l o u d sa n d p r e c i p i t a t i o ni nm i d l a t i m d ec y c l o n e s ：am o d e l f o rt h e “s e e d e d - f e e d e r l m , e s si n w a r m - f r o n t a lr a i n b a n d s , j a t m o s s c i ，1 9 8 3 ，4 0 ，1 1 8 5 - 1 2 0 6 2 2 】h e y m s f i e l d a j sl e w i sa n d a b a n s e m e r e t a l ，a g e n e r a la p p r o a c h f o r d e b u g t h e p r o p e r t i e s o f c i r r u sa n d5 t r - d d f o r m i c ec l o u d p a r t i c l e s ，j a t m o s s c i ，2 0 0 2 ，5 9 ，3 2 9 【2 3 】f l e i s h a u e ri lp ，ve l a r s o na n dt h h a m , o b s e r v e dm i c r o p h y s i c a ls t r u c t u r eo f m i d l e v e l , m i x e d - p h a s ec l o u d , j a t m o s s c i ，2 0 0 2 ，5 9 ，1 7 7 9 1 8 0 4 2 4 】h e y m s f i e l d a j ab a n s e m e r a n dp f i e l d e t a l ，o b s e r v a t i o n a n d p a r a m e t e r i z a t i o n s o f p a r t i c l es i z ed i s 仃i b u t i o n si nd e e pt r o p i c a lc i i t u sa n ds w a t i f o r mp r e c i p i _ c a t i n gc l o u d s ：r e s u l l sf r o m i ns i t uo b s e r v a t i o n si nt r m mf i e l dc a m p a i g n s ，j a n n o s s c i ，2 0 0 2 ，5 9 ，3 4 5 7 3 4 9 1 【2 5 】h e y m s f i e l d a jp r o p e r t i e so f u p i c a la n dm i d l a t i t u d ei c ec l o u dp a r t i c l ee n s e m b l e s p a r t ：a p p l i c a t i o nf o rm e s o s c a l ea n dc l i l i l a t em o d e l s ，j a t m o s s c i ，2 0 0 3 ，6 0 ，2 5 9 2 2 6 1 1 【2 6 】f i e l dp r ，a n d a j h e y m s f i e l d a g g r e g a t i o na n ds c a l i n go f i c ec r y s t a ls i z ed i s t r i b u t i o n s ，j a 伽b o s s c i ，2 0 0 3 ，6 0 ，5 4 4 - 5 6 0 【2 7 】b e h e n gk dm i c r o p h y s i c a lp r o p e r t i e so f g l a c i 甜n gc u m u l u sc l o u d ：c o m p a r i s o no f m e e m o n t w i t h a n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , q u a r lj r o y m e t e o r s o c ，1 9 8 7 ，1 1 3 ，1 3 7 7 1 3 8 2 【2 8 】h a l l e t t j ，i h i s a x a n d d l a m bc t a l ，a i r c r a i t m e a s u r e m e n t s o f i c e i n f l o r i d a c u m u l i , q u a r t j r o y m e t e o r s o c ，1 9 7 8 ，1 0 4 ，6 3 1 “5 1 2 9 】m o s s o ps c ，c o n c e n t r a t i o no f i c ec r y s t a li nc l o u d s , b u l l a m e r m e t e o r s a c ，1 9 7 0 ，5 1 ， 4 7 4 4 7 9 第三章层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟 第三章层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟 层状冷云的催化一般采取人工冰核和致冷剂两种类型的催化剂。人工冰核 除通过贝吉隆过程【1 】使过冷水转化为降水外，还使一部分冰面过饱和水汽转化为 降水1 2 1 。而致冷剂的催化机制 3 1 是造成云中局部超低温，形成过饱和状态，促使 水汽同质核化形成冰晶，与过冷云中有无自然冰核或过冷水的多少无关，成核 率与温度相独立。致冷剂的成冰率基本不受云中温度、水汽和过冷水含量的影 响。在0 附近的云中，直接播撒致冷剂就可以产生大量的冰晶，故层状冷云 人工催化应首选致冷剂。人工冰核通常选用碘化银( a g t ) 。在一1 0 时，1g 碘 化银可产生1 0 1 2 - 1 0 ”个有效冰核，是一种高效催化剂，但其产生的冰晶数随温 度降低而增加，需从温度较低处播撤才能发挥最大效益。b i g g 等【4 ，习研究了碘化 银催化剂对云体催化后的持续效应，发现小剂量的碘化银对云体催化后1 3 2 1 h ，云内产生了大量的次生冰晶，碘化银催化剂的持续效应至少可以持续一星期， 且每1 0 天重复发生一次，并认为碘化银催化后，与地表植物之间发生化学作用， 从而在很长一段时间内对催化后的降水存在着影响。澳大利亚在1 9 4 7 - 1 9 5 2 年 和1 9 7 2 - 1 9 7 5 年的人工增雨试验中都采用了干冰作为催化剂，雷达回波显示， 干冰从云顶播撤后，迅速使云水转化为云冰，使云体增雨旧。但是，千冰沉降速 度较大，需从云顶或高空播撤。f u k u t a e 3 ，7 】提出在云中相对较低处用液态二氧化 碳( l e 0 2 ) 代替干冰进行催化，液态二氧化碳的表面温度可达9 0 ，可以在相 对较低的高度播撒。每克液态二氧化碳产生的冰晶数与干冰的基本相同，大概 接近同质核化机制能够达到的最大值，只要温度低于0 ，液态二氧化碳产生 的冰晶数基本是一个常数。 在实际人工增雨作业中，对云系进行催化作业后，云中过冷水将经历一个 逐步被消耗、冰晶浓度增加的过程，表现在宏观降水上就是降水强度随时间的 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 强弱变化。对某一云系进行催化后，是否还需要继续催化? 何时催化? 这就要 利用综合观测和数值模拟方法来研究人工催化后云中过冷水分布和演变规律。 本文将在加入冰晶繁生过程8 1 的一维雨滴分档模式中研究层状云被碘化银和液 态二氧化碳催化后，云中过冷水的分布与演变规律。 3 1 催化过程介绍 液态二氧化碳的核化率不随温度改变，取为1 0 1 6 k g 1 。a g i 的核化率随温度 改变，通过( 3 1 ) 式计算： f o a t - 5 层、1 9 附近和 - 2 2 层。过饱和 水汽和过冷水容易在冰晶凝华幔的部位出现。 综合考虑温度和过冷水含量的多少对催化效率的影响，当模式云发展到1 7 0 r a i n 时，分别在5 2 0 0 - - 5 6 0 0m ( 温度为1 4 7 1 6 8 ) 高度层和2 6 0 0 - , 3 0 0 0m ( 温 度为0 1 2 2 ) 高度层播撤碘化银和液态二氧化碳催化剂，播撒持续时间选 取为1 0r a i n 、2 0m i n 和3 0r a i n 来反映不同剂量的催化剂对云体的催化。催化剂 的播撒速率取为0 0 6gs - 1 。因为使用的是一维模式，三种催化时间对应的单位面 积上催化层内的催化剂量分别为3 6g 、7 2g 和1 0 8g ，在实际催化作业中是可以 达到的。 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 3 3 人工催化的数值试验 3 3 1 催化效率 未催化时，模式云在3 6 0m i n 时的过程雨量为1 0 5 9m m 。在5 2 0 0 - 5 6 0 0m 高度层播撤碘化银和液态二氧化碳后，两种催化剂的催化效率相差不大( 表 3 - 1 ) 。增雨量并不总是随着播撤时间的增长而增大，对两种催化剂而言，播撒 3 0r a i n 后的催化效率都小于播撤2 0r a i n 时的催化效率。在2 6 0 0 - 3 0 0 0m 高度层 播撒两种催化剂后，液态二氧化碳的催化效率明显优于碘化银。碘化银的催化 效率随着播撤时间的增长而增长，最大可达5 2 。在这一区域播撒液态二氧化 碳1 0r a i n 时，催化效率为1 4 2 ，高于在5 2 0 0 - 5 6 0 0m 处催化时的催化效率。 随着播撤时间的增长，液态二氧化碳的催化效率降低。 表：3 - i 模式云被催化后的降雨量及催化效率 在云中播撤液态二氧化碳后，由于液态二氧化碳汽化和被催化空气与液态 二氧化碳表面之间的热传导，催化层的温度会有所降低。表3 - 2 给出了在 5 2 0 0 - 5 6 0 0m 和2 6 0 0 - 3 0 0 0m 高度层分别播撒液态二氧化碳3 0r a i n 后，相应催 3 7 第三章层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟 化层各自降低的温度。可以看到，在两次催化过程后，云体温度均最多降低0 4 tv 。说明液态二氧化碳催化对云体的降温作用是非常微弱的 表3 - 2 液态二氧化碳在2 6 0 0 3 0 0 0i n 高度层和5 2 0 0 5 6 0 0m 高度层催化3 0m i n 对云体 温度的影响 3 3 2 催化后云中过冷水的分布与演变 因为播撒过程中的播撒速率保持不变，同一种催化剂在同一部位播撒对云 体微物理过程产生的影响是随着播撒时间的增长逐渐变化的。在下面的分析中， 给出的均是每一种催化剂在每一个催化部位播撒3 0r a i n 的计算结果。鉴于在 2 6 0 0 - 一3 0 0 0m 播撤碘化银的催化效率较小，对其结果不再作详细分析。 从图3 1 可以看到，当在5 2 0 0 - 5 6 0 0m 高度层播撒碘化银3 0r a i n 后，1 5 0 0 - 3 5 0 0m 高度层的云水在1 8 0 - 2 0 0r a i n 较未催化时减少0 0 5 0 1gm - 3 。2 1 0 - 2 3 0 r a i n 时，1 8 0 0 - 2 5 0 0m 高度层的云水较未催化时的增长可达0 0 5gm - 3 。2 4 0r a i n 后，催化过程产生的冰粒子增长消耗大量云水，云水含量均小于催化之前。在 该高度层播撒液态二氧化碳3 0r a i n 后，1 5 0 0 - 3 5 0 0m 高度层的云水在1 8 0 - 2 0 0 r a i n 亦被消耗0 0 5 - 0 1gm - 3 。1 8 0 0 - 2 5 0 0m 高度层的云水在2 1 0 - 2 2 0r a i n 时，较 未催化时的增长可达o 0 5gm - 3 。在2 6 0 0 - 3 0 0 0m 高度层播撒液态二氧化碳3 0 r a i n 后，云中云水在1 7 0 - 1 8 0r a i n 被迅速消耗o 0 5 - q ) 1 5gm - 3 。1 8 0r a i n 后， 1 8 0 0 5 0 0 0m 高度层的云水逐渐发展起来，并表现出分层结构，存在三个云水含 量极大区。在2 2 0 0 - 2 6 0 0m 之间的最大值可达0 7gm - 3 ，在3 5 0 0m 和4 2 0 0m 刘晓莉博士论文基于较子分档技术的云模式研究 的最大值分别为0 2g 如【3 和o 3gm 3 。4 0 0 01 3 3 以上的云水区随时间逐渐加厚， 到3 6 0 m i n 时达到4 9 0 0 m 。 图3 - i 云水含量的时间高度剖面分布( 单位：gm 3 ) ：( a ) 未催化；( b ) 碘化银在5 2 0 0 - 5 6 0 0 m 催化；( c ) 液态二氧化碳在5 2 0 0 - 5 6 0 0m 高度层催化；( d ) 液态二氧化碳在2 6 0 0 - - - 3 0 0 0m 高度层催化 3 3 3 云中水汽场的演变 图3 - 2 中为未催化时和在2 6 0 0 - 3 0 0 0m 高度层播撤液态二氧化碳3 0r a i n 后 云中水汽含量的时间高度剖面。与未催化时相比，2 4 0 0 - 6 0 0 0m 高度层之间的水 汽从1 7 0 r a i n 开始减少0 5 - 2g m ? 。从1 8 0 r a i n 开始，2 6 0 0 m 和2 9 0 0 - 3 0 0 0 m 高 3 9 第三章层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟 度层出现了两个低值区。这两个低值区出现于这次催化中2 2 0 0 - 2 6 0 0m 云水高值 区的上方。2 9 0 0 - 3 0 0 0m 的低值区与2 2 0 0 - 2 6 0 0m 云水高值区都开始于1 8 0m m ， 在时间上具有较好的对应关系。3 7 0 0 1 1 1 、4 0 0 0 - 4 3 0 0 m 和4 7 0 0 m 的水汽含量相 对于未催化时先后出现了三个高值区。4 0 0 0 - 4 3 0 0m 的高值区在2 0 0r a i n 时发展 起来，云中4 0 0 0m 以上的云水区在2 2 0r a i n 时开始发展起来。这说明催化过程 中，水汽向云水的转化过程对云中过冷水的恢复有促进作用。云中水汽含量比云 水含量大得多，催化后水汽的减少一方面是因为催化剂的凝华核化过程，另一方 面是因为水汽向云水转化，对云水的恢复作出了贡献。 图3 - 2 水汽含量的时间高度剖面分布( 单位：gn 1 3 ) ：( a ) 未催化；( b ) 液态二氧化碳在 2 6 0 乱3 0 0 0m 高度层催化 3 3 4 冰粒子的演变 图3 3 给出了未催化、在5 2 0 0 - 5 6 0 0m 播撤碘化银和液态二氧化碳3 0m i n ， 以及在2 6 0 0 3 0 0 0m 播撤液态二氧化碳3 0m i n 后云中的冰晶浓度。在5 2 0 0 5 6 0 0m 对模式云催化后，云中仍有冰晶繁生过程发生，但是繁生产生的次生冰 粒子数减少，在该高度层播撒碘化银3 0r a i n 后，繁生过程产生的次生冰粒子浓 度为3l 1 ，催化过程产生的冰粒子数在5 0 0 0m 达到最大( 1 4 9l - 1 ) 。在相同情 4 0 刘晓莉博士论文基于粒子分档技术的云模式研究 况下，液态二氧化碳催化后，繁生过程产生的最大次生冰粒子浓度减少到2l 1 ， 催化产生的冰粒子数最大为2 9 4l io 在2 6 0 0 3 0 0 0m 播撤液态二氧化碳3 0m j n 后，因云水被大量消耗，冰晶繁生过程不能发生。因为零度层附近的过冷水含 量丰富，液态二氧化碳催化后产生了大量的冰粒子，最大达到4 5 0 0 0 0l - 。 图3 - 3 冰晶浓度的时间高度剖面分布( 单位：l 1 ) ：( a ) 未催化；( b ) 碘化银在5 2 0 0 - 5 6 0 0 m 高度层催化；( c ) 液态二氧化碳在5 2 0 0 - - 5 6 0 0