人工缓减梅雨锋暴雨的数值试验

本文利用耦合了中国气象科学研究院双参数微物理方案的中尺度数值模式MM5,对2002年7月22～23日长江中游一次梅雨锋暴雨过程进行了人工缓减暴雨的冷云催化数值试验。在对降水云系多尺度结构进行正确模拟的基础上,采用增加人工冰晶的催化方法,对人工缓减暴雨的可能方法及原理进行研究。结果表明,不同催化方案得到比较稳定一致的结果,在云体成熟期大剂量持续催化的减雨效果最好,在3600km2内减少雨量8.29×106t,即为自然雨量的14.8%,雨量分布更为均匀,其中50mm以上降水范围由原来的190km2缩减到60km2。分析表明,催化增加的大量冰晶碰并过冷雨,使霰粒子浓度增大而平均尺度减小,导致霰落速减弱而小于上升运动,难于下落融化,造成雨水减小。在周围升速小的弱雨区,滞留的霰粒长大后仍能下落融化,引起地面少量增雨。本文所用催化方法在实际作业中具有技术可行性,并有重大潜在社会和经济效益,值得深入研究和试验。

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。

山东降水云系微物理结构数值模拟和播云条件分析

利用MM5V3．5中尺度数值模式和现有基本气象业务资料，对主要影响山东的2003年4月17日春季暴雨和2002年10月24～25日秋季冷锋降水过程进行数值预报，在预报效果较为理想的基础上，利用模式输出资料，特别是利用Reisner霰方案计算的云水、雨水、冰晶、雪和霰比含量数值，分析了中尺度对流云系不同发展阶段、冷锋层状云系不同部位的云降水微物理结构特征和差异，展示了背景场动力、热力和水汽输送等条件在云降水过程中的主导作用，并分析了降水云层可进行人工催化的条件。

一次人工消雨试验数值模拟及物理过程分析

利用中尺度非静力WRF模式对一次人工消雨过程进行了数值模拟试验。试验结果及实况资料分析表明,在大片的降水云系中对局部的降水云进行过量AgI播撒,由于潜热释放增温使得降水云内的对流加强,促使大量小冰晶在高空向四周流散,云体消散,地面降水量减弱。由此可见,选择合适的作业高度、作业部位是人工消雨取得最佳效果的必要条件。

暖底积云自然降水过程和人工催化个例数值模拟

利用一维积雨云双参数模式模拟福建省的暖底积云自然降水过程和催化过程。模拟结果表明 :暖云催化影响了降水的演变过程 ,不仅使总降水量增加 ,而且改变了降水的分布 ,使降水提前出现。冷云催化对降水过程没有发生明显的影响。对催化云和自然云云水和雨水含量的模拟表明 :暖云催化使云中碰并过程提前出现 ,导致催化云中云水含量明显少于自然云中的云水含量 :催化云雨水含量先是明显大于自然云中的雨水含量 ,随后明显小于自然云中的雨水含量。

华北冷锋云系的人工引晶催化数值模拟研究

本文利用NCEP再分析资料和CAMS中尺度云分辨模式，在对发生在山西省2010年4月20日-4月21日的大到暴雨、局部强对流天气过程的客观模拟基础上，通过向过冷云水和上升速度重合的区域直接引入人工冰晶模拟研究引晶催化的效应，主要得到以下结论：在云体发展早期引人人工冰晶可以使地面雨量在催化后30min开始增加，80min时地面累积雨量达到峰值，随后缓慢减少，在催化后120min时，地面累积雨量的增加达到最小值。这个阶段基本属于提前和加强降水，造成了地面雨量的再分配。由于催化区域内存在过冷雨滴，人工冰晶的引入使得大量过冷雨滴快速转变为霰粒子，霰粒通过淞附云水过程（Ccg）和碰并雨滴过程（Crg）增长，促使云中冰相降水过程发展加强，最终霰的融化（Mgr）使雨水比质量增加，导致地面降水增加。大量冻结潜热的释放，使云中温度增加，上升速度增强，“静力催化作用”与“动力催化作用”相互关联、不可割裂。

山西冷锋云系的数值模拟研究

利用NCEP再分析资料和CAMS中尺度云分辨模式,对2010-04-20—04-21发生在山西省的大到暴雨、局部强对流天气过程进行了客观模拟,主要得出以下4点结论：①对比2010-04-20T08：00—04-21T08：00的24h降水预报与实况可见,山西省中南部降水情况与实况值接近,山西省北部降水情况略大于实况值,模拟域中降水量的最大值略小于实况值,雨带分布与实况非常接近。②2010-04-20T13：00—04-20T17：00,云系处于发展阶段,云内含水量和雪含水量呈增加趋势。其中,云水在2010-04-20T17：00,2.5km处达到最大值0.24g/kg,顶高为3.5km,分布在1.2~3.9km处,雪最大值为0.25g/kg,位于0℃层上方;雨滴在暖层,雪和云水的增大区对应着雨的增加区,雪和云水是雨滴形成的主要粒子,且雪和云水是降水的主要原因;云系进入消散阶段,至2010-04-21T10：00降水基本结束。③云系在2010-04-20T10：00开始发展,2010-04-20T18：00到达旺盛阶段,随后开始逐渐消散,至2010-04-21T10：00云体基本消散。垂直上升气流的速度多为0.1m/s,最大为0.5m/s,符合层状云系的特征。④在8km以上的区域,雪会通过凝华、雪花与冰晶碰并和冰晶向雪的自动转化等方式增长。其中,凝华增长起主要作用,最高所占比例为100%.在5~8km的区域,雪花通过凝华增长;在4~5km的区域,雪花通过凝华和冰晶向雪的自动转化增长;在3~4km的区域,雪花通过凝华和结淞增长,凝华增长最高所占比例为100%.

北京地区一次降雪过程的人工催化数值模拟研究

利用中尺度气象模式WRF的双参数显示云物理方案,开展冬季冷性层状云降水过程的数值模拟和人工增雨催化数值试验。模拟个例为2013年3月19日北京地区的一次典型降水过程,在分析模拟得到的云中水成物和上升速度分布的基础上设计不同催化试验,研究不同催化时刻(云体发展期、云体成熟期)和三种催化剂量对地面降水、云中水成物浓度、动力场和热力场以及微物理转化过程的影响。模拟试验结果表明:模拟的自然降水分布和实测结果较为一致;不同的催化试验都可以使地面雨量增加,在云体发展期以107个·kg-1剂量进行催化的效果最佳;引入人工冰晶后催化区域水汽和过冷云水含量明显减少、冰晶和雪的含量有所增加、催化区域上升气流明显增强,温度提高;催化后40 min时雪的增长主要依靠其凝华增长、冰晶向雪的自动转化、雪和云滴之间的碰冻以及冰晶和雪之间的碰并;催化后200 min,催化云中各种微物理过程对雪的贡献高于自然云,催化前期消耗了过冷云水,此时云中雪和云滴之间的碰冻对雪的贡献非常微弱,雪的增长主要依靠凝华增长以及雪和冰晶的相互作用。

层状云人工催化物理效应的数值模拟

对于自然云催化过程的数值模拟可以再现人工催化后云的宏微观物理响应特征,有助于提高对人工催化机理的科学认识,优化人工催化方案。在天气研究与预报(weather research and forecasting, WRF)模型Thompson微物理方案中加入碘化银人工催化过程,对2018年河北省一次层状云催化过程开展数值研究。数值模拟结果表明,采用与实际催化过程相似的催化剂量,层状云降水个例催化后冰晶含水量及地面降水显著增加。该次降水个例自然云中冰相粒子较少,自然云中冰相过程不活跃,数值模拟结果再现了降水个例催化后从过冷却到冰、雪晶含量明显增加的转变。相同催化剂量下,催化层厚度的减少提高了播撒率,进一步优化了催化效果,可见,应该在云中过冷水含量丰富的云区开展冷云催化作业。人工催化过程增加的冰晶通过凝华过程增长并自动转化为雪晶,雪晶增长下落过程中以凇附过冷云水增长为主。催化过程导致地面降雪显著增加。

两次江淮气旋的云雨特征及其人工播云效果的综合分析

用天气学、云物理学、统计计算和数值模拟等方法 ,对 1 997年 5月份影响我省的两次江淮气旋降水系统进行了综合分析研究 ,发现 :( 1 )中低空水汽输送条件较好 ,都形成了大范围较稳定的降水性层状云系 ,出现了连续性降水。两次过程的深厚程度、动力条件有差别 ,云雨的宏微观特征也有所不同 ;( 2 )云中过冷层较厚 ,过冷水含量较高 ,大滴浓度较高 ,众数直径较大 ,有利于人工催化 ;( 3)云层降水粒子的形成 ,在冷层以凝华和淞附增长为主 ,核化和繁生相对较小 ,进入暖层后 ,主要是云滴与雨滴以及雨滴间碰并为主 ;( 4 )用干冰进行了 6架次人工增雨催化作业 ,经综合检验 ,约增雨 1 0 %～ 40 % ;( 5)使用层状云数值模式进行人工催化模拟 ,当加入 50个 /L人工冰核 ,可使地面降水增加 30 %左右。如果过量播撒 (加入50 0个 /L)人工冰核 ,降水反而减少。

空间太阳能电站用于热带气旋调控初探

为了减少热带气旋(TC)灾害,针对空间太阳能电站(SSPS)可用于主动调控热带气旋的创新应用,文章从美国气象学家Ross N. Hoffman已做的数值模拟出发,初步探讨了用空间太阳能电站调控热带气旋的三大关键技术。研究综述结果可概括为三大关键技术:针对TC调控数值模拟技术的有效性和准确性,SSPS主流设计的微波热辐射系统,激光诱导云播种系统。研究结果说明SSPS调控TC可行且能达到如下目标:减少灾害损失;降低数万人痛苦;发电。