NUMERICAL SIMULATION STDUY OF HAIL CLOUDPART Ⅱ.MECHANISM OF HALL FORMATION AND HAIL SUPPRESSION WITH SEEDING

A detailed 3-D hail cloud numerical model and parameterization of mierophysieal processes were described in Part Ⅰ(Hong 1999)of this study.In this part,a hail cloud occurring in Xunyi area.Shaanxi Province on July 8,1997 is simulated by the model to analyze mechanisms of hail formation and hail suppression with seeding.The results show that 97% of hail embryos are frozen drops.The seeding experiments with AgI in terms of heights show that if the seeding is made before hail formation,the optimum seeding position is located in the maximum updraft area and its center,i.e.,AgI is seeded in the zone with high water content to be coordinated with maximum zone of the updraft.The seeding makes concentrations of graupel and frozen drop increase and their average mass or size decrease,so that the proportion of conversion from graupel and frozen drop into hail descends greatly,and the mass and concentration of hailstone are decreased to achieve our purpose for hail suppression.

冰雹形成机制的研究并论人工雹胚与自然雹胚的“利益竞争”防雹假说

在播撒防雹中，如何实现人工雹胚与自然雹胚的增长竞争是决定防雹效果的关键，这实质上也是雹云物理的关键课题。经过对强对流（雹）云的流场特征和相应的过冷水场配置的综合分析和数值模拟研究，发现：（１）由于雹云流场的对流性，其中必然存在着一个主上升气流区和相对于云体的水平风速零的区域，它在垂直剖面上，可呈现出一条零线，可长大成冰雹的水凝物粒子是绕零线循环运行增长的，并逐步进入主上升气流区；（２）在雹云中存在着冰雹“穴道”，它位于主上升气流区边侧及零线下的入流区，其体积约为雹云总体的６％或更小，不论自然雹胚或是人工雹胚，只要进入“穴道”都经历着循环运行增长，其轨迹是相互交叉的，因而可以实现平等“竞争”；（３）“穴道”的存在和位置由流场特征决定，运行轨迹的基本形态也由流场决定，而粒子增长率及运行路径的长短由“穴道”内的过冷水场（过冷度和量）决定。

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果，结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关；云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主，暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程，雹胚过多争食防雹；（２）促进雨霰转化过程，使雹胚浓度增加，并且减少过冷雨滴，抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长；（３）使云的下部霰量增加，降低降水粒子的增长轨迹，阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。

冰雹形成过程及人工防雹研究综述

冰雹作为一种短时强灾害天气,常给农业、建筑、电力、交通甚至生命财产等造成严重影响,人工防雹也因此受到人们的广泛关注。文中首先介绍了冰雹形成机理和雹云物理研究情况,然后围绕人工防雹机理、技术、科学试验及效果评估这4个方面的研究进行了评述,旨在从理论和实践上总结人工防雹工作的进展,增进对人工防雹科学问题的认知,从而为促进中国人工防雹理论研究和技术进步提供借鉴。研究表明:(1)“累积带理论”和“循环增长理论”是冰雹形成的最常见理论,限于早期的雷达观测技术和缺乏完整的冰雹数值模式,早期认知的冰雹形成机理存在一定的局限。(2)雹胚一般分为冻滴胚和霰胚,冻滴胚由过冷雨滴冻结而成,霰胚则是冰晶、雪花撞冻生长而成。冰雹云中哪种雹胚占优势,主要看云底温度的高低。雹云的发展依赖于水汽条件、动力不稳定条件、风垂直切变等关键因子。(3)人工防雹主要遵循“播撒防雹”和“爆炸防雹”2条技术路线,“利益竞争”和“早期降雨”是常见的6种防雹原理假说中最广泛被用来作为防雹作业设计依据的2种播撒防雹理论。(4)人工防雹技术上多采用通过飞机、地面火箭、地面燃烧炉等向云中播撒人工冰核,或通过地面高炮向云中发射含人工冰核的炮弹等方式,影响冰雹的生长过程从而达到抑制或削弱冰雹生长的目的。(5)大量外场试验证明人工防雹效果有较大的地域差异,需根据各地冰雹云特征及其降雹特点制定和发展本地适用的人工防雹技术体系。(6)人工防雹效果检验仍然是制约人工防雹技术发展的一个“瓶颈”,目前常用的统计检验、物理检验和数值模拟检验技术方法均需要进一步改进和完善。由于雹云变化迅速、降雹过程短促,人工防雹技术实施的时效性以及防雹效果评估仍存在较大的困难。今后应更多地借助多种探测设备进行冰雹云的精细化探测,开展有科学设计的人工防雹外场综合试验,运用统计检验、物理检验和数值模拟相结合的综合检验技术方法评估防雹效果,推动人工防雹事业进一步快速发展。

碘化银、液态CO_2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。

三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。

冰雹形成机制和催化防雹机制研究

利用文献［１］发展的三维弹性冰雹云催化模式模拟研究了１９９７年７月８日陕西省旬邑防雹试验区出现的一块冰雹云，分析其冰雹形成的物理机制，对雹云做了高度催化试验，研究了催化防雹机制。结果表明，９７％的雹块是以冻滴为核心增长的，在云中冰雹还未形成前，于强上升气流区的适当高度催化效果较好，而在上升气流极值高度，亦是高含水量区催化效果最好。催化使霰和冻滴的浓度增加，粒子质量减小，向雹的转化比例大为降低，因此雹块的质量和浓度都减小，达到了防雹的目的。

中国半干旱地区成雹机制的数值研究

使用中尺度数值模式(WRFV3.7.1)对发生在宁夏南部山区两次降雹天气过程的背景场特征、云宏微观结构以及云内微物理转化机制进行了数值研究。结果表明:该地区冰雹云形成的大气环境水汽含量较少,冰雹的发生主要依靠“上干下湿”的不稳定层结及午后局地加热效应。两次个例发生的环境水汽含量存在较大差异,导致两次雹云个例微物理结构演变特征不同。对数值模拟结果分析发现,宁南山区冰雹云中雪粒子含量较多,雹胚(霰粒)主要通过雪粒子转化而来。霰粒主要通过水汽凝华及碰并过冷云水增长。模拟云中冰雹形成高度相对较低,冰雹形成后主要通过收集过冷云水增长。除碰冻过冷云水外,对过饱和水汽的凝华也是雪、霰、雹粒子质量增长的一个重要来源。模拟得到该地区冰雹云中云雨自动转化过程较弱,雨水主要是通过雪、霰、雹粒子在下落过程中融化形成。雨水在下落过程中蒸发显著。

太行山东麓一次强对流冰雹云结构的观测分析

利用“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验示范”项目在冰雹发生区获取的综合观测资料,从强对流单体出现的天气背景、降雹特征、雷达回波演变、大冰雹的形成机制及动力结构等方面对2018年5月12日下午发生于太行山东麓的一次强对流单体降雹天气过程进行了分析。结果显示,午后不稳定能量的增大形成了有利的热力条件,低层风场的辐合扰动以及中层的冷空气侵入是产生本次强冰雹过程的触发因素。通过对雹云降雹时段雷达回波具有超长“悬挂回波”和对应大雹形成特征分析表明,云中存在着上、中、下相互衔接的0线(域),主上升气流2次逆时针转弯增加了雹胚再入主上升气流区继续长成大雹的机会,据此勾画出了云体主上升气流框架及大冰雹的形成机制,表明冰雹在雹云中的生长有多种模式。

西昌一次降雹过程的数值模拟研究

利用三维冰雹云模式,对2013年4月29日四川西昌的一次降雹过程进行了数值模拟。模拟结果显示:该例冰雹云存在过冷雨水累积带;霰是冰雹的主要胚胎,雹块主要通过撞冻云水增长,其次是撞冻霰增长;模拟区域内液态降水量和固态降水量分别占地面总降水量的52%和48%,冰雹占固态降水94%;通过对该例雹云中冰晶、雪、霰、冻滴的微物理过程分析发现,在雹云发展的不同阶段,冰雹的形成机制不同。

雹云成雹机制及最佳催化方案的数值研究

应用中科院大气物理研究所建立的三维雹云模式 ,对河南南阳 1999年 5月 9日一次降雹过程进行了数值模拟。模拟结果表明 :云内存在过冷水累积区 ,冰雹在过冷水累积区长大 ;使用不同催化方案催化后 ,均能起到减少地面降雹的作用 ,但是在雹云形成的不同时间、不同的催化部位和使用不同的催化剂量 ,其消雹效果不一样 。

火箭人工增雨作业中应注意的一些技术问题

根据火箭增雨作业的原理对催化剂播撒量、成核率与火箭飞行速度和高度的关系进行分析;确定作业目标、时机和部位、作业火箭用量;对增雨效果、火箭播云对环境的影响进行评估。