大氣冰核濃度的觀測與研究
大氣中的氣溶膠粒子通過其對水的相變促進(jìn)作用影響云的微物理結(jié)構(gòu)和降水過程, 從而影響天氣氣候過程。這些已引起國際大氣科學(xué)界的關(guān)注。鑒于中國北方廣大地區(qū)冰晶過程在降水過程中起重要作用, 20 世紀(jì)60—70 年代在中國曾開展過多次大氣冰核的觀測, 結(jié)果表明: 與風(fēng)沙過程有關(guān)的自然飄塵和人類活動排放的氣溶膠粒子是冰核的主要來源。80 年代北方層狀云人工增雨研究中, 觀測分析了中國北方廣大地區(qū)云凝結(jié)核濃度的區(qū)域分布特點。90 年代以后, 游來光等于1995 年和1996 年兩次組織了北京地區(qū)春季大氣冰核濃度的觀測, 發(fā)現(xiàn)冰晶濃度與云中氣溶膠粒子濃度, 兩者有較好的正相關(guān)關(guān)系。 β- AgI 為六方晶系, 晶體的點陣參數(shù)非常接近于冰, 其微粒在溫度低于- 4℃下能充當(dāng)冰核, 通過異質(zhì)核化在過冷云中產(chǎn)生冰晶。如能再降低AgI 與冰點陣參數(shù)的差別, 則可能進(jìn)一步提高其成冰效率。在這方面國內(nèi)外進(jìn)行過一些實驗工作, 旨在產(chǎn)生AgI與其他物質(zhì)的復(fù)合氣溶膠, 來改變AgI 晶體的點陣參數(shù), 從而達(dá)到提高焰劑的成冰性能。焰劑配方成冰性能的優(yōu)劣, 主要通過云室的檢測來了解。1999 年結(jié)題的“人工增雨新催化技術(shù)系統(tǒng)研究”, 對國內(nèi)現(xiàn)有的各種AgI 焰劑在2m等溫云室中統(tǒng)一進(jìn)行了成核率檢測和分析。 液氮( LN) 播入冷云中與飽和濕空氣和云滴混合, 同其它催化劑一樣有貝吉龍過程(Bergeron) 的出現(xiàn), 產(chǎn)生大量的冰晶胚胎和冰晶。張錚等對液氮的消霧成冰性能進(jìn)行了研究, 實驗結(jié)果表明: 液氮成核率與云霧溫度的相關(guān)不明顯, 但與液氮的播撒量有關(guān)。曹學(xué)成、任婕、王偉民、韓光等研究了液氮( LN) 成冰核作用和特征, 結(jié)果表明: 0~- 5℃的高溫段, LN 的成冰核率>1010.g ; - 5~- 10℃其成冰核率為10~10.g ; ≤- 10℃其成冰核率為10~10.g 。由于在高溫段LN 有較高的成冰核率, 因此, 在人工增雨對冷云催化作業(yè)和對人工消除過冷霧的催化作業(yè)方面, 有了更寬的溫度使用范圍。 稀土化合物成冰性能的實驗研究
在人工影響天氣工作中, 國內(nèi)外廣泛地使用著碘化銀, 為了克服實用播種中碘化銀氣溶膠的某些缺點( 如陽光引起活性衰減) , 也有采用水溶膠形式播種的, 然而, 兩者都要消耗大量白銀。為了尋找新的經(jīng)濟而有效的成冰催化劑, 多年來各國不少研究者對許多無機和有機化合物的成冰性能作了實驗研究。 70 年代初期, Matsubara 曾報道七種稀土元素氧化物的成冰性能, 并認(rèn)為它們的成冰能力是中等的, 但卻無與之對比的標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上, 莫天麟等用化學(xué)方法制備了幾種混合稀土化合物水溶膠, 對它們的形成條件、凍結(jié)性能方面作了初步篩選, 得到氟化稀土(RF3) 、碘酸稀土[R(IO3)3]水溶膠與碘化銀水溶膠平均凍結(jié)溫度相近的結(jié)果。基于我國稀土資源豐富, 研究稀土化合物的成冰性能, 尋找目前廣泛使用的碘化銀催化劑的非銀催化劑替代品, 不但可以擴展稀土新的應(yīng)用領(lǐng)域, 獲得自主知識產(chǎn)權(quán), 而且對于人工影響天氣的可持續(xù)發(fā)展, 保護(hù)生態(tài)環(huán)境,都具有現(xiàn)實意義。 冰雪晶碰并勾連增長的實驗與觀測分析
在云生命期中, 單憑凝結(jié)是不能增長到毫米量級雨滴的, 要有碰并過程, 但直徑<50μm 的滴碰并效率很低。從云滴凝結(jié)增長到有效碰并到降雨似乎是很漫長的過程。然而人們常常觀測到云在lh內(nèi)形成降水, 有時l~2h 內(nèi)就形成降雹, 這歸功于冰晶的出現(xiàn)、相變。實驗與外場觀測發(fā)現(xiàn), 冰晶增長亦有一個與液滴碰并增長相似的加速過程, 冰晶碰并液滴( 過冷) 形成霰, 進(jìn)而碰并過冷水滴長大成冰雹; 冰晶間相互碰并勾連、攀附, 快速增長為雪花或雪團(tuán), 如融化成毫米量級的雨滴, 將水質(zhì)點增長加快, 加速降水進(jìn)程。
人們早就注意觀測研究冰雪晶間碰并勾連現(xiàn)象, 認(rèn)為它主要與溫度有關(guān), l~- 5℃是多發(fā)區(qū), 其機制主要是粘連, - 12~- 17℃次之, 主要是勾連、攀附;晶型最多的是片狀及輻枝狀, 還有針狀成束晶。黃庚等認(rèn)為冰晶的增長過程僅在水面飽和、過飽和條件下發(fā)生。其中- 13~- 17℃碰并勾連效率最高, 該層的枝、星狀晶是勾連、攀附的主要區(qū)域, 亦為冰晶繁生的主要區(qū)域、生長率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率較高的溫度段??傊? 冰雪晶碰并勾連的研究對自然降水( 雪) , 尤其在人工引晶催化增雨中很有意義。