冰雹形成機(jī)制和催化防雹機(jī)制研究

1、 1999 年 2 月A C TA M E T EO ROL O G ICA F eb. , 1999冰雹形成機(jī)制和催化防雹機(jī)制研究洪延超( 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所, 北京, 100029)摘要利用文獻(xiàn) 1 發(fā)展的三維彈性冰雹云催化模式模擬研究了 1997 年 7 月 8 日陜西省旬邑防雹試驗(yàn)區(qū)出現(xiàn)的一塊冰雹云, 分析其冰雹形成的物理機(jī)制, 對(duì)雹云做了高度催化試驗(yàn), 研究 了催化防雹機(jī)制。 結(jié)果表明, 97% 的雹塊是以凍滴為核心增長(zhǎng)的, 在云中冰雹還未形成前, 于 強(qiáng)上升氣流區(qū)的適當(dāng)高度催化效果較好, 而在上升氣流極值高度, 亦是高含水量區(qū)催化效果 最好。 催化使霰和凍滴的濃度增加, 粒子

2、質(zhì)量減小, 向雹的轉(zhuǎn)化比例大為降低, 因此雹塊的質(zhì) 量和濃度都減小, 達(dá)到了防雹的目的。關(guān)鍵詞: 雹云模擬, 催化試驗(yàn), 機(jī)制研究。1引言人工防雹中, 催化技術(shù)是影響防雹效果的關(guān)鍵, 而與催化技術(shù)研究直接有關(guān)的兩個(gè)問(wèn)題是, 冰雹形成的物理機(jī)制和催化防雹機(jī)制。 為了研究雹云催化技術(shù), 國(guó)家“九五”攻關(guān)項(xiàng) 目“農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御技術(shù)研究”中的“人工防雹減災(zāi)技術(shù)研究”專題組與陜西省人工影響天氣中心合作, 選擇陜西省旬邑地區(qū)為防雹研究試驗(yàn)區(qū)。 作為催化防雹技術(shù)研究的第一 步, 利用文獻(xiàn)1 發(fā)展的三維彈性冰雹云催化模式和實(shí)測(cè)探空資料, 模擬研究了 1997 年 7 月 8 日在旬邑地區(qū)出現(xiàn)的一塊雹云, 試

3、圖分析該地區(qū)冰雹形成的物理機(jī)制, 在此基礎(chǔ)上, 對(duì)雹云進(jìn)行催化試驗(yàn)并選擇催化效果最好的個(gè)例研究催化防雹機(jī)制。2雹云的數(shù)值模擬211實(shí)測(cè)冰雹云概況1997 年 7 月 8 日在陜西省旬邑試驗(yàn)區(qū)出現(xiàn)一次降雹過(guò)程, 據(jù)實(shí)時(shí)探空資料, 地面氣 壓 868 h P a, 海拔高度 1277 m , 地面溫度 3119, 露點(diǎn)溫度 1518, 0層高度 4698 m ( 約582 h P a) , 對(duì)流層頂高 15802 m (約 118 h P a) , 溫度為-6310。 溫度層結(jié)很不穩(wěn)定, 1010km 以下溫度直減率為- 016/100 m - 110/100 m , 1010 km 之上存在一逆

4、溫層。大氣濕度較小, 210 km 高度以下低層大氣相對(duì)濕度為 28% 50% , 比濕為 01007 01012。 風(fēng)從 210 km 高度以下的 N E 風(fēng) ( 9 10 m /s) 順時(shí)針變化 360后又轉(zhuǎn)向到 1015 km 高度初稿時(shí)間: 1997 年 12 月 20 日; 修改稿時(shí)間: 1998 年 7 月 20 日。資助課題: 國(guó)家“九五”攻關(guān)項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御技術(shù)研究”07 專題。的W N 風(fēng)。 1210 km 高度以上基本為W 風(fēng) (260 290)。雷達(dá)觀測(cè)表明, 全天云體發(fā)展強(qiáng)烈, 初始回波一般出現(xiàn)在 510 610 km 高度, 處于發(fā) 展 階段的對(duì)流云強(qiáng)回波區(qū)也在

5、 510 610 km 高度 ( 圖 1b ) , 冰雹云的回波頂高約 1210 km , 強(qiáng)度 50 dB z, 30 dB z 回波頂高 910 km 。從 14: 01 R H I 回波 (圖 1a ) 看, 此時(shí)回波及地。 當(dāng)時(shí), 地面有降雹和降雨, 永樂(lè)縣有 4 個(gè)村降雹, 雨大、雹小。馬村降雹 7 m in , 最大雹塊如 衛(wèi) 生球大, 還有軟雹, 并伴有較強(qiáng)降水。 山河村雹塊直徑 6 mm , 農(nóng)作物受災(zāi)面積約 67hm 2 , 烤煙受災(zāi)約 250 hm 2。圖 1 1997 年 7 月 8 日出現(xiàn)在陜西省旬邑防雹試驗(yàn)區(qū)的一塊雹云的 R H I 回波(a1 時(shí)間: 14: 01,

6、 方位: 5719) 及其他對(duì)流云的 RH I 回波 (b 1 時(shí)間: 17: 05, 方位: 24919)212 雹云的模擬模式計(jì)算域?yàn)?36 km 36 km 1815 km , 水平格距 110 km , 垂直格距 015 km 。用 i,j , k 分別表示向東、向北和向上的 x , y , z 軸上格點(diǎn)序數(shù)。將實(shí)時(shí)探空資料輸入雹云模式程 序, 并給以極值為415的軸對(duì)稱位溫?cái)_動(dòng), 擾動(dòng)區(qū)中心坐標(biāo)為 ( 18, 18, 31) , 位于 315 km高度, 長(zhǎng)寬均為 810 km , 厚為 315 km 。計(jì)算出與實(shí)測(cè)雹云外形和結(jié)構(gòu)相似的模擬云體。圖2 是雹云中總含水量 Q t = (

7、Q c + Q r + Q i+ Q s + Q g + Q f + Q h ) 在 x 軸方向上通過(guò) Q t 中 心 ( j = 18 格點(diǎn)) 的垂直剖面。圖 3 是第 28 分時(shí)幾個(gè)高度上的雹云總含水量的水平剖面。從圖 2 看, 4 分時(shí), 云水出現(xiàn)在 415 km 高度, 隨著云體發(fā)展含水量中心上升到 510 km 高度, 20 分以前維持在 510 610 km 高度, 24 分時(shí)高含水量區(qū)已降至 410 510 km 高度, 28 分時(shí)地面出現(xiàn)降水和強(qiáng)降雹, 此時(shí)在 615 km 高度又形成另一高含水量中心。 將云體發(fā)展時(shí)含水量中心高度與上升氣流極值高度比較表明, 它們配合得很好。

8、即在 20 分以前, 上升氣流極植高度與含水量中心高度相當(dāng)吻合。 第 28 分時(shí)垂直剖面圖顯示的云體 結(jié)構(gòu)特征與觀測(cè)的雹云很類似 (圖 1a )。模擬雹云云頂高達(dá) 1210 km , 115 210 g /m 3 含水 量等值線頂高 910 1010 km , 且均及地。 這與觀測(cè)到的 30 dB z 的回波頂高和厚度相當(dāng)。 模擬云體由于風(fēng)切變作用稍向東傾斜。從圖 3 可以看出模擬云的立體結(jié)構(gòu), 在 610 km 高32氣象學(xué)報(bào)57 卷度以上高含水量區(qū)不在云體中心部位, 而偏向云的右側(cè) (610 km 和 810 km 高度) 或左側(cè)(1010 km 高度) , 而在 210 km 高度上高含

9、水量區(qū)位于云體中心部位, 這與圖 2 中 28 分時(shí) 的雹云垂直剖面結(jié)構(gòu)是一致的。 總的來(lái)看, 模擬云與觀測(cè)云強(qiáng)回波區(qū)所在高度、外形及結(jié)模擬雹云總含水量 Q t (單位: g/m 3 ) 在 x 軸方向上通過(guò)含水量中心的垂直剖面結(jié)構(gòu)的演變圖 234氣象學(xué)報(bào)57 卷圖 3第 28 分雹云在 210 km 到 1010km 高度上每隔 210 km 總含水量Q t (單位: g/m 3 ) 的水平剖面構(gòu)上都比較相似。模擬雹云約在 24 分地面出現(xiàn)降雹, 28 30 分出現(xiàn)最強(qiáng)降雹, 最大降雹動(dòng)能通量達(dá)1195 J /(m 2 s) , 雹塊平均直徑 6123 mm , 地面降雹動(dòng)能通量水平分布情況

10、與低層 Q t 分 布一致。3冰雹形成機(jī)制的分析為了分析冰相降水粒子的形成過(guò)程, 圖 4 給出了它們?cè)错?xiàng)總量變化率及源項(xiàng)變化率的時(shí)間變化。由于雹云發(fā)展第 28 30 分地面出現(xiàn)最強(qiáng)降雹, 表 3 5 給出強(qiáng)降雹前第 15,20, 25, 30 分 4 個(gè)時(shí)刻冰相粒子源項(xiàng)微物理過(guò)程產(chǎn)生的總量及總量之和。文中所用的微物理過(guò)程的符號(hào)意義參見(jiàn)文獻(xiàn)1。圖 4霰、凍滴和冰雹空間積分總量變化率 (R Q g , R Q f , R Q h , R N f )及源項(xiàng)變化率 (用代表各微物理過(guò)程符號(hào)前加 R 表示) 的時(shí)間變化311云雨形成過(guò)程7 月 8 日大氣層結(jié)有個(gè)顯著的特點(diǎn), 首先是溫度層結(jié)很不穩(wěn)定, 其

11、次是低層濕度很 小, 相對(duì)濕度只有 28% 50% , 比濕 01007 01012。 因此對(duì)流形成凝結(jié)的高度較高, 雷達(dá)初始回波出現(xiàn)高度也較高。據(jù)當(dāng)天觀測(cè), 初始回波一般位于 510 610 km 高度 (圖 1)。表1 給出模擬的冰雹云在其發(fā)展階段云水、雨水極值出現(xiàn)高度, 可見(jiàn)云水首先在 410 km 高 度形成, 以后極值一直位于 510 615 km 高度 ( 云底高度為 315 km )。 12 分時(shí)在 610 km高度出現(xiàn)雨水, 極值大于 011 g/m 3 , 以后也一直位于 610 710 km 高度。凝結(jié)形成的云水首先出現(xiàn)并維持在負(fù)溫區(qū) (0層高度為 314 km ) , 約

12、有 1% 的云水通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)化 (CN cr ) 形 成雨水 (表 2)。雨水也在負(fù)溫區(qū)碰并云水 (CL cr ) 增長(zhǎng), 碰并量約占雨水總量的 95% 。由此36氣象學(xué)報(bào)57 卷可見(jiàn), 云水、雨水都是在過(guò)冷區(qū)形成, 并在云發(fā)展階段維持在過(guò)冷區(qū)。雹云發(fā)展階段云水、雨水極值 (單位: g/m 3 ) 和極值高度 (括號(hào)中數(shù)字, 單位: km )表 1時(shí)間4 分8 分12 分16 分20 分24 分Q c012 ( 410)112 ( 510)212 ( 610)211 ( 510)119 ( 515)210 ( 615)Q r011 ( 610)211 ( 610)015 ( 615)015 (

13、710)(單位: k t)表 2 產(chǎn)生的云水總量和雨水源項(xiàng)中各物理過(guò)程時(shí)空積分總量時(shí)間15 分20 分25 分30 分200165522190623127654183T Q r10120151522412427143T CN cr190145507138599103627140T CL cr885160152718021271802507160T Q c注: 表中代表微物理過(guò)程的符號(hào)前加 T 表示該過(guò)程產(chǎn)生的總量 ( 質(zhì)量/數(shù)量) 。312冰晶和雪的形成過(guò)程云中的冰晶首先是通過(guò)水汽在活化的冰核上凝華形成的, 即 N U v i過(guò)程。從表 3 看, 不 同時(shí)刻雹云中冰晶總個(gè)數(shù) T N i與 T

14、N N U v i在量級(jí)上相等, 即 N U v i過(guò)程對(duì)冰晶數(shù)量貢獻(xiàn)最大。如 25 分時(shí), 冰晶總數(shù)量為 1018155 個(gè), 而 N U v i形成的冰晶個(gè)數(shù)也為 1018155。其次是霰粒 和凍滴撞凍大云滴帶來(lái)的冰晶繁生過(guò)程, 前者一般比后者要大 1 3 量級(jí)。冰晶形成后, 主要靠凝華增長(zhǎng), 例如 25 分時(shí), 冰晶總質(zhì)量 (T Q i) 為 8614 k t, 而凝華增長(zhǎng)量 (T V D v i) 為 8118 k t, 而撞凍云水增長(zhǎng)量 (T CL ci) 只有 115 k t。本模式將雪晶和冰晶聚合體都?xì)w為雪一類, 雪可以由單個(gè)冰晶增長(zhǎng)轉(zhuǎn)化、接觸冰晶過(guò)冷小雨滴的凍結(jié)及冰晶聚合形成。

15、在本例中, 雪花主要起源于冰晶的自動(dòng)轉(zhuǎn)化 (CN is ) 和受 到冰晶接觸擾動(dòng)凍結(jié)的極小雨滴, 即 CL r is 過(guò)程。而冰晶聚并 (CL ii) 形成雪的數(shù)量比 CN is 過(guò)程小 4 個(gè)量級(jí)。 如 25 分時(shí) (表 4) , 上述過(guò)程形成雪的數(shù)量分別為 1015195 , 1014156 , 1011188 個(gè)。就對(duì)雪的質(zhì)量貢獻(xiàn)而言, 以 CL r is 最大, 為 3411 k t, 其次是 CN is 為 1811 k t, CL ii過(guò)程對(duì)雪質(zhì) 量貢獻(xiàn)很小, 到 25 分時(shí)還不到 0101 k t, 而雪的增長(zhǎng)主要靠 CL cs 和 V D v s 過(guò)程。表 3 冰晶源項(xiàng)中各物理

16、過(guò)程時(shí)空積分總量時(shí)間15 分20 分25 分30 分T Q i/T N i0169/1610216170/171668614119147T N U v i/T N N U vi0101/161020145/171663112/1815520191/19147T P ci/T N P ci0112/141084135/151648182/1519512132/161090103012211502167T CL ci01641610281178223174T V D vi注: T P ci單位: t, 其余質(zhì)量單位: k t, 數(shù)量: 10x 個(gè), x 為表中數(shù)字表 4雪

17、源項(xiàng)中各物理過(guò)程時(shí)空積分總量(質(zhì)量: k t, 數(shù)量: 10x 個(gè))時(shí)間15 分20 分25 分30 分T Q s/T N s2172/1317930101/151249418716135T CL ii/T N CL ii0100/81230100/111130100/111880101/121180109/131673110/1512218105/1519542117/16134T CN is/T N CN isT CL ris/T N CL ris1136/1312016137/1410034111/1415643143/141791115713019108321

18、43T CL cs01000132412923153T CL is011221921913552149V D vs(質(zhì)量: k t, 數(shù)量: 10x 個(gè))表 5 霰和凍滴源項(xiàng)中各物理過(guò)程時(shí)空積分總量時(shí)間15 分20 分25 分30 分T Q g /T Q f217/2318135176/608123147105/929145360134/10401350101/101410103/1511990113/1781030124/183102T CN ig /T CL rifT CN sg /T N U rf0161/01015128/011514177/018128186/21081143/418

19、017131/12517584108/282163216119/337185T CL cg /T CL cfT CL rg /T CL rf0149/71308141/28510214129/35917419145/3781860105/01041159/811214120/2210735147/29117T CL ig /T CL ifT V D vg /T V D vf0111/013713118/1318112123/1318113113/101683114/3318214122/1418512182/1418514120/1115819158/8010814177/1419713134

20、/1419614175/1314360112/10110615107/1510513154/1510015106/14108T N g /T N fT N CN ig /T N CL rifT N CN sg /T N N U rf注: T CL ig , T CL if 和 T CL rif 的下標(biāo) i 表示粒子對(duì)冰晶和雪收集量之和。313 霰和凍滴的形成過(guò)程霰和凍滴都可以增長(zhǎng)成冰雹, 因此它們都可以作為冰雹的胚胎。 對(duì)于霰而言, 其形成 通過(guò)冰晶和雪的轉(zhuǎn)化, 即 CN ig 和 CN sg 過(guò)程, 不過(guò) T CN sg T CN ig , T N CN sg T N CN ig , 如第

21、25 分時(shí) T CN sg 為 1418 k t, T CN ig 只有 011 k t; T N CN sg 為 1014175 個(gè), 而 T N CN ig 為 1013134個(gè) (表 5) , 可見(jiàn)無(wú)論從質(zhì)量上還是數(shù)量上, 雪的轉(zhuǎn)化對(duì)霰貢獻(xiàn)都比冰晶大得多。 從表 5 和 圖 4a 看, 霰形成后, 主要通過(guò)撞凍過(guò)冷云水 (CL cg ) 增長(zhǎng), 其次是自身的凝華增長(zhǎng) (V D vg ) 以及對(duì)冰晶和雪的收集 (CL ig ) , 霰粒撞凍雨滴 (CL rg ) 增長(zhǎng)只發(fā)生 37 分以前, 在約 17 分達(dá)最 大值。 霰源項(xiàng)總量增加率 (R Q g ) 在約 30 分出現(xiàn)最大值。 從各源項(xiàng)

22、總量看 ( 表 5) , 30 分時(shí) CN ig 對(duì)質(zhì)量的貢獻(xiàn)約占 0107% , CN sg 占 810% , CL cg , CL ig 和 V D vg 分別占 6010% , 918% 和1617% , CL rg 貢獻(xiàn)較小, 只占 514% , 但在降雹前的 20 m in 里占 2315% 。38氣象學(xué)報(bào)57 卷凍滴, 即過(guò)冷雨滴通過(guò)核化和受到冰晶、雪接觸時(shí)凍結(jié)形成的冰粒子。 對(duì)凍滴初生有貢獻(xiàn)的物理過(guò)程是, 在過(guò)冷區(qū)與冰晶和雪接觸的雨滴本身凍結(jié) (CL r if ) 和雨滴核化 (N U rf )。 由于模擬的冰雹云在初始發(fā)展時(shí), 雨滴首先在過(guò)冷區(qū)形成, 和雨滴在暖區(qū)形成的其它雹云

23、不同, 雨滴不需隨上升氣流上升就可以在過(guò)冷區(qū)直接核化和接觸凍結(jié), 這對(duì)作為雹胚胎的凍滴形成極為有利。 從表 5 看, 比較而言, CL r if 過(guò)程不但對(duì)凍滴質(zhì)量貢獻(xiàn)大, 濃度貢獻(xiàn)也 大。直到 25 分時(shí), N U rf 總量才達(dá) 018 k t, 而 CL r if 達(dá) 17810 k t; 就濃度貢獻(xiàn)來(lái)說(shuō), 在雹云發(fā)展 早期如 20 分以前, T N CL r if 約比 T N N U rf 大 3 個(gè)量級(jí), 而降雹后兩者總量差別縮小。 圖 4c中在大多數(shù)時(shí)間里, N CL r if 的產(chǎn)生率 (10x 個(gè)/ t) 要比 N N U rf 大 1 個(gè)數(shù)量級(jí), 有時(shí)可大 3 個(gè) 數(shù)量級(jí)

24、( 如 15 分附近)。 從表 5 和圖 4b 看, 凍滴形成后, 主要靠收集雨水 (CL rf )、云水 (CL cf ) 和凝華 (V D vf ) 增長(zhǎng), 其次是收集冰雪增長(zhǎng) (CL if )。 此外各個(gè)增長(zhǎng)過(guò)程對(duì)凍滴質(zhì)量貢 獻(xiàn)率 ( t/ t) 最大值出現(xiàn)時(shí)間也不同。 如 R CL if , R CL rf 和 R CL cf 出現(xiàn)的峰值時(shí)間分別為 20 分、17 分和 20 分。從表 5 看, 20 分以前 CL rf 對(duì)凍滴累計(jì)質(zhì)量源項(xiàng)總量 (T Q f ) 貢獻(xiàn)最大, 達(dá)28510 k t, 占增長(zhǎng)量的 4812% , 占源項(xiàng)總量 3817% , 而 CL cf 占 3719%

25、, 3014% 。而 25 分時(shí), CL cf 的貢獻(xiàn)從 20 分的 12518 k t 增長(zhǎng)到 28216 k t, 而 CL rf 從 28510 k t 增加到 35917 k t。此 時(shí)兩者貢獻(xiàn)量差別已變小。圖 4b 可以說(shuō)明這一點(diǎn)。也就是說(shuō)在地面出現(xiàn)強(qiáng)降雹之前 3 分鐘, CL rf 和 CL cf 貢獻(xiàn)最大, 它們貢獻(xiàn)量占總量 (92915 k t) 的 6911% 。314 冰雹的形成過(guò)程冰雹的形成由兩個(gè)過(guò)程決定, 霰和凍滴增長(zhǎng)達(dá)到一定尺度后向雹轉(zhuǎn)化, 即 CN gh 和CN fh。 表 6 給出冰雹源項(xiàng)中各物理過(guò)程總量。 20 分到 25 分是冰雹質(zhì)量源項(xiàng)總量 T Q h 增

26、加速度最快時(shí)段, 從 4214 k t 增加到 11816 k t。這從圖 4d 也可以看出, 此時(shí)冰雹質(zhì)量源項(xiàng)總 量變化率 R Q h 處于峰值區(qū)。 在這兩個(gè)時(shí)刻, 凍滴的轉(zhuǎn)化量 (T CN fh ) 分別為 3510 k t 和8914 k t, 各占 T Q h 的 8217% 和 7514% , T CN fh 比 T CN gh 大得多, 即凍滴向雹的轉(zhuǎn)化對(duì)雹 質(zhì)量貢獻(xiàn)比霰轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)大得多, 約大 15 26 倍, 這就是說(shuō), 冰雹的質(zhì)量主要由凍滴轉(zhuǎn)化而來(lái)。 這塊云中冰雹增長(zhǎng)量相對(duì)較小, 冰雹主要收集過(guò)冷云水增長(zhǎng), 其增長(zhǎng)量 (T CL ch ) 要 占冰雹收集所有各類粒子的增長(zhǎng)量之

27、和的 43% 67% 。而在地面強(qiáng)降雹后, 凍滴轉(zhuǎn)化成雹的速率逐漸減小, 35 分后, 冰雹主要由霰轉(zhuǎn)化形成 (圖 4d 曲線 R CN gh )。冰雹源項(xiàng)中各物理過(guò)程時(shí)空積分總量 (質(zhì)量: k t, 數(shù)量: 10x 個(gè))表 6時(shí)間15 分20 分25 分30 分T Q h /T N hT CN gh /T N CN ghT CN fh /T N CN fh0106/81810101/81140104/8170010001100177642135/111571143/1011235103/111552154313501955118164/111983143/1015489142/1119717

28、118816101977153173/121107142/10191111181/12107231901016001933T CL chT CL xhT N CN fh /T N h注: 表中 T CL xh = T CL ih + T CL gh + T CL sh + T CL rh + T CL fh315冰雹形成的物理機(jī)制冰雹胚胎的形成及其增長(zhǎng)是研究冰雹形成機(jī)制的重要問(wèn)題, 也是人工防雹的關(guān)鍵問(wèn)題。作為雹胚, 有的是過(guò)冷水滴凍結(jié)形成的, 有的是冰晶雪轉(zhuǎn)化形成的。從表 5 看, 在冰雹形成期間 ( 15 30 分) , 凍結(jié)形成的凍滴和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的霰數(shù)量上相差不大, 如第 25 分時(shí),冰晶

29、和雪向霰轉(zhuǎn)化的個(gè)數(shù)為 5189 1014 個(gè), 而雨滴凍結(jié)形成的凍滴個(gè)數(shù)為 9133 1014 , 凍滴從數(shù)量上講約為霰的 1158 倍。但兩種粒子向雹的轉(zhuǎn)化比例相差太大。據(jù)表 5 和表 6 結(jié)果, 霰向雹轉(zhuǎn)化比例 P gh = T N CN gh /T N g = 5189/105 , 而凍滴向雹轉(zhuǎn)化比例 P fh = T N C 2N fh /T N f = 100/105 , 即凍滴向雹轉(zhuǎn)化比例約為霰的 17 倍。 因此, 盡管霰和凍滴數(shù)量上 相差不大, 地 面 出 現(xiàn) 強(qiáng) 降 雹 前 3m in ( 第 25 分) , 雹 云 中 97% 的 雹 塊 是 以 凍 滴 為 胚 胎 的(見(jiàn)

30、表 6 中 T N CN fh /T N h )。冰雹形成區(qū)域與凍滴含水量區(qū)一致也說(shuō)明這一點(diǎn) (見(jiàn)文獻(xiàn)1中圖 1)。從上面各種粒子形成過(guò)程歸納冰雹形成的機(jī)制 (見(jiàn)圖 5) 是:(1) 首先由水汽核化 (N U v i) 和繁生 (P ci) 產(chǎn)生冰晶, 前者產(chǎn)生的冰晶濃度比后者大 2-3 個(gè)量級(jí);(2) 冰晶形成后, 主要通過(guò)凝華增長(zhǎng), 并通過(guò)其自碰并、自動(dòng)轉(zhuǎn)換及受其接觸擾動(dòng)的過(guò) 冷小雨滴凍結(jié)產(chǎn)生雪 (CL r is ) ; 雪主要通過(guò)撞凍過(guò)冷云水 (CL cs ) 和凝華 (V D v s ) 增長(zhǎng)。(3) 冰晶和雪向霰轉(zhuǎn)化, 霰主要通過(guò)收集過(guò)冷云水 (CL cg ) 增長(zhǎng)。(4) 凍滴由與

31、冰晶雪 接 觸 的 過(guò) 冷 雨 滴 凍 結(jié) (CL r if ) 形 成, 也 可 以 由 雨 滴 核 化 而 形 成(N U rf ) , 但前者產(chǎn)生凍滴無(wú)論從數(shù)量上還是質(zhì)量上都比后者大得多。 凍滴先以收集過(guò)冷 雨水增長(zhǎng) (CL rf ) 為主, 后以收集云水 (CL cf ) 增長(zhǎng)為主;(5) 由于霰雹轉(zhuǎn)化比例 P gh ( 5189/105 ) 比凍滴向雹轉(zhuǎn)化比例 P fh ( 100/105 ) 低得多, 因 此 97% 的冰雹以凍滴為胚胎。霰、凍滴的轉(zhuǎn)化質(zhì)量占雹總量的 70% 以上, 雹的增長(zhǎng)也以撞凍過(guò)冷云水 (CL ch ) 為主。 因此適量的冰晶、雪和豐富的過(guò)冷水的存在、尤其是雹

32、云發(fā)展初 期過(guò)冷雨水的存在對(duì)雹形成和增長(zhǎng)極為有利。8614TQ i8118N U v i TV D vi9418TQ s1811 1914T CN is TV D vs0113T CN ig1418T CN sg14711TQ g314T CN gh8411T CL cg1412T CL ig11816T Q hP ci T CL ci115TN i11051016T CL ris T CL cs3411 1911TN s91331015T CL rg1413TV D vg19161712 319T CL ch T CL fhP ig6117/106P sg6103/102TN g5189 1

33、014P gh6123 mm5189/10Q rT CL rh4128914T CN fhD h92915TQ f2211 35917T CL if T CL rfTN h9155 1011 TN U rf018CL cf28216TN f9133 1014P fh110/103圖 5據(jù)表 3 6 中第 25 分的結(jié)果繪制的冰雹形成機(jī)制示意(T Q 和 T N 分別表示各類粒子總質(zhì)量 ( 單位: k t) 和總數(shù)量 ( 單位: 個(gè)) ,其他微物理過(guò)程符號(hào)前加 T 表示其過(guò)程貢獻(xiàn)的總質(zhì)量 ( 單位: k t) , P ig , P sg , P gh , P fh 值見(jiàn)表 9)17810T CL

34、 r if540氣象學(xué)報(bào)57 卷冰雹云催化防雹的物理機(jī)制在對(duì) 1997 年 7 月 8 日雹云進(jìn)行數(shù)值模擬及分析其成雹機(jī)制的基礎(chǔ)上, 對(duì)雹云用 A g I進(jìn)行催化數(shù)值試驗(yàn), 這里采用固定時(shí)間和催化劑量的高度序列試驗(yàn)。找出催化效果最好一 例進(jìn)行催化防雹機(jī)制研究。何為最好, 其標(biāo)準(zhǔn)是: (1) 地面降雹動(dòng)能通量減小很多; (2) 地面降雨量有所增加。411 高度序列催化試驗(yàn)在高度序列試驗(yàn)中, 催化劑 A g I 為 28516 g, 當(dāng)雹云發(fā)展到第 12 分時(shí), 分別在 315 km , 415 km , 515 km , 615 km 和 715 km 高度上瞬時(shí)將 A g I 播入云中, 在每

35、個(gè)高度上, 催化是在以此高度上升氣流極大值為中心的 9 個(gè)水平格點(diǎn)上進(jìn)行。表 7 是 12 分時(shí)各個(gè)催化高度上催化區(qū)中心格點(diǎn)位置坐標(biāo)、溫度和極值上升氣流速度。 在催化的 5 個(gè)高度上, 515 km 高度是 12 分時(shí)雹云最大上升氣流所在高度。確定催化效果的數(shù)據(jù)放在表 8 中, 為了便 于比較, 未催化云的相應(yīng)數(shù)據(jù)也一并給出。 從表 7 看, 隨著催化高度增加催化區(qū)中心向 x 軸方向偏離, 同時(shí)也向 y 軸反向偏離, 即東西方向偏離 210 km , 而南北向偏離 410 km , 說(shuō) 明由于風(fēng)切變影響, 12 分時(shí)雹云中上升氣流是傾斜的。 因此各高度催化的水平部位是不 同的, 但都在強(qiáng)上升氣

36、流區(qū)。表 7 12 分時(shí)催化區(qū)中心點(diǎn) P 坐標(biāo)、溫度 (T ) 和上升氣流速度 (w )4催化高度 (km )P ( i, j , k )T ( )w (m /s)315( 17, 23, 31)21275187415( 17, 22, 29)- 21517196515( 17, 21, 27)- 81058173615( 18, 20, 25)- 151656131715( 19, 19, 23)- 261732116表 8 地面強(qiáng)降雹時(shí) (28 分) 各參數(shù)最大值及降水量催化高度 (km ) f ev (J /(m 2s) )Q h (g/m 3)S P (k t)S P r (k t)S

37、 P h (k t)31511330197103618606159417415017601571002146221770105150128011992515617104311615012401228991259814361671511030168101814604188416未催化119511391089156091712319注: f ev 是地面降雹動(dòng)能通量, Q h 是冰雹含水量, S P , S P r , S P h 分別為地面降水量、雨水降水量及冰雹降水量。從表 8 催化結(jié)果看, 與非催化云相比, 所有催化云的 f ev , Q h , S P h 都有所減小, 尤其是在 515

38、km 和 615 km 高度催化的雹云, 前兩個(gè)量分別只有 0128 J /(m 2 s) , 0119 g/m 3 和 0124 J /(m 2 s) , 0122 g/m 3 , 這兩例所不同的是地面降雨量 S P r 不同。 和非催化云相 比, 515 km 催化云 S P r 增加 714 k t, 而 615 km 催化云減少 1113 k t。因此對(duì)雹云進(jìn)行催化 高度試驗(yàn)中, 可以確定在 515 km 高度催化效果最好, 降雹動(dòng)能通量減小很多而降雨量有 所增大。 若以 f ev 作為檢驗(yàn)催化效果物理量, 雹災(zāi)損失減小 86% 。412 催化防雹機(jī)制分析為了進(jìn)一步分析催化防雹的物理機(jī)

39、制, 選取 515 km 催化云和非催化云作對(duì)比分析。 表 9 給出了地面強(qiáng)降雹前 3 m in 即第 25 分時(shí)主要微物理過(guò)程產(chǎn)生的總量。 由于催化, 冰 晶和雪總質(zhì)量 T Q i 和 T Q s 有所增加, 分別增加 7012% 和 2614% , 它們的數(shù)量也有所增 加, 分 別 增 加 了 67612% 和 2012% 。 事 實(shí) 上, 催 化 的 直 接 效 果 使 冰 晶 增 加 了 1015157 個(gè)(T N xa i) , 而表 9催化對(duì)雹云主要物理過(guò)程總量的影響 (第 25 分)T P c3i8182/9138T N P ci15195/15197TN U v3a i0100

40、/3160T N xa i0100/15157T N U c3a i0100/01176T Q i86141/147108T N i18155/19144T N U v i3112/18118T N N U vi18155/19144T CL ci1150/1159T V D vi81178/12713冰晶T Q s94187/119193T N s15197/16105T Q g147105/153188T N g14177/14187T CN is18105/21124T N CN is15195/16101T CN ig0113/0108T N CN ig13134/13116T CL

41、ris34111/41106T N CL ii11188/12105T CN sg14177/18149T N CN sg14175/14187T CL cs19108/25151T N CL r is14156/14196T CL ig14120/16192T CL is4129/6177T V D vs19135/25135雪T CL cg84108/85198T CL rg14129/7192T V D vg19158/24148霰T N U raf 3T Q fT CL rifT V D vf80108/110188T N N U raf0100/11149T CL ch17118/4

42、169T CL ifT CL cfT CL rf929145/82714 178103/151197 0100/1018922107/27147 282163/265106 359174/258169凍滴T N f14197/15125T Q h118164/36153T N h11198/11153T N CL rif14196/15123T CN gh3143/0187T N CN gh10154/10120T N N U rf13143/13194T CN fh89142/28181T N CN fh11197/11152T CL rh4116/0164T CL gh0155/0120T

43、 CL fh3186/1131雹m i (10- 8 )214/015m g (10- 4 )2150/2108m f (10- 4 )9196/4165m rif (10- 4)1195/0190m raf (10- 5)3152m s (10- 5)1102/1107m h01124/01108mDD i0105/0102P ig (10- 6 )D g1106/1100P is (10- 3 )D f1124/0197P sg (10- 2)D r if0172/0155P gh (10- 5 )D raf0141D h6123/5194D s0158/0159PP fh (10- 3

44、) 6117/0153 2151/0137 6103/6161 5189/2114 1100/0119 注: (1) 除帶3 的物理過(guò)程質(zhì)量總量單位為 t 而外, 其余質(zhì)量總量單位為 k t, 而數(shù)量總量的單位為 10x 個(gè), x 是表中數(shù)字; T N 表示總個(gè)數(shù), T Q 表示總質(zhì)量。( 2) 據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算出如下物理量: 轉(zhuǎn)化比例 P xy, 表示向 y 類粒子轉(zhuǎn)化的 x 類粒子所占的數(shù)量比例; m x , D x分別為 x 類粒子平均質(zhì)量 (g) 和平均直徑 (mm ) ; m r if 和m raf 分別為由于 CL rif 過(guò)程和N U raf 過(guò)程產(chǎn)生的凍滴的平均質(zhì)量 (g) ,

45、D r if 和 D raf 是它們的平均直徑 (mm )。(3) 分子和分母上數(shù)字是非催化云和催化云之值。42氣象學(xué)報(bào)57 卷催化云中水汽核化產(chǎn)生的冰晶的數(shù)量大幅度增加, 達(dá)到 1019140 個(gè), 因此冰晶質(zhì)量也增加了60167 k t, 但冰晶粒子的平均質(zhì)量 m i 由 21410- 8 g 減少到 01510- 8 g, 平均直徑 D i 由0105 mm 減小到 0102 mm , 冰晶向雪轉(zhuǎn)化比例 P is ( = T N CN is /T N s ) 有所下降, 雪總質(zhì)量增加了 2511 k t, 雪花平均質(zhì)量 m s 由 110210- 5 g 增加到 110710- 5 g

46、, 平均直徑 D s 由0158 mm 增加到 0159 mm , 因此冰晶和雪向霰的轉(zhuǎn)化比例 P ig (= T N CN ig /T N i) 和 P sg (=T N CN sg /T N s ) 分別由原來(lái) 611710- 6 下降到 51310- 7 和由 610310- 2 增加到 616110- 2。催化使霰的質(zhì)量 T Q g 有所增加, 約增加 416% , 使其數(shù)量卻增加 2519% , 因此霰平均質(zhì)量 m g 和平均尺度 D g 都有所減小, 分別由 2150 10- 4 減小到 2108 10- 4 g 和由 1106mm 減小到 1100 mm , 因此霰向雹的轉(zhuǎn)化比例

47、 P gh ( = T N CN gh /T N g ) 也由 5189 10- 5 下 降到211410- 5 , 約下降 7212% 。與催化對(duì)云內(nèi)霰的影響不同, 催化后凍滴總質(zhì)量 T Q f 卻減小, 由 92915 k t 減小到82714 k t, 約減小 1110% 。但凍滴個(gè)數(shù)有所增加, 增加了 81451014 個(gè), 約為非催化云的 2倍, 因 此 凍 滴 平 均 質(zhì) 量 m f 大 為 減 小, 由 9196 10- 4 g 減 小 到 4165 10- 4 g , 約 減 小5313% 。凍滴平均直徑D f 由 1124 mm 減小到 0197 mm , 凍滴的數(shù)量增加而質(zhì)

48、量減小的主要原因是凍滴收集其他粒子的增長(zhǎng)量, 如 T CL cf 和 T CL rf 都有明顯減小, 尤其是凍滴撞凍 雨 滴 (CL rf ) , 據(jù)前分析是凍滴增長(zhǎng)的主要過(guò)程, 而現(xiàn)在約減小 10111 k t, T CL cf 也減小較多, 約減小 36 k t。 此外從表 9 凍滴欄可以看出, 由于冰晶和雪擾動(dòng)而凍結(jié)的雨滴, 雖然數(shù)量在增加 (見(jiàn) T N CL r if ) , 但質(zhì)量在減小 (見(jiàn) T CL r if ) , 因此凍結(jié)成凍滴的雨滴平均質(zhì)量m r if 由119510- 4 g 減少到 019010- 4 g, 而由雨滴凍結(jié)的凍滴的平均直徑 D r if 由 0172 mm

49、 減小到0155 mm 。 這說(shuō)明, 催化云中由于冰晶和雪濃度大量增加, 使尺度較小的過(guò)冷雨滴發(fā)生 接觸凍結(jié)。 當(dāng)然由于催化, 活化的 A g I 粒子直接與雨滴接觸使其凍結(jié)也是凍滴數(shù)量增加 的一個(gè)原因。這一過(guò)程使凍滴數(shù)增加 101115 個(gè), 而與A g I 粒子直接接觸而凍結(jié)的雨滴, 即凍滴的平均質(zhì)量 m raf 約為 3152 10- 5 g, 比催化云中與冰晶和雪接觸而凍結(jié) 的 雨 滴 質(zhì) 量(m r if ) 小得多, 如和非催化云相比就更小了, 通過(guò)此過(guò)程形成的凍滴平均直徑 D raf 只有0141 mm 。 另外催化云中 T S BR = 412710- 4 g 而 T S IR

50、 = 211710- 2 g, 于是, 在 101115 個(gè)凍 滴中, 雨滴通過(guò)慣性碰并收集 A g I 粒子形成凍滴數(shù)目約為通過(guò)布朗碰并的 51 倍?？傊?化使凍滴的平均質(zhì)量和直徑有所減小, 因此向雹的轉(zhuǎn)化比例 P fh ( = T N CN fh /T N f ) 減小約81% 。由于催化云中, 雖然霰的質(zhì)量 (T Q g ) 和數(shù)量 (T N g ) 都增加, 而霰雹轉(zhuǎn)化比例減小, 實(shí) 際轉(zhuǎn)化的質(zhì)量和數(shù)量都在減小; 更由于凍滴質(zhì)量 (T Q f ) 減小而數(shù)量 (T N f ) 增加, 致使凍滴 向雹轉(zhuǎn)化比例大大降低。 因此冰雹的總質(zhì)量和數(shù)量減小, T Q h 減小約 6912% ,

51、數(shù)量減小約6415% 。平均冰雹質(zhì)量由 0112 g 減小到 0111 g , 平均直徑由 6123 mm 減小到5190 mm 。也 就是說(shuō), 雖然冰雹平均質(zhì)量和平均直徑減小不明顯, 但數(shù)量只有非催化云的 3515% , 這也是降雹動(dòng)能通量減小的直接原因。 從表 9 中冰雹欄看, 冰雹質(zhì)量減小主要由于凍滴向雹轉(zhuǎn)化量 (T CN fh ) 減小, 其次是冰雹收集過(guò)冷云水 (T CL ch ) 增長(zhǎng)量在減小, 這是兩個(gè)主要原 因。通過(guò)對(duì) 515 km 高度催化云的分析 , 可以概括出如下催化防雹的機(jī)制 (參見(jiàn)圖 6) :1618%9114%P ig 416%TQ g 7911% 419%m i

52、m s7012% 2614%TQ i TQ sm g 7212%A g I 催化6912%TQ h TN i TN s67612% 2012%D i D s6010% 1712%P sg 916%TN g 2519%5313%D g 518%81%f ev Q r10198%TQ f TN h 6415%m f 8114%P fh D f 2119%TN f 9015%圖 6 據(jù)表 9 繪制的催化防雹機(jī)制示意( 向上箭頭表示增加, 向下箭頭表示減小)( 1) 由于催化, 云中冰晶的質(zhì)量尤其是數(shù)量明顯增加, 但平均直徑卻比非催化云中小得多, 因此冰晶向霰轉(zhuǎn)化比例 P ig 降低; 雪的質(zhì)量、數(shù)量都有所增加;( 2) 冰雪晶轉(zhuǎn)化形成的霰的質(zhì)量、數(shù)量都有所增加, 但平均直徑減小, 霰雹轉(zhuǎn)化比例P gh 降低, 轉(zhuǎn)化的質(zhì)量 (T CN gh ) 在減小;( 3) 由于冰晶雪數(shù)量增加明顯, 加之催化劑本身直接作用, 大量小雨滴產(chǎn)生接觸凍結(jié) 而形成凍滴, 使凍滴總質(zhì)量減少, 而數(shù)量大幅度增加, 平均質(zhì)量和直徑減小, 向雹的轉(zhuǎn)化比 例 P fh 也減小。(4) 由于 (2)、(3) 原因, 冰雹質(zhì)量、數(shù)量都減小, 這是降雹通量減小的主要原因。5小結(jié)和結(jié)論本文用三維冰雹云催化模式對(duì)實(shí)測(cè)的一例雹云進(jìn)行模擬, 分析了成雹機(jī)制, 并對(duì)雹云進(jìn)行高度序列催化試驗(yàn), 選取催化效果最好的個(gè)