大氣冰核濃度的觀(guān)測與研究
大氣中的氣溶膠粒子通過(guò)其對水的相變促進(jìn)作用影響云的微物理結構和降水過(guò)程, 從而影響天氣氣候過(guò)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冰晶過(guò)程在降水過(guò)程中起重要作用, 20 世紀60—70 年代在中國曾開(kāi)展過(guò)多次大氣冰核的觀(guān)測, 結果表明: 與風(fēng)沙過(guò)程有關(guān)的自然飄塵和人類(lèi)活動(dòng)排放的氣溶膠粒子是冰核的主要來(lái)源。80 年代北方層狀云人工增雨研究中, 觀(guān)測分析了中國北方廣大地區云凝結核濃度的區域分布特點(diǎn)。90 年代以后, 游來(lái)光等于1995 年和1996 年兩次組織了北京地區春季大氣冰核濃度的觀(guān)測, 發(fā)現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(diǎn)陣參數非常接近于冰, 其微粒在溫度低于- 4℃下能充當冰核, 通過(guò)異質(zhì)核化在過(guò)冷云中產(chǎn)生冰晶。如能再降低AgI 與冰點(diǎn)陣參數的差別, 則可能進(jìn)一步提高其成冰效率。在這方面國內外進(jìn)行過(guò)一些實(shí)驗工作, 旨在產(chǎn)生AgI與其他物質(zhì)的復合氣溶膠, 來(lái)改變AgI 晶體的點(diǎn)陣參數, 從而達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(guò)云室的檢測來(lái)了解。1999 年結題的“人工增雨新催化技術(shù)系統研究”, 對國內現有的各種AgI 焰劑在2m等溫云室中統一進(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(guò)程(Bergeron) 的出現, 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(shí)驗結果表明: 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(guò)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(shí)驗研究
在人工影響天氣工作中, 國內外廣泛地使用著(zhù)碘化銀, 為了克服實(shí)用播種中碘化銀氣溶膠的某些缺點(diǎn)( 如陽(yáng)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(lái)各國不少研究者對許多無(wú)機和有機化合物的成冰性能作了實(shí)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, 并認為它們的成冰能力是中等的, 但卻無(wú)與之對比的標準。在此基礎上, 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溫度相近的結果。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用領(lǐng)域, 獲得自主知識產(chǎn)權, 而且對于人工影響天氣的可持續發(fā)展, 保護生態(tài)環(huán)境,都具有現實(shí)意義。 冰雪晶碰并勾連增長(cháng)的實(shí)驗與觀(guān)測分析
在云生命期中, 單憑凝結是不能增長(cháng)到毫米量級雨滴的, 要有碰并過(guò)程, 但直徑<50μm 的滴碰并效率很低。從云滴凝結增長(cháng)到有效碰并到降雨似乎是很漫長(cháng)的過(guò)程。然而人們常常觀(guān)測到云在lh內形成降水, 有時(shí)l~2h 內就形成降雹, 這歸功于冰晶的出現、相變。實(shí)驗與外場(chǎng)觀(guān)測發(fā)現, 冰晶增長(cháng)亦有一個(gè)與液滴碰并增長(cháng)相似的加速過(guò)程, 冰晶碰并液滴( 過(guò)冷) 形成霰, 進(jìn)而碰并過(guò)冷水滴長(cháng)大成冰雹; 冰晶間相互碰并勾連、攀附, 快速增長(cháng)為雪花或雪團, 如融化成毫米量級的雨滴, 將水質(zhì)點(diǎn)增長(cháng)加快, 加速降水進(jìn)程。
人們早就注意觀(guān)測研究冰雪晶間碰并勾連現象, 認為它主要與溫度有關(guān), l~- 5℃是多發(fā)區, 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。黃庚等認為冰晶的增長(cháng)過(guò)程僅在水面飽和、過(guò)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、攀附的主要區域, 亦為冰晶繁生的主要區域、生長(cháng)率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率較高的溫度段。總之, 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。