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云雾物理膨胀云室研制及参数测试

苏正军 郭学良 诸葛杰 王平

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云雾物理膨胀云室研制及参数测试

    通信作者: 郭学良, guoxl@mail.iap.ac.cn
  • 资助项目: 国家重点研究发展计划(2018YFC1507900),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z009),中国气象科学研究院科技发展基金(2018KJ008),公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306041)

Developing and Testing of an Expansion Cloud Chamber for Cloud Physics Research

    Corresponding author: Guo Xueliang, guoxl@mail.iap.ac.cn
  • 摘要: 膨胀云室可形成水汽、水面和冰面过饱和环境,是研究气溶胶粒子、人工影响天气冷暖催化剂核化过程和机理的重要实验设备。但长期以来,我国缺乏装备先进云雾粒子谱和图像测量系统的膨胀云室。2019年完成的我国自主研制的膨胀云室系统由云室主体、控制系统、通讯系统及环境和云雾测量系统4个子系统组成。该系统首次采用了国产云粒子谱仪和成像仪测量系统。测试结果表明:该云室具有良好的温度和压力控制能力,平均降温速率达到0.26℃·min-1,温度分布均匀,-40℃时舱内温差小于0.29℃;膨胀造雾过程4 min,雾可维持4 min,雾滴较小;可以实现从室温到-50℃低温环境的控制,具备压力膨胀成云雾模拟和微物理参数监测能力,解决了我国缺乏气溶胶粒子和暖云催化剂室内实验装备的状况,对验证暖云催化剂核化性能和提高暖云人工增雨科技水平有重要价值。
  • 图 1  膨胀云室外观视图

    Fig.1  View of the expanded cloud chamber

    图 2  膨胀云室结构示意图

    Fig.2  The schematic diagram of expanded cloud chamber

    图 3  2019年5月22日云室实验的温度变化特征

    Fig.3  Temperature curve during cooling in the chamber

    图 4  云室降温结果

    Fig.4  Cooling speed of cloud chamber temperature

    图 5  膨胀试验的云舱压力变化曲线

    Fig.5  In-chamber pressure during the expanded testing

    图 6  膨胀造雾形成雾滴分布特征

    (a)雾滴谱,(b)数浓度及平均有效直径

    Fig.6  Fog droplet distribution characteristics formed by expansion process

    (a)droplet spectrum, (b)droplet concentration and droplet size

    图 7  膨胀过程中高速摄像获得的雾滴图像

    Fig.7  The fog droplet image by PCO

    表 1  膨胀云室主要技术参数

    Table 1.  Main parameters of the expanded cloud chamber

    名称 预真空罐 反应舱
    内容积/m3 9.6 1.5
    目标气压/hPa 约30 约100
    工作温度/℃ -40
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    表 2  云室降温速率(单位:℃·min-1)

    Table 2.  Cloud chamber cooling speed (unit:℃·min-1)

    降温区间 T1 T2 平均
    室温→10℃ 1.13 0.63 0.88
    10℃→0℃ 0.50 0.43 0.47
    0℃→-10℃ 0.40 0.41 0.41
    -10℃→-20℃ 0.31 0.29 0.30
    -20℃→-30℃ 0.22 0.22 0.22
    -30℃→-40℃ 0.13 0.15 0.14
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-16
  • 修回日期:  2019-10-30
  • 刊出日期:  2019-11-01

云雾物理膨胀云室研制及参数测试

  • 1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
  • 2. 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室, 北京 100081
  • 3. 佐格微系统科技有限公司, 杭州 310000
  • 4. 中国华云气象科技集团公司, 北京 100081
  • 通信作者: 郭学良, guoxl@mail.iap.ac.cn
资助项目: 国家重点研究发展计划(2018YFC1507900),中国气象科学研究院基本科研业务费专项(2018Z009),中国气象科学研究院科技发展基金(2018KJ008),公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306041)

摘要: 膨胀云室可形成水汽、水面和冰面过饱和环境,是研究气溶胶粒子、人工影响天气冷暖催化剂核化过程和机理的重要实验设备。但长期以来,我国缺乏装备先进云雾粒子谱和图像测量系统的膨胀云室。2019年完成的我国自主研制的膨胀云室系统由云室主体、控制系统、通讯系统及环境和云雾测量系统4个子系统组成。该系统首次采用了国产云粒子谱仪和成像仪测量系统。测试结果表明:该云室具有良好的温度和压力控制能力,平均降温速率达到0.26℃·min-1,温度分布均匀,-40℃时舱内温差小于0.29℃;膨胀造雾过程4 min,雾可维持4 min,雾滴较小;可以实现从室温到-50℃低温环境的控制,具备压力膨胀成云雾模拟和微物理参数监测能力,解决了我国缺乏气溶胶粒子和暖云催化剂室内实验装备的状况,对验证暖云催化剂核化性能和提高暖云人工增雨科技水平有重要价值。

English Abstract

    • 目前我国人工影响天气业务用催化剂主要是碘化银类,碘化银是人工冰核催化剂,只适合冷云或冷暖混合云的人工增雨和防雹作业。针对冷云催化剂的室内检测实验和外场试验研究较多[1-2]

      国内早期非常重视暖云的成云致雨过程研究,开展了大量理论、外场观测和盐粉播撒试验,并取得了具有重要价值的成果,如云滴的起伏增长理论等[3]。顾震潮等[4-5]通过南岳云雾降水观测,提出大颗粒、大剂量催化暖云加速暖雨过程的理论。周秀骥[6]提出了云滴增长的随机过程理论。黄美元等[7]通过上海等地飞机观测,发现积云中较易生成大滴, 当浓度较大且与云厚、上升气流等要素匹配时才能产生降水。叶家东[8]开展人工凝结核实验,研究了其暖云催化剂潜力。马培民等[9]分析了湖南增雨试验云的宏微观资料,发现盐粉催化后大滴增加,滴谱加宽,地面降水时间和强度增大。湖南暖云播撒试验验证了顾震潮的概念模型,在当时条件下形成了一套催化暖积云的作业技术体系。20世纪80年代我国开始了暖云催化的数值模式研究工作。胡志晋等[10-13]先后针对南方夏季暖云、层状云开展暖雨过程和盐粉影响的数值模拟,发现盐粉催化可使降水短时增大、总雨量增加有限,不同条件催化效果亦不同。肖辉等[14]、吴明林等[15]和胡雯等[16]模拟了盐核浓度对积云形成的作用。还有学者利用一维、二维对流模式讨论了暖层云增雨效果和技术方法,也得到一些有益结论。

      国外关于暖云人工增雨的研究工作较多[17-20],具体可分为3种理论:其一是直接播撒雨滴胚胎(粒子尺度大于10 μm),通过碰并过程增加降水;其二为播撒1~10 μm的吸湿性粒子,使云滴谱大滴端尺度增加,启动重力碰并过程;其三是在云底播撒粒径为1 μm左右的云凝结核(cloud condensation nuclei,简称CCN),通过“利益竞争”效益,使气溶胶中粒径较小的CCN不能活化,从而改变云微观结构、云滴谱展宽,云中大滴数量增加。上述工作均针对影响暖云的微物理过程,忽略了云中动力过程,而Rosenfeld[21]则提出了在云底大剂量播撒小的凝结核,延缓对流云暖云碰并过程,使云体可以发展到混合相的高度,促使其发展更为强盛,生命期延长,这虽然考虑了云的动力过程,但忽略了大气层结的稳定度,也非普适。其实,局地暖性对流云发展,能量来自大气层结,所以必须考虑云的动力过程。另外,暖云人工增雨外场试验和作业还存在很多问题需要深入研究。

      我国较早开展了暖云形成过程和暖云人工增雨研究,但与国外暖云催化剂的研制和应用相比进展缓慢[3]。早期开展的盐粉暖云催化外场试验,因盐粉对飞机的腐蚀性和飞行安全原因,现已很少应用。“十一五”期间,我国开展了暖云人工增雨机理和暖云催化剂的研究,研制出的暖云催化剂烟条,因缺乏催化剂核化特性的测试设备,目前仍未达到业务应用水平。但暖云催化剂的需求非常迫切,特别是南方夏季对流云中往往暖云过程起重要作用。课题组前期在“北京地区人工影响消减雾霾实验研究”等课题中,利用简易暖云室开展了暖云催化剂吸湿性能的试验,并结合吸湿性催化剂检测风洞开展了暖云催化剂核化特性的初步研究,但缺少核化特性和核化率的检测设备[22-23]

      国内先后建立了容积为96 m3,2 m3和1 m3的综合或等温云室[24-26],以及小型便携式云室,但研究均针对冷云过程、冷云催化剂及大气冰核[27-35],暖云人工增雨的机理尚不清楚,仍需深入研究,包括实验室研究。但用于暖云、暖雨过程研究的实验室装备,几乎空白。缺乏配备可监测云物理和气溶胶的重要参数变化仪器的膨胀云室,严重制约着对暖雨过程及其影响的模拟和认知的深入[3, 36]。国家重大仪器专项“机载云降水粒子谱仪和成像仪”项目的完成,为监测云物理参数提供条件。课题组在全面调研国内外云雾实验室基础上,综合考虑、设计构建了一套膨胀云室系统,并配置了我国自主研发的云降水粒子谱仪和成像仪等先进的云雾物理参数监测仪器。

    • 膨胀云室是一种可以控制压力变化、模拟云中成云致雨环境的装备,可以形成水汽、水面和冰面过饱和环境,是研究气溶胶粒子、人工影响天气冷暖催化剂核化过程和机理的重要设备。图 1为2019年建成的膨胀云室外观视图。

      图  1  膨胀云室外观视图

      Figure 1.  View of the expanded cloud chamber

      利用膨胀云室可开展暖云成云致雨过程中关键环节研究以及验证暖云催化剂核化性能,其组成包括云室主体、控制系统、通讯系统及环境和云雾测量系统4个子系统,系统整体结构如图 2所示。云室主体包括主舱和预真空罐两部分,均采用圆柱筒形结构,二者由可控电磁阀门连通。云室主舱连接真空泵,可用于压力控制,预真空罐则提供系统压力释放及催化剂投放环境。云室主舱为两段分体式结构,整体采用316 L不锈钢材料,保温采用真空绝热方式,内桶焊接制冷蒸发器盘管,云室内壁采用特氟龙涂层;观测窗采用双层法兰玻璃结构;为保证云室内温度场分布均匀,内部设置低温循环风扇。另外,采用了限位链扣装置,便于云室主舱的维修维护及清洁;使用铰链结构,防止人孔舱门跌落。

      图  2  膨胀云室结构示意图

      Figure 2.  The schematic diagram of expanded cloud chamber

      云室主舱内容积为1.5 m3。预真空罐是云室主体的真空部分,直径为1.8 m,长为3.8 m,与云室主舱的体积比大于6:1,采用卧式结构,配套独立的压力、湿度监测仪器,底部设置程控排污排水阀,具体技术参数如表 1所示。

      表 1  膨胀云室主要技术参数

      Table 1.  Main parameters of the expanded cloud chamber

      名称 预真空罐 反应舱
      内容积/m3 9.6 1.5
      目标气压/hPa 约30 约100
      工作温度/℃ -40

      控制系统包括温、压、湿参数的控制和旁路采样控制。云室系统配置了自动化程度较高的温度、压力、湿度控制系统,并与计算机配套,优化了云雾物理参数测量性能以适应科研需要,从而提高效率。

      温度控制系统采用覆叠式多通道主旁路控制系统方式,高效的PID程序控制,不锈钢蒸发制冷管焊接内桶,最大制冷功率可达12 HP,设计云室主舱最低控制温度低于-40℃,持续降温时间少于8 h。

      压力控制系统为德国贝克真空系统,采用高效真空泵组,静音设计,工作噪声小于60 dB,设计免维护排污过滤和独立的保护控制。控制系统和主机分离,隔绝噪音和气味,独立设计的散热防雨系统,可有效保护设备,采用连接管路接头使维护方便快捷。为杜绝真空状态漏气,采用真空低温阀门,不锈钢阀体,PETF密封,-100℃低温下可有效工作,专利的油密封回路,极大延长设备维护周期。

      通讯系统由两个42U 19英寸屏蔽机柜组成,配置高精度压力、湿度采集主机,多路温度巡检仪,真空控制系统主机,制冷控制系统主机,配电及UPS电源系统。具备保证系统各组成部分通讯协议转换和显示系统当前实验进展的功能,同时可完成各控制点设置,实验舱和控制室实时视频传输。

    • 在线监测云物理参数是膨胀云室系统的核心内容。监测系统主要依据旁路循环抽样设计,旁路进出口采用蝶阀隔离,外覆盖保温材料,测量室采用双层光学玻璃,旁路管道预冷流程设计,使用耐低温进口IP65风机。

      云雾测量系统包括云粒子谱仪、云粒子成像仪、降水粒子成像仪、能见度测量仪、气溶胶径谱仪和高速摄像系统,其中云粒子谱仪、云粒子成像仪和降水粒子成像仪是我国首次自主研发的高性能云雾物理参数仪器。云粒子谱仪是利用前向散射原理,质量通道控制景深,测量粒径范围2~50 μm,测量时无粒子运动方向要求。云粒子成像仪,测量粒径范围25~1550 μm,主要监测小水滴状雾滴和云滴,测量手段为粒子分像法。降水粒子成像仪利用激光投影成像原理,高速线阵PD连续检测,测量粒径范围25 μm~6.5 mm。

      能见度仪采用高精度、透过率和能见度激光投射表,型号为LT5100,可直接输出透过率和能见度值,具有调制和收发同步机制,可消除杂散光干扰,具有高亮OLED显示,自带校正微调平台,支持在线校准。压力测量采用高精度硅电容绝对压力传感器,型号为PTB210,能适应多种复杂环境,适合大跨度温度范围使用,可有效避免溅水影响。气溶胶测量配置德国Palas公司气溶胶粒径测量仪,型号Welas_1000,测量粒径范围为180 nm~105 μm,可精密测量气溶胶粒径,并自动完成反应气溶胶取样、计数和测量分析的在线检测。

      云室还配置高清晰度视频采集PCO获取云雾粒子图像系统。

    • 2016年膨胀云室启动研制以来,开展了多组降温过程测试,以保证云室内温度控制均匀性。以2019年5月22日两组实验为例进行研究,两组实验分别标记为T1和T2。图 3是云室制冷过程中温度变化。T1中,云室初始温度为17.27℃,启动制冷系统,约5.5 h降至-46.91℃,温差为64.18℃,平均降温速率为0.19℃·min-1。T2中,云室初始温度为19.18℃,4 h后降到-42.29℃, 温差为61.47℃,平均降温速率为0.26℃·min-1

      图  3  2019年5月22日云室实验的温度变化特征

      Figure 3.  Temperature curve during cooling in the chamber

      T1中云室系统降温过程的3个测点A1,A2,A3分别位于云室内的上、中、下部(距壁5 cm),结果表明:A1,A2,A3温度一致性较好。当云室达到-40℃时,A1,A2和A3温度分别为-40.24℃,-40.37℃和-40.21℃,温差小于0.16℃,云室内温度分布均匀。T2中云室为-40℃时,A1,A2和A3温度分别为-40.24℃,-40.53℃和-40.45℃,温差小于0.29℃。T1和T2两次过程,云室内温度分布一致性较好。降温测试显示,膨胀云室温度控温系统良好的制冷性能,实验中云室低温下限超过-50℃,优于设计要求的-45℃温度下限。

      为考察云室降温的速率,从室温降至-40℃,每10℃为1个降温区间,进行数据分析(表 2)。可以看到,不同温度区间,云室降温速率不同,0℃以上降温快,超过0.5℃·min-1,0℃以下降温速率减小,接近-40℃时最小,为0.14℃·min-1。降温速率如图 4所示。由图 4可见,实验开始由室温降至10℃时,两次降温速率差异较大,分别为1.13℃·min-1和0.63℃·min-1;但从10℃降至0℃时,降温差异快速变小,两者相差0.07℃·min-1;在0℃到-40℃时,降温速率逐渐减小,两者一致。初始降温速率差异可能由于环境温度不同引起,云室制冷能力表现良好。

      表 2  云室降温速率(单位:℃·min-1)

      Table 2.  Cloud chamber cooling speed (unit:℃·min-1)

      降温区间 T1 T2 平均
      室温→10℃ 1.13 0.63 0.88
      10℃→0℃ 0.50 0.43 0.47
      0℃→-10℃ 0.40 0.41 0.41
      -10℃→-20℃ 0.31 0.29 0.30
      -20℃→-30℃ 0.22 0.22 0.22
      -30℃→-40℃ 0.13 0.15 0.14

      图  4  云室降温结果

      Figure 4.  Cooling speed of cloud chamber temperature

    • 膨胀造雾和气溶胶颗粒在膨胀过程中的作用是暖云成云致雨的关键,也是暖云催化剂研究的基本科学问题。经过反复试验,新建云室具有较好的膨胀造雾性能。图 5给出2019年5月20日1次膨胀造雾试验的压力变化曲线,P1和P2之间为膨胀造雾时段。实验云舱内温度10.3℃,相对湿度95%,云舱常压状态闭合,压力为994.77 hPa。启动压力控制使预真空罐压力达到535.64 hPa,稳定后,关闭真空泵。开启连通阀门,4 min后实验云舱和预真空罐达到平衡,云舱压力为558.67 hPa,膨胀减压速率为109.02 hPa·min-1

      图  5  膨胀试验的云舱压力变化曲线

      Figure 5.  In-chamber pressure during the expanded testing

      图 6给出了实验云舱内形成雾的分布特征。可以看到,膨胀产生雾滴尺度较小(图 6a),雾滴直径为3~8 μm,有效直径为5.3 μm,平均有效直径为6.5 μm,云室观察窗目测可见。伴随实验舱压力快速下降舱内出现雾且浓度逐渐增加,维持时间约4 min,雾滴数浓度最大值为6.1 cm-3(如图 6b所示)。云室膨胀生成的雾滴只是雾滴的初生尺度,比自然环境中观测到的平均直径为10~40 μm的雾滴小。可能是由于云室体积较小,无上升气流,无法模拟雾滴增长的过程。今后在云室的建设中可考虑增加上升气流,模拟膨胀产生云雾滴的增长特性。

      图  6  膨胀造雾形成雾滴分布特征

      Figure 6.  Fog droplet distribution characteristics formed by expansion process

      图 7是高速摄像PCO系统获取的雾滴图像。初始清晰透明的云室内,随膨胀释放压力云室内瞬时产生大量微小的雾滴粒子,能见度下降。以上为大气自然环境气溶胶粒子背景下的结果,未来增加反应气溶胶发生系统和辅助空气过滤装置,可针对特定目标气溶胶开展控制环境物理参数条件下、膨胀成云过程的模拟实验。当然,该云室系统在控制环境条件下引入由暖云催化播撒发生的人工凝结核气溶胶作为反应气体,可开展模拟暖云核化过程和催化播撒及其物理响应的相关实验。

      图  7  膨胀过程中高速摄像获得的雾滴图像

      Figure 7.  The fog droplet image by PCO

    • 膨胀云室是研究暖云成云致雨中关键物理过程和环节的重要室内实验设备,长期以来,我国一直缺乏装备先进云雾参数测量系统的膨胀云室。本文介绍了我国2019年完成研制的用于云雾物理学和人工影响天气研究的膨胀云室系统,包括其工作原理、组成、配套监测仪器设备和功能,结论如下:

      1) 膨胀云室采用了国际先进的温度、压力控制和配套国产化的云雾测量系统,显著提高了实验中参数自动化监测和研究的定量化能力。

      2) 测试实验表明:该云室具有良好的温度和压力控制能力,可实现从室温到-50℃低温环境的控制、具备压力膨胀模拟能力,平均降温速率达到0.26℃·min-1,-40℃时云室内温差小于0.29℃。

      3) 云室具备压力膨胀模拟能力,反应舱常压降到558.67 hPa,膨胀速率为109.02 hPa·min-1。膨胀过程产生雾滴数浓度最大为6.1 cm-3,雾滴小,滴谱窄,PCO雾滴图像清晰。

      4) 该云室适于气溶胶粒子核化、云雾形成和吸湿性催化剂核化检测研究。云室具有较好的制冷和控温能力,温度下限低于-50℃,可开展相应的冷云催化实验研究。通过旁路取样实验,对实验过程中云雾物理参数在线监测开展了有益尝试,可用于云雾物理基础性和应用性研究,在云降水和人工影响天气实验模拟研究中应用前景广阔。

参考文献 (36)

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