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一次降雹过程的AgI系列催化模拟研究

楼小凤 师宇 卢广献

楼小凤, 师宇, 卢广献. 一次降雹过程的AgI系列催化模拟研究. 应用气象学报, 2016, 27(2): 129-139. DOI: 10.11898/1001-7313.20160201..
引用本文: 楼小凤, 师宇, 卢广献. 一次降雹过程的AgI系列催化模拟研究. 应用气象学报, 2016, 27(2): 129-139. DOI: 10.11898/1001-7313.20160201.
Lou Xiaofeng, Shi Yu, Lu Guangxian. Numerical modeling of hailstorms with AGI seeding. J Appl Meteor Sci, 2016, 27(2): 129-139. DOI:  10.11898/1001-7313.20160201.
Citation: Lou Xiaofeng, Shi Yu, Lu Guangxian. Numerical modeling of hailstorms with AGI seeding. J Appl Meteor Sci, 2016, 27(2): 129-139. DOI:  10.11898/1001-7313.20160201.

一次降雹过程的AgI系列催化模拟研究

DOI: 10.11898/1001-7313.20160201
资助项目: 

公益性行业 (气象) 科研专项 GYHY201406001

国家自然科学基金项目 41275148

详细信息
    通信作者:

    楼小凤, email: louxf@camsma.cn

Numerical Modeling of Hailstorms with AgI Seeding

  • 摘要: 云数值模拟是研究降雹过程和人工防雹试验的重要手段。利用三维冰雹云AgI催化模式,对北京1996年6月10日的一次降雹过程进行AgI不同催化高度、催化剂量和催化时间的系列催化模拟试验,并优选催化方案,为外场防雹设计和作业提供依据。在催化系列模拟中发现,不同催化高度的催化剂均在上升到-5℃高度后开始核化。在2.1~4.9 km高度范围内催化,AgI成核率比较高,防雹效果较好。核化的人工冰晶有效弥补了该高度上自然冰晶的不足。小剂量催化,可在减雹的同时增加部分降雨量,而大剂量催化,在减雹的同时会减少降雨。在催化时间、剂量和高度的系列催化试验中得出,采用在模拟的第15分钟在5 km高度附近播撒AgI,连续4次以5×106 kg-1的催化剂量进行催化,催化效果较好,可减少降雹量约60%,同时可避免降雨量的大幅减少。
  • 图  1  冰雹云模拟第24分钟各种水成物含量等值线 (蓝色为云水,灰色为冰晶,橙色为霰,红色为冰雹,绿色为雨水,等值线值为0.1,1,2 g·kg-1) 及温度等值线 (黑色)、流场 (矢量) 的垂直剖面分布 (a) 模拟的最大上升速度 (b) 及总降雨量和降雹量 (c) 随时间分布

    Fig. 1  Subsection of mixing ratios of water substances (cloud water in the blue contour, ice in the grey contour, graupel in the orange contour, hail in the red contour, rain water in the green contour, contour values are 0.1, 1, 2 g·kg-1) and temperature (black contour), vector of the 24th min simulation results (a) time series of simulated maximum updraft (b) and total rainfall with hail precipitation (c)

    图  2  10个不同催化高度的催化范围 (橘色曲线) 和云水 (填色)、流场 (矢量) 和温度 (等值线,单位:℃) 分布 (a) 及平均核化冰晶数量随高度分布 (b)

    Fig. 2  Subsections of seeding areas at 10 different levels (the orange curve), cloud water mixing ratios (the shaded), vector, temperature (the contour, unit:℃)(a) and domain averaged AgI nucleation rates (b)

    图  3  10个不同催化高度试验积分3 min降雹量 (a) 和总降雹量 (b) 随时间分布

    Fig. 3  Time series of hail precipitation amounts within 3 min simulation (a) and total hail precipitation (b) at 10 different seeding levels

    图  4  催化后12 min模拟的接近地面催化 (a),7~8层催化 (b),10~11层催化 (c) 的核化冰晶数量 (黑色等值线, 单位:L-1)、自然冰晶数量 (红色等值线, 单位:L-1)、霰含量 (填色,等值线0.1,1,2 g·kg-1) 及温度 (蓝色等值线, 单位:℃) 和流场 (矢量) 分布

    Fig. 4  Subsections of simulation results at time point of 12 min after seeding near ground (a), 7-8 level (b), 10-11 level (c) of nucleation ice particles (the black contour, unit:L-1), natural ice particles (the red contour, unit:L-1), graupel mixing ratios (the shaded with values of 0.1, 1, 2 g·kg-1), temperature (the blue contour, unit:℃) and vector

    图  5  催化剂量从5×107, 1×107, 5×106, 1×106, 5×105, 1×105, 5×104 kg-1共7种剂量的总降雹量 (a)、降雨量 (b) 随时间分布

    Fig. 5  Time series of hailfall (a) and rainfall (b) amounts with 7 seeding rates of 5×107, 1×107, 5×106, 1×106, 5×105, 1×105, 5×104 kg-1

    图  6  不同催化开始时间的核化冰晶数 (a)、冰雹总质量 (b) 和总降雨量 (c) 随时间变化

    Fig. 6  Ice nucleation numbers (a), hail amount (b) and total rainfall precipitation (c) with different seeding start time

    图  7  云中总水成物含量和AgI气溶胶粒子浓度 (Naer,蓝色线) 和包含在液态水中的碘化银粒子浓度 (Naim,绿色线) 及流场 (矢量) 和温度 (黑色线, 单位:℃) 垂直分布 (总水成物混合比 (填色) 等值线间隔为1,2,3,4 g·kg-1NaerNaim的等值线分别为1,10,100 L-1和1000 L-1) (a) 催化时刻,(b) 催化后10 min

    Fig. 7  Subsections of mixing ratios of total water substances (the shaded) and number concentrations of AgI aerosols (Naer, the blue contour) and AgI particles immersed in drops (Naim, the green contour), vector and temperature (the black contour, unit:℃)(total water substance in shaded contour with values of 1, 2, 3 g·kg-1 and 4 g·kg-1, Naer and Naim with values of 1, 10, 100 L-1 and 1000 L-1) (a) seeding time point, (b)10 min after seeding

    图  8  自然云和催化云的总降雹量和降雨量 (a) 及冰雹和霰总质量 (b) 随时间分布

    Fig. 8  Time series of natural and seeded hail precipitation and rain quanotity (a), hail and graupel quantity (b)

    表  1  不同催化高度系列试验的降雹量分布

    Table  1  Hailfall amonts of series simulations at different seeding vertical levels

    垂直层 高度/km 降雹量/kt
    1~2 0~1.4 102
    3~4 1.4~2.8 87
    4~5 2.1~3.5 80
    5~6 2.8~4.2 75
    6~7 3.5~4.9 73
    7~8 4.2~5.6 57
    8~9 4.9~6.3 66
    9~10 5.6~7.0 87
    10~11 6.3~7.7 123
    11~12 7.0~8.4 134
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    表  2  不同催化剂量系列试验的降雹量分布

    Table  2  Hailfall amonts of series simulations with different seeding amounts

    催化剂量/kg-1 催化剂总量/g 降雹量/kt
    5×104 0.65 137
    1×105 1.29 124
    5×105 6.45 107
    1×106 12.9 75
    5×106 64.5 57
    1×107 129 31
    5×107 645 9.9
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    表  3  不同催化开始时间系列试验的降雹量分布

    Table  3  Hailfall amonts of series simulations with different seeding start times

    催化开始时间/min 降雹量/kt
    36 139
    30 136
    27 134
    24 128
    21 103
    18 79
    15 51
    12 68
    9 79
    6 95
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-28
  • 修回日期:  2016-01-25
  • 刊出日期:  2016-03-31

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