强对流云人工增雨和防雹原理的二维数值研究

王博

摘 要：为了满足农业生产需求，当前国家常常会使用人工增雨技术，提升了降雨量，满足了农业生产以及人民生活的需求。除了人工增雨之外，气象工作人员还会使用类似的在云层中播入高浓度冰晶胚胎的方式来防止冰雹的出现，避免了冰雹天气对人们生活生产的影响。本文对强对流云人工增雨以及防雹原理进行了分析，进行了二维数值研究，希望可以优化气象工作的进行质量。

关键词：强对流云;人工增雨;防雹原理;二维数值研究

在当前的气象工作中，相关的工作人员一般通过在云的发展早期播入高浓度人工冰晶胚胎来实现增雨和防雹，冰晶会促使云层中产生大冰晶以及霰粒，进而阻止冰雹的产生，增加降雨量。但是，在实际工作中人工增雨和防雹工作的原理不够明确，冰晶用量的不确定会影响防雹效果，减少降雨量。因此，在当前的气象工作中对人工增雨和防雹的原理进行分析有助于推动现代气象工作进行效果的提升。

一、对流云模拟

对流云一般是单胞对流体，在云成型发展过程中，其动力辐合会随之加强，云高度也会提升。在云成型阶段，其主要的组成部分是云滴，其中的雨水质量较小。在成型过程中，云的上升速度会不断增大，且出现温度上的变化，云成型中的温度变动值一般不会超过5摄氏度。在这个过程中，云滴转化为的雨滴会不断的扩大，且更多的吸收云滴。在温度较低时，余地会冻结成为霰粒。成型的云一般高度会达到10.5km，這时云体中的雨滴全部转化为霰粒，霰粒会借助云层中的水分进一步扩大，最终形成冰雹。之后，云层上部形成的冰晶会在环境风的推动作用之下运动形成云砧，冰晶在增长至体积的极限之后也会转化为霰，并停留在对流云结构的上部。云砧之中冰晶的浓度极高，冰雹和部分的霰粒在下落过程中会融化并形成降水。实验结果显示，在云成型20分钟前后云层中会形成雨滴，这些雨滴会快速的转化为霰粒，在降水的形成中有着重要的作用。

二、人工催化实验

1.高浓度冰核的人工防雹催化实验

实验过程中不对自然云进行改变，在云成型发展至15分钟时。实验人员会在云层中温度为零下12至零下16摄氏度的区域中人工的进行冰晶胚胎的播撒，冰晶胚胎的密度为5×10^5个/kg。冰晶胚胎的结构和谱分布与自然界中的冰晶结构相似，模拟防雹工作中的催化过程。催化实验进行五分钟之后，人工冰晶的高度较低，因此快速吸收水分出现了凝华。此刻云层中还存在较多的自然雨滴，冰晶会与云层中的自然雨滴基础形成霰粒，导致云层中雨滴的数量减少，避免了雨滴在后续发展中触碰云滴形成霰粒，阻止了冰雹的形成。

在云层下部人工播撒高浓度的冰晶胚胎之后，云层中的气流以及湍流会导致部分冰晶停留在云层下部结构中，并借助凝华过程不断增大。但是，冰晶在体积增大过程中无法得到雨滴和水分的补充，因此，形成的霰粒体积较小，形成信息恒冰雹的速度较慢，融化成雨滴的速率也相对降低，导致地面降水的实践有所推迟。经过催化之后，冰雹的量得到了降低，动能也有所减少。人工播撒的冰晶在凝华中释放出了一定的热量，使得云层上升速度有所提升，造成降水延迟。下图为雷达回波和二维模拟回波的比较。

2.不同催化时刻的对比实验

冰晶胚胎的播撒时刻不同对云层的影响也不同，从下图可以看出，不同时刻进行冰晶的播撒均达到了防雹的目的，但是，不同时刻进行的催化操作会导致防雹效果出现差异。10分钟时进行播撒冰晶胚胎之后，这些冰晶会在云层中凝华并增大，质量不断增大，部分冰晶在达到质量和体积的阈值之后会转化为霰，并吸收云滴继续增长。这一过程中，霰粒的质量相对于自然情况之下有所增大，造成云滴的消耗增加，降低了雨水的转化量和质量，进而霰粒的形成数量也有所降低，冰雹的产生量和速率也受到了影响。冰雹的质量降低会造成降水量的减少，不利于增雨工作的进行。下图为不同时刻自然云和人工催化云中的冰晶和霰粒对比。

3.不同剂量的催化实验

不同的催化剂使用量也会影响增雨和防雹效果。实验结果显示，当人工播撒的冰晶浓度高于5×10^5个/kg时，防雹增雨效果会随着冰晶浓度的增大而增大，大量的冰晶胚胎在进入云层之后会导致霰粒形成速率不断提升，降低冰雹的质量，加速冰雹下落过程中的融化速率，增加降雨量。

三、结语

在云层的形成初期人工播撒冰晶可以冻结云层中的雨滴，形成大量的冰晶和霰粒，吸收了云层中的大量云滴，避免了体积较大冰雹的出现，实现了防雹增雨的目的。在实际工作中，气象工作人员可以结合实际情况，对播撒催化剂的时间和剂量进行调整，以便优化增雨防雹效果。

参考文献：

[1]张勇，牟容，潘颖，史利汉. 重庆强对流短临业务评分方法[J].  气象科技. 2013（03）.

[2]柳守煜，陈鲍发. 江西区域强对流气候特点及云型分析[J].  气象水文海洋仪器. 2013（03）.

[3]高万泉，周伟灿，李玉娥. 一次强对流暴雨的湿位涡特征[J].  陕西气象. 2011（02）.