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1、关于冰晶雪花融化问题的研究 进展与展望龚乃虎( 中国科学院兰州高原大气物理研究所 甘肃省兰州市 730000)摘 要 冰晶和雪花的产生及融化是一个还未解决的问题 。本文指出了研究冰晶雪花融 化问题的重要意义 ,介绍了日本 、 美国 、 英国等国科学家在野外及实验室模拟冰晶 、 雪花融化的 一些主要研究结果 。对各类冰晶 、 雪花融化后形成水滴或分裂成多个水滴的个数作者利用实 验资料作了分析比较 。最后 ,对如冰系统理论 ,云中冰晶 、 雹胚来源 ,微下击暴流 ,中尺度对流 系统层状区中尺度环流特征与融化的关系及高压传输线上冰 、 雪融化问题的解决思路也作了 有关介绍 。关键词 冰雪晶 融化 进
2、展与展望分类号 P426. 631引言大气中冰晶雪花的融化率决定着我们看到的地表面上降水的类型 ,是雪还是雨 ,还是雪或冻雨 ,对预报员来说是一个重要问题 。 当冰 (雪) 晶在大气中下降通过 0 等温线时 ,它们开始融化 。众所周知 ,雷达回波显 示出 “亮带” 的回波 ( Ryde ,) 1 ,亮带被认为是由于微波照射在融化冰 ( 雪) 晶上 ,它同时经 历着微物理变化和相互作用 ,后向散射增强的结果 。被认为影响亮带特征的主要微物理因子是 : (1) 冰晶或雪花降落到 0 层以下融化成水滴的过程中 ,表面常先融化并形成一 定厚度的水膜 ,造成高的雷达反射率 ; (2) 融化层往往容易产生
3、聚集过程 ,聚集过程的变 化 ,包括可能的碎裂 ,使散射电磁波的能力大大增强 ; (3) 冰晶或雪花在完全融化后 ,由于 表面张力的作用 ,迅速转变成球形水滴 ,降落速度的变化 ,一般讲总是增加的 ,使得单位体 积内降水粒子数目减少 ,导致总的散射能力减小 ,于是亮带以下的回波减弱 ; (4) 局部融 化条件下 ,冰 (雪) 晶粒子形状发生特殊变化 ,常不呈球形 ,非球形粒子散射能力比球形粒子大 (Battan) 2 。当低的极高频通讯带变得拥挤时 ,就会移向更高些的频率 。众所周知 ,有时 20 GHz收稿日期 :1998210205 ;改回日期 :1999203214 国家自然科学基金 (
4、49175227) 资助项目 作者简介 :龚乃虎 ,男 ,1939 年 2 月出生 ,研究员 ,主要从事云雾物理 、 雷达气象及人工影响天气研究以上的信号为介入的降水所衰减 ,对这种卫星通讯系统 ,工作在低信号噪声比 , 由于降水衰减 ,特别是在融化带的衰减 ,能造成系统停机 ,而这些业务工作常不能容易地靠另外的 线路或设备就能防止发生 。我国广大的南方 、 北方 、 高原 、 高山地区 , ( 世界范围也如此) 无论冬 、 春 、 秋季节 ,遇到 适当的天气 、 气候 、 地形条件 ,会发生强烈的暴风雪 ,包括雾淞 ,对农 、 牧 、 交通 、 电力设施 、通讯线路 、 人类生活 ,造成极大
5、的危害 ,冰雪的融化问题 ,其特点和规律的研究同样是减轻或避免灾害损失所必须的 。2大气冰晶雪花融化的野外研究冰粒的融化研究早在 50 年代就已经进行 。Magono 和 Arai (1954 年) 就观测注意到 ,在 冻结高度以上 ,雪花具有 4 mm 的相当水滴直径 ,但在较低高度雨滴直径小于 2 mm 。从而 导致他们猜想雪花在融化之前分裂成许多小块 。1965 年 Magono 和 Nakamura 3 通过简陋的小屋 ,从顶到地 34 m ,开一个洞 ,研究下降 雪花 ,用秒表测量下落速度 ,用滤纸技术测密度 。在网上融化雪花 ,显微镜下照相 。他们的主要兴趣是在荷电符号的变化 ,而
6、不是融化过程 。发现大多数冰晶开始具有正电荷 ,在 融化时变化其符号 。Ohtake4 在山头上融化层内几个高度就地平铺日制丝羊毛片板 ,羊毛板片拿进暖室 ,雪融化 ,获得质量和大小分布 。1974 年他还用雨滴谱仪和滤纸技术进 行了融化 雪 花 的 实 验 。他 认 为 融 化 过 程 期 间 雪 花 融 化 不 受 凝 结 或 分 解 的 影 响 , 这 与Magono 和 Arai 的观测相矛盾 。Kajikawa 5 用萤光灯照冰晶下降 ,用硅油捕获冰晶 ,在显微 镜下照相 ,然后融化冰晶来测定有关下落速度和相应质量的实验公式 。他观测到分枝状冰晶在下降时呈现转动和震动运动 。Mats
7、uo 和 Sasyo 6 在日本三个地方进行融化开始的研究 ,认为雪花融化开始仅取决于相对湿度和温度 ,在相应的三个地方搞了三个经验公式 来帮助从雪到雨的预报 。除日本人的工作之外 ,值得一提的是 Knight 的研究工作 。Knight 7 在冰晶融化的不同 阶 段 把 它 放 到 寒 冷 的 已 烷 ( hexane ) ( - 78 . 5 ) 中使其快速冻结 ,这样快速的 让融化冰晶再冻结过程保留了它们的形状且限定了融化水在冰晶中的位置 。根据 Knight 的方法 ,冰晶融化主要取决于晶体的初始类型 。通常 ,简单柱状冰晶融化是这样的 ,开始 在表面上具有一致融化 ,之后逐渐形成不一
8、致 (厚) 的水层 ,在柱状晶的中心形成一个明显 的泡 , (有时形成两个泡) ,当进一步融化时 ,融化水形成一个清晰的水滴 ,附着在水滴上的柱状晶比冰融化还快进入于水滴中 ,全部融化之前最后阶段是近乎一球形滴 。板状冰晶 的融化极其不同 ,没有融化液水收缩成单个水滴的趋势 。Knight 没有作像柱状晶融化那 样详尽的描写 ,指出 , 从板状冰晶融化的水层 , 形成双凸镜带冰状 , 限定着冰晶的周边 。Knight 观测冰晶融化可以概括为两种基本方式 :形状类似硬杆 ( 柱状) 的冰晶 ,融化水趋向 于聚束成一个或几个滴 ,且居最小表面积 ;在平板状冰晶上 ,融化水形成全部覆盖在板上 的光滑
9、圆面 。Macklin8 、Drake 和 Mason9 及 Bailey 和 Macklin10 对单个冰晶 (或雪花) 的运动学研究 是将它们处理成球形冰粒 ,虽然有时不同高度选择冰晶密度不同 。 球形冰粒在大气中7 0 0 hPa 高 度 ( 0 ) , 为 了 完 全 融 化 必 须 下 降 的 距 离 如 图 1 , 此 时 假 设 温 度 递 减 率6 . 5 / km ,冰晶表面上没有凝结和蒸发 。美 国 空 军 地 球 物 理 实 验 室 Arnold A. Barnes , J r11 1986 年 35 月进行了天气衰减计 划 ,重点对东海岸春季风暴融化层进行研究 。 他们
10、用三种方法来测量 。如图 2 ,第一种方法 :用两部 (一部为 S 带 ,频率 2 . 7 GHz ,对降水无衰 减 ,另一部为 Ka 带 ,频率 35 GHz ,对降水衰减) 垂直指向的雷达 ,它们被安装在麻省 Sudbury 空 军地球物理实验室野外站 , Hanscom AFB ( 地名) 东南 12 英里 。比较两部雷达垂直廓线的异同 。第二种方法 :利用 Ka 带 ( 波长 0 . 86 cm) 前向探 测雷达 ,它被装在专用飞机鼻上 ,比较风暴中同 样体积的后向散射 ,从不同的距离观测 ,提供因 降水 介 入 而 产 生 的 衰 减 值 。第 三 种 方 法 : 从 L ES28
11、通信卫星上 ,频率 38 GHz 的发射机发射图 1 冰粒完全融化必须下降的距离 Fig. 1 The distance of ice sphere (graupel) for complete meltingmust be fall的信号为 Hanscom AFB 地面接收点 (林肯实验室) 接收记录下来 ,从而证明卫星和地面接 收点间因降水引起的衰减大小 。图 2 天气衰减计划 Fig. 2 Diagram of the AFG L Weather Attenuation. Program showing the major sensors used to measure EHF atte
12、nuation and the meteorological parameters飞机气象资料靠飞机仪器来收集 ,包括冰/ 水含量 ,粒子谱、 温度、 湿度及飞机位置等 ,在融化层内 ,这里既有雪又有雨同时存在 ,还专门设计了一种测量冰和 (或) 水质量的新仪器 (AFG L M2meter) 质量计。已使用的测量粒子大小和形状的 PMS 仪器只适宜于测量雨滴 (球形、 密度为1g/ cm3) ,不适合用在融化层内 (冰雪粒子形状不规则 ,密度变化范围又宽) 。 地基装备 :在 Sudbury 站 ,用 Joss2雨滴谱仪测雨滴大小分布 ,总降水量观测用触点翻 斗式雨量计 ;还用了快速反应降水
13、率计 ,下降速度计 ,标准气象装备 ( 提供温度 、 露点和风 速) ;云物理组研制的非标准装备 ,得到空军专利的雪特征仪 ( Gibbons 等) ; 高分辨雨和雪下降率计 ( Plank 和 Berthel) ;Loransondes 一种探空仪 ,它提供详细的风探测资料 。 从卫星下来的 35 GHz 信号当穿过冰和雪区时只经历极小的衰减 ,然而当它穿过融化 层的湿雪区 ,因为降水粒子折射指数的变化 ,衰减明显地增加 ,雪粒融化 ,它们突然变成雨 滴 ,其下降比雪更快些 ,这些在图 3 的曲线 4 已有所示 ,表明总的液态含水量从融化层的 峰值 减 少 下 来 。 根 据 从 通 信 卫
14、 星L ES28 上 3 8 GHz 信 号 , 在 某 些 阵 雨 期 间 , 衰 减 超 过15 dB ,而轻的连续性降雨 ,信号衰减 5 dB 。考虑到林肯实验室的雷达天线为接收抛物面 天线覆盖 ,还损失 12 dB 。图 3 典型的春天 、 无对流东海岸风暴系统垂直廓线 Fig. 3 Vertical profiles of (1) the raw radar data and the derived quentaties (2) radar reflectivity , (3) precipitation rate , and (4) ice/ liquid water conten
15、t value from a typical spring time ,ron2convective magor east coast storm system.90 年代以来 ,科学家们对融化问题仍楔而不舍地进行执着的研究 , Pault Willis 和 JohnHallett 12 利用 NOAA P23 标准仪器配套组元 ,对东太平洋 1991 年 9 月 24 日 J imena 飓风 ,刚 好飓风眼外围呈层状降水的区域内 ,邻近融化层的微物理特征和电场结构进行考查 ,一架飞机以直径大约十公里作螺旋形平移方式下降 ,且与水平风一起移动 ,尽量跟 ( - 5 + 10 ) 的融化层占主
16、导粒子轨迹相固定并测量 。水成物分布用粒子测量系统 ( PMS) 成 象云探头 (2D2C) 和降水探头 ( 2D2P) 来测量 。云滴分布用 PMS 前向散射光谱仪 FSSP 测量 ,云中含水量用 Johnson2Williams 热线仪测量 ,一台 5 cm 雷达安装在机身下面 ,以 PPI 方 式扫描 ;另一台 3 cm 雷达安装在机尾作 RHI 扫描 ,电场的垂直分量 ( Ez) 和水平分量 ( Ey) , 正常飞行轨迹时是靠放在飞机中部的两台成对薄片活门式电场仪来估测 。观测分析表 明 ,呈层状性降水融化层的微物理特征类似于人们在热带和中纬度所观测到的其他中尺 度系统 。这些特征也适合于冰 冰起电机制 ,大的聚集冰和小的聚集冰之间末速度的差 与大粒子的增加流量联在一起超出这层从而大聚集冰从这层
