吸濕性播撒對暖性對流云減雨影響的數(shù)值模擬

劉 佩 銀 燕* 陳 倩 樓小鳳

1)(南京信息工程大學氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放試驗室， 南京 210044) 2)(中國氣象科學研究院/中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室， 北京 100081)

利用以色列特拉維夫大學二維面對稱分檔云模式(two-dimensional slab-symmetric detailed spectral bin microphysical model of Tel Aviv University)，對2016年9月4日16：00(北京時)前后我國華東地區(qū)的一次暖性淺對流云降水過程進行模擬，模式模擬的強回波中心高度和最大回波強度范圍與觀測基本一致。并在此基礎(chǔ)上進行了小于1 μm的吸濕性核的播撒減雨試驗，分別考慮了不同播撒時間、不同播撒高度以及不同播撒劑量的敏感性測試。結(jié)果表明：在云的發(fā)展階段早期播撒能起到更好的減雨效果，播撒時間越早對大粒子生長過程的抑制作用越強，隨著播撒時間向后推移，受抑制作用最顯著的粒徑段向小粒徑端偏移；在云中心過飽和度大的區(qū)域下方進行播撒，減雨效果更加明顯，當播撒劑量為350 cm-3時，地面累積降水量減少率可達23.3%；另外，隨著播撒劑量的增加，減雨效果更加顯著，甚至能達到消雨的效果。因此，在暖性淺對流云中合理地播撒小于1 μm的吸濕性核能達到較好的減雨或消雨效果。

引 言

人工影響天氣是指通過人為干預(yù)使天氣現(xiàn)象向人們期望的方向發(fā)展[1-2]，如人工增雨[3]、人工防雹、人工消云、人工消霧等作業(yè)[4]。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，進行各種大型重要活動的頻率也越來越高，為了保障活動順利進行，活動期間人工減雨消雨的技術(shù)需求也越來越迫切，如2008年北京夏季奧林匹克運動會、2014年南京青年奧林匹克運動會等大型活動期間均進行了人工影響天氣作業(yè)[5-6]。

人工影響天氣科學研究方法主要包括外場試驗和數(shù)值模擬。外場試驗難以通過觀測定量描述播撒作業(yè)對云和降水的影響[7]，且由于自然云無法再現(xiàn)，因此，云特征的自然變化和人為影響也難以客觀區(qū)分。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為人工影響天氣研究的重要工具[8-9]，它能夠彌補外場試驗的以上不足。通過數(shù)值模擬可以將模擬的自然云與播撒后的云及降水進行定量對比，從而更科學地研究播撒作業(yè)對云宏微觀特性的影響。

使用高濃度吸濕性云凝結(jié)核(cloud condensation nuclei,簡稱CCN)粒子群催化劑對較弱的對流云系進行作業(yè), 能夠抑制對流云團的發(fā)展, 削弱雷達回波強度, 起到人工影響天氣的作用[10-11]。CCN數(shù)濃度的增加，會造成云內(nèi)的液滴數(shù)濃度增加，進而使液滴的水汽凝結(jié)增長減弱，使液滴譜變窄，由此導致碰并過程啟動高度抬升，暖雨過程延緩，最終使累積降水量降低[12-18]。楊宗甄等[19]模擬了三江源地區(qū)對流云及其降水的發(fā)展以及吸濕劑的催化效果，發(fā)現(xiàn)對增雨起決定作用的是粗粒子，細粒子起到減雨作用。Cooper等[20]研究發(fā)現(xiàn)播撒平均直徑為0.3 μm 的吸濕性核無法使降水增加，在一些試驗中對降水的形成有一定抑制作用。Yin等[21]通過模擬南非對流云的催化試驗，發(fā)現(xiàn)對增雨最有效的是大于1 μm的吸濕性核，特別是大于10 μm的核，而播撒小于1 μm的吸濕性核對云的發(fā)展和降水有一定抑制作用，可以起到一定減雨效果。播撒方式、播撒時間、位置以及催化劑濃度的不同對播撒結(jié)果有重要影響[22-35]。

雖然前人對人工減雨的研究已基本確定播撒小于1 μm的吸濕性核能使對流云降水受到抑制，但如何更有效地播撒使減雨消雨效果達到最佳，仍是人工減雨研究的一個難點。目前對播撒小粒徑吸濕性核的深入研究報道還較少，特別是關(guān)于使用不同方式播撒小粒徑吸濕性核的影響。因此，本文將對此進行研究，進行不同時間、不同高度播撒以及播撒不同劑量小于1 μm吸濕性核的敏感性試驗，并對結(jié)果進行分析，期望為人工影響天氣作業(yè)提供理論參考。

1 模式簡介、初始化及試驗設(shè)計

1.1 模式簡介

本研究采用以色列特拉維夫大學的二維面對稱非靜力分檔對流云模式[36]。動力系統(tǒng)方程描述了均勻下邊界條件下對流云的形成和演變過程。模式中水平及垂直風場由渦度方程和流函數(shù)計算得到，同時考慮風場、垂直位溫擾動、比濕擾動、CCN數(shù)濃度、水成物的比濃度及比質(zhì)量的動力學過程，其預(yù)報方程及動力學詳細過程可參見Reisin等[27]及Yin等[36]。模式的水成物包含水滴、冰晶、霰和雪花4種，所有水成物粒子均分為34檔，水成物質(zhì)量第2檔為第1檔的2倍，依次類推。液相和冰相粒子的第1檔及最后1檔的質(zhì)量分別為 1.598×10-14kg和1.7468×10-4kg，對應(yīng)水成物粒子的直徑分別為3.125 μm和8064 μm。CCN譜分為67檔，最小半徑為4.1×10-3μm。模式液相微物理過程包括液滴核化、凝結(jié)和蒸發(fā)、碰并以及破碎過程。冰相過程包括冰晶核化(凝華、凝結(jié)凍結(jié)、接觸核化和浸潤凍結(jié))、冰晶繁生、冰粒子的沉降和升華、冰相-冰相和冰相-液滴相互作用等。為了更好地模擬吸濕性核的催化過程，模式中引入一個獨立的催化粒子譜，同時加入了計算催化粒子濃度的預(yù)報方程，使模式不僅考慮自然CCN的活化，而且考慮人工施放CCN的活化，它們在相同的環(huán)境中爭食水汽。其中自然CCN的化學成分為(NH4)2SO4，人工CCN的成分為KCl。根據(jù)寇拉方程，對于相同尺度的鹽粒子，化學成分為KCl的可溶性鹽粒子的臨界過飽和度比(NH4)2SO4的低，更容易活化[37]，因此，模式中體現(xiàn)了相同條件下加入的不同吸濕性核優(yōu)先活化的現(xiàn)象，能夠更好地模擬吸濕性播撒催化的過程。模式水平和垂直格距均為300 m，模擬區(qū)域水平范圍為30 km，垂直高度為12 km。除了凝結(jié)/蒸發(fā)過程采用2.5 s時步，其他過程時步均為5 s。模式積分時間為65 min。模式初始場采用探空數(shù)據(jù)，包括溫度和相對濕度的垂直廓線以及溫度隨高度的遞減率。初始對流采用熱泡擾動方式激發(fā)，水平擾動中心位于模擬區(qū)域中央，高度為0.3 km，中心最大溫度偏差取4℃。

1.2 模式初始化

研究個例選取2016年9月4日16:00(北京時，下同)前后浙江省杭州的一次暖性淺對流云引起的陣雨過程，降水量約為6 mm，持續(xù)時間約為10 min[38]。采用2016年9月飛機在杭州上空及附近觀測的氣溶膠粒子譜數(shù)據(jù)作為背景氣溶膠，取距離地面高度100 m以內(nèi)的氣溶膠粒子觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)(式(1))[21]進行擬合得到的粒子譜作為初始地面氣溶膠譜分布輸入模式，具體參數(shù)見表1。由于機載氣溶膠粒子探頭探測的小粒徑段(小于0.1 μm)范圍較小，即小于0.1 μm粒徑段數(shù)據(jù)可能大量缺失，所以僅使用積聚模態(tài)和粗模態(tài)兩個模態(tài)進行擬合(以1 μm為界限)?？紤]氣溶膠為外混合狀態(tài)，積聚模態(tài)的粒子中可溶性的氣溶膠粒子數(shù)(即可充當CCN粒子數(shù))占20%[36]。另外，由于杭州局地排放的氣溶膠中，粗粒子中不可溶粒子如揚塵、建筑水泥塵、冶金塵的貢獻率相對于細粒子增大，而可吸濕性氣溶膠如硫酸鹽、硝酸鹽等貢獻率相對于細粒子有所降低[39-40]。因此，考慮到粗粒子中可溶性比例大大降低，本文中粗模態(tài)可溶性占比取5%。模式中氣溶膠濃度隨高度呈e指數(shù)遞減(氣溶膠標高為2.5 km)[41]。

(1)

式(1)中，rn，ni，Ri和σi分別指氣溶膠的半徑、每個模態(tài)的總數(shù)濃度、幾何平均半徑和幾何標準差；i指模態(tài)；自然譜中，I=2；播撒譜中，I=3。

表1 自然與播撒的云凝結(jié)核譜參數(shù)Table 1 Natural and seeded cloud condensation nuclei spectra parameters

模擬初始時刻的溫濕廓線(圖略)參考杭州站(58457)2016年9月4日14:00的探空數(shù)據(jù)得到，地面氣壓大約為1000 hPa，抬升凝結(jié)高度在850 hPa附近(約1.5 km)，零度層高度在600 hPa左右(約4.5 km)。另外，根據(jù)探空數(shù)據(jù)給出的風場，可以看出環(huán)境風以東西方向為主(圖略)，因此，將風的大小投影到東西方向作為初始環(huán)境風場輸入到模式中。

1.3 試驗設(shè)計

為了探討使減雨效果達到最佳的播撒方案，本文為自然云模擬試驗(記為C0)設(shè)計了3組播撒試驗，分別是關(guān)于播撒時間、播撒高度以及播撒劑量的敏感性試驗。首先在云發(fā)展的不同階段進行敏感性試驗(C1～C4)，確定減雨效果最佳播撒時間；然后在前一組試驗的基礎(chǔ)上，選取播撒效果最好的時間進行不同高度播撒的敏感性試驗(C5～C6)，確定減雨效果最佳高度；最后，再在前兩組試驗的基礎(chǔ)上，在減雨效果最佳時間和高度上進行不同劑量播撒的敏感性試驗(C7～C9)。

本文模擬中所采用的播撒譜參考Yin等[21]使用的播撒譜參數(shù)計算得到，其與實際作業(yè)中吸濕性焰劑燃燒形成的譜接近(與陳躍私人通信)，參數(shù)見表1。由于以往的研究發(fā)現(xiàn)小于1 μm的核對減雨才有一定的作用，且吸濕性焰劑燃燒主要生成1 μm以下的核[42]，因此，試驗中僅取其中小于1 μm部分。根據(jù)每次播撒約2 kg吸濕性催化劑[21]計算得到播撒總數(shù)濃度約為350 cm-3。在云的水平中心部位進行播撒，每次播撒只在一個高度層，播撒的水平范圍設(shè)定為900 m(3個格點播撒控制范圍)。由于研究采用二維模式，即只獲得云和降水在水平方向和垂直方向上的特征，假設(shè)每個格點在垂直于此二維平面的方向上控制范圍為300 m。因此，在進行播撒試驗時，可以認為播撒的空間為900 m×300 m×300 m的長方體。每次播撒350 cm-3的吸濕性核，每60 s播撒1次，每次播撒按照動力過程的時間步長(5 s)完成，播撒在模式積分的5 min內(nèi)完成，即共播撒5次。表2給出了敏感性試驗的設(shè)置參數(shù)。

首先，分別對云發(fā)展階段的不同時間段進行敏感性試驗，由于通常云底具有較強的上升氣流，能將此處播撒的粒子帶到云中參與活化過程，形成小云滴而影響云的發(fā)展以及微物理過程，因此，首次播撒高度選擇在云底附近。其次，確定減雨效果最佳時間段后，只改變播撒高度，以確定減雨效果最佳的高度，選擇云中下方位置和云頂作為另外兩個高度。最后，確定減雨效果最佳高度之后，只改變播撒劑量(播撒譜型參數(shù)不變，只改變總數(shù)濃度，即表1中播撒譜的Ri和lgσi保持不變，只改變ni)進行敏感性試驗，研究增加播撒劑量后對云的發(fā)展以及微物理過程引起的變化，將播撒劑量逐次增加為原來的5倍(1750 cm-3)、10倍(3500 cm-3)以及20倍(7000 cm-3)，該倍數(shù)參考了封彩云等[28]進行的不同數(shù)濃度吸濕性粒子的播撒試驗。本文的播撒試驗相當于飛機沿水平方向飛行，只需要向垂直于模式二維平面的方向上兩側(cè)擴散150 m。金華等[42]對使用同型號焰劑播撒后吸濕性核數(shù)濃度探測的結(jié)果顯示，距離播撒源10 m時，播撒核數(shù)濃度可達約30000 cm-3；在距離播撒源2000 m以外，數(shù)濃度可達約2000 cm-3。因此，可以認為150 m以內(nèi)播撒核的數(shù)濃度可以達到7000 cm-3，即認為本文試驗使用的播撒濃度在實際作業(yè)中可以實現(xiàn)。

表2 播撒試驗參數(shù)及結(jié)果對比Table 2 Parameters and results of sensitive experiments

2 自然云的模擬

圖1給出了回波強度剖面在發(fā)展階段、最強時刻以及消散階段觀測與模擬結(jié)果對比。其中，2016年9月4日16:00為觀測回波最強時刻，而模式積分第39分鐘為模擬回波最強時刻。對比圖1a和圖1d可以發(fā)現(xiàn)，觀測和模擬的大于25 dBZ的回波到達的高度均在3.5 km附近，其最大值范圍為35～40 dBZ，高度可達3 km左右，水平范圍約為1 km，且中心高度均約為2 km；對比圖1b和圖1e可以發(fā)現(xiàn)，觀測和模擬的大于35 dBZ的回波到達的高度均在3.8 km附近，其中大于45 dBZ的回波高度可達3 km，且均未及地，最大雷達回波強度范圍均為50～55 dBZ，且回波中心均在2 km高度處；對比圖1c和圖1f可以發(fā)現(xiàn)，此時觀測與模擬的雷達回波強度均已明顯減弱，大于15 dBZ的回波到達的高度均在3 km附近，最大值范圍均為20～30 dBZ。因此，可以認為模式模擬結(jié)果基本重現(xiàn)了此次自然云過程。另外，由圖1e可以看到，零度層位于4.6 km附近。因此，本次模擬的淺對流為暖性淺對流。

圖2a給出了模擬云核心區(qū)各高度液水混合比最大值(由于云體水平中心在環(huán)境風作用下向水平距離更大方向移動，移動距離最大約1 km，因此，全文云體核心區(qū)域變量各高度的最大值均取于水平中心位置到距離更大方向1.2 km范圍內(nèi))隨時間變化，可以發(fā)現(xiàn)云在模式積分11 min后開始形成；積分第34分鐘時在3 km高度處液水混合比達到發(fā)展階段的最大值(3.55 g/kg，圖中白色圓點位置)，第35分鐘時開始產(chǎn)生降水，云底高度在1.3 km 附近，該高度也與初始探空曲線大致觀察到的云底高度接近，云頂高度約為4.2 km。圖2b給出了地面平均降水強度(全文地面平均降水強度均為模擬區(qū)域水平中心12 km范圍內(nèi))隨時間變化，可以看到，模式積分到第35分鐘前后開始產(chǎn)生降水，此外，第44分鐘前后降水強度達到最大，為5.75 mm·h-1，第60分鐘以后地面降水基本停止。

圖2 云核心區(qū)各高度液水混合比最大值(白色圓點處為云發(fā)展階段最大液水混合比所在位置)(a)和地面平均降水強度(b)Fig.2 The maximum liquid-water mixing ratio at each height in the core area of the cloud(the white point is the location of the maximum liquid-water mixing ratio in the cloud development stage)(a) and the average ground rainfall rate(b)

3 試驗結(jié)果

3.1 不同播撒試驗中降水減少情況

試驗中播撒小粒徑吸濕性核抑制降水的原理是播撒的吸濕性核活化后，云滴數(shù)濃度增加，由于云中水汽一定，則云滴的有效半徑減小，且形成的小云滴凝結(jié)生長的同時會與自然CCN活化的云滴爭食過飽和水汽，從而抑制云滴的生長，延緩云雨轉(zhuǎn)換過程，抑制大云滴、雨滴的碰并增長過程，進而抑制降水產(chǎn)生。

表2給出了不同播撒時間、高度、劑量的3組敏感性試驗的播撒結(jié)果，其中試驗C1～C4是關(guān)于播撒時間的敏感性試驗，可以發(fā)現(xiàn)，試驗C1的減雨效果最佳，即在云的發(fā)展初期越早，播撒減雨效果越好。模式積分第13—17分鐘播撒(云體明顯出現(xiàn)后的第2—6分鐘)減雨效果最佳，地面累積降水量的減小率可達15.7%，同時，雨強峰值出現(xiàn)時間也略有推遲。試驗C5～C6是基于試驗C1改變播撒高度進行的敏感性試驗，選取云內(nèi)中下部(高度1.8 km，試驗C5)和云頂(高度2.4 km，試驗C6)分別進行播撒。與試驗C1結(jié)果進行比較可以發(fā)現(xiàn)，試驗C5的減雨量最多，地面累積降水量的減小率達到了23.3%，雨強峰值出現(xiàn)時間同樣比自然云有所推遲，說明播撒小于1 μm吸濕性核抑制降水量的同時也抑制了降水發(fā)展速度，而試驗C6中在云頂播撒時地面累積降水量的減小率較小。試驗C7～C9為在C5基礎(chǔ)上進行的不同播撒劑量的敏感性試驗。隨著播撒劑量的增加，地面累積降水量的減少率也在大幅度增加，當播撒劑量增加為1750 cm-3時，地面累積降水量的減小率已超過50%，達71.0%；當播撒劑量增加到7000 cm-3時，地面累積降水量減少率已達99.0%，幾乎達到了消雨效果。

3.2 不同播撒時間對云微物理特性的影響

圖3a給出了不同播撒時間試驗引起的地面平均降水強度隨時間變化，由于這組試驗的播撒結(jié)果較接近，因此，只選試驗C1和C3分別代表播撒時間較早和較晚的試驗結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，兩方案播撒后的地面平均降水強度均比自然云偏小，自然云中地面平均降水強度最大值為5.75 mm·h-1，其在模式積分第21—25分鐘播撒時降為5.17 mm·h-1，而在第13—17分鐘播撒時則降為4.84 mm·h-1，且峰值出現(xiàn)時間相對于自然云向右有所偏移，說明越早進行播撒對降水的抑制作用越強。

圖3b給出了不同播撒時間的所有試驗在自然云發(fā)展階段最大液水混合比所在格點(模式積分第34分鐘，水平15.6 km，高度3 km，即圖2a白色圓點位置)的液滴質(zhì)量譜分布。可以發(fā)現(xiàn)，在越早的時間段播撒，大粒子端液滴質(zhì)量濃度的降低作用越明顯。隨著播撒時間的延后，抑制作用最明顯的粒徑段向小粒徑方向移動。根據(jù)播撒小粒徑吸濕性核抑制降水原理，播撒的吸濕性核活化形成的云滴會抑制液滴在自然氣溶膠粒子上的形成。越早進行播撒，這種抑制作用就能越早地發(fā)揮，及時抑制自然云粒子的生長；而越晚進行播撒，自然發(fā)展的云中已經(jīng)有大量較大云粒子形成，因此，小粒徑吸濕性核形成的小云滴可能已經(jīng)很難抑制到自然云中形成的液滴的生長以及碰并收集過程，因此，對最大粒徑段的抑制作用逐漸減弱，受抑制作用最強的粒徑段逐漸向小粒徑方向移動。

圖3 不同播撒時間地面平均降水強度(a)和自然云發(fā)展階段最大液水混合比所在格點(圖2a白色圓點位置)液滴質(zhì)量譜分布(b)Fig.3 The average ground rainfall rate(a) and the droplet mass spectra of grid where liquid-water mixing ratio of natural cloud during development stage is maximum(position of white dot in Fig.2a)(b) in sensitive experiments of different seeding time

3.3 不同播撒高度對減雨及云微物理特性的影響

圖4a給出了不同高度播撒時地面平均降水強度隨時間變化，可以發(fā)現(xiàn)，在1.8 km即云中下部播撒的減雨效果最好，地面平均降水強度最大值從自然云的5.75 mm·h-1減小到4.50 mm·h-1；在1.5 km 高度即云底高度處播撒的減雨效果次之，地面平均降水強度最大值減小到4.84 mm·h-1；而在2.4 km即云頂高度處播撒的減雨效果最弱，地面平均降水強度最大值只有少許降低，為5.51 mm·h-1。圖5a和5b分別給出了不同高度播撒時云核心區(qū)云滴最大數(shù)濃度和質(zhì)量濃度隨時間變化，由圖5a可以發(fā)現(xiàn)，在播撒期間云滴最大數(shù)濃度明顯增加，在1.8 km高度播撒時增加最多，其最大值由原來的610 cm-3迅速增加到1517 cm-3；在1.5 km高度播撒時最大數(shù)濃度也相對快速增加，其最大值達到840 cm-3；而在2.4 km高度播撒時僅增加到697 cm-3。這說明在1.8 km高度播撒時吸濕性核的活化率最高，1.5 km高度試驗次之，2.4 km 高度試驗最低。

圖4 不同高度播撒時地面平均降水強度(a)和云核心區(qū)液滴最大碰并收集率(b)Fig.4 The average ground rainfall rate(a) and the maximum collision and collection rate of droplets in the core area of cloud(b) in sensitive experiments of different seeding height

圖6給出了播撒時(模式積分第14分鐘)的風場、相對濕度為100%的等值線以及云水混合比為0.01 g·kg-1的等值線形成的云區(qū)邊界線?？梢钥吹剑?.8 km恰好是相對濕度為100%即飽和區(qū)的下邊界高度，因此，在該高度處播撒的吸濕性核很容易隨上升氣流迅速進入過飽和區(qū)，并快速活化成大量云滴。在云底進行播撒時，由于過飽和度較低導致吸濕性核活化效率低，且在風場作用下，在播撒的水平范圍(900 m)內(nèi)，能進入過飽和區(qū)域的播撒核大量減少。因此，該播撒試驗的吸濕性核活化率小于在1.8 km高度播撒的試驗。在云頂進行播撒時，同樣由于過飽和度低導致吸濕性核活化率低，且播撒時云頂風場，不利于播撒核的儲存，在云頂向上繼續(xù)發(fā)展的過程中，播撒核會有相當一部分流出云體，這些條件均不利于播撒核的活化，因此，在云頂播撒的吸濕性核活化率最低。由圖5b可以發(fā)現(xiàn)，在不同高度進行播撒時，在播撒期間(模式積分第13—17分鐘)云滴最大質(zhì)量濃度基本不變，這是因為云中水汽基本一定。由于云滴質(zhì)量濃度基本不變，所以數(shù)濃度增加越多，粒子的尺度越小。

圖5c和圖5d分別給出了不同高度播撒的試驗中播撒結(jié)束后云體水平中心平均(底部到頂部播撒高度范圍內(nèi)，即水平15 km，高度1.5～2.4 km范圍內(nèi))云滴數(shù)濃度譜與質(zhì)量譜分布情況。可以發(fā)現(xiàn)，播撒后粒徑較小的云滴數(shù)濃度與質(zhì)量濃度均有所增加，粒徑較大的云滴數(shù)濃度和質(zhì)量濃度均有所減少，這是由于加入的吸濕性核活化后形成大量小云滴，抑制了云滴的生長，因此，粒徑大的云滴濃度相對降低。1.8 km高度處播撒時小粒子增加最明顯，1.5 km 高度次之，2.4 km高度最弱，質(zhì)量濃度最大值向小粒子端偏移程度也遵循此變化趨勢，這是因為活化率越高，生成的小云滴越多，則對大滴的抑制越強。因此，圖5c和5d中大粒徑的云滴數(shù)濃度和質(zhì)量濃度降低程度也遵循上述變化趨勢。

由不同高度播撒的試驗中自然云發(fā)展階段最大液水混合比所在格點(圖2a白色圓點位置)的液滴質(zhì)量譜分布，可以看到，在這3個高度處進行播撒，大粒子質(zhì)量濃度均有所降低，1.8 km高度播撒的試驗中大粒子質(zhì)量濃度最小，1.5 km高度次之，2.4 km 最高(圖略)。圖4b為不同高度播撒時云核心區(qū)最大碰并收集率隨時間變化，可以看到，1.8 km 高度處播撒后最大碰并收集率降低最多，1.5 km 高度次之，2.4 km高度變化最小，這說明活化的吸濕性核越多對碰并過程的抑制就越強，大粒子濃度也越低。因此，在1.8 km高度即云中過飽和區(qū)下方高度處播撒的減雨效果最好，在1.5 km高度即云底高度處播撒的減雨效果次之，在2.4 km高度即云頂高度處播撒的減雨效果最弱。

圖5 不同高度播撒試驗中云核心區(qū)云滴的最大數(shù)濃度與最大質(zhì)量濃度以及播撒結(jié)束后(模式積分第18分鐘)云體水平中心平均云滴數(shù)濃度譜與質(zhì)量譜分布(a)最大數(shù)濃度，(b)最大質(zhì)量濃度，(c)平均云滴數(shù)濃度譜，(d)平均云滴質(zhì)量譜Fig.5 The maximum number concentration and mass concentration of cloud droplets in the cloud core area with the average droplet number concentration and mass concentration spectra in the horizontal center of cloud after seeding(the 18th minute of simulation) in sensitive experiments of different seeding height(a)maximum number concentration,(b)maximum mass concentration,(c)average number concentration spectra,(d)average mass concentration spectra

圖6 模式積分第14分鐘時的風場、水面過飽和邊界(實線，相對濕度為100%)以及云的邊界(虛線，云水混合比大于0.01 g·kg-1格點認為是云區(qū))Fig.6 The wind field，vapor supersaturation boundary(the solid line,relative humidity is 100%) and cloud boundary(the dotted line,the grid of cloud water mixing ratio larger than 0.01 g·kg-1 is considered to be cloud area) at the 14th minute of simulation

3.4 不同播撒劑量對減雨及云微物理特性的影響

圖7a給出了播撒不同劑量的吸濕性核時地面平均降水強度隨時間變化?？梢钥吹?，隨著播撒劑量的增加，降水強度大幅度減弱，當播撒劑量增加至1750 cm-3時，地面平均降水強度最大值已減小到自然云的1/3左右，為1.95 mm·h-1；當播撒劑量增加到7000 cm-3時，地面的平均降水強度幾乎為0，此時已基本達到消雨的效果。

播撒不同劑量吸濕性核的試驗中播撒結(jié)束后在播撒高度對應(yīng)的云體水平中心(模式積分第18分鐘，水平15 km，高度1.8 km)云滴的數(shù)濃度譜與質(zhì)量譜隨播撒劑量的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為播撒劑量越大，粒徑較小的云滴濃度越多，大云滴濃度越小(圖略)。云滴數(shù)濃度譜和質(zhì)量譜均隨著播撒劑量的增加向小粒徑端偏移且峰值濃度增加，這與導致不同高度播撒后的譜分布原因類似，加入的吸濕性核越多，活化后生成的小云滴越多，則對大滴的抑制也越強。

圖8給出了播撒不同劑量吸濕性核的試驗中自然云發(fā)展階段最大液水混合比所在格點(圖2a白色圓點位置)的液滴質(zhì)量譜分布情況?？梢钥吹?，隨著播撒劑量的增加，大滴的質(zhì)量濃度迅速減小，當播撒劑量增加到7000 cm-3時已經(jīng)不存在100 μm以上的大滴，說明此時已經(jīng)基本為云滴，這是由播撒后活化的云滴對大滴的碰并增長抑制程度不同導致的。圖7b為播撒不同劑量吸濕性核的試驗中云核心區(qū)液滴最大碰并收集率隨時間變化，可以看到，播撒劑量越大，碰并收集效率越低。因此，隨著播撒劑量的增加，減雨效果也增強，甚至能達到消雨效果。

圖7 播撒不同劑量的吸濕性核時地面平均降水強度(a)和云核心區(qū)液滴最大碰并收集率(b)Fig.7 The average ground rainfall rate(a) and the maximum collision and collection rate of droplets in the core area of cloud(b) in sensitive experiments of different seeding amounts

圖8 播撒不同劑量吸濕性核的試驗中自然云發(fā)展階段最大液水混合比所在格點(圖2a白色圓點位置)的液滴質(zhì)量譜分布Fig.8 The droplet mass spectra of grid whereliquid-water mixing ratio of natural cloud during development stage is maximum(position of white dot in Fig.2a) in sensitive experiments of different seeding amounts

4 結(jié)論與討論

本文用以色列特拉維夫大學二維分檔對流云模式對2016年9月4日16：00前后浙江杭州的暖性淺對流云進行模擬，通過不同時間、不同高度、不同劑量播撒的敏感性試驗，得到了以下主要結(jié)論：

1) 在暖性淺對流云發(fā)展時期的早期播撒小于1 μm 的吸濕性核能起到更好的減雨效果，播撒時間越早對大粒子生長的抑制作用越強，隨著播撒時間的向后推移，受抑制作用最顯著的粒徑段向小粒徑方向偏移。

2) 在靠近云中心過飽和度大的區(qū)域下方高度播撒，由于該處播撒的大量吸濕性核能進入過飽和區(qū)活化，從而產(chǎn)生大量小云滴，抑制云水轉(zhuǎn)化以及碰并過程，使減雨效果更加明顯，播撒劑量為350 cm-3時，減雨量達到23.3%。

3) 隨著播撒劑量的增加，減雨效果更加顯著，甚至能達到消雨的效果。