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云的辐射特性和催化扩散的研究

朱冰  
【摘要】:对于人工影响天气业务和科学试验,催化剂入云后的扩散范围和时空演变规律与播云作业设计和催化效果直接相关,因此,了解催化剂的扩散规律和时空分布,识别播云后云物理响应非常重要。本研究一方面通过建立扩散计算方案,给出不同播撒方式的扩散范围及规律,同时研究了云中冰云和水云辐射特性的差异,为进一步利用卫星遥感识别催化扩散范围,打下基础。两部分的主要工作和结论分别为: 播云催化扩散规律研究:本文根据催化剂在云中扩散计算的解析解,通过点源、线源、移动点源计算,研究了高炮、火箭和飞机等催化剂播撒的扩散规律,并利用2000年3月14日NOAA卫星捕获的陕西境内的一次飞机播云作业检验了计算方案,在此基础上,研究探讨了不同情况下催化有效区域和充分播撒航线设计等问题。主要结论有:单个高炮作业,达到有效催化浓度的范围约只有0.5km,5个高炮以较小间隔,如300m,同时作业,则可在1.5km范围内维持有效催化达3分钟,提高炮弹的成核率对作业效果会有很大改善;火箭和飞机作业作为线源催化,扩散1小时达到有效阈值的宽度约各为7km和6.6km,依此作为多线播撒作业飞行间距设计的依据,可保证目标区域内催化浓度较高、范围较大;据单点移动播撒的结果分析得出,使催化目标区在平流下得到充分播撒的最佳飞行播撒航线设计是“8”字形飞行路线;初步研发的催化扩散计算软件系统,可计算大气风场作用下飞机播撒区的移动扩散,为效果分析和作业设计提供了依据和条件。 冰云和水云辐射特性研究:通过对水云、冰云单个粒子、单位体积及整层云的辐射特性的研究,研究了冰云和水云辐射特性的差异,从微观角度研究了催化播云后云沟形成的原理。同时研究了冰云和水云在卫星观测波段0.4~16μm辐射值和反射率随波长的变化,及1.6μm通道和1.3μm通道分别对水云和冰云的有效粒子半径和光学厚度的敏感性试验。主要结论有:对于单个的球形粒子,因为水云粒子和冰云粒子折射率的不同,水云和冰云的消光效率、单次散射反照率、不对称因子三个散射参量差异较大,不同形状的冰晶粒子的散射特性与球形冰晶相比差异更大。单位体积的冰晶粒子和水云粒子散射特性经过积分的平滑作用,差异减小。整层的水云和冰云的辐射值和反射率随着波长变化的差异不是特别明显,因为在整层云中经过多次散射的平滑作用,冰云和水云的辐射场特征值并不十分明显。敏感型实验发现1.6μm通道水云和冰云变化趋势相反,1.3μm通道水云和冰云变化趋势相同。


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