关于冰晶雪花融化问题的研究_进展与展望.doc

 关于冰晶雪花融化问题的研究 Ξ ———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 进展与展望 分类号 P426. 63 1 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 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 Ξ 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 3～4 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 。Matsuo 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