含AgI焰剂成冰特性的实验研究

论文摘要

开展催化剂的成冰核率和成冰核化特性的实验研究,是科学认识和指导人工影响天气外场实验和作业的基础。本文对目前我国使用的AgI催化剂进行实验研究,对CAMS1m3等温云室实验参数进行检测,探讨了利用该云室开展人工冰核静态检测方法和程序,开展了AgI配方成冰核率检测及对比,进行焰剂成冰阈温测定,分析了焰剂粒子谱特征和化学组成,借用化学动力法研究了成冰速率,讨论了冰核微物理特性。论文主要研究内容和结论包括:（1）CAMS1m3等温云室是中国气象科学研究院新建实验装备,将发展成为我国人工冰核检测的标准设备。探索了CAMS1m3等温云室的实验性能及开展检测的具体方法和步骤。参数测定和实验结果表明,该云室的温度等实验特性明显优于国内外同类云室,利用该云室进行催化剂成冰核率的静态检测是可行的,其结果是科学的、可重复的,具有可比较性的。规范并建立检测的实验方法和程序。（2）利用1m3等温云室进行AgI焰剂成冰核率的静态检测。结果发现,不同配方成冰核率随温度变化特征不相同,并尝试分析了焰剂配方组分与成冰核率的关系。发现添加CuI成分使焰剂成冰核率在较高温度增加,更利于催化较暖的云;添加Mg、Al、CuCl2成分改善焰剂燃烧特性后,会使催化剂的成冰效率发生改变。焰剂组分相同,含量变化亦会使成冰效率不同。与俄罗斯节银剂配方相比,我国AgI焰剂成冰核率已经达到其水平。（3）研制人工冰核气溶胶静电沉降取样器（ASS1）。研究了焰剂的颗粒尺度分布和形态学特征,以及主要成分和形态结构特点。实验结果表明,不同配方焰剂燃烧产生的颗粒谱分布特征有明显差异,所取的5种焰剂的颗粒平均谱分布,其直径在0.02～0.50μm之间的粒子数占98.96%,即产生粒子绝大部分都可直接参与云内成冰核化过程,但其谱宽、峰值直径,分布特征都不相同。透射电镜结果表明焰剂颗粒的主要组成是KCl,有一定晶体结构,其表面附着AgI小颗粒,该结构特征可能更有利于焰剂颗粒的成冰核化。利用CAMS1m3等温冷云室对焰剂阈温对比实验表明,7种样品的成冰阈温在-3.5～-4.4℃范围内,不同焰剂配方的阈温不同,最大相差1℃。焰剂成冰核化速率主要由颗粒的大小（均立方根直径）决定,同时受到谱宽、主峰位置等分布特征量影响,改进配方时应综合考虑以上因素。同时,由于在高于-4.4℃时,颗粒接触过冷水滴缺失活性,即含AgI焰剂不适于云中较暖区的催化。（4）利用检测实验冰晶活化的时间特征等资料开展冰核的核化速率研究。对于同一样品,相同实验条件下,不同温度动态图特征明显不同,即温度是冰核成冰机制的主要决定因素。对应低于-16℃,形成冰晶对应快过程,主要表现凝结核化、凝华核化;而对于较高温度（≥-12℃）时形成冰晶主要是慢过程（接触核化、浸入核化机制）在起作用。实验结果表明,不同样品的核化速率是不同的,同一样品在不同温度时亦表现不同的核化速率特征。（5）开展冰晶增长的物理特性研究。不同温度时,不同焰剂配方在一定条件下（如水面欠饱和冰面过饱和）凝华核化特性的研究,单冰晶增长过程研究等。实验表明,冰核如果只凭凝华增长机制,其活化长大的冰晶形状较普通检测更加简单,且形成的冰晶多为平板状,有薄、透明、晶形明显的特点。形成冰晶的速率减慢,冰晶尺度较小,相应成冰核率也会减小。单冰晶增长实验可以看出,枝状冰晶增长明显比板状要快很多,冰晶增长特性与温度和形状关系密切,二者比较,形状对冰晶增长速率的起决定作用。受到环境因素影响,冰晶增长是非各方向均匀发展的,会有一定取向特点,增长表现轴对称特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的引出
• 1.2 含AGI人工冰核的成冰理论
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 本领域国内外研究进展
• 1.4.1 国外研究进展
• 1.4.2 国内研究最新进展
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本文拟解决的问题
• 1.7 论文的特色和创新点
• 参考文献
• 第二章 实验的装备及实验方法
• 2.1 人工冰核的云室检测
• 3云室的结构'>2.1.1 CAMS 1m³云室的结构
• 2.1.2 云室的温度控制
• 2.1.3 参数测量
• 2.1.4 实验方法
• 2.2 超声雾发生系统
• 2.3 静电沉降取样器
• 2.4 环境场扫描电子显微镜
• 2.5 场发射透射电镜
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 含AGI焰剂静态检测分析
• 3.1 成冰核率的检测方法
• 3.1.1 便携式小云室
• 3等温云室系统'>3.1.2 CAMS 2m³等温云室系统
• 3中型综合云室'>3.1.3 CAMS96m³中型综合云室
• 3.2 人工冰核的检测标准问题
• 3.3 不同配方AGI焰剂成冰核率的检测对比
• 3.3.1 实验样品的制备
• 3.3.2 实验技术
• 3.4 实验结果
• 3.4.1 不同配方在云室中静态检测结果
• 3.4.2 1号样品与国外检测结果的对比
• 3.4.3 样品-10℃时的成冰核率比较分析
• 3.4.4 同温度下相同焰剂的成冰核率检测结果对比
• 3.4.5 样品储存对成冰核率的影响
• 3.5 结论与讨论
• 参考文献
• 第四章 人工冰核的核化速率实验
• 4.1 核化速率
• 4.2 实验方法
• 4.3 焰剂的动力图分析
• 4.3.1 同一样品的不同温度动力图分析
• 4.3.2 相同温度的动态图分析
• 4.3.3 不同温度的速率分析
• 4.4 相同温度下不同焰剂核化冰晶的动力图比较
• 4.5 结论与讨论
• 参考文献
• 第五章 含AGI粒子的电镜分析
• 5.1 实验方法和仪器
• 5.1.1 实验焰剂的制备
• 5.1.2 实验使用的仪器和设备
• 5.1.3 电子显微镜样品制作和观测
• 5.2 电镜观测结果
• 5.3 粒径和核化率的分析
• 5.4 样品的形态学特征
• 5.5 结论和讨论
• 参考文献
• 第六章 含AGI冰核的微物理特性
• 6.1 人工冰核的凝华增长
• 6.1.1 实验方法
• 6.1.2 冰晶出现时间
• 6.1.3 凝华增长的形态特征
• 6.2 冰核气溶胶的衰减特性
• 6.2.1 实验方法
• 6.2.2 衰减时间与焰剂粒子尺度
• 6.3 单冰晶冷台增长特性
• 6.3.1 单冰晶在取样冷台上的增长速率
• 6.3.2 冰晶增长形态特征
• 6.4 冰晶形状与温度的关系
• 6.4.1 冰晶形状特征
• 6.4.2 与中型云室结果比较
• 6.5 结论与讨论
• 参考文献
• 第七章 结论与讨论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和完成的论文