195 / 2026-03-03 10:33:07

云凝结核(CCN)数浓度影响冰雹的关键垂直层与时间点及其微物理机制研究

冰雹,云凝结核,微物理

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.14 人工影响天气

     人工消雹是全球持续面临的科学挑战。通过引入云凝结核（CCN）来竞争过冷水、影响雹胚微物理过程，为人工防雹提供了新的潜在途径。然而，CCN效应的发挥高度依赖于其引入的时间和空间（垂直高度）。本研究基于高分辨率理想化雹暴数值模拟，通过包含上百个成员的集合试验，系统探究了从对流初始至冰雹形成不同阶段、在不同垂直层次、以不同浓度引入CCN对冰雹降水的抑制效果。研究首次揭示了抑制冰雹的“关键垂直区”随对流发展而动态演变的规律：在对流初始阶段（0-5分钟），关键区位于边界层顶附近的750-800 hPa；在云雨形成阶段（10-15分钟），关键区抬升至700-750 hPa及500-700 hPa（0°C层附近）；而在冰雹已然形成的阶段（20分钟），关键区稳定在500-700 hPa。在对应时刻的关键区内引入高浓度CCN，可实现最高超过99%的防雹效率，将冰雹降水率抑制至对照组的9%-45%。微物理过程分析表明，关键区的作用在于其产生的小云滴能够被上升气流携带，快速穿越冰雹增长的关键微物理过程区，从而最大限度地抑制冰雹收集雨水（ACR）和霰转化为冰雹（CNG）这两个主要增长过程。CCN浓度存在一个最优阈值，过低则促进暖雨过程反而增雹，过高则因云滴过小且上升过快，虽能抑制ACR过程，但也可能通过改变动力场产生复杂反馈。本研究明确了基于CCN的人工防雹作业存在显著的“时空窗口”效应，为发展“精准化”的人工防雹概念模型与作业方案提供了关键的理论依据和数值模拟支撑。