水滴异质核化冻结理论的实验检验

水滴的异质核化冻结在云和降水的发展过程中有重要作用，是云物理研究的一个基础性课题。基于对水滴冻结的原因和过程的不同认识，提出过水滴异质核化的随机核化假说（Stochastic Hypothesis）和奇点核化假说(Singular Hypothesis)。但是，在水滴冻结核化过程中，这两种理论的相对作用怎样仍是一个不确定的科学问题，也没有建立可适用的经验公式，数值模式中对于水滴冻结过程的考虑不全面。本课题拟利用均匀水滴冻结装置，通过三种实验方案（不同变温速率），研究三种不同水样（去离子蒸馏水、自来水、雨水）的水滴冻结核化过程的化学动力学特征，记录不同条件下的冻结情况，进一步认识水滴异质核化过程的规律，检验水滴冻结核化过程中随机核化假设和奇点理论，分析研究实验数据，归纳建立经验公式，为核化理论、云降水物理及云模式研究提供基础。

研究基本上按照计划进行。第一年实验仪器曾出现过几次故障并返厂维修，经过复杂的审批程序，丙酮等实验所需试剂也已购置到位。大量实验研究表明水滴的异质核化冻结即与所含冰核有关，又包含一定的随机过程。为了验证这一结果，并寻找水滴冻结与温度及时间的定量关系，检验随机假设和奇点假设之间的相互作用，本研究使用了中国气象科学研究院的均匀水滴冻结实验装置，完成了雨水在0.2、0.4、1、2、4℃/min下5种降温速率的实验，纯净水在1、2℃/min两种降温速率的实验，瓶装饮用水在1、2、3、4、5℃/min下5种降温速率的实验以及两组雨水恒温实验。结果表明，总体来看，随温度降低，降温速率慢的液滴累加冻结比例要高于降温速率快的，并且在纯净水和瓶装饮用水中更明显；降温速率越快，平均冻结温度和中值冻结温度越低，不同的是雨水的值跟降温速率呈对数关系，而瓶装饮用水的值与降温速率呈线性关系（纯净水因为只有两种降温速率，故不能确定是哪一种关系）；不同水样的冻结几率随温度的降低指数增加，而瓶装饮用水指数前的系数随降温速率的增加指数减小，雨水和纯净水指数前的系数也会随降温速率的增加减小，但不是指数关系；恒温阶段，雨水的冻结几率随时间指数衰减，在恒温的前两分钟衰减较快，之后减慢，并且水滴冻结在前两分钟发生较多，之后变的很少，15分钟之后就没有冻结事件发生，这一现象可以用随机假设和奇点假设结合起来解释，当温度达到或低于特征温度时，水分子在冻结核上的聚合需要一段时间，所以造成了冰晶在恒温阶段形成的现象。