開發(fā)云水資源火箭人工增雨方法探討

王以琳 徐學(xué)義 苗長忠 賈思之 楊正民

(1.山東省氣象科學(xué)研究所，山東濟南 250031;2.山東省泰安市氣象局，山東泰安 271000）

目前我國在地面人工增雨、防雹作業(yè)中大量使用WR型火箭，該火箭主要由動力裝置、催化劑播撒裝置、安全著陸系統(tǒng)和尾翼組成?；鸺c火升空后火箭彈沿近似拋物線的軌道行進，經(jīng)過一個設(shè)定的延遲時間點燃催化劑，開始播撒碘化銀，對云層釋放碘化銀復(fù)合冰核氣溶膠煙霧，并向周邊迅速擴散，形成三維空間催化帶。催化劑播撒結(jié)束時，在設(shè)定的開傘時間，開傘機構(gòu)工作，降落傘被拉出張開，并攜帶火箭殘骸以安全的速度著陸。WR型增雨防雹彈彈長1.45m，彈道最高達8.09km，最大水平播撒距離6.6km。該彈采用BR－91－Y型高效碘化銀焰劑，每枚火箭彈含碘化銀36.25g，每克AgI在－10℃條件下成核率可達1.8×1015個;－12℃時5min核化率平均為90%。

由于WR型火箭碘化銀含量高，播撒線路長，在作業(yè)方案設(shè)計時我們主要考慮以怎樣的射擊方式、發(fā)射多少枚火箭彈和產(chǎn)生怎樣的影響區(qū)，達到用彈量少，產(chǎn)生影響面積最大為目的。因此，首先要考慮火箭作為線源的擴散問題。申億銘［1］、余興［2］、汪宏宇［3］等人就催化劑擴散問題用不同模式進行過數(shù)值模擬，但未給出多發(fā)火箭彈組成影響區(qū)的大小和影響時間。在我們的研究中，就不同環(huán)境條件、多枚火箭彈射擊組合產(chǎn)生的影響區(qū)進行模擬，以得到催化效率高的業(yè)務(wù)應(yīng)用方案，指導(dǎo)人工增雨作業(yè)。

1 火箭彈最大擴散半徑和擴散時間

在研究催化劑擴散問題中，一般用線源方法處理播撒軌跡。根據(jù)梯度輸送理論，層狀冷云線源催化劑擴散中假定大氣各向同性，忽略質(zhì)點之間的相互并合。假定風(fēng)速與x軸平行，且擴散初始分散均勻，在給定初始和邊界條件下，申億銘在文獻1中給出擴散方程的解為:

式中q為催化劑濃度，Q為單位線源的核生成率，K為湍流擴散系數(shù)，u為x方向的風(fēng)速，t為擴散時間，H為線源擴散高度，云滴捕獲系數(shù)α取6.0×10－12，云滴濃度Nc取1.0×108。在給定湍流擴散系數(shù)K和風(fēng)速u的情況下可以模擬出某一時刻火箭彈碘化銀的濃度和擴散范圍。

近年來我國北方一些省份利用飛機機載PMS粒子探測系統(tǒng)對人工增雨作業(yè)云系進行了大量的探測。結(jié)果表明:云中冰晶數(shù)多為 100－101L－1的數(shù)量級［4］。根據(jù)人工增雨時增加的人工冰晶數(shù)與云中自然存在的冰晶數(shù)應(yīng)相當(dāng)?shù)脑瓌t，我們確定碘化銀有效催化云體的閾值濃度為q=10L－1。

湍流擴散系數(shù)K是對云中湍流的度量。綜合申億銘等人［5］對我國北方不同云系湍流擴散系數(shù)的計算，層狀云湍流擴散系數(shù)多分布在10－40 m2·s－1之間，積狀云湍流擴散系數(shù)大于80 m2·s－1。在我們的模擬中，分別取湍流擴散系數(shù)為 20、40、60、80、和 100m2·s－1，取 q=10L－1，圖1給出模擬結(jié)果。從圖1看出，擴散時間和擴散半徑曲線呈單峰型，碘化銀向四周擴散的范圍隨時間增加而增加，在某一時刻擴散半徑達到最大，即最大擴散半徑;隨后隨擴散時間的增加，濃度為10L－1的碘化銀擴散區(qū)縮小直至消失，這也是一發(fā)火箭彈催化作用消失的時間。從圖中還可以看出，湍流擴散系數(shù)K值的大小與擴散半徑的大小成正比，K值越大擴散半徑越大。K值的大小與達到最大擴散半徑的時間成反比，K值越大達到最大擴散半徑的時間越短。

圖1 碘化銀擴散時間與擴散距離曲線圖

表1給出了湍流擴散系數(shù)為20－100m2·s－1時對應(yīng)的最大擴散半徑、最大擴散半徑達到的時間和碘化銀擴散區(qū)消失的時間。如當(dāng)K=80m2·s－1時，38分20秒碘化銀擴散半徑達到最大，為1352m。在1小時26分38秒，濃度為10L－1的碘化銀擴散區(qū)消失。因此，可以認為當(dāng)云中湍流擴散系數(shù)為80m2·s－1時，一發(fā)火箭彈碘化銀濃度為10L－1的擴散區(qū)存在時間約為1小時26分38秒。

表1 不同湍流擴散系數(shù)對應(yīng)的最大擴散半徑和時間

2 兩發(fā)火箭彈作業(yè)法

2.1 射擊方向

在兩發(fā)火箭彈射擊方案中，火箭發(fā)射點位于環(huán)境風(fēng)的下風(fēng)方，在每輪作業(yè)中迎風(fēng)發(fā)射兩發(fā)火箭彈，兩發(fā)火箭彈之間的夾角為α(見圖2左）。由于發(fā)射仰角不同其軌跡的線源長度不同，以碘化銀擴散閾值為依據(jù)，調(diào)整夾角α，可使兩發(fā)火箭彈中碘化銀擴散后濃度為10L－1的區(qū)域連成一片，不留空白區(qū)，以達到我們設(shè)計作業(yè)方案的要求(見圖2右，圖中的數(shù)字是碘化銀擴散濃度值，五角星位置是火箭發(fā)射點位置）。在風(fēng)場作業(yè)下，變換發(fā)射方位角得到大小不同的擴散區(qū)面積。當(dāng)湍流擴散系數(shù)為20－100m2·s－1時，根據(jù)(1）式，調(diào)整射擊仰角可以計算出兩發(fā)彈之間夾角α(見表2）。從表2知，對于不同的湍流擴散系數(shù)和發(fā)射仰角，兩發(fā)火箭彈發(fā)射時之間的夾角差異很大。當(dāng)湍流擴散系數(shù)不變時，發(fā)射仰角越小，它們之間的夾角越小;當(dāng)發(fā)射仰角不變時，湍流擴散系數(shù)越小，它們之間的夾角也越小。發(fā)射夾角的變化范圍為31°—180°。當(dāng)發(fā)射仰角為45°、湍流擴散系數(shù)為20m2·s－1時，兩彈之間的夾角最小，為31°。發(fā)射仰角從74°開始，兩彈之間的夾角達到180°，這時兩發(fā)火箭彈發(fā)射方向相反，且與環(huán)境風(fēng)向垂直。

圖2 兩發(fā)火箭彈射擊示意圖(左），兩發(fā)火箭彈碘化銀擴散區(qū)濃度示意圖(右）

表2 湍流擴散系數(shù)、仰角與兩發(fā)火箭彈發(fā)射夾角α對照表

2.2 有效播云區(qū)

火箭彈以線源方式播撒碘化銀，主要有兩種因素決定它的擴散區(qū)。一個是在湍流的作用下以線源為中心向四周擴散，形成三維空間擴散體。另一個是在環(huán)境風(fēng)場的輸送下擴散體隨風(fēng)向下游移動。某一時刻碘化銀擴散區(qū)有一個瞬時位置，在環(huán)境風(fēng)作用下，這個擴散區(qū)向下游移動。為了計算方便和便于確定火箭彈總影響區(qū)面積，我們把碘化銀擴散后其濃度大于10L－1的擴散體所移過的累積面積在地面上的投影計為該火箭彈的有效播云區(qū)。有效播云區(qū)面積的大小與湍流擴散系數(shù)、環(huán)境風(fēng)場和發(fā)射仰角有關(guān)。

由于湍流擴散系數(shù)與火箭彈催化劑最大擴散半徑成正比，湍流擴散系數(shù)增大，火箭彈的有效播云區(qū)面積也增大。圖3給出環(huán)境風(fēng)場、湍流擴散系數(shù)、發(fā)射仰角和擴散區(qū)的模擬結(jié)果。當(dāng)仰角和環(huán)境風(fēng)不變(如仰角=60°，u=10m·s－1），湍流擴散系數(shù)小(K=20m2·s－1）時，擴散區(qū)的圖形較細，擴散的距離較遠(圖3a），有效播云區(qū)的面積小(777.8km2）;當(dāng)湍流擴散系數(shù)大(K=80m2·s－1）時，擴散區(qū)的圖形較粗，擴散的距離較近(圖3b），有效播云區(qū)的面積大(908.2km2）。

當(dāng)湍流擴散系數(shù)和風(fēng)速不變時(K=20m2·s－1，u=10m·s－1），作業(yè)仰角不同火箭彈播撒線源長度不同，產(chǎn)生了有效播云區(qū)面積的差異。如當(dāng)仰角為60°時(圖3a）有效播云區(qū)的面積為777.8km2，當(dāng)仰角為85°時(圖3c）有效播云區(qū)的面積為449.2km2。

環(huán)境風(fēng)對擴散區(qū)內(nèi)的催化劑起輸送作用。環(huán)境風(fēng)大，催化劑向下輸送的遠。當(dāng)湍流擴散系數(shù)和發(fā)射仰角不變(如K=80m2·s－1，仰角 =60°），環(huán)境風(fēng)為 10m·s－1時，擴散距離小于100km(圖3b），這時有效播云區(qū)面積小(908.2km2）。當(dāng)環(huán)境風(fēng)大到 20m·s－1時，擴散范圍拓展到150km以外(圖3d），有效播云區(qū)的面積也增加到1803.8km2。即風(fēng)速增大一倍，有效播云區(qū)的面積也增大了近一倍。由此可見，環(huán)境風(fēng)場強度是影響有效播云區(qū)面積大小的重要因素。

2.3 有效播云區(qū)面積

取不同作業(yè)仰角、湍流擴散系數(shù)和風(fēng)速，模擬得到它們與有效播云區(qū)面積之間的數(shù)量關(guān)系(見表3）。表中可以看出，當(dāng)湍流擴散系數(shù)為100m2·s－1、風(fēng)速為10m·s－1，發(fā)射仰角為 85°時，有效播云區(qū)的面積最小，為410.8km2。這與發(fā)射仰角高、火箭彈播云路線短，風(fēng)速小、輸送距離近和湍流擴散系數(shù)大、有效播云時間短有很大關(guān)系。當(dāng)湍流擴散系數(shù)為 100m2·s－1、風(fēng)速為 20m·s－1，發(fā)射仰角為66°時，有效播云區(qū)的面積最大，為1841.6km2。表3告訴我們，一般來說，作業(yè)時發(fā)射仰角取64°－66°時，有效播云區(qū)面積最大，有利于增加降雨總量。這些數(shù)據(jù)可作為火箭作業(yè)指揮的重要依據(jù)。

3 三發(fā)火箭彈作業(yè)法

3.1 射擊方向

為使三發(fā)火箭彈各自的碘化銀擴散后濃度為10L－1的區(qū)域連成一片，有效播云區(qū)面積最大，設(shè)計如圖4所示迎風(fēng)發(fā)射三發(fā)火箭彈射擊方案。圖中三發(fā)火箭彈之間的夾角α相等，與兩發(fā)彈模擬相同，夾角α的數(shù)值列在表4中。從表4知，發(fā)射夾角α的變化范圍為32°－90°。當(dāng)湍流擴散系數(shù)為20m2·s－1時，在射擊仰角為45°的情況下，兩彈之間的夾角最小，為32°。在射擊仰角為52°，湍流擴散系數(shù)為100m2·s－1時，兩彈之間的夾角達到90°，即三發(fā)火箭彈發(fā)射方向互相垂直。隨著仰角的增大，出現(xiàn)三發(fā)火箭彈發(fā)射方向互相垂直的數(shù)據(jù)越多。當(dāng)射擊仰角達到70°以上時，兩彈之間的夾角都達到90°。

圖 3 不同參數(shù)有效播云區(qū)圖示意圖(a:K=20m2·s－1，u=10m·s－1，仰角為 60°。b:K=80m2·s－1，u=10m·s－1，仰角為 60°。c:K=20m2·s－1，u=10m·s－1，仰角為 85°。d:K=80m2·s－1，u=20m·s－1，仰角為 60°.）。

表3 不同因子對應(yīng)兩發(fā)火箭彈有效播云區(qū)面積(km2）

圖4 三發(fā)火箭彈射擊示意圖

3.2 有效播云區(qū)

從圖5a、c、b、d中同樣可以知道，當(dāng)環(huán)境風(fēng)和發(fā)射仰角不變時，湍流擴散系數(shù)增大，火箭彈的有效播云區(qū)增大(圖5a與圖5b）。當(dāng)湍流擴散系數(shù)和風(fēng)速不變時，發(fā)射仰角愈小，有效擴散面積愈大(圖5a與圖5c）。當(dāng)湍流擴散系數(shù)和發(fā)射仰角不變時，環(huán)境風(fēng)增大，有效播云區(qū)的面積也增大(圖b與圖d）。

表4 湍流擴散系數(shù)與三發(fā)火箭彈發(fā)射夾角α對照表

圖5 不同參數(shù)有效播云區(qū)圖示意圖(a:K=20m2·s－1，u=10m·s－1，仰角為60°。b:K=80m2·s－1，u=10m·s－1，仰角為60°。c:K=20m2·s－1，u=10m·s－1，仰角為85°。d:K=80m2·s－1，u=20m·s－1，仰角為60°.）

3.3 有效播云區(qū)面積

表5給出了仰角、湍流擴散系數(shù)、風(fēng)速三個因子與有效播云區(qū)面積之間的數(shù)量關(guān)系。表中可以看出，當(dāng)湍流擴散系數(shù)為 100m2·s－1、風(fēng)速為 10m·s－1，發(fā)射仰角為 85°時，有效播云區(qū)的面積最小，為439.4km2。當(dāng)湍流擴散系數(shù)為 100m2·s－1、風(fēng)速為 20m·s－1，發(fā)射仰角為 52°時，有效播云區(qū)的面積最大，為2971.60km2。表5也告訴我們，當(dāng)風(fēng)速在10－20 m·s－1之間，仰角和湍流擴散系數(shù)分別取 64°、20 m2·s－1，60°、40m2·s－1，58°、60m2·s－1，54°、80m2·s－1和 52°、100m2·s－1時，有效播云區(qū)的面積最大。這是我們在WR型火箭作業(yè)中，迎風(fēng)發(fā)射三發(fā)火箭彈較好的作業(yè)參數(shù)搭配。在指揮人工增雨作業(yè)時，為了取得較大的有效播云區(qū)面積，我們把表中繁瑣的數(shù)據(jù)寫入人工增雨指揮系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)實時雷達回波自動給出作業(yè)的方位角和仰角。

4 作業(yè)方案

為比較兩發(fā)和三發(fā)火箭彈有效播云區(qū)面積，取風(fēng)速為10 m·s－1，對不同湍流擴散系數(shù)按仰角取平均，得到兩發(fā)與三發(fā)火箭彈最大有效播云面積曲線(見圖6）。由此看出，兩條曲線在仰角85°時，最大有效播云面積大小基本相等，它們分別是449.4km2和425.68km2。隨作業(yè)仰角的減小，有效播云面積增大，三發(fā)火箭彈的曲線增加的更快。仰角為45°時，三發(fā)和兩發(fā)火箭彈最大有效播云面積分別是1385.64 km2和815.96 km2。三發(fā)火箭彈的有效播云面積在仰角52°時達到最大，為1426.6km2。兩發(fā)火箭彈的有效播云面積在仰角66°時達到最大，為873.7km2。如作業(yè)時取60°仰角，兩發(fā)彈的有效播云面積占三發(fā)彈有效播云面積的62.7%。

通過對1－4發(fā)火箭彈有效播云面積的模擬，結(jié)合有效播云面積的大小、碘化銀擴散濃度和作業(yè)用彈的經(jīng)濟性，我們認為每輪作業(yè)用三發(fā)火箭彈為好。一般空域管制部門每次給出的人工增雨作業(yè)時間為3－5分鐘，在空域許可的情況下爭取進行多輪作業(yè)。在我們設(shè)計的地面人工影響天氣業(yè)務(wù)技術(shù)系統(tǒng)中［6］，自動選擇發(fā)射三發(fā)火箭彈作為作業(yè)參數(shù)。

表5 不同因子對應(yīng)三發(fā)火箭彈有效播云區(qū)面積(km2）

圖6 兩發(fā)與三發(fā)火箭彈最大有效播云面積對比圖

5 結(jié)論

(1）在火箭彈播撒碘化銀時，湍流擴散系數(shù)愈大碘化銀的湍流擴散半徑愈大，達到最大擴散半徑的時間愈短。

(2）我們確定碘化銀播云有效閾值為10L－1，并把有效時間內(nèi)有效區(qū)域所移過的累積面積在地面上的投影計為有效播云區(qū)。迎風(fēng)發(fā)射三發(fā)火箭彈，以有效播云區(qū)最大和各枚火箭彈的有效播云區(qū)相連為原則，依據(jù)作業(yè)仰角不同，模擬了發(fā)射夾角，它們分布在32°—90°之間。

(3）在一定的環(huán)境風(fēng)速下，當(dāng)仰角在64°－52°、湍流擴散系數(shù)在20－100m2·s－1之間時有效播云區(qū)面積最大。

(4）效益較大的作業(yè)方案為每輪發(fā)射3發(fā)火箭彈。依空域申請的實際情況，進行多輪作業(yè)。

［1］申億銘.云中催化劑的擴散［M］.北京:氣象出版社，1994:69－71.

［2］余興，王曉玲，戴進.過冷層狀云中飛機播云有效區(qū)域的模擬研究［J］.氣象學(xué)報，2002，60(2）:205 －214.

［3］汪宏宇，劉萬軍.人工增雨催化劑擴散數(shù)值模擬［J］.遼寧氣象，1997，(2）:31 －32.

［4］胡志晉.層狀云人工增雨機制、條件和方法的探討［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2001，12(增刊）:10 －13.

［5］申億銘，周林，銀燕.層狀云中的湍流擴散系數(shù)［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，1996，(2）:1 －6.

［6］王以琳，李德生，劉詩軍，等.省市縣三級人工影響天氣作業(yè)指揮體制探討［J］.氣象科技，2010，38(3）:383 －388.