粵西四會防雹作業(yè)催化劑常用量的估算

摘 要：通過計算粵西四會市發(fā)生冰雹天氣時單位體積冰雹云的冰核播撒量，按照優(yōu)先、高效的原則合理選擇防雹作業(yè)工具和催化劑，得出防雹作業(yè)時催化劑的需求用量，目的在于以低投入換取高效益。

關(guān)鍵詞：冰雹云；冰核；播撒量；催化劑

中圖分類號 P482 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）18-130-02

冰雹云是一種可在地面形成降雹的強對流積雨云，云底陰暗混亂，并伴有橫閃電，多發(fā)生在春夏季之交。冰雹降落至地面，輕則毀壞莊稼，重則砸壞房屋，殃及人畜。廣東省四會市位于粵西肇慶的東部，地形西高東低，每年4～6月當(dāng)有西風(fēng)槽過境與西南暖濕氣流相遇時，強烈發(fā)展的雷雨云往往易產(chǎn)生降雹天氣。

1 冰雹云簡介

冰雹云的雹源區(qū)主要在0℃層以上，由過冷卻水滴、冰晶和雪花組成，其云頂高度上限可達(dá)到17km以上，大型成熟階段冰雹云的云頂溫度最低只有-55℃，按大氣溫度垂直遞減率[γ]=0.6℃/100m計算，雹源區(qū)的垂直厚度有9.2km，同時其水平尺度和垂直高度具有同一數(shù)量級，故可用求近等邊圓柱體的體積方法來粗略估算雹源區(qū)的大小，也可借用實時雷達(dá)回波圖測算出大于45dBz的雷達(dá)回波視為冰雹云的橫截面積[1]，這樣更能精確地算出雹源區(qū)的體積。

2 防雹催化劑用量的估算

2.1 冰核播撒量的估算 根據(jù)Kartsivedge和Sinclair的冰雹“競爭”估算法，大約需要nb=104個人工冰晶產(chǎn)生一個雹胚[2]，而四會山區(qū)常發(fā)的落地冰雹直徑一般不會超過3cm，當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?5℃、氣壓950hPa時，在4 000m高空的0℃層上的冰雹直徑約為4cm，在云體冰雹總量一定的條件下，

冰雹總量M=[π6]nd3ρI=[π6]n′d′3ρI （1）

其中，n、d為自然冰雹的平均濃度（個/m3）和直徑（cm），n′、d′為播撒冰核影響后的冰雹的濃度和直徑，ρI為冰雹密度（0.9g/cm3）。

把（1）式轉(zhuǎn)化后得到：n′=（[dd′]）3n （2）

如果把云中冰雹從d=4cm降到d′=1cm（d≤1cm時的冰雹降落至0℃層以下融化為雨），由（2）式得播撒前后的濃度比[n′n]=（[dd′]）3=64取約數(shù)100。

綜合上述各項，每m3的冰核播撒數(shù)eb=n′·nb=106n，則對一個1km3的冰雹形成區(qū)，播撒量為：

em=109eb=1015n （3）

自然冰雹的平均濃度[2]一般取0.1個/m3，代入（3）式得播撒量em=1×1014個/km3。

2.2 催化劑用量及作業(yè)工具的選擇 人工防雹[3]是用火箭、高炮或飛機直接把催化劑送到云里去，以破壞雹胚的水分輸送，使冰雹長不大，從而達(dá)到減災(zāi)的目的。一般冰雹的雹胚源區(qū)的溫度范圍在-30～0℃，而冰雹發(fā)生的機率往往是山區(qū)多于平原?；浳魇锌h山區(qū)和平原的面積各占1/2，肇慶四會的總面積有1 257.6km2，山地面積至少有600km2，假設(shè)在5月某天全市出現(xiàn)強對流天氣，需要對其中占1/2面積的山區(qū)進(jìn)行人工防雹，則總的雹胚源區(qū)體積V=600×[30γ]×0.1km3=3 000km3，總的冰核播撒量M=em·V=3×1017個。

目前，各國常用的防雹作業(yè)工具有云式火箭、高射炮播撒等，我國采用的正是成本較低廉的新型火箭發(fā)射方式，其中火箭彈藥中所包含的催化劑基本上都是AgI，表1列出了我國使用的幾種防雹作業(yè)工具性能[4]。

分析表1可知，WR-98和HJD-2000型的射程較高，但冰核生成率較其它2種方式低3～4倍；BL-1和RY6300型的最大射高雖比前兩者稍低，但較高成核率的優(yōu)勢確定了它們的優(yōu)先選取地位。RY6300型火箭采用的是自燃播撒方式，箭體在云中完成作業(yè)任務(wù)后需通過落傘方式降回地面，這對地面上的人畜產(chǎn)生了潛在的安全隱患，而BL-1型為爆炸粉碎方式播撒，碎片極為細(xì)小，對地面人畜幾乎沒影響，加之射高比RY6300型要高。故綜合以上分析，BL-1型火箭是同時具備射程高、成核率高、運行安全的防雹作業(yè)工具。

四會市某次采用的BL-1型防雹人影作業(yè)共需要的AgI用量為mAgI=[Mei]≈55.6g。從計算結(jié)果看出，用少量的AgI催化劑就能滿足如此大范圍的防雹作業(yè)，既符合環(huán)保節(jié)約型的要求，又能起到防雹增雨的效果。

3 結(jié)語

經(jīng)以上論證，采用BL-1型自爆火箭攜帶不到100g的AgI催化劑就能避免一場大范圍的降雹災(zāi)害，如此少量的AgI水溶解質(zhì)落地后對江河水質(zhì)的影響幾乎微乎其微，經(jīng)濟又環(huán)保。防雹作業(yè)時可根據(jù)雷達(dá)圖像特征，對準(zhǔn)冰雹云主氣流上升區(qū)發(fā)射BL-1型火箭，使炸點周圍形成一個等壓場，其在100m范圍內(nèi)可把3～4m/s的上升氣流制動為零，被削弱的上升氣流的速度一旦小于15m/s的成雹風(fēng)速，就能有效抑制冰雹的增長。

參考文獻(xiàn)

[1]熊偉，周明飛，周永水，等.雷達(dá)資料對貴州春季冰雹云識別初探[J].貴州氣象，2012，35（2）：13.

[2]許煥斌，段英，吳志會.防雹現(xiàn)狀回顧和新防雹概念模型[J].氣象科技，2000，4：4-5.

[3]劉傳波，王恩玉，金海英，等.淺談人工影響天氣在氣象防災(zāi)減災(zāi)中的作用[J].黑龍江科技信息，2013，5：21.

[4]許煥斌，段英，劉海月.雹云物理與防雹的原理和設(shè)計—對流云物理與防雹增雨[M].北京：氣象出版社，2006：270-274.

（責(zé)編：徐世紅）