催化劑擴(kuò)散軌跡在人工影響天氣中的試驗(yàn)研究

李旭+徐戈+王超群+王旗+于翠紅

摘要：為了研究催化劑擴(kuò)散在人工影響天氣中的應(yīng)用，本文選取了吉林省2014年春季四次飛機(jī)增雨作業(yè)個(gè)例，模擬研究了不同溫度、風(fēng)速條件下播撒催化劑AgI的擴(kuò)散軌跡，得出了以下結(jié)論：催化劑AgI的擴(kuò)散軌跡隨溫度的升高，水平擴(kuò)散運(yùn)行的距離減小，作業(yè)后維持時(shí)間減短;催化劑AgI的擴(kuò)散軌跡隨風(fēng)速的增大，水平擴(kuò)散運(yùn)行的距離增大，作業(yè)后維持時(shí)間增長。

關(guān)鍵詞：催化劑;擴(kuò)散軌跡;人工影響天氣

中圖分類號(hào)： ?P481 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號(hào)： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2016.24.078

近年來暴雨、干旱、大風(fēng)、大霧和霜凍等天氣事件頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活及社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以人工影響天氣技術(shù)的進(jìn)一步提高有著重要的社會(huì)意義。人工影響天氣試驗(yàn)作為人工影響天氣研究的重要手段之一，愈來愈引起科學(xué)家們的關(guān)注和重視。我國在人工影響天氣領(lǐng)域取得了很多的研究成果，并已經(jīng)將越來越多的科學(xué)成果應(yīng)用到了實(shí)際的業(yè)務(wù)運(yùn)行之中。催化劑擴(kuò)散軌跡的研究成果在人工影響天氣的作業(yè)實(shí)施中有著非常重要的作用，它不僅能時(shí)刻跟蹤催化劑的擴(kuò)散范圍，而且能避免區(qū)域的重復(fù)作業(yè)，使催化劑在作業(yè)潛力區(qū)最大限度的發(fā)揮作用，為人工影響天氣作業(yè)提供科學(xué)的理論依據(jù)。然而，目前我國有關(guān)人工影響天氣催化劑擴(kuò)散軌跡試驗(yàn)的研究還相對(duì)較少。因此，進(jìn)一步深入研究催化劑擴(kuò)散軌跡的相關(guān)理論有著迫切的需要和重要的意義。

1系統(tǒng)運(yùn)行業(yè)務(wù)化的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行將與增雨作業(yè)相結(jié)合，增雨作業(yè)時(shí)，在播撒高度上輸入AgI播撒量及大氣溫度、風(fēng)速等擴(kuò)散參數(shù)，計(jì)算機(jī)便實(shí)時(shí)顯示出它擴(kuò)散的時(shí)空分布和變化規(guī)律。即讓實(shí)時(shí)了解增雨落區(qū)大致范圍，以便于地面雨量結(jié)合起來進(jìn)行增雨效果分析。

2系統(tǒng)輸出的內(nèi)容

通過菜單選項(xiàng)可隨意調(diào)看該模式及分析個(gè)例的輸出結(jié)果，即AgI運(yùn)行軌跡時(shí)的時(shí)空分布和變化規(guī)律可實(shí)時(shí)顯現(xiàn)出來。結(jié)合作業(yè)層宏觀條件，在不同高度、不同溫度和風(fēng)速條件下運(yùn)行該模式。

3模式介紹

本文所采用的模式中假設(shè)在相對(duì)穩(wěn)定、大氣為各向同性的層狀云中進(jìn)行飛機(jī)增雨作業(yè)試驗(yàn)，即假設(shè)層狀云中為均勻平直的定常流場(chǎng)。同時(shí)，假設(shè)模式中的風(fēng)在垂直方向上沒有切變，即該模式中不考慮催化劑在X-Z面或Y-Z面的垂直擴(kuò)散。為了保證催化劑的擴(kuò)散沿著X-Y面即主導(dǎo)風(fēng)方向，飛機(jī)在增雨作業(yè)時(shí)沿著垂直于高空播撒層主導(dǎo)風(fēng)向的方向播撒催化劑。模式中將增雨飛機(jī)開始作業(yè)的位置取作坐標(biāo)原點(diǎn)，平均風(fēng)的方向?yàn)閄軸，增雨飛機(jī)的作業(yè)方向?yàn)閅軸。因此，本研究考慮在與主導(dǎo)風(fēng)方向一致的情況下，催化劑的輸送擴(kuò)散問題，從而確保催化劑在水平方向的擴(kuò)散達(dá)到最遠(yuǎn)，可以通過催化劑在水平方向的輸送距離來確定飛機(jī)增雨的區(qū)域。

假設(shè)為自由大氣，則梯度輸送理論擴(kuò)散方程為：

即：

其中，q表示擴(kuò)散物質(zhì)的濃度，單位為個(gè)/L;u、v和w分別表示風(fēng)速在x軸、y軸及z軸上的分風(fēng)速，單位為km/h;kx、ky和kz分別表示在x軸、y軸及z軸上的湍流系數(shù)，令kx=ky=kz=kz（各向同性），單位為m2/s;t為時(shí)間，單位為min;w為因催化劑自身具有質(zhì)量而產(chǎn)生的下沉速度，單位為m/s。

模式中考慮催化劑與云滴之間及催化劑與催化劑之間的相互作用，因此上述方程為：

式中Nc為云滴濃度，個(gè)/cm3;a表示云滴的捕獲系數(shù);B代表催化劑質(zhì)點(diǎn)之間的閉合系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，本研究中不考慮混合物之間質(zhì)點(diǎn)的并和作用。

由于層狀云中v和w一般非常的?。ㄈ舾衫迕酌棵耄?，因此本研究中不考慮，從而可得方程為：

考慮初始邊界條件：

t=0時(shí)，■

z=0時(shí)，q=0

■時(shí)，q=0

式中Q為單位點(diǎn)源核生成率。這樣得單位點(diǎn)源濃度擴(kuò)散方程為：

由于線源是點(diǎn)源在播撒線上濃度的積分，得到層狀云線源擴(kuò)散公示為：

其中，QL表示單位線源的核生成率，單位為個(gè)/m。

4個(gè)例分析及結(jié)論

本研究中選取了2014年春季四次飛機(jī)增雨作業(yè)個(gè)例進(jìn)行研究，分別對(duì)四次增雨作業(yè)中的催化劑AgI的擴(kuò)散軌跡進(jìn)行模擬計(jì)算。

第一個(gè)個(gè)例選取2014年5月2日的一次飛行作業(yè)過程，作業(yè)溫度為T=-5.2℃，風(fēng)速為u=11千米/時(shí)，作業(yè)高度為H=3000米，AgI用量為500克，播云時(shí)間為90分鐘，這時(shí)它的線源生成率為6.67 108個(gè)/米，見表1。模擬結(jié)果見圖1，單位為個(gè)/升。

表1 2014年5月2日催化劑擴(kuò)散分布

第二個(gè)個(gè)例選取2014年5月10日的一次飛行作業(yè)過程，作業(yè)溫度為T=-3℃，風(fēng)速為u=100千米/時(shí)，作業(yè)高度為H=4200米，AgI用量為500克，播云時(shí)間為90分鐘，這時(shí)它的線源生成率為6.67 108個(gè)/米，見表2。模擬結(jié)果見圖2，單位為個(gè)/升。

表2 2014年5月10日催化劑擴(kuò)散分布

第三個(gè)個(gè)例選取2014年5月11日的一次飛行作業(yè)過程，作業(yè)溫度為T=-9℃，風(fēng)速為u=21千米/時(shí)，作業(yè)高度為H=3500米，AgI用量為500克，播云時(shí)間為90分鐘，這時(shí)它的線源生成率為6.67 109個(gè)/米，見表3。模擬結(jié)果見圖3，單位為個(gè)/升。

表3 ?2014年5月11日催化劑擴(kuò)散分布

第四個(gè)個(gè)例選取2014年5月12日的一次飛行作業(yè)過程，作業(yè)溫度為T=-13℃，風(fēng)速為u=28千米/時(shí)，作業(yè)高度為H=5000米，AgI用量為500克，播云時(shí)間為90分鐘，該條件下，催化劑AgI的線源生成率為4.44 1011個(gè)/米，見表4。模擬結(jié)果見圖4，單位為個(gè)/L。

表4 2014年5月12日催化劑擴(kuò)散分布

在計(jì)算過程中，我們根據(jù)文獻(xiàn)[1][2]假設(shè)Nc、a和k均為常數(shù)。由表可知：

根據(jù)個(gè)例1的研究結(jié)果，如圖1所示，當(dāng)飛機(jī)增雨作業(yè)溫度大于-7℃且風(fēng)速較小時(shí)，催化劑AgI的水平擴(kuò)散距離較近，同時(shí)作業(yè)后在X-Y面運(yùn)行時(shí)間較短（這時(shí)，在X-Z面或Y-Z面運(yùn)行擴(kuò)散的范圍較大，以后我們?cè)倮^續(xù)研究討論它）。

根據(jù)個(gè)例2的研究結(jié)果，如圖2所示，當(dāng)飛機(jī)增雨作業(yè)溫度大于-7℃且風(fēng)速較大時(shí)，催化劑AgI的水平擴(kuò)散距離同樣相對(duì)較近，但大于個(gè)例1中催化劑的水平擴(kuò)散距離，同樣作業(yè)后在X-Y面運(yùn)行時(shí)間較短。

因此，根據(jù)以上兩個(gè)個(gè)例的分析討論，可以得出在飛機(jī)增雨作業(yè)中，如果進(jìn)行蛇形播撒作業(yè)，應(yīng)該使播撒的間距相對(duì)近一些。例如，在2014年5月2日的飛機(jī)增雨作業(yè)中，在播云6min后，云中AgI成冰核的數(shù)量在2.5公里以外增加小于5個(gè)/升。

根據(jù)個(gè)例3的研究結(jié)果，如圖3所示，當(dāng)飛機(jī)增雨作業(yè)溫度小于-8℃且風(fēng)速較小時(shí)，催化劑AgI的水平擴(kuò)散距離相對(duì)較遠(yuǎn)，而且作業(yè)后在X-Y面維持的時(shí)間也相對(duì)比較長。

根據(jù)個(gè)例4的研究結(jié)果，如圖4所示，當(dāng)飛機(jī)增雨作業(yè)溫度小于-8℃且風(fēng)速較大時(shí)，催化劑AgI順風(fēng)向的水平擴(kuò)散距離很遠(yuǎn)，而且作業(yè)后在X-Y面維持的時(shí)間也比較長。因此，在飛機(jī)增雨作業(yè)中進(jìn)行蛇形播撒作業(yè)時(shí)，應(yīng)該使催化劑的播撒間距加寬。

同時(shí)，在模式的試驗(yàn)研究中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度、風(fēng)速等條件不變的情況下，催化劑AgI的擴(kuò)散軌跡隨著湍流系數(shù)k的增大，衰減加快，且順風(fēng)向的水平擴(kuò)散范圍則減?。▓D略）。

本研究中模擬的催化劑播撒軌跡與實(shí)際飛機(jī)增雨作業(yè)飛行軌跡相一致，因此，本研究中通過考慮催化劑的擴(kuò)散軌跡從而掌握了薄云間距的方法，該方法的掌握有利于提高飛機(jī)增雨作業(yè)的效果，在增雨作業(yè)潛力區(qū)最大限度的挖掘增雨潛力，從而避免了作業(yè)區(qū)域的重復(fù)作業(yè)，使人工增雨作業(yè)更科學(xué)有效，為抗旱增產(chǎn)做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]申億銘.云中催化劑的擴(kuò)散[M].北京：氣象出版社，1994.

[2]黃美元，徐華英.云和降水物理.科學(xué)出版社，2001.

[3]桑建國，溫市耕.大氣擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算[M].北京：氣象出版社，1992.

[4]周秀驥，等.高等大氣物理學(xué)[M].北京：氣象出版社.

作者簡介：李旭，碩士，吉林省人工影響天氣辦公室/中國氣象局 吉林省人民政府人工影響天氣聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室，中級(jí)工程師，研究方向：人工影響天氣。