人工影響天氣消減霧霾試驗研究

周亞麗 江召兵 彭軼群

摘要：霧霾與霧雖產(chǎn)生的原因及危害性不同，但人工驅(qū)散霧氣的方法可對消除已產(chǎn)生的霧霾提供啟示。本文提出了一種利用逆溫層的特性和破壞逆溫層的方法消除已產(chǎn)生的霧霾，采用WRF模式系統(tǒng)構(gòu)建氣象模型，分別進行控制試驗、敏感性試驗。多點高速電風(fēng)扇組合布置后所產(chǎn)生的氣流，能夠?qū)χ苓呡^大范圍的空氣產(chǎn)生強烈擾動，增加近地層溫度和降低濕度，使空氣上下對流起來，從而達(dá)到除霧的效果。

Abstract： Although the causes and harmfulness of smog and fog are different， the method of artificially dispersing fog can provide an inspiration for eliminating the smog that has already occurred. In this paper， a method of using the characteristics of the inversion layer and destroying the inversion layer to eliminate the generated haze is proposed. The WRF model system is used to construct the meteorological model， and the control test and sensitivity test are respectively carried out. The airflow generated by the combination of the multi-point high-speed electric fan can strongly disturb the surrounding air and increase the temperature of the near-surface layer and reduce the humidity， so that the air convects up and down， thereby achieving the effect of defogging.

關(guān)鍵詞：消減霧霾;控制試驗;敏感性試驗

Key words：mitigation of smog;control test;sensitivity test

中圖分類號：P48 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0256-04

0 ?引言

霧霾給人們的正常生活、出行造成了一定的影響，甚至還威脅到了人們的生命健康[1]。霧霾形成的原因?qū)嵸|(zhì)是靜穩(wěn)天氣下空氣中集聚了足夠濃度的污染物。由于空氣在水平和垂直方向幾乎靜止，導(dǎo)致由氮氧化物、二氧化硫、灰塵、有機碳?xì)浠衔锏确撬晌锪Ｗ咏M成的氣溶膠系統(tǒng)與水霧結(jié)合在一起形成的霧霾無法擴散。

近幾年來，國外對霧霾的研究主要側(cè)重于探討霧霾成因問題，國內(nèi)則側(cè)重于治理路徑與模式的研究。霧霾治理方法可概括為減少污染物的排放量，對如何消減已產(chǎn)生的霧霾研究較少[2]。

國慶50年閱兵時，我國就成功應(yīng)用了在跑道上部署噴氣發(fā)動機水平噴氣，以此來吹散霧氣。美國也曾在加利福利亞的特拉維斯空軍基地飛機跑道上成功地將能見度從300英尺增加到了0.5英里。這些研究和應(yīng)用給人工驅(qū)散已產(chǎn)生的霧霾提供了啟發(fā)，因為霧霾的物理性質(zhì)和霧很相近。

1 ?人工氣流生成與部署系統(tǒng)

采用高速電風(fēng)扇，在地面布置多臺電風(fēng)扇，向上噴射，在電風(fēng)扇上部形成氣流上升區(qū)，氣流上升區(qū)外圍的空氣下降，形成氣流下降區(qū)，多臺電風(fēng)扇分布呈矩形布局并產(chǎn)生垂直向上的持續(xù)射流，使氣流上升區(qū)和氣流下降區(qū)的直徑范圍為3～5公里，如圖1所示。

經(jīng)過理論建模測算和風(fēng)動試驗驗證，這些高速電風(fēng)扇的功率、產(chǎn)生氣流的速度等性能參數(shù)可以達(dá)到吹散逆溫層的強度。而且能夠部署在平板車上，形成獨立的可遠(yuǎn)程控制的移動式系統(tǒng)。在使用時，必須根據(jù)霧霾形成的實際氣象情況，在不同區(qū)域靈活遷移與部署，才能達(dá)到最大化干擾逆溫層的效果。

2 ?射流建模與分析系統(tǒng)

通過射流建模分析，發(fā)現(xiàn)按照分布式矩形部署高速電風(fēng)扇（16個高速電風(fēng)扇），其影響范圍投射到3km高空，可達(dá)到5km×5km范圍，相隔兩個高速電風(fēng)扇的間距為1公里左右，如圖2所示。

3 ?控制試驗和敏感性試驗研究

基于2017年西南地區(qū)的歷史氣象數(shù)據(jù)，采用WRF（Weather Research Forecast）模式系統(tǒng)構(gòu)建氣象模型，分別進行控制試驗、敏感性試驗。選取區(qū)域的范圍：以高速電風(fēng)扇所在位置為中心，5平方公里、3千米高的向上垂直運動氣柱（簡稱5×5×3）。通過引入一個擾動點，模擬計算瞬間的氣流擾動能夠?qū)?×5×3區(qū)域內(nèi)的空氣流造成的影響。

利用T511數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品，作為數(shù)值天氣預(yù)報背景場，模擬石家莊附近區(qū)域2017年1月15日12時（UTC）的24小時天氣形勢，格點數(shù)分別為331×301，水平分辨率為5km，垂直方向71層。

3.1 試驗情況

模式的水平分辨率為5km，東西方向的格點數(shù)為331，南北方向格點數(shù)為301，采用蘭伯特投影，投影中心點位于106.747E和31.540N，模式積分步長為15秒，模式間隔30分鐘輸出一次。

試驗分為控制試驗和敏感性試驗，控制試驗就是不對模式初始場大氣狀態(tài)等進行調(diào)整，敏感性試驗就是在T511模式基礎(chǔ)上，修改石家莊附近區(qū)域（約5平方公里）大氣東西向風(fēng)U、南北向風(fēng)V、垂直速度W和地面氣壓PSFC，模擬利用航空發(fā)動機進行5平方公里大氣的垂直輸送。兩個試驗采用相同的參數(shù)化方案。需要指出的是，敏感性試驗僅考慮了初始時刻的航空發(fā)動機向上大氣輸送效果，沒有考慮發(fā)動機持續(xù)向上輸送大氣的效果。

在敏感性試驗中，按照發(fā)動機尾噴口的大氣射流速度修改（148，134）所在點的垂直速度;將（148，134）所在點的地表氣壓減去200Pa，修改（148，134）所在點周圍8格點的東西方向風(fēng)U和南北方向風(fēng)V廓線，各層的U和V，風(fēng)向同上圖的設(shè)置，風(fēng)速大小為W的1/4，通過上述方法，在敏感性試驗中，將發(fā)動機垂直尾流，加入數(shù)值預(yù)報模式。

3.2 區(qū)域模擬結(jié)果分析

以高度100米左右為例，模擬區(qū)域內(nèi)水平、垂直風(fēng)速差異隨時間的變化，詳見圖4、圖5，每張圖的時間分別晚30分鐘，圖中黑點表示發(fā)動機垂直射流所在位置。

選取發(fā)動機位置SJZ所在點進行要素差時序圖分析。這里的要素差是利用敏感性試驗同時次同變量的要素值減去敏感性試驗同時次同變量的要素值。高要素差反映的是模式模擬初始時刻航空發(fā)動機向上噴射大氣，對未來7-8小時大氣從地面到高空造成的影響，詳見圖6。

4 ?結(jié)論

經(jīng)過風(fēng)洞試驗、控制性試驗、敏感性試驗等多項試驗數(shù)據(jù)表明：多點高速電風(fēng)扇組合布置后所產(chǎn)生的氣流，能夠?qū)χ苓呡^大范圍的空氣產(chǎn)生強烈擾動，增加近地層溫度和降低濕度，使空氣上下對流起來，從而達(dá)到除霧的效果。

通過干擾逆溫層，破壞大氣逆溫現(xiàn)象，達(dá)到減輕霧氣的效果。一旦逆溫層被擾亂或破壞，就容易實現(xiàn)逆溫層上方和下方的氣流交換，原本由于逆溫層聚攏在特定區(qū)域內(nèi)無法散去的霧氣，就會被“風(fēng)”吹走，改善當(dāng)?shù)氐拇髿赓|(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊卉.霧霾治理措施研究[J].環(huán)境與發(fā)展，2018，31（07）：31-32.

[2]唐德才，李智江，張瑛.霧霾治理文獻(xiàn)綜述與有效性分析[J]. 生態(tài)經(jīng)濟，2017，33（12）：174-179.

[3]郭帷.新疆人工影響天氣作業(yè)點安全射界圖設(shè)計規(guī)范研究[J].價值工程，2015，34（23）：162-164.