人工影響天氣飛機播云作業(yè)有效催化范圍的模擬評估

徐曉宇 ， 宿興濤 ， 張志標 ， 王德龍

1. 東北大學 秦皇島分校， 河北 秦皇島 066000

2. 北京應用氣象研究所， 北京 100029

0 引 言

當前，隨著我國綜合國力的提高，國家舉辦的大型活動越來越多。為了保障活動順利進行，經(jīng)常需要開展人工影響天氣作業(yè)。其中，作業(yè)效果檢驗是人工影響天氣一個極為重要但又非常困難的課題，是當前國內(nèi)外人工影響天氣領域亟待解決的重大科學技術問題之一。如果一直無法提供準確、可靠、令人信服的作業(yè)效果評估結(jié)果，就會影響社會對人工影響天氣作業(yè)意義和價值的判斷，甚至阻礙人工影響天氣學科的發(fā)展。因此，迫切需要建立和發(fā)展適合實際的、客觀的、科學的和定量的人工影響天氣作業(yè)效果檢驗技術方法。

催化劑是人工影響天氣作業(yè)的主要播撒物質(zhì)。催化劑入云后的擴散范圍、質(zhì)粒濃度等關鍵參數(shù)的時空分布與催化作用和效果直接相關。因此，了解和掌握催化劑的擴散規(guī)律和時空分布，對效果評估和作業(yè)方案設計非常重要。國內(nèi)外學者針對此問題開展過一些研究工作。例如，申億銘(1994)對催化劑擴散做過較為系統(tǒng)的研究，主要包括梯度輸送理論、擴散統(tǒng)計理論、層狀云及對流云中線源和點源催化劑擴散的理論模式等。余興等(1998,2005)利用煙團模式對催化劑水平輸送和擴散、作業(yè)間距、播云物理效應等進行了模擬研究。戴進等(2006)對作業(yè)催化劑用量、人工增雨播撒方法進行了理論研究和探討。郭宇光(2008)利用高斯模式建立了一套層狀云催化劑擴散模式，對高炮點源催化劑擴散規(guī)律進行了研究。翟菁等(2012)基于對流云中催化劑擴散理論建立了一個適用對流云的云中點源催化劑擴散模擬系統(tǒng)，討論了催化劑擴散與擴散時間、風速、湍流系統(tǒng)、垂直速度等因素的關系。周毓荃和朱冰(2014)基于擴散計算的解析解，研究了催化劑擴散問題。國外對催化劑的輸送擴散研究主要采用示蹤試驗和數(shù)值模式相結(jié)合的方法，包括冬季地形云試驗(Hill,1980)、飛機示蹤試驗(Holroyd et al，1988)、示蹤物或播云物質(zhì)擴散模擬(Bruintjes et al,1988)等?？傮w來看，以上研究偏重于催化擴散的理論研究，計算模型相對簡單，有的偏重于對流云，有的偏重于層狀云，因此通用性弱，示蹤試驗又相對復雜，對人力、物力、財力要求也較高；有的模型雖然考慮了相對復雜的物理過程，但模型過于老舊，未考慮應用最新的模型發(fā)展成果。針對上述問題，文中基于近年來新發(fā)展的拉格朗日粒子擴散模式FLEXPART-WRF，通過改造使之具備飛機播云作業(yè)催化劑擴散模擬能力，并以一次播云作業(yè)為例，對催化劑擴散情況進行了模擬評估，以期為人工影響天氣催化劑擴散評估提供一種新的思路。

1 模式簡介與改造

1.1 模式簡介

WRF模式作為新一代中尺度預報模式，源程序模塊靈活高效，具有模塊化、可移植、易維護、可擴展、高效率、方便等許多特點。FLEXPART模式是由挪威大氣研究所研發(fā)的一種拉格朗日擴散模式，最初被用來研究長距離、中尺度的點源空氣污染擴散問題，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為模擬和分析大氣傳輸?shù)囊粋€重要工具，從空氣污染到大氣傳輸應用廣泛。FLEXPART模式通過計算點、線、面或體積源釋放的大量粒子的軌跡，來描述示蹤物在大氣中長距離和中尺度空間的傳輸、擴散、干濕沉降和輻射衰減等過程。FLEXPART模式經(jīng)過改造調(diào)整后可以與WRF模式進行耦合使用(FLEXPART-WRF模式)，將高時空分辨率的氣象場輸入該模式，從而大幅度提高區(qū)域擴散模擬的準確性，尤其在復雜地理環(huán)境下，可以得到更為準確的模擬結(jié)果。

1.2 模式改造

FLEXPART-WRF模式具有移植方便和計算效率、空間分辨率高等優(yōu)點，非常適合用于催化劑擴散研究，因此文中首次將其引入到此領域，并以典型催化劑AgI為例進行數(shù)值模擬。由于模式自帶的各種粒子物理化學特性參數(shù)清單文件不包括典型催化劑AgI。通過查閱文獻，在模式中設計增加AgI物理化學特性模塊，主要包括AgI粒子的降水清除系數(shù)、雨強權(quán)重、密度、平均直徑、對數(shù)正態(tài)分布標準差、干沉降速率、25 ℃條件下AgI與OH-離子反應速率等關鍵物理化學特性參數(shù)，從而使得FLEXPART-WRF模式具備AgI擴散模擬能力。

2 試驗設計

2.1 個例選取

為了檢驗改造后的FLEXPART-WRF模式對AgI擴散的模擬能力，以2015年7月30日內(nèi)蒙古中部地區(qū)的一次飛機播云作業(yè)為例開展評估。此次作業(yè)時段為04:20—06:30(北京時，下同)，播撒催化劑為AgI冷云焰條，作業(yè)高度5 700—6 000 m，作業(yè)環(huán)境溫度-8—-10 ℃，共使用冷云焰條17根(AgI含量125 g/根，燃燒時間25—30 min)，飛機作業(yè)速度保持在110 m/s左右，作業(yè)GPS軌跡如圖1所示。作業(yè)時段可劃分為5個階段，表1給出了各時間段AgI焰條用量和播撒速率。

表1 2015年7月30日飛機播云作業(yè)AgI焰條催化信息

圖1 飛機播云軌跡(B、E點分別代表播云開始和結(jié)束點的位置)

2.2 模擬設計

2.2.1 WRF模式設計

采用WRF模式V3.7.1對2015年7月30日天氣進行模擬，模式輸出資料時間間隔為1 h，采用的參數(shù)化方案為Lin微物理方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、YSU邊界層方案、Kain-Fritsch(new Eta)積云參數(shù)化方案。選取1°×1°分辨率NCEP/NCAR分析資料(間隔6 h)形成模式初始場。模式積分區(qū)域中心位于(42°N,114°E)，垂直方向30層，時間積分步長180 s，積分時間為2015年7月30日02時—31日02時。采用三重嵌套設置，分辨率分別為15 km、5 km、1.67 km，網(wǎng)格數(shù)(東西向×南北向)分別為160×130、232×181、301×301。

2.2.2 FLEXPART模式AgI源項輸入方案設計

FLEXPART模式可以處理的粒子排放源類型包括點源、線源、面源和體源四種。但除點源外，其他三種排放源都需要是規(guī)則的排放源，即排放源不論是二維還是三維，都需要為正南北向、正東西向、正垂直方向。飛機播撒方式為不規(guī)則線源，由于作業(yè)持續(xù)時間較長，可將其作為連續(xù)移動點源，每隔Δt時間播撒質(zhì)量為Qn=RΔt(R為播撒速率)的催化劑，飛機播撒點的四維精確坐標(經(jīng)度、緯度、高度、時間)來自飛機GPS實測信息。文中取Δt=5 s，共1 560個點源，每個階段AgI點源的播撒質(zhì)量可利用AgI播撒速率計算得到。

2.2.3 FLEXPART模式設計

采用WRF模式分辨率最高的第三層區(qū)域模擬輸出結(jié)果，為FLEXPART模式提供背景氣象場作為驅(qū)動。FLEXPART模式水平范圍為(40°—44°N,111°—116°E)，水平分辨率為0.01°N×0.01°E。垂直方向分為18層，高度分別為1 000、2 000、3 000、4 000、4 500、5 000、5 200、5 400、5 600、5 800、6 000、6 200、6 400、6 600、6 800、7 000、8 000、10 000 m，對作業(yè)高度上下1 000 m左右范圍進行了間隔200 m的加密輸出。

3 模擬效果分析

只有當AgI粒子濃度(CAgI)大于某一閾值(C)時，播云作業(yè)才會產(chǎn)生催化效果。在檢驗FLEXPART-WRF模式對AgI粒子擴散的模擬能力時，采用四種指標對催化范圍進行評估。1) 有效區(qū)域：CAgI大于C的范圍，表示有效作業(yè)的范圍大小；2) 有效面積：某一高度上CAgI大于C的面積，表示云中此高度有效催化作用區(qū)域的大小；3) 投影有效面積：某一時刻各高度層上有效面積在地面上的垂直投影，表示此刻催化作業(yè)在地面上形成的有效面積，是計算作業(yè)效能的一個關鍵物理量；4)有效體積：某一時刻CAgI大于C的體積，表示此刻云中有效區(qū)域的體積。

分別采用103個/m3、104個/m3作為播云作業(yè)有效、顯著有效的閾值(周毓荃和朱冰，2014)。根據(jù)焰條性能參數(shù)，取-10 °C時AgI粒子的成核率為1.8×1015個/g。在此基礎上，對有效區(qū)域模擬結(jié)果進行評估。

3.1 水平擴散態(tài)勢

圖2給出了2015年7月30日05—12時飛機作業(yè)高度AgI粒子有效區(qū)域變化。分析發(fā)現(xiàn)，在飛機作業(yè)完成30 min(07時)時，AgI粒子擴散時間還不長，其濃度范圍與圖1飛機播云軌跡基本相似，反映了模式對飛機播云作業(yè)催化劑擴散模擬能力的總體合理性。存在不一致的原因在于FLEXPART模式輸出高度為固定高度，而飛機播云的高度在5 700—6 000 m動態(tài)變化。隨著時間的推移，在風場和湍流擴散共同作用下，AgI有效催化區(qū)域逐漸向東南方向移動，范圍逐漸擴大，至10時AgI粒子傳輸擴散范圍相較于初始播云軌跡已經(jīng)產(chǎn)生了較大的變化。

圖3給出了飛機播云作業(yè)高度的風場變化。分析發(fā)現(xiàn)，05—11時，飛機作業(yè)高度區(qū)間風場保持較為穩(wěn)定的西北氣流，風向總體變化不大，風速基本維持在6—12 m/s，風場與圖2中AgI粒子的擴散規(guī)律保持了較好的一致性。除了風速外，大氣穩(wěn)定度也是決定AgI粒子擴散效果的重要指標。采用風速比法計算了6 000 m高度與5 500 m高度的大氣穩(wěn)定度，按照Pasquill穩(wěn)定度分類規(guī)則(金莉莉等，2016)，作業(yè)區(qū)域基本保值在D類中性穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖2分析還發(fā)現(xiàn)，較為穩(wěn)定的大氣導致AgI粒子即使在經(jīng)歷了較長時間擴散過程后依然維持在一個較小的擴展寬度。

圖2 2015年7月30日飛機播云作業(yè)高度AgI粒子濃度變化(單位：個/m3)

圖3 2015年7月30日飛機播云作業(yè)高度風場(單位：m/s)

3.2 催化范圍評估

3.2.1 投影有效面積

圖4給出了30日04時—31日02時投影有效催化面積變化。分析發(fā)現(xiàn)，隨著催化劑的擴散，投影有效催化面積均逐漸增大。在作業(yè)完成的30日06:30左右，有效催化面積約為2 000 km2；15時左右達到峰值，為1.5×104km2左右。在高空風作用下，隨著催化劑擴散以及主體逐漸移出模擬區(qū)域，有效面積迅速減小，30日20時左右顯著有效面積減小為0，而有效催化面積在30日20時—31日02時一直維持在6 000 km2左右。

3.2.2 各層有效面積

圖5給出了30日04時—31日02時不同高度層的有效催化面積和顯著有效催化面積變化。分析發(fā)現(xiàn)，總體而言，在播撒層上下高度層有效催化面積較大。其中，第5層面積在30日14時左右達到1.3×104km2，第6層面積在16時左右達到1×104km2，第4層面積在15—16時達到9 000 km2，第7層面積在16時左右達到5 500 km2。30日20時以后，除第1—3層以外，其他層次有效面積均為0。也就是說，圖4中30日20時之后出現(xiàn)的有效面積全是催化劑在第1—3層擴散的貢獻。顯著有效催化面積的變化與有效面積的變化相似。

圖4 飛機播云作業(yè)AgI粒子的投影有效催化面積變化

圖5 AgI粒子在不同高度層的有效催化面積(a)和顯著有效催化面積(b)變化

3.2.3 有效體積

圖6給出了30日04時—31日02時有效催化體積和顯著有效催化體積變化。分析發(fā)現(xiàn)，30日16時左右，有效催化體積和顯著有效催化體積均達到峰值，分別約為2.9×104km3和1.8×104km3；之后迅速降低，20時左右顯著有效催化體積即減小為0，而有效催化體積保持在6 000 km3左右。

圖6 飛機播云作業(yè)AgI粒子的有效催化體積變化

綜合分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次飛機播云作業(yè)AgI催化劑擴散速率較低，播云作業(yè)完成后9 h左右有效催化面積才達到最大值，而有效催化體積達到最大值的時間更晚。因此，建議在實施飛機播云作業(yè)前，應根據(jù)作業(yè)當日天氣條件和作業(yè)目的，合理設置播云作業(yè)時間，以達到最優(yōu)的作業(yè)效果。

4 小 結(jié)

文中針對人工影響天氣飛機播云作業(yè)效果評估需求，提出了一種基于拉格朗日粒子擴散模式FLEXPART-WRF的催化劑催化范圍模擬評估方法。以AgI催化劑為例，編制AgI物理化學特性參數(shù)清單文件，結(jié)合飛機播云特點和模式源項特點，將飛機不規(guī)則線性播撒方式離散化為連續(xù)移動點源播撒方式，實現(xiàn)模式對飛機播云的模擬能力。通過對一次飛機播云作業(yè)的模擬試驗，證實了模擬評估方法的可行性和有效性。同時，模擬結(jié)果表明，播云作業(yè)時間設置合理與否直接影響作業(yè)效果。此方法不僅可推廣至高炮、火箭、地面燃燒爐播云作業(yè)，還可用于指導作業(yè)實踐，考證播云方案的有效性，對于規(guī)范播云方法、減少作業(yè)盲目性、提高作業(yè)效果具有重要意義。