穩(wěn)定、中性條件風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)煙幕擴(kuò)散的影響

徐路程，肖凱濤，宋偉偉，張 奇，李慶偉

(1.軍事科學(xué)院防化研究院，北京 102205；2.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205)

煙幕是通過(guò)發(fā)煙裝備人工造成的能在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)有效遮蔽可見(jiàn)光、紅外目標(biāo)，或者有效衰減可見(jiàn)光，干擾紅外、激光、毫米波等電磁輻射的氣溶膠或類似體系[1]。煙幕通過(guò)改變光輻射大氣傳輸特性，從而掩蓋要保護(hù)的目標(biāo)，使敵方光電成像系統(tǒng)丟失目標(biāo)，或使光電制導(dǎo)系統(tǒng)降低命中精度或脫靶[2]。因較高的效費(fèi)比、主動(dòng)防護(hù)特點(diǎn)以及在對(duì)抗光電制導(dǎo)武器方面具有顯著成效，煙幕受到各國(guó)軍隊(duì)的普遍重視[3-4]。

作為一種氣溶膠體系，煙幕具有一般氣溶膠污染物跟隨大氣擴(kuò)散傳播的所有屬性，其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律同樣遵循湍流擴(kuò)散規(guī)律。黃倩等[5]認(rèn)為，決定大氣稀釋擴(kuò)散速率的最終因子是大氣運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，即風(fēng)和湍流。

很多研究都關(guān)注了風(fēng)速或包括風(fēng)速在內(nèi)的常規(guī)氣象要素對(duì)于大氣擴(kuò)散的影響。于瀟萌等[6]分析了不同風(fēng)速條件對(duì)單點(diǎn)源排放的污染物濃度時(shí)空分布、粒子抬升高度、污染物擴(kuò)散范圍產(chǎn)生的影響?？娒鏖诺萚7]分析了南通市大氣污染濃度的變化情況以及與風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、降水、相對(duì)濕度等氣象因素之間存在的關(guān)系。

也有一些研究在考慮大氣擴(kuò)散過(guò)程中同時(shí)考慮了風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的影響。大氣穩(wěn)定度是大氣邊界層和大氣環(huán)境中最重要的參數(shù)之一，可以通過(guò)氣溫的垂直分布表征，直接影響湍流活動(dòng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而影響污染物的輸送和擴(kuò)散[8-10]。實(shí)際的大氣中可能出現(xiàn)三種層結(jié)：穩(wěn)定層結(jié)、中性層結(jié)、不穩(wěn)定層結(jié)。關(guān)于大氣穩(wěn)定度的分類和判定有多種方法，包括P-T方法(帕斯奎爾-特納爾判據(jù))、ΔT法、ΔT/U法、ΔT/U2法、輻射法、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差法、SR數(shù)表示法等[1, 11-13]。其中，P-T方法是最為廣泛使用的一種方法，這種方法將大氣穩(wěn)定度劃分為A、B、C、D、E、F共6個(gè)級(jí)別。彭星煜等[14]、Mao等[15]分別采用P-T方法確定大氣穩(wěn)定度，并運(yùn)用高斯模型研究了污染物擴(kuò)散過(guò)程中受風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度影響的濃度變化趨勢(shì)和擴(kuò)散分布規(guī)律。現(xiàn)行發(fā)煙裝備評(píng)價(jià)使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中以SR數(shù)作為穩(wěn)定度判據(jù)，這種方法以4 m高度溫度與0.5 m高度溫度的差值和2 m高度風(fēng)速的平方的比值來(lái)表示，并以此為依據(jù)換算為P-T方法的穩(wěn)定度等級(jí)[1,3,13]。

但有研究[5]認(rèn)為，在大致相同的宏觀氣象條件(如類似的風(fēng)速和氣溫條件)下，湍流的性質(zhì)可以有相當(dāng)大的差異，僅根據(jù)宏觀氣象條件來(lái)劃分并使用穩(wěn)定度級(jí)別是過(guò)于粗糙的。因此，有必要考慮相同穩(wěn)定度等級(jí)中由湍流帶來(lái)的擴(kuò)散差別。

經(jīng)驗(yàn)表明，穩(wěn)定和中性條件對(duì)于形成穩(wěn)定、有效遮蔽長(zhǎng)度大的地面遮蔽煙幕比較有利[1,16-17]。因此，現(xiàn)通過(guò)穩(wěn)定和中性條件下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，了解湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)——風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度類別的關(guān)系，并用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算煙幕擴(kuò)散效果，探究不同風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)于擴(kuò)散的影響程度，這方面工作還不多見(jiàn)，但對(duì)于發(fā)煙裝備評(píng)價(jià)和使用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及觀測(cè)儀器

2019年8月19日—9月2日，在內(nèi)蒙古興安盟科爾沁右翼前旗(北緯46°01′,東經(jīng)122°30′)開(kāi)展了近地層氣象觀測(cè)，使用的氣象傳感器為兩臺(tái)芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的HMP155A溫度相對(duì)濕度傳感器和一臺(tái)美國(guó)Campbell公司生產(chǎn)的CSAT3三維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器，通過(guò)美國(guó)Campbell公司生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。兩臺(tái)溫度相對(duì)濕度傳感器分別架設(shè)在4 m和0.5 m高度，采樣頻率為1 Hz。三維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器架設(shè)在2 m高度，采樣頻率為10 Hz。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

為獲得穩(wěn)定和中性條件下的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)一般選擇在無(wú)雨的傍晚至凌晨進(jìn)行氣象觀測(cè)，以10 min為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期，共獲得了197個(gè)統(tǒng)計(jì)周期的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3 穩(wěn)定度分類判據(jù)SR數(shù)

如前所述，發(fā)煙裝備試驗(yàn)和作用空間范圍較小，常采用SR數(shù)表示法判斷大氣穩(wěn)定度[1,13]。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，可以通過(guò)式(1)計(jì)算每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的SR數(shù)[1,13]，并參照表1確定穩(wěn)定度類別。

表1 SR數(shù)表示法和P-T(帕斯奎爾-特納爾)判據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]

(1)

1.4 煙幕大氣擴(kuò)散及有效遮蔽區(qū)域計(jì)算

文獻(xiàn)[3,20]認(rèn)為，高斯煙羽模式適用于戰(zhàn)場(chǎng)煙幕使用的濃度計(jì)算與預(yù)測(cè)。坐標(biāo)系設(shè)定如圖1所示，x+方向與平均風(fēng)速方向一致，z+方向豎直向上，y+方向由右手定則確定。對(duì)于有界的情況，高斯煙羽模式[8]可以表示為

圖1 坐標(biāo)系示意圖

(2)

式(2)中：Q為點(diǎn)源源強(qiáng)，g/s；H為源高，m；σy、σz為y方向和z方向上的大氣擴(kuò)散參數(shù)，m。

當(dāng)從橫風(fēng)方向觀察時(shí)，即沿y軸方向觀察時(shí)，對(duì)高斯煙羽模式在y方向積分可得

(3)

當(dāng)給定煙幕的遮蔽質(zhì)量Mb時(shí)，即可用此值為閾值繪制式(3)的等值線，等值線包圍區(qū)域即為有效遮蔽區(qū)域，進(jìn)而可以求得有效遮蔽區(qū)域的長(zhǎng)度、高度和面積。

在試驗(yàn)已經(jīng)得到σw的前提下，大氣擴(kuò)散參數(shù)σz可以通過(guò)擴(kuò)散函數(shù)法求得。在均勻定常條件下，粒子位移的總體平均由泰勒公式[8]表述為

σy=σvTf1(T/Ty)

(4)

σz=σwTf2(T/Tz)

(5)

式中：T為擴(kuò)散時(shí)間，s；Ty為y方向的拉格朗日湍流時(shí)間尺度，s；Tz為z方向的拉格朗日湍流時(shí)間尺度，s；f1、f2為普適函數(shù)，形式采用計(jì)算精度較好的Draxler經(jīng)驗(yàn)公式[21]，函數(shù)形式為

f1(T/Ty)=1.0/[1+0.9(T/Ty)0.5]

(6)

f2(T/Tz)=1.0/[1+0.9(T/Tz)0.5]

(7)

穩(wěn)定條件下，Ty取為300 s，Tz取為50 s；中性條件下，Ty取為300 s，Tz取為100 s[21]。使用的源項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2 源項(xiàng)參數(shù)

霧油煙幕對(duì)可見(jiàn)光的遮蔽質(zhì)量Mb為0.88 g/m2[1]。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差分析

按照表1對(duì)穩(wěn)定度的判定規(guī)則，經(jīng)計(jì)算SR數(shù)，197個(gè)統(tǒng)計(jì)周期可以分為D類(3次)、E類(37次)、F類(157次)。D、E、F穩(wěn)定度條件下，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差σu、σv、σw與SR數(shù)和平均風(fēng)速的關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖2 D、E、F穩(wěn)定度條件下各風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差與SR數(shù)的關(guān)系

圖3 D、E、F穩(wěn)定度條件下各風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差與平均風(fēng)速的關(guān)系

從圖2中可以看出：總體上，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差隨著穩(wěn)定度的增強(qiáng)有顯著的下降趨勢(shì)，但不同的穩(wěn)定度條件下，風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差分布區(qū)間有重疊，如表3所示。3種穩(wěn)定度條件下，基本都表現(xiàn)出σu>σv>σw的趨勢(shì)。

表3 不同穩(wěn)定度條件下風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差的分布區(qū)間

從圖3中可以看出：整體上看，相對(duì)穩(wěn)定的穩(wěn)定度分類中平均風(fēng)速和3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差較小，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差隨著平均風(fēng)速的增大而增大的趨勢(shì)比較明顯。即使在相同的穩(wěn)定度類別和近似的平均風(fēng)速條件下，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差不是單一對(duì)應(yīng)的，而是存在一個(gè)分布范圍，以F類穩(wěn)定度、平均風(fēng)速為2 m/s左右[(2±0.05)m/s]為例，3個(gè)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的分布范圍分別為[0.093,0.436]、[0.083,0.352]、[0.022,0.199]m/s，上下限分別相差4.7、4.2、9倍。

2.2 煙幕有效遮蔽區(qū)域分析

從圖4中可以看出，平均風(fēng)速和w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw對(duì)于煙幕的有效遮蔽區(qū)域的長(zhǎng)度、高度、面積有明顯的影響。從圖4(a)和圖4(d)可以發(fā)現(xiàn)，有效遮蔽區(qū)域高度與平均風(fēng)速之間，有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度與w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw之間分別近似為單調(diào)關(guān)系：隨著平均風(fēng)速增加，有效遮蔽區(qū)域高度減小，隨著w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw增加，有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度減小。而有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度與平均風(fēng)速之間，有效遮蔽區(qū)域高度與w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw之間的關(guān)系不明顯。這說(shuō)明煙幕有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度的主導(dǎo)因素為w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw，煙幕有效遮蔽區(qū)域高度的主導(dǎo)因素為平均風(fēng)速，而煙幕有效遮蔽區(qū)域的面積受到平均風(fēng)速和w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw的綜合影響。進(jìn)一步的，可以進(jìn)行定量分析：對(duì)于平均風(fēng)速為2 m/s左右[(2±0.05)m/s]的情況，煙幕有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度的分布區(qū)間為[69.66,1 725.38]m，有效遮蔽區(qū)域高度的分布區(qū)間為[3.37,3.41]m，有效遮蔽區(qū)域面積的分布區(qū)間為[79.17,1 724.12]m2，這說(shuō)明在風(fēng)速一定的情況下，有效遮蔽區(qū)域的高度基本穩(wěn)定，而由于風(fēng)速脈動(dòng)的程度不同，有效遮蔽區(qū)域的長(zhǎng)度和面積的最大，最小值可能相差20倍。對(duì)于其他的平均風(fēng)速，有效遮蔽區(qū)域的長(zhǎng)度、面積的最大，最小值可能相差上百倍?；谝陨戏治?，在發(fā)煙裝備評(píng)價(jià)和使用過(guò)程中，僅以平均風(fēng)速和穩(wěn)定度類別作為氣象參數(shù)要求是不夠的，同樣的平均風(fēng)速和穩(wěn)定度類別條件下，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差有一定的分布范圍，而這樣的分布會(huì)導(dǎo)致煙幕有效遮蔽的區(qū)域產(chǎn)生量級(jí)上的變化。因此, 在發(fā)煙裝備評(píng)價(jià)和使用過(guò)程中，測(cè)定并參考風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差是很有必要的。

圖4 D、E、F穩(wěn)定度條件下平均風(fēng)速、w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw與有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度、高度、面積的關(guān)系

3 結(jié)論

分析了2019年8月19日—9月2日穩(wěn)定和中性條件下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了3個(gè)方向風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度分類判據(jù)SR數(shù)及平均風(fēng)速之間的關(guān)系，運(yùn)用高斯煙羽模式結(jié)合實(shí)測(cè)平均風(fēng)速和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算了煙幕在大氣中的擴(kuò)散效果，分析了平均風(fēng)速和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)煙幕有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度、高度、面積的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差隨著穩(wěn)定度的增強(qiáng)有顯著的下降趨勢(shì)，但即使在相同的穩(wěn)定度類別和近似的平均風(fēng)速條件下，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差不是單一對(duì)應(yīng)的，而是存在一個(gè)分布范圍。

(2)觀測(cè)期內(nèi)，相對(duì)穩(wěn)定的穩(wěn)定度分類中平均風(fēng)速和3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差較小，3個(gè)風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差隨著平均風(fēng)速的增大而增大的趨勢(shì)比較明顯。

(3)煙幕有效遮蔽區(qū)域長(zhǎng)度的主導(dǎo)因素為w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw，煙幕有效遮蔽區(qū)域高度的主導(dǎo)因素為平均風(fēng)速，煙幕有效遮蔽區(qū)域的面積受到平均風(fēng)速和w風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σw的綜合影響。

(4)同樣的平均風(fēng)速和穩(wěn)定度類別條件下，由于風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差有一定的分布范圍，會(huì)導(dǎo)致煙幕有效遮蔽區(qū)域產(chǎn)生量級(jí)上的變化，這說(shuō)明在發(fā)煙裝備評(píng)價(jià)和使用過(guò)程中，僅以平均風(fēng)速和穩(wěn)定度類別作為氣象參數(shù)要求是不夠的，測(cè)定并參考風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)于煙幕評(píng)價(jià)和使用將有所裨益。