粵西四會防雹作業催化劑常用量的估算

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

關鍵詞：冰雹云；冰核；播撒量；催化劑

中圖分類號 P482 文獻標識碼 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月當有西風槽過境與西南暖濕氣流相遇時，強烈發展的雷雨云往往易產生降雹天氣。

1 冰雹云簡介

冰雹云的雹源區主要在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的大小，也可借用實時雷達回波圖測算出大于45dBz的雷達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Kartsivedge和Sinclair的冰雹“競爭”估算法，大約需要nb=104個人工冰晶產生一個雹胚[2]，而四會山區常發的落地冰雹直徑一般不會超過3cm，當地面溫度為25℃、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100。

綜合上述各項，每m3的冰核播撒數eb=n′·nb=106n，則對一個1km3的冰雹形成區，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，從而達到減災的目的。一般冰雹的雹胚源區的溫度范圍在-30～0℃，而冰雹發生的機率往往是山區多于平原。粵西市縣山區和平原的面積各占1/2，肇慶四會的總面積有1 257.6km2，山地面積至少有600km2，假設在5月某天全市出現強對流天氣，需要對其中占1/2面積的山區進行人工防雹，則總的雹胚源區體積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，但較高成核率的優勢確定了它們的優先選取地位。RY6300型火箭采用的是自燃播撒方式，箭體在云中完成作業任務后需通過落傘方式降回地面，這對地面上的人畜產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工具。

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

3 結語

經以上論證，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害，如此少量的AgI水溶解質落地后對江河水質的影響幾乎微乎其微，經濟又環保。防雹作業時可根據雷達圖像特征，對準冰雹云主氣流上升區發射BL-1型火箭，使炸點周圍形成一個等壓場，其在100m范圍內可把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的成雹風速，就能有效抑制冰雹的增長。

參考文獻

[1]熊偉，周明飛，周永水，等.雷達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減災中的作用[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計—對流云物理與防雹增雨[M].北京：氣象出版社，2006：270-274.

（責編：徐世紅）