催化劑擴散軌跡在人工影響天氣中的試驗研究

李旭+徐戈+王超群+王旗+于翠紅

摘要：為了研究催化劑擴散在人工影響天氣中的應用，本文選取了吉林省2014年春季四次飛機增雨作業個例，模擬研究了不同溫度、風速條件下播撒催化劑AgI的擴散軌跡，得出了以下結論：催化劑AgI的擴散軌跡隨溫度的升高，水平擴散運行的距離減小，作業后維持時間減短;催化劑AgI的擴散軌跡隨風速的增大，水平擴散運行的距離增大，作業后維持時間增長。

關鍵詞：催化劑;擴散軌跡;人工影響天氣

中圖分類號： ?P481 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號： ? 10.14025/j.cnki.jlny.2016.24.078

近年來暴雨、干旱、大風、大霧和霜凍等天氣事件頻繁出現，嚴重影響了人們的生產生活及社會的經濟發展，所以人工影響天氣技術的進一步提高有著重要的社會意義。人工影響天氣試驗作為人工影響天氣研究的重要手段之一，愈來愈引起科學家們的關注和重視。我國在人工影響天氣領域取得了很多的研究成果，并已經將越來越多的科學成果應用到了實際的業務運行之中。催化劑擴散軌跡的研究成果在人工影響天氣的作業實施中有著非常重要的作用，它不僅能時刻跟蹤催化劑的擴散范圍，而且能避免區域的重復作業，使催化劑在作業潛力區最大限度的發揮作用，為人工影響天氣作業提供科學的理論依據。然而，目前我國有關人工影響天氣催化劑擴散軌跡試驗的研究還相對較少。因此，進一步深入研究催化劑擴散軌跡的相關理論有著迫切的需要和重要的意義。

1系統運行業務化的實現

系統運行將與增雨作業相結合，增雨作業時，在播撒高度上輸入AgI播撒量及大氣溫度、風速等擴散參數，計算機便實時顯示出它擴散的時空分布和變化規律。即讓實時了解增雨落區大致范圍，以便于地面雨量結合起來進行增雨效果分析。

2系統輸出的內容

通過菜單選項可隨意調看該模式及分析個例的輸出結果，即AgI運行軌跡時的時空分布和變化規律可實時顯現出來。結合作業層宏觀條件，在不同高度、不同溫度和風速條件下運行該模式。

3模式介紹

本文所采用的模式中假設在相對穩定、大氣為各向同性的層狀云中進行飛機增雨作業試驗，即假設層狀云中為均勻平直的定常流場。同時，假設模式中的風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面的垂直擴散。為了保證催化劑的擴散沿著X-Y面即主導風方向，飛機在增雨作業時沿著垂直于高空播撒層主導風向的方向播撒催化劑。模式中將增雨飛機開始作業的位置取作坐標原點，平均風的方向為X軸，增雨飛機的作業方向為Y軸。因此，本研究考慮在與主導風方向一致的情況下，催化劑的輸送擴散問題，從而確保催化劑在水平方向的擴散達到最遠，可以通過催化劑在水平方向的輸送距離來確定飛機增雨的區域。

假設為自由大氣，則梯度輸送理論擴散方程為：

即：

其中，q表示擴散物質的濃度，單位為個/L;u、v和w分別表示風速在x軸、y軸及z軸上的分風速，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，令kx=ky=kz=kz（各向同性），單位為m2/s;t為時間，單位為min;w為因催化劑自身具有質量而產生的下沉速度，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/cm3;a表示云滴的捕獲系數;B代表催化劑質點之間的閉合系數。根據文獻[1]，本研究中不考慮混合物之間質點的并和作用。

由于層狀云中v和w一般非常的小（若干厘米每秒），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，■

z=0時，q=0

■時，q=0

式中Q為單位點源核生成率。這樣得單位點源濃度擴散方程為：

由于線源是點源在播撒線上濃度的積分，得到層狀云線源擴散公示為：

其中，QL表示單位線源的核生成率，單位為個/m。

4個例分析及結論

本研究中選取了2014年春季四次飛機增雨作業個例進行研究，分別對四次增雨作業中的催化劑AgI的擴散軌跡進行模擬計算。

第一個個例選取2014年5月2日的一次飛行作業過程，作業溫度為T=-5.2℃，風速為u=11千米/時，作業高度為H=3000米，AgI用量為500克，播云時間為90分鐘，這時它的線源生成率為6.67 108個/米，見表1。模擬結果見圖1，單位為個/升。

表1 2014年5月2日催化劑擴散分布

第二個個例選取2014年5月10日的一次飛行作業過程，作業溫度為T=-3℃，風速為u=100千米/時，作業高度為H=4200米，AgI用量為500克，播云時間為90分鐘，這時它的線源生成率為6.67 108個/米，見表2。模擬結果見圖2，單位為個/升。

表2 2014年5月10日催化劑擴散分布

第三個個例選取2014年5月11日的一次飛行作業過程，作業溫度為T=-9℃，風速為u=21千米/時，作業高度為H=3500米，AgI用量為500克，播云時間為90分鐘，這時它的線源生成率為6.67 109個/米，見表3。模擬結果見圖3，單位為個/升。

表3 ?2014年5月11日催化劑擴散分布

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

表4 2014年5月12日催化劑擴散分布

在計算過程中，我們根據文獻[1][2]假設Nc、a和k均為常數。由表可知：

根據個例1的研究結果，如圖1所示，當飛機增雨作業溫度大于-7℃且風速較小時，催化劑AgI的水平擴散距離較近，同時作業后在X-Y面運行時間較短（這時，在X-Z面或Y-Z面運行擴散的范圍較大，以后我們再繼續研究討論它）。

根據個例2的研究結果，如圖2所示，當飛機增雨作業溫度大于-7℃且風速較大時，催化劑AgI的水平擴散距離同樣相對較近，但大于個例1中催化劑的水平擴散距離，同樣作業后在X-Y面運行時間較短。

因此，根據以上兩個個例的分析討論，可以得出在飛機增雨作業中，如果進行蛇形播撒作業，應該使播撒的間距相對近一些。例如，在2014年5月2日的飛機增雨作業中，在播云6min后，云中AgI成冰核的數量在2.5公里以外增加小于5個/升。

根據個例3的研究結果，如圖3所示，當飛機增雨作業溫度小于-8℃且風速較小時，催化劑AgI的水平擴散距離相對較遠，而且作業后在X-Y面維持的時間也相對比較長。

根據個例4的研究結果，如圖4所示，當飛機增雨作業溫度小于-8℃且風速較大時，催化劑AgI順風向的水平擴散距離很遠，而且作業后在X-Y面維持的時間也比較長。因此，在飛機增雨作業中進行蛇形播撒作業時，應該使催化劑的播撒間距加寬。

同時，在模式的試驗研究中還發現，當溫度、風速等條件不變的情況下，催化劑AgI的擴散軌跡隨著湍流系數k的增大，衰減加快，且順風向的水平擴散范圍則減小（圖略）。

本研究中模擬的催化劑播撒軌跡與實際飛機增雨作業飛行軌跡相一致，因此，本研究中通過考慮催化劑的擴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增雨作業的效果，在增雨作業潛力區最大限度的挖掘增雨潛力，從而避免了作業區域的重復作業，使人工增雨作業更科學有效，為抗旱增產做出更大貢獻。

參考文獻

[1]申億銘.云中催化劑的擴散[M].北京：氣象出版社，1994.

[2]黃美元，徐華英.云和降水物理.科學出版社，2001.

[3]桑建國，溫市耕.大氣擴散的數值計算[M].北京：氣象出版社，1992.

[4]周秀驥，等.高等大氣物理學[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合開放實驗室，中級工程師，研究方向：人工影響天氣。