穩定、中性條件風速標準差對煙幕擴散的影響

徐路程，肖凱濤，宋偉偉，張 奇，李慶偉

(1.軍事科學院防化研究院，北京 102205；2.國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205)

煙幕是通過發煙裝備人工造成的能在一定時間和空間范圍內有效遮蔽可見光、紅外目標，或者有效衰減可見光，干擾紅外、激光、毫米波等電磁輻射的氣溶膠或類似體系[1]。煙幕通過改變光輻射大氣傳輸特性，從而掩蓋要保護的目標，使敵方光電成像系統丟失目標，或使光電制導系統降低命中精度或脫靶[2]。因較高的效費比、主動防護特點以及在對抗光電制導武器方面具有顯著成效，煙幕受到各國軍隊的普遍重視[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散傳播的所有屬性，其運動變化規律同樣遵循湍流擴散規律。黃倩等[5]認為，決定大氣稀釋擴散速率的最終因子是大氣運動的性質，即風和湍流。

很多研究都關注了風速或包括風速在內的常規氣象要素對于大氣擴散的影響。于瀟萌等[6]分析了不同風速條件對單點源排放的污染物濃度時空分布、粒子抬升高度、污染物擴散范圍產生的影響。繆明榕等[7]分析了南通市大氣污染濃度的變化情況以及與風速、風向、氣溫、氣壓、降水、相對濕度等氣象因素之間存在的關系。

也有一些研究在考慮大氣擴散過程中同時考慮了風速和大氣穩定度的影響。大氣穩定度是大氣邊界層和大氣環境中最重要的參數之一，可以通過氣溫的垂直分布表征，直接影響湍流活動的強弱，進而影響污染物的輸送和擴散[8-10]。實際的大氣中可能出現三種層結：穩定層結、中性層結、不穩定層結。關于大氣穩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)、ΔT法、ΔT/U法、ΔT/U2法、輻射法、風向標準差法、SR數表示法等[1, 11-13]。其中，P-T方法是最為廣泛使用的一種方法，這種方法將大氣穩定度劃分為A、B、C、D、E、F共6個級別。彭星煜等[14]、Mao等[15]分別采用P-T方法確定大氣穩定度，并運用高斯模型研究了污染物擴散過程中受風速和大氣穩定度影響的濃度變化趨勢和擴散分布規律。現行發煙裝備評價使用的相關標準中以SR數作為穩定度判據，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高度風速的平方的比值來表示，并以此為依據換算為P-T方法的穩定度等級[1,3,13]。

但有研究[5]認為，在大致相同的宏觀氣象條件(如類似的風速和氣溫條件)下，湍流的性質可以有相當大的差異，僅根據宏觀氣象條件來劃分并使用穩定度級別是過于粗糙的。因此，有必要考慮相同穩定度等級中由湍流帶來的擴散差別。

經驗表明，穩定和中性條件對于形成穩定、有效遮蔽長度大的地面遮蔽煙幕比較有利[1,16-17]。因此，現通過穩定和中性條件下現場觀測，了解湍流觀測數據——風速標準差與穩定度類別的關系，并用現場觀測數據計算煙幕擴散效果，探究不同風速標準差對于擴散的影響程度，這方面工作還不多見，但對于發煙裝備評價和使用具有很強的現實意義。

1 資料與方法

1.1 試驗場地及觀測儀器

2019年8月19日—9月2日，在內蒙古興安盟科爾沁右翼前旗(北緯46°01′,東經122°30′)開展了近地層氣象觀測，使用的氣象傳感器為兩臺芬蘭Vaisala公司生產的HMP155A溫度相對濕度傳感器和一臺美國Campbell公司生產的CSAT3三維超聲風速風向傳感器，通過美國Campbell公司生產的CR1000數據采集器進行數據采集。兩臺溫度相對濕度傳感器分別架設在4 m和0.5 m高度，采樣頻率為1 Hz。三維超聲風速風向傳感器架設在2 m高度，采樣頻率為10 Hz。

1.2 數據預處理方法

為獲得穩定和中性條件下的數據，試驗一般選擇在無雨的傍晚至凌晨進行氣象觀測，以10 min為一個統計周期，共獲得了197個統計周期的觀測數據。

1.3 穩定度分類判據SR數

如前所述，發煙裝備試驗和作用空間范圍較小，常采用SR數表示法判斷大氣穩定度[1,13]。對采集數據進行預處理后，可以通過式(1)計算每個統計周期內的SR數[1,13]，并參照表1確定穩定度類別。

表1 SR數表示法和P-T(帕斯奎爾-特納爾)判據的對應關系[1]

(1)

1.4 煙幕大氣擴散及有效遮蔽區域計算

文獻[3,20]認為，高斯煙羽模式適用于戰場煙幕使用的濃度計算與預測。坐標系設定如圖1所示，x+方向與平均風速方向一致，z+方向豎直向上，y+方向由右手定則確定。對于有界的情況，高斯煙羽模式[8]可以表示為

圖1 坐標系示意圖

(2)

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

當從橫風方向觀察時，即沿y軸方向觀察時，對高斯煙羽模式在y方向積分可得

(3)

當給定煙幕的遮蔽質量Mb時，即可用此值為閾值繪制式(3)的等值線，等值線包圍區域即為有效遮蔽區域，進而可以求得有效遮蔽區域的長度、高度和面積。

在試驗已經得到σw的前提下，大氣擴散參數σz可以通過擴散函數法求得。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為擴散時間，s；Ty為y方向的拉格朗日湍流時間尺度，s；Tz為z方向的拉格朗日湍流時間尺度，s；f1、f2為普適函數，形式采用計算精度較好的Draxler經驗公式[21]，函數形式為

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]。使用的源項參數如表2所示。

表2 源項參數

霧油煙幕對可見光的遮蔽質量Mb為0.88 g/m2[1]。

2 結果與討論

2.1 風速分量標準差分析

按照表1對穩定度的判定規則，經計算SR數，197個統計周期可以分為D類(3次)、E類(37次)、F類(157次)。D、E、F穩定度條件下，3個風速分量標準差σu、σv、σw與SR數和平均風速的關系如圖2和圖3所示。

圖2 D、E、F穩定度條件下各風速分量標準差與SR數的關系

圖3 D、E、F穩定度條件下各風速分量標準差與平均風速的關系

從圖2中可以看出：總體上，3個風速分量標準差隨著穩定度的增強有顯著的下降趨勢，但不同的穩定度條件下，風速分量標準差分布區間有重疊，如表3所示。3種穩定度條件下，基本都表現出σu>σv>σw的趨勢。

表3 不同穩定度條件下風速分量標準差的分布區間

從圖3中可以看出：整體上看，相對穩定的穩定度分類中平均風速和3個風速分量標準差較小，3個風速分量標準差隨著平均風速的增大而增大的趨勢比較明顯。即使在相同的穩定度類別和近似的平均風速條件下，3個風速分量標準差不是單一對應的，而是存在一個分布范圍，以F類穩定度、平均風速為2 m/s左右[(2±0.05)m/s]為例，3個風速標準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 煙幕有效遮蔽區域分析

從圖4中可以看出，平均風速和w風速標準差σw對于煙幕的有效遮蔽區域的長度、高度、面積有明顯的影響。從圖4(a)和圖4(d)可以發現，有效遮蔽區域高度與平均風速之間，有效遮蔽區域長度與w風速標準差σw之間分別近似為單調關系：隨著平均風速增加，有效遮蔽區域高度減小，隨著w風速標準差σw增加，有效遮蔽區域長度減小。而有效遮蔽區域長度與平均風速之間，有效遮蔽區域高度與w風速標準差σw之間的關系不明顯。這說明煙幕有效遮蔽區域長度的主導因素為w風速標準差σw，煙幕有效遮蔽區域高度的主導因素為平均風速，而煙幕有效遮蔽區域的面積受到平均風速和w風速標準差σw的綜合影響。進一步的，可以進行定量分析：對于平均風速為2 m/s左右[(2±0.05)m/s]的情況，煙幕有效遮蔽區域長度的分布區間為[69.66,1 725.38]m，有效遮蔽區域高度的分布區間為[3.37,3.41]m，有效遮蔽區域面積的分布區間為[79.17,1 724.12]m2，這說明在風速一定的情況下，有效遮蔽區域的高度基本穩定，而由于風速脈動的程度不同，有效遮蔽區域的長度和面積的最大，最小值可能相差20倍。對于其他的平均風速，有效遮蔽區域的長度、面積的最大，最小值可能相差上百倍。基于以上分析，在發煙裝備評價和使用過程中，僅以平均風速和穩定度類別作為氣象參數要求是不夠的，同樣的平均風速和穩定度類別條件下，風速標準差有一定的分布范圍，而這樣的分布會導致煙幕有效遮蔽的區域產生量級上的變化。因此, 在發煙裝備評價和使用過程中，測定并參考風速標準差是很有必要的。

圖4 D、E、F穩定度條件下平均風速、w風速標準差σw與有效遮蔽區域長度、高度、面積的關系

3 結論

分析了2019年8月19日—9月2日穩定和中性條件下現場觀測數據，研究了3個方向風速分量標準差與穩定度分類判據SR數及平均風速之間的關系，運用高斯煙羽模式結合實測平均風速和風速標準差計算了煙幕在大氣中的擴散效果，分析了平均風速和風速標準差對煙幕有效遮蔽區域長度、高度、面積的影響規律，得到以下結論。

(1)觀測數據顯示，3個風速分量標準差隨著穩定度的增強有顯著的下降趨勢，但即使在相同的穩定度類別和近似的平均風速條件下，3個風速分量標準差不是單一對應的，而是存在一個分布范圍。

(2)觀測期內，相對穩定的穩定度分類中平均風速和3個風速分量標準差較小，3個風速分量標準差隨著平均風速的增大而增大的趨勢比較明顯。

(3)煙幕有效遮蔽區域長度的主導因素為w風速標準差σw，煙幕有效遮蔽區域高度的主導因素為平均風速，煙幕有效遮蔽區域的面積受到平均風速和w風速標準差σw的綜合影響。

(4)同樣的平均風速和穩定度類別條件下，由于風速標準差有一定的分布范圍，會導致煙幕有效遮蔽區域產生量級上的變化，這說明在發煙裝備評價和使用過程中，僅以平均風速和穩定度類別作為氣象參數要求是不夠的，測定并參考風速標準差對于煙幕評價和使用將有所裨益。