周亞麗 江召兵 彭軼群

摘要：霧霾與霧雖產(chǎn)生的原因及危害性不同，但人工驅(qū)散霧氣的方法可對(duì)消除已產(chǎn)生的霧霾提供啟示。本文提出了一種利用逆溫層的特性和破壞逆溫層的方法消除已產(chǎn)生的霧霾，采用WRF模式系統(tǒng)構(gòu)建氣象模型，分別進(jìn)行控制試驗(yàn)、敏感性試驗(yàn)。多點(diǎn)高速電風(fēng)扇組合布置后所產(chǎn)生的氣流，能夠?qū)χ苓呡^大范圍的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，增加近地層溫度和降低濕度，使空氣上下對(duì)流起來(lái)，從而達(dá)到除霧的效果。

Abstract： Although the causes and harmfulness of smog and fog are different， the method of artificially dispersing fog can provide an inspiration for eliminating the smog that has already occurred. In this paper， a method of using the characteristics of the inversion layer and destroying the inversion layer to eliminate the generated haze is proposed. The WRF model system is used to construct the meteorological model， and the control test and sensitivity test are respectively carried out. The airflow generated by the combination of the multi-point high-speed electric fan can strongly disturb the surrounding air and increase the temperature of the near-surface layer and reduce the humidity， so that the air convects up and down， thereby achieving the effect of defogging.

關(guān)鍵詞：消減霧霾;控制試驗(yàn);敏感性試驗(yàn)

Key words：mitigation of smog;control test;sensitivity test

中圖分類(lèi)號(hào)：P48 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0256-04

0 ?引言

霧霾給人們的正常生活、出行造成了一定的影響，甚至還威脅到了人們的生命健康[1]。霧霾形成的原因?qū)嵸|(zhì)是靜穩(wěn)天氣下空氣中集聚了足夠濃度的污染物。由于空氣在水平和垂直方向幾乎靜止，導(dǎo)致由氮氧化物、二氧化硫、灰塵、有機(jī)碳?xì)浠衔锏确撬晌锪Ｗ咏M成的氣溶膠系統(tǒng)與水霧結(jié)合在一起形成的霧霾無(wú)法擴(kuò)散。

近幾年來(lái)，國(guó)外對(duì)霧霾的研究主要側(cè)重于探討霧霾成因問(wèn)題，國(guó)內(nèi)則側(cè)重于治理路徑與模式的研究。霧霾治理方法可概括為減少污染物的排放量，對(duì)如何消減已產(chǎn)生的霧霾研究較少[2]。

國(guó)慶50年閱兵時(shí)，我國(guó)就成功應(yīng)用了在跑道上部署噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)水平噴氣，以此來(lái)吹散霧氣。美國(guó)也曾在加利福利亞的特拉維斯空軍基地飛機(jī)跑道上成功地將能見(jiàn)度從300英尺增加到了0.5英里。這些研究和應(yīng)用給人工驅(qū)散已產(chǎn)生的霧霾提供了啟發(fā)，因?yàn)殪F霾的物理性質(zhì)和霧很相近。

1 ?人工氣流生成與部署系統(tǒng)

采用高速電風(fēng)扇，在地面布置多臺(tái)電風(fēng)扇，向上噴射，在電風(fēng)扇上部形成氣流上升區(qū)，氣流上升區(qū)外圍的空氣下降，形成氣流下降區(qū)，多臺(tái)電風(fēng)扇分布呈矩形布局并產(chǎn)生垂直向上的持續(xù)射流，使氣流上升區(qū)和氣流下降區(qū)的直徑范圍為3～5公里，如圖1所示。

經(jīng)過(guò)理論建模測(cè)算和風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，這些高速電風(fēng)扇的功率、產(chǎn)生氣流的速度等性能參數(shù)可以達(dá)到吹散逆溫層的強(qiáng)度。而且能夠部署在平板車(chē)上，形成獨(dú)立的可遠(yuǎn)程控制的移動(dòng)式系統(tǒng)。在使用時(shí)，必須根據(jù)霧霾形成的實(shí)際氣象情況，在不同區(qū)域靈活遷移與部署，才能達(dá)到最大化干擾逆溫層的效果。

2 ?射流建模與分析系統(tǒng)

通過(guò)射流建模分析，發(fā)現(xiàn)按照分布式矩形部署高速電風(fēng)扇（16個(gè)高速電風(fēng)扇），其影響范圍投射到3km高空，可達(dá)到5km×5km范圍，相隔兩個(gè)高速電風(fēng)扇的間距為1公里左右，如圖2所示。

3 ?控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)研究

基于2017年西南地區(qū)的歷史氣象數(shù)據(jù)，采用WRF（Weather Research Forecast）模式系統(tǒng)構(gòu)建氣象模型，分別進(jìn)行控制試驗(yàn)、敏感性試驗(yàn)。選取區(qū)域的范圍：以高速電風(fēng)扇所在位置為中心，5平方公里、3千米高的向上垂直運(yùn)動(dòng)氣柱（簡(jiǎn)稱(chēng)5×5×3）。通過(guò)引入一個(gè)擾動(dòng)點(diǎn)，模擬計(jì)算瞬間的氣流擾動(dòng)能夠?qū)?×5×3區(qū)域內(nèi)的空氣流造成的影響。

利用T511數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品，作為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)背景場(chǎng)，模擬石家莊附近區(qū)域2017年1月15日12時(shí)（UTC）的24小時(shí)天氣形勢(shì)，格點(diǎn)數(shù)分別為331×301，水平分辨率為5km，垂直方向71層。

3.1 試驗(yàn)情況

模式的水平分辨率為5km，東西方向的格點(diǎn)數(shù)為331，南北方向格點(diǎn)數(shù)為301，采用蘭伯特投影，投影中心點(diǎn)位于106.747E和31.540N，模式積分步長(zhǎng)為15秒，模式間隔30分鐘輸出一次。

試驗(yàn)分為控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)，控制試驗(yàn)就是不對(duì)模式初始場(chǎng)大氣狀態(tài)等進(jìn)行調(diào)整，敏感性試驗(yàn)就是在T511模式基礎(chǔ)上，修改石家莊附近區(qū)域（約5平方公里）大氣東西向風(fēng)U、南北向風(fēng)V、垂直速度W和地面氣壓PSFC，模擬利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行5平方公里大氣的垂直輸送。兩個(gè)試驗(yàn)采用相同的參數(shù)化方案。需要指出的是，敏感性試驗(yàn)僅考慮了初始時(shí)刻的航空發(fā)動(dòng)機(jī)向上大氣輸送效果，沒(méi)有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)向上輸送大氣的效果。

在敏感性試驗(yàn)中，按照發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口的大氣射流速度修改（148，134）所在點(diǎn)的垂直速度;將（148，134）所在點(diǎn)的地表氣壓減去200Pa，修改（148，134）所在點(diǎn)周?chē)?格點(diǎn)的東西方向風(fēng)U和南北方向風(fēng)V廓線，各層的U和V，風(fēng)向同上圖的設(shè)置，風(fēng)速大小為W的1/4，通過(guò)上述方法，在敏感性試驗(yàn)中，將發(fā)動(dòng)機(jī)垂直尾流，加入數(shù)值預(yù)報(bào)模式。

3.2 區(qū)域模擬結(jié)果分析

以高度100米左右為例，模擬區(qū)域內(nèi)水平、垂直風(fēng)速差異隨時(shí)間的變化，詳見(jiàn)圖4、圖5，每張圖的時(shí)間分別晚30分鐘，圖中黑點(diǎn)表示發(fā)動(dòng)機(jī)垂直射流所在位置。

選取發(fā)動(dòng)機(jī)位置SJZ所在點(diǎn)進(jìn)行要素差時(shí)序圖分析。這里的要素差是利用敏感性試驗(yàn)同時(shí)次同變量的要素值減去敏感性試驗(yàn)同時(shí)次同變量的要素值。高要素差反映的是模式模擬初始時(shí)刻航空發(fā)動(dòng)機(jī)向上噴射大氣，對(duì)未來(lái)7-8小時(shí)大氣從地面到高空造成的影響，詳見(jiàn)圖6。

4 ?結(jié)論

經(jīng)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)、控制性試驗(yàn)、敏感性試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：多點(diǎn)高速電風(fēng)扇組合布置后所產(chǎn)生的氣流，能夠?qū)χ苓呡^大范圍的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，增加近地層溫度和降低濕度，使空氣上下對(duì)流起來(lái)，從而達(dá)到除霧的效果。

通過(guò)干擾逆溫層，破壞大氣逆溫現(xiàn)象，達(dá)到減輕霧氣的效果。一旦逆溫層被擾亂或破壞，就容易實(shí)現(xiàn)逆溫層上方和下方的氣流交換，原本由于逆溫層聚攏在特定區(qū)域內(nèi)無(wú)法散去的霧氣，就會(huì)被“風(fēng)”吹走，改善當(dāng)?shù)氐拇髿赓|(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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