徐曉宇 ， 宿興濤 ， 張志標(biāo) ， 王德龍

1. 東北大學(xué) 秦皇島分校， 河北 秦皇島 066000

2. 北京應(yīng)用氣象研究所， 北京 100029

0 引 言

當(dāng)前，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高，國(guó)家舉辦的大型活動(dòng)越來(lái)越多。為了保障活動(dòng)順利進(jìn)行，經(jīng)常需要開(kāi)展人工影響天氣作業(yè)。其中，作業(yè)效果檢驗(yàn)是人工影響天氣一個(gè)極為重要但又非常困難的課題，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外人工影響天氣領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題之一。如果一直無(wú)法提供準(zhǔn)確、可靠、令人信服的作業(yè)效果評(píng)估結(jié)果，就會(huì)影響社會(huì)對(duì)人工影響天氣作業(yè)意義和價(jià)值的判斷，甚至阻礙人工影響天氣學(xué)科的發(fā)展。因此，迫切需要建立和發(fā)展適合實(shí)際的、客觀的、科學(xué)的和定量的人工影響天氣作業(yè)效果檢驗(yàn)技術(shù)方法。

催化劑是人工影響天氣作業(yè)的主要播撒物質(zhì)。催化劑入云后的擴(kuò)散范圍、質(zhì)粒濃度等關(guān)鍵參數(shù)的時(shí)空分布與催化作用和效果直接相關(guān)。因此，了解和掌握催化劑的擴(kuò)散規(guī)律和時(shí)空分布，對(duì)效果評(píng)估和作業(yè)方案設(shè)計(jì)非常重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展過(guò)一些研究工作。例如，申億銘(1994)對(duì)催化劑擴(kuò)散做過(guò)較為系統(tǒng)的研究，主要包括梯度輸送理論、擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論、層狀云及對(duì)流云中線源和點(diǎn)源催化劑擴(kuò)散的理論模式等。余興等(1998,2005)利用煙團(tuán)模式對(duì)催化劑水平輸送和擴(kuò)散、作業(yè)間距、播云物理效應(yīng)等進(jìn)行了模擬研究。戴進(jìn)等(2006)對(duì)作業(yè)催化劑用量、人工增雨播撒方法進(jìn)行了理論研究和探討。郭宇光(2008)利用高斯模式建立了一套層狀云催化劑擴(kuò)散模式，對(duì)高炮點(diǎn)源催化劑擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。翟菁等(2012)基于對(duì)流云中催化劑擴(kuò)散理論建立了一個(gè)適用對(duì)流云的云中點(diǎn)源催化劑擴(kuò)散模擬系統(tǒng)，討論了催化劑擴(kuò)散與擴(kuò)散時(shí)間、風(fēng)速、湍流系統(tǒng)、垂直速度等因素的關(guān)系。周毓荃和朱冰(2014)基于擴(kuò)散計(jì)算的解析解，研究了催化劑擴(kuò)散問(wèn)題。國(guó)外對(duì)催化劑的輸送擴(kuò)散研究主要采用示蹤試驗(yàn)和數(shù)值模式相結(jié)合的方法，包括冬季地形云試驗(yàn)(Hill,1980)、飛機(jī)示蹤試驗(yàn)(Holroyd et al，1988)、示蹤物或播云物質(zhì)擴(kuò)散模擬(Bruintjes et al,1988)等?？傮w來(lái)看，以上研究偏重于催化擴(kuò)散的理論研究，計(jì)算模型相對(duì)簡(jiǎn)單，有的偏重于對(duì)流云，有的偏重于層狀云，因此通用性弱，示蹤試驗(yàn)又相對(duì)復(fù)雜，對(duì)人力、物力、財(cái)力要求也較高；有的模型雖然考慮了相對(duì)復(fù)雜的物理過(guò)程，但模型過(guò)于老舊，未考慮應(yīng)用最新的模型發(fā)展成果。針對(duì)上述問(wèn)題，文中基于近年來(lái)新發(fā)展的拉格朗日粒子擴(kuò)散模式FLEXPART-WRF，通過(guò)改造使之具備飛機(jī)播云作業(yè)催化劑擴(kuò)散模擬能力，并以一次播云作業(yè)為例，對(duì)催化劑擴(kuò)散情況進(jìn)行了模擬評(píng)估，以期為人工影響天氣催化劑擴(kuò)散評(píng)估提供一種新的思路。

1 模式簡(jiǎn)介與改造

1.1 模式簡(jiǎn)介

WRF模式作為新一代中尺度預(yù)報(bào)模式，源程序模塊靈活高效，具有模塊化、可移植、易維護(hù)、可擴(kuò)展、高效率、方便等許多特點(diǎn)。FLEXPART模式是由挪威大氣研究所研發(fā)的一種拉格朗日擴(kuò)散模式，最初被用來(lái)研究長(zhǎng)距離、中尺度的點(diǎn)源空氣污染擴(kuò)散問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)成為模擬和分析大氣傳輸?shù)囊粋€(gè)重要工具，從空氣污染到大氣傳輸應(yīng)用廣泛。FLEXPART模式通過(guò)計(jì)算點(diǎn)、線、面或體積源釋放的大量粒子的軌跡，來(lái)描述示蹤物在大氣中長(zhǎng)距離和中尺度空間的傳輸、擴(kuò)散、干濕沉降和輻射衰減等過(guò)程。FLEXPART模式經(jīng)過(guò)改造調(diào)整后可以與WRF模式進(jìn)行耦合使用(FLEXPART-WRF模式)，將高時(shí)空分辨率的氣象場(chǎng)輸入該模式，從而大幅度提高區(qū)域擴(kuò)散模擬的準(zhǔn)確性，尤其在復(fù)雜地理環(huán)境下，可以得到更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

1.2 模式改造

FLEXPART-WRF模式具有移植方便和計(jì)算效率、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于催化劑擴(kuò)散研究，因此文中首次將其引入到此領(lǐng)域，并以典型催化劑AgI為例進(jìn)行數(shù)值模擬。由于模式自帶的各種粒子物理化學(xué)特性參數(shù)清單文件不包括典型催化劑AgI。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，在模式中設(shè)計(jì)增加AgI物理化學(xué)特性模塊，主要包括AgI粒子的降水清除系數(shù)、雨強(qiáng)權(quán)重、密度、平均直徑、對(duì)數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差、干沉降速率、25 ℃條件下AgI與OH-離子反應(yīng)速率等關(guān)鍵物理化學(xué)特性參數(shù)，從而使得FLEXPART-WRF模式具備AgI擴(kuò)散模擬能力。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 個(gè)例選取

為了檢驗(yàn)改造后的FLEXPART-WRF模式對(duì)AgI擴(kuò)散的模擬能力，以2015年7月30日內(nèi)蒙古中部地區(qū)的一次飛機(jī)播云作業(yè)為例開(kāi)展評(píng)估。此次作業(yè)時(shí)段為04:20—06:30(北京時(shí)，下同)，播撒催化劑為AgI冷云焰條，作業(yè)高度5 700—6 000 m，作業(yè)環(huán)境溫度-8—-10 ℃，共使用冷云焰條17根(AgI含量125 g/根，燃燒時(shí)間25—30 min)，飛機(jī)作業(yè)速度保持在110 m/s左右，作業(yè)GPS軌跡如圖1所示。作業(yè)時(shí)段可劃分為5個(gè)階段，表1給出了各時(shí)間段AgI焰條用量和播撒速率。

表1 2015年7月30日飛機(jī)播云作業(yè)AgI焰條催化信息

圖1 飛機(jī)播云軌跡(B、E點(diǎn)分別代表播云開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)的位置)

2.2 模擬設(shè)計(jì)

2.2.1 WRF模式設(shè)計(jì)

采用WRF模式V3.7.1對(duì)2015年7月30日天氣進(jìn)行模擬，模式輸出資料時(shí)間間隔為1 h，采用的參數(shù)化方案為L(zhǎng)in微物理方案、RRTM長(zhǎng)波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、YSU邊界層方案、Kain-Fritsch(new Eta)積云參數(shù)化方案。選取1°×1°分辨率NCEP/NCAR分析資料(間隔6 h)形成模式初始場(chǎng)。模式積分區(qū)域中心位于(42°N,114°E)，垂直方向30層，時(shí)間積分步長(zhǎng)180 s，積分時(shí)間為2015年7月30日02時(shí)—31日02時(shí)。采用三重嵌套設(shè)置，分辨率分別為15 km、5 km、1.67 km，網(wǎng)格數(shù)(東西向×南北向)分別為160×130、232×181、301×301。

2.2.2 FLEXPART模式AgI源項(xiàng)輸入方案設(shè)計(jì)

FLEXPART模式可以處理的粒子排放源類型包括點(diǎn)源、線源、面源和體源四種。但除點(diǎn)源外，其他三種排放源都需要是規(guī)則的排放源，即排放源不論是二維還是三維，都需要為正南北向、正東西向、正垂直方向。飛機(jī)播撒方式為不規(guī)則線源，由于作業(yè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可將其作為連續(xù)移動(dòng)點(diǎn)源，每隔Δt時(shí)間播撒質(zhì)量為Qn=RΔt(R為播撒速率)的催化劑，飛機(jī)播撒點(diǎn)的四維精確坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間)來(lái)自飛機(jī)GPS實(shí)測(cè)信息。文中取Δt=5 s，共1 560個(gè)點(diǎn)源，每個(gè)階段AgI點(diǎn)源的播撒質(zhì)量可利用AgI播撒速率計(jì)算得到。

2.2.3 FLEXPART模式設(shè)計(jì)

采用WRF模式分辨率最高的第三層區(qū)域模擬輸出結(jié)果，為FLEXPART模式提供背景氣象場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)。FLEXPART模式水平范圍為(40°—44°N,111°—116°E)，水平分辨率為0.01°N×0.01°E。垂直方向分為18層，高度分別為1 000、2 000、3 000、4 000、4 500、5 000、5 200、5 400、5 600、5 800、6 000、6 200、6 400、6 600、6 800、7 000、8 000、10 000 m，對(duì)作業(yè)高度上下1 000 m左右范圍進(jìn)行了間隔200 m的加密輸出。

3 模擬效果分析

只有當(dāng)AgI粒子濃度(CAgI)大于某一閾值(C)時(shí)，播云作業(yè)才會(huì)產(chǎn)生催化效果。在檢驗(yàn)FLEXPART-WRF模式對(duì)AgI粒子擴(kuò)散的模擬能力時(shí)，采用四種指標(biāo)對(duì)催化范圍進(jìn)行評(píng)估。1) 有效區(qū)域：CAgI大于C的范圍，表示有效作業(yè)的范圍大小；2) 有效面積：某一高度上CAgI大于C的面積，表示云中此高度有效催化作用區(qū)域的大?。?) 投影有效面積：某一時(shí)刻各高度層上有效面積在地面上的垂直投影，表示此刻催化作業(yè)在地面上形成的有效面積，是計(jì)算作業(yè)效能的一個(gè)關(guān)鍵物理量；4)有效體積：某一時(shí)刻CAgI大于C的體積，表示此刻云中有效區(qū)域的體積。

分別采用103個(gè)/m3、104個(gè)/m3作為播云作業(yè)有效、顯著有效的閾值(周毓荃和朱冰，2014)。根據(jù)焰條性能參數(shù)，取-10 °C時(shí)AgI粒子的成核率為1.8×1015個(gè)/g。在此基礎(chǔ)上，對(duì)有效區(qū)域模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

3.1 水平擴(kuò)散態(tài)勢(shì)

圖2給出了2015年7月30日05—12時(shí)飛機(jī)作業(yè)高度AgI粒子有效區(qū)域變化。分析發(fā)現(xiàn)，在飛機(jī)作業(yè)完成30 min(07時(shí))時(shí)，AgI粒子擴(kuò)散時(shí)間還不長(zhǎng)，其濃度范圍與圖1飛機(jī)播云軌跡基本相似，反映了模式對(duì)飛機(jī)播云作業(yè)催化劑擴(kuò)散模擬能力的總體合理性。存在不一致的原因在于FLEXPART模式輸出高度為固定高度，而飛機(jī)播云的高度在5 700—6 000 m動(dòng)態(tài)變化。隨著時(shí)間的推移，在風(fēng)場(chǎng)和湍流擴(kuò)散共同作用下，AgI有效催化區(qū)域逐漸向東南方向移動(dòng)，范圍逐漸擴(kuò)大，至10時(shí)AgI粒子傳輸擴(kuò)散范圍相較于初始播云軌跡已經(jīng)產(chǎn)生了較大的變化。

圖3給出了飛機(jī)播云作業(yè)高度的風(fēng)場(chǎng)變化。分析發(fā)現(xiàn)，05—11時(shí)，飛機(jī)作業(yè)高度區(qū)間風(fēng)場(chǎng)保持較為穩(wěn)定的西北氣流，風(fēng)向總體變化不大，風(fēng)速基本維持在6—12 m/s，風(fēng)場(chǎng)與圖2中AgI粒子的擴(kuò)散規(guī)律保持了較好的一致性。除了風(fēng)速外，大氣穩(wěn)定度也是決定AgI粒子擴(kuò)散效果的重要指標(biāo)。采用風(fēng)速比法計(jì)算了6 000 m高度與5 500 m高度的大氣穩(wěn)定度，按照Pasquill穩(wěn)定度分類規(guī)則(金莉莉等，2016)，作業(yè)區(qū)域基本保值在D類中性穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖2分析還發(fā)現(xiàn)，較為穩(wěn)定的大氣導(dǎo)致AgI粒子即使在經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散過(guò)程后依然維持在一個(gè)較小的擴(kuò)展寬度。

圖2 2015年7月30日飛機(jī)播云作業(yè)高度AgI粒子濃度變化(單位：個(gè)/m3)

圖3 2015年7月30日飛機(jī)播云作業(yè)高度風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)

3.2 催化范圍評(píng)估

3.2.1 投影有效面積

圖4給出了30日04時(shí)—31日02時(shí)投影有效催化面積變化。分析發(fā)現(xiàn)，隨著催化劑的擴(kuò)散，投影有效催化面積均逐漸增大。在作業(yè)完成的30日06:30左右，有效催化面積約為2 000 km2；15時(shí)左右達(dá)到峰值，為1.5×104km2左右。在高空風(fēng)作用下，隨著催化劑擴(kuò)散以及主體逐漸移出模擬區(qū)域，有效面積迅速減小，30日20時(shí)左右顯著有效面積減小為0，而有效催化面積在30日20時(shí)—31日02時(shí)一直維持在6 000 km2左右。

3.2.2 各層有效面積

圖5給出了30日04時(shí)—31日02時(shí)不同高度層的有效催化面積和顯著有效催化面積變化。分析發(fā)現(xiàn)，總體而言，在播撒層上下高度層有效催化面積較大。其中，第5層面積在30日14時(shí)左右達(dá)到1.3×104km2，第6層面積在16時(shí)左右達(dá)到1×104km2，第4層面積在15—16時(shí)達(dá)到9 000 km2，第7層面積在16時(shí)左右達(dá)到5 500 km2。30日20時(shí)以后，除第1—3層以外，其他層次有效面積均為0。也就是說(shuō)，圖4中30日20時(shí)之后出現(xiàn)的有效面積全是催化劑在第1—3層擴(kuò)散的貢獻(xiàn)。顯著有效催化面積的變化與有效面積的變化相似。

圖4 飛機(jī)播云作業(yè)AgI粒子的投影有效催化面積變化

圖5 AgI粒子在不同高度層的有效催化面積(a)和顯著有效催化面積(b)變化

3.2.3 有效體積

圖6給出了30日04時(shí)—31日02時(shí)有效催化體積和顯著有效催化體積變化。分析發(fā)現(xiàn)，30日16時(shí)左右，有效催化體積和顯著有效催化體積均達(dá)到峰值，分別約為2.9×104km3和1.8×104km3；之后迅速降低，20時(shí)左右顯著有效催化體積即減小為0，而有效催化體積保持在6 000 km3左右。

圖6 飛機(jī)播云作業(yè)AgI粒子的有效催化體積變化

綜合分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次飛機(jī)播云作業(yè)AgI催化劑擴(kuò)散速率較低，播云作業(yè)完成后9 h左右有效催化面積才達(dá)到最大值，而有效催化體積達(dá)到最大值的時(shí)間更晚。因此，建議在實(shí)施飛機(jī)播云作業(yè)前，應(yīng)根據(jù)作業(yè)當(dāng)日天氣條件和作業(yè)目的，合理設(shè)置播云作業(yè)時(shí)間，以達(dá)到最優(yōu)的作業(yè)效果。

4 小 結(jié)

文中針對(duì)人工影響天氣飛機(jī)播云作業(yè)效果評(píng)估需求，提出了一種基于拉格朗日粒子擴(kuò)散模式FLEXPART-WRF的催化劑催化范圍模擬評(píng)估方法。以AgI催化劑為例，編制AgI物理化學(xué)特性參數(shù)清單文件，結(jié)合飛機(jī)播云特點(diǎn)和模式源項(xiàng)特點(diǎn)，將飛機(jī)不規(guī)則線性播撒方式離散化為連續(xù)移動(dòng)點(diǎn)源播撒方式，實(shí)現(xiàn)模式對(duì)飛機(jī)播云的模擬能力。通過(guò)對(duì)一次飛機(jī)播云作業(yè)的模擬試驗(yàn)，證實(shí)了模擬評(píng)估方法的可行性和有效性。同時(shí)，模擬結(jié)果表明，播云作業(yè)時(shí)間設(shè)置合理與否直接影響作業(yè)效果。此方法不僅可推廣至高炮、火箭、地面燃燒爐播云作業(yè)，還可用于指導(dǎo)作業(yè)實(shí)踐，考證播云方案的有效性，對(duì)于規(guī)范播云方法、減少作業(yè)盲目性、提高作業(yè)效果具有重要意義。