孫 躍 肖 輝2)* 馮 強(qiáng) 張 云 舒未希2) 付丹紅2) 楊慧玲2)

1)(中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029) 2)(中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049) 3)(中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100094) 4)(國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院, 長沙 410003)

引 言

云和霧由尺度在微米量級或更大的水凝物組成,分別由高空和近地面的水汽凝結(jié)或凝華等微物理過程形成。云和霧均是人工影響天氣的重要作業(yè)對象。對云的人工影響目的主要為增雨、消減雨和防雹等,主要作業(yè)手段為通過高炮、火箭彈、飛機(jī)、地面發(fā)生器等方式向云播撒催化劑。對于具有過冷水的云,播撒人工冰核(如AgI等)或制冷劑(如液態(tài)二氧化碳、干冰、液氮等)可消耗過冷水使冰晶增長并下落,最終引發(fā)冷云降水微物理連鎖反應(yīng);對于溫度大于0 ℃的云,播撒吸濕性催化劑(如鹽粉、吸濕性混合劑等)可誘發(fā)大云滴的形成,促進(jìn)云滴碰并增長成為尺度和下落末速度更大的雨滴,從而形成降水,即暖云增雨。然而,上述作業(yè)方式往往涉及作業(yè)空域的協(xié)調(diào),在作業(yè)的靈活性和安全性等方面不可避免地存在局限性。人工消霧的作業(yè)手段除了加熱和人工擾動(dòng)等方法外,還包括按照霧的冷、暖性質(zhì)播撒針對性催化劑,作業(yè)靈活性方面也存在局限性。因此,仍然有必要探索人工影響云霧和降水的新技術(shù)和方法。

聲波可促使氣溶膠和云霧粒子發(fā)生聚并、碰并增長[1],是應(yīng)用潛力值得深入挖掘的人工影響手段。早在20世紀(jì)60年代,蘇聯(lián)科學(xué)家已歸納出經(jīng)典可解析計(jì)算的聲波影響氣溶膠、云霧等小粒子碰并的理論主要包括同向位移效應(yīng)[1-3]和聲尾流效應(yīng)[1,4]。同向位移效應(yīng)指不同強(qiáng)度、頻率的聲波攜帶不同尺度粒子的能力存在差異,導(dǎo)致粒子出現(xiàn)額外相向運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)。如在氣流沿聲波法線方向往復(fù)變化的微觀流場中,較小粒子在氣動(dòng)阻力作用下會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)被加速到和氣流運(yùn)動(dòng)一致,而較大粒子受氣動(dòng)阻力作用被加速所需時(shí)間更長,最終可能導(dǎo)致在1個(gè)聲波正弦波形的后半周期,大粒子剛被加速到正速度最大值,由于慣性仍在向前運(yùn)動(dòng),而小粒子則已開始向相反方向運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致不同尺度粒子出現(xiàn)同向位移。這種效應(yīng)在給定背景條件、聲波頻率和強(qiáng)度及粒子固有物理屬性后可解析計(jì)算[5]。通常頻率在102Hz量級或更低的低頻聲波更易驅(qū)使1～100 μm尺度的粒子出現(xiàn)同向位移,高頻聲波的粒子則容易促使0.01～1 μm尺度的粒子發(fā)生該效應(yīng)。聲尾流效應(yīng)指在聲波法線方向上的兩個(gè)粒子由于存在交替遮擋關(guān)系而產(chǎn)生相向運(yùn)動(dòng)的能力。該機(jī)制很好地解釋了單分散顆粒在聲波作用下也能出現(xiàn)明顯聚并增長的現(xiàn)象。此外,許煥斌[6]指出聲波能影響球形粒子邊界層的動(dòng)量交換狀態(tài),減小粒子下落時(shí)的空氣阻力,形成潤滑效應(yīng),這是既能增加粒子下落速度也能影響粒子碰并的潛在機(jī)制之一。

20世紀(jì)70年代后隨著空氣質(zhì)量健康標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)受到重視,許多學(xué)者陸續(xù)開展試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究人工聲場促使燃燒排放的飛灰顆粒發(fā)生聚并的能力和規(guī)律[7-13],以達(dá)到清除空氣污染物的目的。Hoffmann等[14-15]采用顯微鏡下的可視化追蹤技術(shù),發(fā)現(xiàn)兩個(gè)粒子在強(qiáng)聲波作用下呈音叉狀振蕩下落最終聚并的運(yùn)動(dòng)軌跡,該現(xiàn)象表明兩個(gè)粒子在聲波作用下發(fā)生聚并的軌跡基本符合聲尾流效應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果。González等[16-17]提出能更精確反映聲尾流效應(yīng)的計(jì)算方案。Zhang等[18-21]在González的工作基礎(chǔ)上相繼開展計(jì)算流體力學(xué)驗(yàn)證與離散元數(shù)值模擬方法的改進(jìn)與應(yīng)用,并展示聲波消煙試驗(yàn)。此外,近年國內(nèi)還有研究團(tuán)隊(duì)從工程角度開展強(qiáng)聲波清除氣溶膠的室內(nèi)試驗(yàn)研究。

在聲波消霧和影響降水方面,20世紀(jì)60年代我國學(xué)者已在探討聲場中粒子的受力[22],并能實(shí)現(xiàn)行波管中的消霧[23]。早期有文獻(xiàn)記載船舶汽笛前方的消霧現(xiàn)象。顧震潮[24]提到聲波對云霧的影響作用,但可能受制于有限的作業(yè)和觀測等條件,未能形成明確結(jié)論。侯雙全等[25]開展低頻強(qiáng)聲波消霧的室內(nèi)試驗(yàn),結(jié)果顯示:在聲壓級超過130 dB的30 Hz低頻強(qiáng)聲波作用下,1 min后出現(xiàn)直徑接近10 μm的大滴增多現(xiàn)象,霧室內(nèi)的水霧在2 min內(nèi)迅速消散,明顯區(qū)別于超過5 min的自然消散時(shí)間。該試驗(yàn)還證實(shí)消霧效果具有隨頻率增加而減弱的趨勢。這些現(xiàn)象與聲波促使粒子碰并的原理和解析計(jì)算規(guī)律基本相符,從而證明人工強(qiáng)聲波能夠消除一定體積內(nèi)的霧。此外,有研究從工程角度開展外場增雨[26]和消霧的試驗(yàn)探索。許煥斌[6]也開展過聲場雨效應(yīng)的外場隨機(jī)對比試驗(yàn),歸納出聲響雨大、聲停雨小的試驗(yàn)現(xiàn)象。但總體而言,充分結(jié)合云霧和降水物理觀、探測手段和分析方法的聲波外場作業(yè)試驗(yàn)與研究報(bào)道仍較少。

聲波外場增雨和消霧作業(yè)可行性的關(guān)鍵問題在于聲波的強(qiáng)度及其隨距離的衰減。根據(jù)球面波的衰減規(guī)律,聲波法線上水平距離分別為S1和S2的兩點(diǎn)聲壓級差異為20×lg(S1/S2) dB,即與聲波源的距離每增加1個(gè)量級,理論上聲壓級衰減20 dB?？紤]許多強(qiáng)聲波裝置在出口(通常約定為1 m處)的聲壓級超過150 dB,100 m距離上聲壓級仍能達(dá)到110 dB,而這也較實(shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)現(xiàn)的有消霧作用的聲壓級下限(100 dB)[21-22]更高。外場試驗(yàn)的聲波波束不免具有一定的角度展寬范圍,對于靜穩(wěn)天氣下的霧過程,人工低頻強(qiáng)聲波能直接影響空間體積比試驗(yàn)室內(nèi)大得多的霧,疊加局部消霧后四周霧擴(kuò)散、平流的補(bǔ)充效應(yīng),理論上可在下游局部范圍內(nèi)達(dá)到消、減霧的效果。另一方面,100 m距離接近甚至超越許多低云的云底高度,如果能在云底引發(fā)粒子增長和下落,可能會(huì)拖曳減弱上升氣流或形成下沉氣流,從而促成更多雨滴下落的連鎖反應(yīng)。然而,自然條件下的云霧在宏微觀特性方面均存在很大時(shí)空變率,人工強(qiáng)聲波能否真正達(dá)成顯著的影響效果,仍然亟待研究。

2020年8—9月中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭的研究團(tuán)隊(duì)在河北省霧靈山開展人工強(qiáng)聲波裝置的增雨和消霧試驗(yàn),并進(jìn)行應(yīng)用效果評估研究。本文將對此輪外場試驗(yàn)進(jìn)行介紹,并基于結(jié)果討論作業(yè)試驗(yàn)的效果。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 試驗(yàn)場地及觀測設(shè)備

霧靈山地處河北省承德市興隆縣,緊鄰北京東北界外,系燕山山脈主峰,最高海拔為2118 m。霧靈山以夏季多霧多云而聞名,現(xiàn)為國家AAAA級旅游景區(qū)。本文試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)于2020年8月18日—9月13日在霧靈山頂景區(qū)構(gòu)建了臨時(shí)外場試驗(yàn)陣地。圖1為試驗(yàn)場位置和儀器分布,其中試驗(yàn)場上空照片取自高分2號衛(wèi)星0.8 m分辨率全色通道數(shù)據(jù)。A點(diǎn)為山頂西側(cè)的一處平臺空地,人工強(qiáng)聲波裝置部署于此。A點(diǎn)周圍是其他機(jī)構(gòu)的平房,試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)租用其中一部分以供試驗(yàn)儀器供電和團(tuán)隊(duì)住宿。B點(diǎn)為平房樓頂,部署具備超聲風(fēng)速儀的Lufft WS600-UMB型自動(dòng)氣象站(采樣頻率為5 s)和OTT Parsivel2型雨滴譜儀(采樣頻率為1 min),用于觀測背景氣象信息和評估增雨效果。C點(diǎn)位于主峰及山頂信號塔南側(cè)山坡步行道旁相對平坦開闊的位置,距離A點(diǎn)約126 m,海拔略高于A點(diǎn),部署HY- V20型能見度儀(采樣頻率為15 s)和DMT FM-120型霧滴譜儀[27](采樣頻率為1 s),用于評估消霧效果。此外,使用NTi XL2型手持式聲壓級計(jì)在不同位置觀測無計(jì)權(quán)聲壓級,用以評估人工強(qiáng)聲波裝置發(fā)射聲波的性能參數(shù)。

圖1 霧靈山頂臨時(shí)試驗(yàn)場的位置(方框,填色為海拔高度)(a)與儀器分布(A為架設(shè)在地面平臺上的人工強(qiáng)聲波裝置,B為架設(shè)在屋頂?shù)募す庥甑巫V儀和自動(dòng)氣象站,C為霧滴譜儀和能見度儀觀測點(diǎn);藍(lán)色箭頭為消霧試驗(yàn)時(shí)云霧從南坡爬上山頂?shù)姆较蚴疽?紅色箭頭為低頻強(qiáng)聲波裝置消霧發(fā)射時(shí)的聲波朝向)(b)

在觀測點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)方面,由于幾乎所有的霧(包括部分不易與霧區(qū)分的地形云,以下統(tǒng)稱為霧)均從山的南坡爬升而來,故最初在考察和選定試驗(yàn)場地時(shí),本文研究團(tuán)隊(duì)原計(jì)劃人工強(qiáng)聲波裝置在圖1 A點(diǎn)向南邊作業(yè),并在A點(diǎn)部署1臺霧滴譜儀作為影響觀測點(diǎn),在側(cè)風(fēng)方向稍遠(yuǎn)距離部署第2臺霧滴譜儀作為對比觀測點(diǎn)。但試驗(yàn)場地開始部署設(shè)備并經(jīng)過對霧天實(shí)況考察后發(fā)現(xiàn),由于A點(diǎn)平臺南側(cè)邊緣過于陡峭,霧要么爬升不上來而從平臺側(cè)邊繞過A點(diǎn),要么沿人工強(qiáng)聲波裝置無法影響到的負(fù)仰角爬升上來,因此觀測點(diǎn)并不理想。A點(diǎn)和C點(diǎn)間為景區(qū)停車場,不宜部署設(shè)備,故將消霧影響觀測點(diǎn)設(shè)置在剩余可行的、具有步行道且坡度較緩的C點(diǎn)。山頂南坡其他周邊位置受限于無步行道或地形陡峭等因素,不易完成觀測設(shè)備及其線纜的布設(shè)和維護(hù),故第2臺霧滴譜儀僅為備用,未能實(shí)現(xiàn)利用其構(gòu)建側(cè)向?qū)Ρ扔^測點(diǎn)的試驗(yàn)構(gòu)想。消霧作業(yè)時(shí),A點(diǎn)的人工強(qiáng)聲波裝置向C點(diǎn)南側(cè)的山坡上空進(jìn)行作業(yè),預(yù)計(jì)可影響到沿坡度較緩的山坡向山頂移動(dòng)的霧。此時(shí)C點(diǎn)作為影響區(qū)的下游,預(yù)計(jì)可觀測到受作業(yè)影響前后能見度和霧滴譜的變化。對于增雨作業(yè),則將人工強(qiáng)聲波裝置指向天頂,并向目測降水云系的來向(基本為偏北向)略微傾斜約10°天頂角,由B點(diǎn)的雨滴譜觀測作業(yè)前后雨滴譜的變化。

1.2 人工強(qiáng)聲波裝置

本文使用的人工強(qiáng)聲波裝置為中國科學(xué)院大氣物理研究所和中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所聯(lián)合研制的電聲低頻強(qiáng)聲波裝置原型機(jī)。該裝置主體是由9個(gè)電聲音箱組成的發(fā)聲陣列,仰角和方位角可手動(dòng)調(diào)整,另外附屬有功放機(jī)柜和有線音源控制盒。該裝置設(shè)計(jì)的最大聲壓級為155 dB(1 m處),試驗(yàn)時(shí)由手動(dòng)控制開關(guān)及播放預(yù)制的單一頻率數(shù)字音源。

圖2為人工強(qiáng)聲波裝置聲壓級隨發(fā)射聲波頻率和測試距離的變化。試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在A點(diǎn)北側(cè)的房頂上進(jìn)行觀測,測試點(diǎn)距離裝置約為30 m。由于受周邊房屋遮擋、折射干涉和山風(fēng)影響,聲壓級可能偏小,但仍然可見,在200 Hz和60 Hz位置具有極值,聲壓級超過120 dB,符合該裝置可發(fā)射低頻強(qiáng)聲波的設(shè)計(jì)目的。與此同時(shí),鉗形電表現(xiàn)場測試該裝置的電功率為2000～8000 W,具體電功率與聲壓級和聲音頻率有關(guān)。

圖2 聲壓級隨頻率和距離的變化

另一個(gè)需要外場實(shí)證的問題是該裝置發(fā)出的聲波是否能傳播較遠(yuǎn)的距離。由于霧靈山山間地形較為崎嶇且晴天時(shí)山風(fēng)較強(qiáng),在霧靈山試驗(yàn)期間并未形成較完整的聲壓級隨距離變化的測試結(jié)果,僅測得C點(diǎn)(距聲源126 m)的聲壓級最高為106 dB。為此,2020年11月23日本文研究團(tuán)隊(duì)專門赴具有2 km長的直線步行道及開闊環(huán)境的北京順義奧林匹克水上公園,在晴朗且?guī)缀鯚o風(fēng)的傍晚進(jìn)行補(bǔ)充測試。測試不同頻率下30 m～1 km距離的聲壓級,結(jié)果顯示該裝置發(fā)出的聲波聲壓級隨距離的變化符合理論推算值,即距離增大1個(gè)量級聲壓級衰減20 dB?？赡苁苈暡ㄍ瑫r(shí)沿地面?zhèn)鞑サ挠绊?實(shí)測聲壓級還略高于推算值,且明顯高于背景聲壓級,從而驗(yàn)證了該裝置發(fā)出強(qiáng)聲波的傳播能力。

由于作業(yè)裝置需要調(diào)整指向,聲壓級的方向圖也是需要關(guān)注的重要指標(biāo)。本文在遠(yuǎn)近兩個(gè)地點(diǎn)(126 m和30 m)分別開展了聲壓級方向圖測量。鑒于裝置設(shè)計(jì)的局限性,在A點(diǎn)北側(cè)30 m處房頂?shù)挠^測采用抬升聲波裝置的仰角進(jìn)行,在C點(diǎn)的觀測采用變換聲波裝置的方位角進(jìn)行。由圖3可知,兩個(gè)地點(diǎn)的觀測結(jié)果存在差異。該聲波裝置30 m測量點(diǎn)疑似由于地面和房屋折射影響,在偏離角度40°以內(nèi)的衰減較慢;126 m測量點(diǎn)疑似由于山風(fēng)和山體傳播、反射等因素影響,在偏離角度40°以上的衰減較慢。總體而言,由發(fā)聲陣列構(gòu)成聲波裝置的定向性偏弱,衰減6 dB(兩倍)對應(yīng)的偏離角度為60°甚至更大,這與拋物面天線雷達(dá)、號筒喇叭等裝置的能量集中性存在明顯差異。但不能就此認(rèn)為該裝置擁有如此大方位角的影響范圍,還應(yīng)考慮偏離角度增大后聲壓級隨距離衰減的影響。經(jīng)過訂正,6 dB衰減對應(yīng)的偏離角度為40°～45°,由此確定該聲波裝置的影響范圍。

圖3 人工強(qiáng)聲波裝置的聲壓級方向圖

另一個(gè)需要關(guān)注的問題是人工強(qiáng)聲波裝置是否成為影響周邊環(huán)境的噪聲源。需要指出的是,本文以dB為單位的無計(jì)權(quán)聲壓級與用于評估環(huán)境噪聲的聲壓級有所不同,后者使用A計(jì)權(quán)聲壓級(聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3096—2008),即按照人耳的敏感程度對不同聲音頻率賦予不同權(quán)重再積分得到聲壓級。在人耳較為敏感的1000～5000 Hz,A計(jì)權(quán)權(quán)重大于1,在更高頻和更低頻方向權(quán)重系數(shù)依次減小。如30 Hz的權(quán)重系數(shù)約為-40 dB,60 Hz的權(quán)重系數(shù)約為-27 dB。以聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為例,晝間居民區(qū)對環(huán)境噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級限制為55 dB。經(jīng)反算可知最大聲壓級155 dB的強(qiáng)聲波裝置以60 Hz 作業(yè)時(shí),若要滿足居民區(qū)的噪聲標(biāo)準(zhǔn),則作業(yè)裝置在中間無地物遮擋的情況下需距離居民區(qū)4.5 km 以上。實(shí)際情況下難免有地物遮擋,導(dǎo)致聲波快速衰減,作業(yè)裝置也應(yīng)盡可能距居民區(qū)1 km以上,本文試驗(yàn)也符合這一指標(biāo)。另一方面,近距離測試人員在聲波裝置正面30 m的噪聲感受(A計(jì)權(quán)下大于90 dB)會(huì)超過工廠內(nèi)的限制(通常規(guī)定最大不超過90 dB),但考慮到近距離的測試時(shí)間非常短且非持續(xù)性,在佩戴隔音耳罩后認(rèn)為可以臨時(shí)承受。對于在聲波裝置側(cè)面和背面的其他控制人員和相關(guān)人員,10～ 30 m距離的噪聲感受類似在鐵路干線或飛機(jī)場旁,也認(rèn)為短暫操作相關(guān)設(shè)備時(shí)可以臨時(shí)承受。

1.3 作業(yè)方案和預(yù)期結(jié)果

低頻強(qiáng)聲波裝置消霧試驗(yàn)的作業(yè)需充分考慮外場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的主要差異,即自然霧具有移動(dòng)性和時(shí)空不均勻性。因此,外場消霧不宜像室內(nèi)試驗(yàn)一樣長時(shí)間持續(xù)開機(jī)作業(yè)直至霧消散。由1.1節(jié)和1.2節(jié)可知,本文的聲波裝置在100 m量級的距離上聲壓級已不足110 dB,接近室內(nèi)試驗(yàn)中聲波促使粒子碰并的聲壓級下限;考慮到該聲波裝置法線兩側(cè)存在最大45°的展寬,不論霧的來向是偏南側(cè)還是偏西側(cè),經(jīng)聲波影響區(qū)到達(dá)觀測點(diǎn)C均約為100 m。以試驗(yàn)地區(qū)爬坡的山風(fēng)分別為0.5 m·s-1(一級風(fēng))和2 m·s-1(二級風(fēng))為例,霧被風(fēng)輸送100 m距離的時(shí)間分別為200 s和 50 s。因此,如果聲波消霧在這種外場條件能夠產(chǎn)生效果,則在100～101min量級時(shí)間內(nèi)必然能夠在下游觀測到能見度和霧滴譜發(fā)生變化,而在更長時(shí)間后才出現(xiàn)的霧消散效果則應(yīng)考慮是霧本身的時(shí)空尺度和移動(dòng)的結(jié)果。另一方面,考慮即便影響區(qū)出現(xiàn)消霧效果,其上游即山坡下面會(huì)有霧補(bǔ)充,因而不應(yīng)期望短時(shí)作業(yè)能使山頂?shù)撵F完全消散。綜合上述考慮,制定作業(yè)試驗(yàn)方案:等待霧從山下爬升上來并基本維持在極低能見度狀態(tài)(A點(diǎn)通過目測看不到C點(diǎn),能見度小于100 m),以10 min左右作為聲波裝置開機(jī)時(shí)長,以5～10 min間隔,交替開機(jī)、關(guān)機(jī)。預(yù)期觀測的宏觀結(jié)果:開機(jī)時(shí)段具有明顯消霧現(xiàn)象,關(guān)機(jī)時(shí)段具有霧明顯回升補(bǔ)充現(xiàn)象。對于增雨試驗(yàn),采用類似的交替開機(jī)、關(guān)機(jī)方式進(jìn)行試驗(yàn)。按照上述方法,2020年8月23日—9月10日分別在7個(gè)作業(yè)日開展25次開機(jī)消霧試驗(yàn),9月7—11日期間分別在3個(gè)作業(yè)日5個(gè)作業(yè)時(shí)段內(nèi)開展22次開機(jī)增雨試驗(yàn)。

在預(yù)期的微物理觀測效果方面,由于強(qiáng)聲波理論上能促使粒子碰并,形成更大的粒子,引發(fā)更多的粒子沉降,故在霧滴譜和雨滴譜中應(yīng)能觀測到相應(yīng)的變化。對于消霧試驗(yàn)中的霧滴譜數(shù)據(jù),預(yù)期觀測到作業(yè)時(shí)發(fā)生小粒子減少、大粒子先增多再減少的現(xiàn)象?？紤]到C點(diǎn)位于影響區(qū)下游,可能存在大粒子已經(jīng)在上游沉降而無法進(jìn)一步向下游輸送的情況,故作業(yè)時(shí)C點(diǎn)實(shí)際觀測到的大粒子增加數(shù)可能偏少,即大粒子數(shù)濃度存在增長但幅度有限。對于增雨試驗(yàn)中的雨滴譜數(shù)據(jù),預(yù)期作業(yè)后表現(xiàn)出大雨滴突然增多的現(xiàn)象。考慮到作業(yè)前無法觀測到那些最終無法下落的小云滴和小雨滴,因此無法預(yù)期雨滴譜數(shù)據(jù)出現(xiàn)類似霧滴譜的小雨滴減少的現(xiàn)象。此外,還需關(guān)注是否出現(xiàn)聲響雨大、聲停雨小[6]的現(xiàn)象。

2 作業(yè)效果觀測與分析

2.1 2020年8月23日消霧試驗(yàn)

2020年8月下旬霧靈山地區(qū)除25日前后受途經(jīng)黃海北上的第8號臺風(fēng)巴威(2008)外沿的影響外,其他時(shí)間500 hPa上總體受中緯度緯向型環(huán)流影響。受延伸到華東地區(qū)的西北太平洋副熱帶高壓(臺風(fēng)時(shí)段除外)影響,霧靈山地區(qū)850 hPa為偏南風(fēng)。在上述環(huán)流背景下,山谷形成的霧在白天可被上坡風(fēng)及背景偏南風(fēng)輸送至山頂,偏南風(fēng)本身也能促使水汽上坡時(shí)發(fā)生凝結(jié),導(dǎo)致山頂可觀測到霧的過程。

2020年8月23日除自動(dòng)氣象站的接收終端通訊尚在調(diào)試外,其他觀測儀器均已完成部署,當(dāng)日下午迎來一次霧過程。聲波頻率采用低頻方向聲壓級較高的60 Hz,采用開機(jī)10 min、暫停5 min的方式進(jìn)行試驗(yàn)。由圖4可見,8月23日17:45(北京時(shí),下同)能見度由800 m降至100 m以下并幾乎穩(wěn)定維持,最低可至60 m。第1次開機(jī)作業(yè)后,能見度迅速回升至最高500 m,之后在100～500 m間振蕩,關(guān)機(jī)后回落至最低50 m。第2次開機(jī)后類似,能見度先迅速回升至300 m,之后最高可超過1000 m,關(guān)機(jī)后能見度持續(xù)回落至40 m以下。進(jìn)一步通過線性擬合計(jì)算作業(yè)時(shí)段內(nèi)能見度隨時(shí)間的變化,求得前兩次作業(yè)的能見度回升速度分別為14.0 m·min-1和59.3 m·min-1。但是后兩次作業(yè)的能見度始終為100 m以下,第3次作業(yè)完全沒有消霧效果(-0.1 m·min-1),第4次作業(yè)僅有微弱效果(3.8 m·min-1)。霧滴譜參數(shù)隨時(shí)間的變化與能見度的對應(yīng)關(guān)系很好:對于前兩次作業(yè),均存在數(shù)濃度和液態(tài)水含量減小、體積中值等效直徑先增大再減小的現(xiàn)象;后兩次作業(yè)未能顯現(xiàn)以上變化趨勢,且液態(tài)水含量比前兩次作業(yè)開始前大2倍,體積中值等效直徑也明顯較大。第4次作業(yè)結(jié)束5 min后,雖然霧的過程尚未結(jié)束,但考慮到日落后光線不足可能導(dǎo)致試驗(yàn)人員在山間活動(dòng)存在安全隱患,故結(jié)束當(dāng)日試驗(yàn)。

圖4 2020年8月23日消霧試驗(yàn)的能見度和霧滴譜參數(shù)(有序號陰影區(qū)代表開機(jī)作業(yè)的順序時(shí)段)

由平均霧滴譜變化(圖5)可知,在前兩次消霧效果明顯的作業(yè)中,霧滴譜演變符合預(yù)期。對于第1次作業(yè),作業(yè)開始1 min后霧滴尺度小于10 μm的粒子減少,尺度大于10 μm的粒子增多,但作業(yè)2 min 后尺度大于5 μm的粒子迅速減少。對于第2次作業(yè),作業(yè)開始2 min后出現(xiàn)小粒子略微減少而大粒子略微增多的現(xiàn)象,且在作業(yè)4 min后出現(xiàn)尺度大于5 μm的粒子全部迅速減少的現(xiàn)象。這與1.3節(jié)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)期望的結(jié)果非常吻合。而第3和第4次消霧效果不明顯的試驗(yàn)中,霧滴譜的變化幅度非常小。

前兩次作業(yè)效果好而后兩次作業(yè)無效可能有兩個(gè)方面原因:一是后兩次作業(yè)時(shí)霧過于濃密,二是山坡下的風(fēng)速、風(fēng)向發(fā)生變化。但由于原定計(jì)劃用于觀測風(fēng)速的自動(dòng)氣象站在該作業(yè)日的次日才完成部署,這使得當(dāng)日缺少山頂?shù)膶?shí)測風(fēng)信息供參考。因此,采用ERA5再分析地面10 m水平風(fēng)數(shù)據(jù)作為參考。由圖6可知,空間分辨率為0.25°×0.25°的ERA5數(shù)據(jù)格點(diǎn)恰好位于霧靈山周邊,通過對山下數(shù)據(jù)的簡單插值無法合理評估山上的風(fēng)速,但可以通過作業(yè)時(shí)段內(nèi)兩個(gè)整點(diǎn)時(shí)次風(fēng)速、風(fēng)向的變化分析山上風(fēng)向的變化趨勢。在距離前兩次作業(yè)最近的整點(diǎn)18:00,霧靈山南偏東側(cè)格點(diǎn)為不足1 m·s-1的西南風(fēng),而西南側(cè)格點(diǎn)幾乎靜風(fēng),表明當(dāng)時(shí)山南坡很可能為風(fēng)速很小的西南風(fēng)。但比較臨近后兩次作業(yè)時(shí)間的19:00,山南側(cè)全部轉(zhuǎn)為風(fēng)速較18:00更大的偏東風(fēng)。這能較好地解釋作業(yè)效果的差異:對于前兩次作業(yè),霧在較弱西南風(fēng)輸送下經(jīng)過圖1中A、C兩點(diǎn)連線南側(cè)的作業(yè)影響區(qū)并較充分地受到聲波作業(yè)影響;對于后兩次作業(yè),霧被東南風(fēng)向山頂輸送,處于C點(diǎn)相對A點(diǎn)的遠(yuǎn)端,未經(jīng)過聲波較強(qiáng)的影響區(qū),因而幾乎未受到聲波作業(yè)影響。除風(fēng)向變化外,風(fēng)速增強(qiáng)導(dǎo)致霧的輸送能力增強(qiáng)也能很好地解釋后兩次作業(yè)觀測的液態(tài)水含量和體積中值等效直徑較前兩次作業(yè)明顯偏大的現(xiàn)象。綜上,在風(fēng)速很小且風(fēng)向促使霧途經(jīng)聲波裝置影響范圍近側(cè)時(shí),在下游容易觀測到消霧效果。

圖6 2020年8月23日消霧作時(shí)霧靈山周邊地區(qū)ERA5地面風(fēng)(?為霧靈山,藍(lán)色矢量為18:00的風(fēng),紅色矢量為19:00的風(fēng))

2.2 其他消霧試驗(yàn)

其余21次消霧試驗(yàn)的作業(yè)聲波頻率仍以60 Hz為主,并穿插采用少量31.5 Hz和200 Hz等其他作業(yè)頻率,每次作業(yè)時(shí)長為5～15 min,間隔5～10 min。但得到的結(jié)果不如8月23日試驗(yàn)典型。由圖7可知,2020年8月27日的能見度在兩次作業(yè)時(shí)均有一定程度的回升趨勢,但振蕩也很明顯,較難判斷這些變化是否為霧的空間不均勻性導(dǎo)致的自然起伏;2020年8月28日和29日各僅進(jìn)行1次聲波作業(yè),雖然作業(yè)期間能見度明顯回升,但持續(xù)10 min的作業(yè)暫停后,霧徹底消散,使得這兩個(gè)個(gè)例作為孤證時(shí)無法區(qū)分是否為作業(yè)的效果;2020年8月30日的作業(yè)從能見度變化幾乎看不出作業(yè)效果;其他未展示個(gè)例均在一定程度上存在上述問題。此外,由于未能連續(xù)復(fù)現(xiàn)單一聲波頻率的消霧效果,聲波頻率對消霧效果的影響試驗(yàn)未能充分開展。

圖7 2020年消霧試驗(yàn)的能見度變化個(gè)例(有序號的陰影區(qū)代表開機(jī)作業(yè)的順序時(shí)段)

結(jié)合2.1節(jié)2020年8月23日試驗(yàn)的分析經(jīng)驗(yàn),風(fēng)速、風(fēng)向可能是影響上述聲波消霧作業(yè)效果在下游觀測結(jié)果的關(guān)鍵因素,下面分析上述21次作業(yè)時(shí)段內(nèi)自動(dòng)氣象站觀測的水平風(fēng)和能見度變化速度的關(guān)系。需要指出的是,圖1中B點(diǎn)觀測的風(fēng)可能與其南側(cè)山坡上的風(fēng)存在差異,因此,相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果僅作為定性參考。由圖8可知,能見度變化速度最大3次試驗(yàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)全部位于平均風(fēng)速小于1.5 m·s-1的區(qū)間,而在風(fēng)速大于2 m·s-1的區(qū)間能見度變化速度基本接近于0。另一方面,結(jié)合緯向風(fēng)分量分析可見,能見度變化速度較大的試驗(yàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)更多分布在偏西風(fēng)的區(qū)間。綜上分析,與2.1節(jié)典型個(gè)例對風(fēng)速的討論結(jié)果類似,在風(fēng)速較小且風(fēng)向使得霧途經(jīng)聲波裝置影響范圍近側(cè)時(shí),更容易觀測到明顯的低頻強(qiáng)聲波消霧效果。

圖8 2020年8月27日—9月10日21次消霧作業(yè)時(shí)段內(nèi)自動(dòng)氣象站風(fēng)速和能見度變化速度的關(guān)系

2.3 增雨試驗(yàn)

開展的5個(gè)增雨試驗(yàn)時(shí)段的風(fēng)速和云類型見表1。2020年9月7日起霧靈山地區(qū)逐漸受東北冷渦影響,頻繁出現(xiàn)降水天氣。在此期間,降水云全部從山北側(cè)移來。經(jīng)現(xiàn)場目測和FY-4A氣象衛(wèi)星紅外通道云圖確認(rèn),9月7日作業(yè)云是冷渦云系西側(cè)邊界外的對流云,9月10—11日作業(yè)云則是冷渦云系內(nèi)偏西南側(cè)的層狀云。

表1 2020年增雨試驗(yàn)的風(fēng)速和云信息

比較典型的增雨是2020年9月7日針對一塊對流云的個(gè)例?？紤]到低頻聲波的周期更長、更具備驅(qū)動(dòng)大粒子的能力,故選擇最低的31.5 Hz頻率聲波進(jìn)行作業(yè)。此外,考慮到云的移速相對較快且一般積云空間尺度有限,以比消霧試驗(yàn)更短的 3 min 和2 min分別作為開始時(shí)長和暫停間隔為主。由圖9可見,作業(yè)開始前2～3 min,僅能觀測到0.3 mm·h-1左右的微量降水,且僅出現(xiàn)2 min;第1次作業(yè)時(shí),雨強(qiáng)迅速增加至7.5 mm·h-1,具有明顯的突然增加現(xiàn)象。其后的3次作業(yè)效果均不明顯,盡管第3次和第4次開機(jī)后雨強(qiáng)也出現(xiàn)增加趨勢,但量級非常小,這可能是由于第1次作業(yè)已使大部分具有碰并潛力的雨滴增長并迅速下落,也可能是云逐漸移出觀測場所致。由第1次作業(yè)的雨滴譜可見,作業(yè)開始后1～3 min以及作業(yè)結(jié)束后1 min,可觀測到的最大雨滴尺度持續(xù)增加,從作業(yè)前的不足2 mm增大到作業(yè)結(jié)束后1 min超過6 mm。作業(yè)結(jié)束后2 min,大雨滴才明顯減少,同時(shí)小于3 mm的小雨滴明顯增多,這可能是由于大雨滴下落拖曳上升氣流從而使得更多雨滴下落。綜合上述現(xiàn)象,認(rèn)為該次增雨試驗(yàn)符合作業(yè)后大雨滴迅速增多的試驗(yàn)預(yù)期。

圖9 2020年9月7日增雨試驗(yàn)的雨強(qiáng)和第1次作業(yè)前后的雨滴譜(帶序號陰影區(qū)代表開機(jī)作業(yè)的順序時(shí)段)

圖10 2020年9月10—11日增雨試驗(yàn)的雨強(qiáng)(具有序號的陰影區(qū)代表開機(jī)作業(yè)的順序時(shí)段)

需要指出的是,盡管自然對流性降水本身具有脈動(dòng)特征,其中也不乏尺度超過5 mm的大雨滴[28-33],但該個(gè)例作業(yè)后短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了僅持續(xù)2 min、尺度分別超過5 mm和6 mm的大雨滴,這在以往不多見。Luo等[34]研究顯示,在位于霧靈山西南側(cè)、北京郊區(qū)順義區(qū)觀測的暴雨系統(tǒng)雨滴譜中,較為孤立的對流云雖然在雨滴譜時(shí)間變化上也會(huì)表現(xiàn)出突然性和脈動(dòng)性,但最大雨滴未超過4 mm,更大的雨滴出現(xiàn)在強(qiáng)對流云系主體內(nèi)。河北省周邊地區(qū)的典型強(qiáng)降水確實(shí)可見超過6 mm的雨滴[35-36],但也全部出現(xiàn)在大到暴雨且持續(xù)時(shí)間較長的強(qiáng)對流系統(tǒng)中。在強(qiáng)度稍弱的對流中[37-38],類似尺度的大雨滴仍然很少見。上述9月7日的個(gè)例尚屬孤證,且沒有對比站點(diǎn)或特種雷達(dá)進(jìn)行對比和追蹤剖析,加之影響雨滴最大尺寸的因素較多,但周邊地區(qū)的針對性研究較少,故不能就此確定上述作業(yè)后大雨滴迅速增多一定由作業(yè)導(dǎo)致,該現(xiàn)象僅能作為符合作業(yè)試驗(yàn)預(yù)期的一種佐證。

對于其余針對層狀云的增雨試驗(yàn),試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)原預(yù)計(jì)層狀云相比對流云在時(shí)空變化方面更加均勻和穩(wěn)定,遂采取200、60 Hz和31.5 Hz聲波頻率輪流的方式開展作業(yè)。但疑似受較大風(fēng)速影響,未能再次觀測到類似2020年9月7日的個(gè)例。如在2020年9月10日清晨的3次作業(yè)僅在后2次作業(yè)結(jié)束后才出現(xiàn)零星時(shí)次的微量降水,雨滴譜原始采樣極少導(dǎo)致難以分析滴譜變化;9月10日上午的9次作業(yè)雨強(qiáng)呈振蕩變化,其中4次作業(yè)期間雨強(qiáng)增大,另外5次作業(yè)期間雨強(qiáng)減小,未能表明作業(yè)和增雨的關(guān)系;9月11日中午的3次作業(yè)期間均出現(xiàn)微量的間斷性降水,有些類似聲響雨大、聲停雨小的現(xiàn)象[6],但較第1次作業(yè)開始前1 min的雨強(qiáng)并無明顯量級差異;9月11日下午作業(yè)開始前出現(xiàn)降水,作業(yè)后反而沒有。總體看,2020年9月10—11日針對層狀云的增雨試驗(yàn)未能表現(xiàn)出明顯且一致的增雨現(xiàn)象和預(yù)期的微物理變化特征。

在成因分析方面,表1顯示2020年9月7日針對對流云作業(yè)時(shí),山頂平均風(fēng)速僅為1.4 m·s-1,其余針對層狀云的作業(yè),風(fēng)速均超過3 m·s-1,增大1倍多。云系過山時(shí)易受山頂?shù)匦魏徒ㄖ镆鸬膹?fù)雜氣流影響,較大的風(fēng)速和瞬時(shí)多變的風(fēng)向使受作業(yè)影響而形成的大雨滴未必恰好在雨滴譜儀上方下落,可能導(dǎo)致不易觀測到確定性的有效增雨證據(jù)。

3 結(jié)論與討論

本文綜合分析2020年8—9月在霧靈山利用人工低頻強(qiáng)聲波裝置開展的增雨和消霧作業(yè)試驗(yàn)的觀測結(jié)果,得到主要結(jié)論如下:

1) 對于具有明顯消霧效果的典型個(gè)例,在微觀變化方面,60 Hz低頻強(qiáng)聲波作業(yè)2～3 min內(nèi)尺度小于10 μm的霧滴減少,尺度大于10 μm的霧滴增多,隨后大部分尺度的霧滴均出現(xiàn)明顯減少;在宏觀變化方面,作業(yè)開機(jī)時(shí)能見度回升并達(dá)到消霧效果,關(guān)機(jī)后霧受觀測點(diǎn)上游補(bǔ)充影響又導(dǎo)致能見度迅速回落。這些宏微觀變化特征符合低頻強(qiáng)聲波促進(jìn)粒子碰并形成大粒子進(jìn)而引發(fā)沉降的原理及試驗(yàn)預(yù)期。

2) 風(fēng)速風(fēng)向?qū)οF效果有較大影響。作業(yè)時(shí)能見度回升速度大的個(gè)例發(fā)生在平均風(fēng)速小于1.5 m·s-1的條件下,而平均風(fēng)速大于2 m·s-1的個(gè)例幾乎未能表現(xiàn)出能見度的趨勢性變化。在風(fēng)速較小且風(fēng)向使得霧能夠途經(jīng)聲波裝置影響范圍近側(cè)時(shí),作業(yè)更加充分,下游更易取得明顯的消霧效果。

3) 在1次對流云的增雨作業(yè)中觀測到了符合試驗(yàn)預(yù)期的結(jié)果。雨強(qiáng)在作業(yè)3 min內(nèi)由0.3 mm·h-1迅速增加到7 mm·h-1以上,并能夠觀測到迅速出現(xiàn)但維持時(shí)間較短的大雨滴,符合低頻強(qiáng)聲波促進(jìn)云、雨粒子碰并進(jìn)而形成大雨滴和降水的原理。

4) 雨量明顯增加的個(gè)例發(fā)生在平均風(fēng)速僅為1.4 m·s-1的條件下。其他增雨個(gè)例在作業(yè)時(shí)段的平均風(fēng)速均超過3 m·s-1,可能受風(fēng)速偏大和雨滴譜儀部署點(diǎn)位單一的影響,未能觀測到增雨的確定性證據(jù)。

盡管增雨和消霧效果明顯的作業(yè)個(gè)例在本輪外場試驗(yàn)中占比很少,但在效果相對理想的個(gè)例中已能獲取與原理和試驗(yàn)預(yù)期相符的云霧和降水粒子微物理演變的證據(jù),初步驗(yàn)證了人工強(qiáng)聲波裝置開展消霧和增雨作業(yè)的可行性和有效性,同時(shí)也積累了許多經(jīng)驗(yàn)。首先,目前人工強(qiáng)聲波裝置僅適合在靜穩(wěn)、微風(fēng)天氣下開展消霧作業(yè),應(yīng)避免在風(fēng)速較大時(shí)盲目開展作業(yè)。其次,山間地形崎嶇,氣流復(fù)雜,本輪試驗(yàn)觀測點(diǎn)位部署靈活性較差。未來應(yīng)盡量選擇開闊的平臺場地開展消霧外場試驗(yàn),并在可能的上下游位置充分部署觀測設(shè)備,確保可靠的對比觀測點(diǎn),以便積累更多可靠的試驗(yàn)結(jié)果對人工強(qiáng)聲波影響降水和霧的效果進(jìn)行充分評估。再次,在野外臨時(shí)陣地的選擇方面,應(yīng)對預(yù)選陣地周圍的各種天氣實(shí)況和環(huán)境狀況進(jìn)行更加充分的考察。此外,對于增雨試驗(yàn),應(yīng)結(jié)合具有距離高度顯示掃描功能的天氣雷達(dá)或云雷達(dá),針對性地探測作業(yè)點(diǎn)上空及云移動(dòng)方向上的垂直剖面,以便進(jìn)一步明晰聲波促使云雨粒子碰并增長的物理證據(jù)。