催化剂扩散轨迹在人工影响天气中的试验研究

李旭+徐戈+王超群+王旗+于翠红

摘要：为了研究催化剂扩散在人工影响天气中的应用，本文选取了吉林省2014年春季四次飞机增雨作业个例，模拟研究了不同温度、风速条件下播撒催化剂AgI的扩散轨迹，得出了以下结论：催化剂AgI的扩散轨迹随温度的升高，水平扩散运行的距离减小，作业后维持时间减短;催化剂AgI的扩散轨迹随风速的增大，水平扩散运行的距离增大，作业后维持时间增长。

关键词：催化剂;扩散轨迹;人工影响天气

中图分类号：  P481                            文献标识码：  A                        DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2016.24.078

近年来暴雨、干旱、大风、大雾和霜冻等天气事件频繁出现，严重影响了人们的生产生活及社会的经济发展，所以人工影响天气技术的进一步提高有着重要的社会意义。人工影响天气试验作为人工影响天气研究的重要手段之一，愈来愈引起科学家们的关注和重视。我国在人工影响天气领域取得了很多的研究成果，并已经将越来越多的科学成果应用到了实际的业务运行之中。催化剂扩散轨迹的研究成果在人工影响天气的作业实施中有着非常重要的作用，它不仅能时刻跟踪催化剂的扩散范围，而且能避免区域的重复作业，使催化剂在作业潜力区最大限度的发挥作用，为人工影响天气作业提供科学的理论依据。然而，目前我国有关人工影响天气催化剂扩散轨迹试验的研究还相对较少。因此，进一步深入研究催化剂扩散轨迹的相关理论有着迫切的需要和重要的意义。

1系统运行业务化的实现

系统运行将与增雨作业相结合，增雨作业时，在播撒高度上输入AgI播撒量及大气温度、风速等扩散参数，计算机便实时显示出它扩散的时空分布和变化规律。即让实时了解增雨落区大致范围，以便于地面雨量结合起来进行增雨效果分析。

2系统输出的内容

通过菜单选项可随意调看该模式及分析个例的输出结果，即AgI运行轨迹时的时空分布和变化规律可实时显现出来。结合作业层宏观条件，在不同高度、不同温度和风速条件下运行该模式。

3模式介绍

本文所采用的模式中假设在相对稳定、大气为各向同性的层状云中进行飞机增雨作业试验，即假设层状云中为均匀平直的定常流场。同时，假设模式中的风在垂直方向上没有切变，即该模式中不考虑催化剂在X-Z面或Y-Z面的垂直扩散。为了保证催化剂的扩散沿着X-Y面即主导风方向，飞机在增雨作业时沿着垂直于高空播撒层主导风向的方向播撒催化剂。模式中将增雨飞机开始作业的位置取作坐标原点，平均风的方向为X轴，增雨飞机的作业方向为Y轴。因此，本研究考虑在与主导风方向一致的情况下，催化剂的输送扩散问题，从而确保催化剂在水平方向的扩散达到最远，可以通过催化剂在水平方向的输送距离来确定飞机增雨的区域。

假设为自由大气，则梯度输送理论扩散方程为：

即：

其中，q表示扩散物质的浓度，单位为个/L;u、v和w分别表示风速在x轴、y轴及z轴上的分风速，单位为km/h;kx、ky和kz分别表示在x轴、y轴及z轴上的湍流系数，令kx=ky=kz=kz（各向同性），单位为m2/s;t为时间，单位为min;w为因催化剂自身具有质量而产生的下沉速度，单位为m/s。

模式中考虑催化剂与云滴之间及催化剂与催化剂之间的相互作用，因此上述方程为：

式中Nc为云滴浓度，个/cm3;a表示云滴的捕获系数;B代表催化剂质点之间的闭合系数。根据文献[1]，本研究中不考虑混合物之间质点的并和作用。

由于层状云中v和w一般非常的小（若干厘米每秒），因此本研究中不考虑，从而可得方程为：

考虑初始边界条件：

t=0时，■

z=0时，q=0

■时，q=0

式中Q为单位点源核生成率。这样得单位点源浓度扩散方程为：

由于线源是点源在播撒线上浓度的积分，得到层状云线源扩散公示为：

其中，QL表示单位线源的核生成率，单位为个/m。

4个例分析及结论

本研究中选取了2014年春季四次飞机增雨作业个例进行研究，分别对四次增雨作业中的催化剂AgI的扩散轨迹进行模拟计算。

第一个个例选取2014年5月2日的一次飞行作业过程，作业温度为T=-5.2℃，风速为u=11千米/时，作业高度为H=3000米，AgI用量为500克，播云时间为90分钟，这时它的线源生成率为6.67 108个/米，见表1。模拟结果见图1，单位为个/升。

表1 2014年5月2日催化剂扩散分布

第二个个例选取2014年5月10日的一次飞行作业过程，作业温度为T=-3℃，风速为u=100千米/时，作业高度为H=4200米，AgI用量为500克，播云时间为90分钟，这时它的线源生成率为6.67 108个/米，见表2。模拟结果见图2，单位为个/升。

表2 2014年5月10日催化剂扩散分布

第三个个例选取2014年5月11日的一次飞行作业过程，作业温度为T=-9℃，风速为u=21千米/时，作业高度为H=3500米，AgI用量为500克，播云时间为90分钟，这时它的线源生成率为6.67 109个/米，见表3。模拟结果见图3，单位为个/升。

表3  2014年5月11日催化剂扩散分布

第四个个例选取2014年5月12日的一次飞行作业过程，作业温度为T=-13℃，风速为u=28千米/时，作业高度为H=5000米，AgI用量为500克，播云时间为90分钟，该条件下，催化剂AgI的线源生成率为4.44 1011个/米，见表4。模拟结果见图4，单位为个/L。

表4 2014年5月12日催化剂扩散分布

在计算过程中，我们根据文献[1][2]假设Nc、a和k均为常数。由表可知：

根据个例1的研究结果，如图1所示，当飞机增雨作业温度大于-7℃且风速较小时，催化剂AgI的水平扩散距离较近，同时作业后在X-Y面运行时间较短（这时，在X-Z面或Y-Z面运行扩散的范围较大，以后我们再继续研究讨论它）。

根据个例2的研究结果，如图2所示，当飞机增雨作业温度大于-7℃且风速较大时，催化剂AgI的水平扩散距离同样相对较近，但大于个例1中催化剂的水平扩散距离，同样作业后在X-Y面运行时间较短。

因此，根据以上两个个例的分析讨论，可以得出在飞机增雨作业中，如果进行蛇形播撒作业，应该使播撒的间距相对近一些。例如，在2014年5月2日的飞机增雨作业中，在播云6min后，云中AgI成冰核的数量在2.5公里以外增加小于5个/升。

根据个例3的研究结果，如图3所示，当飞机增雨作业温度小于-8℃且风速较小时，催化剂AgI的水平扩散距离相对较远，而且作业后在X-Y面维持的时间也相对比较长。

根据个例4的研究结果，如图4所示，当飞机增雨作业温度小于-8℃且风速较大时，催化剂AgI顺风向的水平扩散距离很远，而且作业后在X-Y面维持的时间也比较长。因此，在飞机增雨作业中进行蛇形播撒作业时，应该使催化剂的播撒间距加宽。

同时，在模式的试验研究中还发现，当温度、风速等条件不变的情况下，催化剂AgI的扩散轨迹随着湍流系数k的增大，衰减加快，且顺风向的水平扩散范围则减小（图略）。

本研究中模拟的催化剂播撒轨迹与实际飞机增雨作业飞行轨迹相一致，因此，本研究中通过考虑催化剂的扩散轨迹从而掌握了薄云间距的方法，该方法的掌握有利于提高飞机增雨作业的效果，在增雨作业潜力区最大限度的挖掘增雨潜力，从而避免了作业区域的重复作业，使人工增雨作业更科学有效，为抗旱增产做出更大贡献。

参考文献

[1]申亿铭.云中催化剂的扩散[M].北京：气象出版社，1994.

[2]黄美元，徐华英.云和降水物理.科学出版社，2001.

[3]桑建国，温市耕.大气扩散的数值计算[M].北京：气象出版社，1992.

[4]周秀骥，等.高等大气物理学[M].北京：气象出版社.

作者简介：李旭，硕士，吉林省人工影响天气办公室/中国气象局 吉林省人民政府人工影响天气联合开放实验室，中级工程师，研究方向：人工影响天气。