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人工影响天气消减雾霾试验研究

2019-12-02周亚丽江召兵彭轶群

价值工程 2019年30期

周亚丽 江召兵 彭轶群

摘要:雾霾与雾虽产生的原因及危害性不同,但人工驱散雾气的方法可对消除已产生的雾霾提供启示。本文提出了一种利用逆温层的特性和破坏逆温层的方法消除已产生的雾霾,采用WRF模式系统构建气象模型,分别进行控制试验、敏感性试验。多点高速电风扇组合布置后所产生的气流,能够对周边较大范围的空气产生强烈扰动,增加近地层温度和降低湿度,使空气上下对流起来,从而达到除雾的效果。

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.

关键词:消减雾霾;控制试验;敏感性试验

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

中图分类号:P48                                         文献标识码:A                                  文章编号:1006-4311(2019)30-0256-04

0  引言

雾霾给人们的正常生活、出行造成了一定的影响,甚至还威胁到了人们的生命健康[1]。雾霾形成的原因实质是静稳天气下空气中集聚了足够浓度的污染物。由于空气在水平和垂直方向几乎静止,导致由氮氧化物、二氧化硫、灰尘、有机碳氢化合物等非水成物粒子组成的气溶胶系统与水雾结合在一起形成的雾霾无法扩散。

近几年来,国外对雾霾的研究主要侧重于探讨雾霾成因问题,国内则侧重于治理路径与模式的研究。雾霾治理方法可概括为减少污染物的排放量,对如何消减已产生的雾霾研究较少[2]。

国庆50年阅兵时,我国就成功应用了在跑道上部署喷气发动机水平喷气,以此来吹散雾气。美国也曾在加利福利亚的特拉维斯空军基地飞机跑道上成功地将能见度从300英尺增加到了0.5英里。这些研究和应用给人工驱散已产生的雾霾提供了启发,因为雾霾的物理性质和雾很相近。

1  人工气流生成与部署系统

采用高速電风扇,在地面布置多台电风扇,向上喷射,在电风扇上部形成气流上升区,气流上升区外围的空气下降,形成气流下降区,多台电风扇分布呈矩形布局并产生垂直向上的持续射流,使气流上升区和气流下降区的直径范围为3~5公里,如图1所示。

经过理论建模测算和风动试验验证,这些高速电风扇的功率、产生气流的速度等性能参数可以达到吹散逆温层的强度。而且能够部署在平板车上,形成独立的可远程控制的移动式系统。在使用时,必须根据雾霾形成的实际气象情况,在不同区域灵活迁移与部署,才能达到最大化干扰逆温层的效果。

2  射流建模与分析系统

通过射流建模分析,发现按照分布式矩形部署高速电风扇(16个高速电风扇),其影响范围投射到3km高空,可达到5km×5km范围,相隔两个高速电风扇的间距为1公里左右,如图2所示。

3  控制试验和敏感性试验研究

基于2017年西南地区的历史气象数据,采用WRF(Weather Research Forecast)模式系统构建气象模型,分别进行控制试验、敏感性试验。选取区域的范围:以高速电风扇所在位置为中心,5平方公里、3千米高的向上垂直运动气柱(简称5×5×3)。通过引入一个扰动点,模拟计算瞬间的气流扰动能够对5×5×3区域内的空气流造成的影响。

利用T511数值预报模式产品,作为数值天气预报背景场,模拟石家庄附近区域2017年1月15日12时(UTC)的24小时天气形势,格点数分别为331×301,水平分辨率为5km,垂直方向71层。

3.1 试验情况

模式的水平分辨率为5km,东西方向的格点数为331,南北方向格点数为301,采用兰伯特投影,投影中心点位于106.747E和31.540N,模式积分步长为15秒,模式间隔30分钟输出一次。

试验分为控制试验和敏感性试验,控制试验就是不对模式初始场大气状态等进行调整,敏感性试验就是在T511模式基础上,修改石家庄附近区域(约5平方公里)大气东西向风U、南北向风V、垂直速度W和地面气压PSFC,模拟利用航空发动机进行5平方公里大气的垂直输送。两个试验采用相同的参数化方案。需要指出的是,敏感性试验仅考虑了初始时刻的航空发动机向上大气输送效果,没有考虑发动机持续向上输送大气的效果。

在敏感性試验中,按照发动机尾喷口的大气射流速度修改(148,134)所在点的垂直速度;将(148,134)所在点的地表气压减去200Pa,修改(148,134)所在点周围8格点的东西方向风U和南北方向风V廓线,各层的U和V,风向同上图的设置,风速大小为W的1/4,通过上述方法,在敏感性试验中,将发动机垂直尾流,加入数值预报模式。

3.2 区域模拟结果分析

以高度100米左右为例,模拟区域内水平、垂直风速差异随时间的变化,详见图4、图5,每张图的时间分别晚30分钟,图中黑点表示发动机垂直射流所在位置。

选取发动机位置SJZ所在点进行要素差时序图分析。这里的要素差是利用敏感性试验同时次同变量的要素值减去敏感性试验同时次同变量的要素值。高要素差反映的是模式模拟初始时刻航空发动机向上喷射大气,对未来7-8小时大气从地面到高空造成的影响,详见图6。

4  结论

经过风洞试验、控制性试验、敏感性试验等多项试验数据表明:多点高速电风扇组合布置后所产生的气流,能够对周边较大范围的空气产生强烈扰动,增加近地层温度和降低湿度,使空气上下对流起来,从而达到除雾的效果。

通过干扰逆温层,破坏大气逆温现象,达到减轻雾气的效果。一旦逆温层被扰乱或破坏,就容易实现逆温层上方和下方的气流交换,原本由于逆温层聚拢在特定区域内无法散去的雾气,就会被“风”吹走,改善当地的大气质量。

参考文献:

[1]杨卉.雾霾治理措施研究[J].环境与发展,2018,31(07):31-32.

[2]唐德才,李智江,张瑛.雾霾治理文献综述与有效性分析[J]. 生态经济,2017,33(12):174-179.

[3]郭帷.新疆人工影响天气作业点安全射界图设计规范研究[J].价值工程,2015,34(23):162-164.