人工影响天气飞机播云作业有效催化范围的模拟评估

徐晓宇 ， 宿兴涛 ， 张志标 ， 王德龙

1. 东北大学 秦皇岛分校， 河北 秦皇岛 066000

2. 北京应用气象研究所， 北京 100029

0 引 言

当前，随着我国综合国力的提高，国家举办的大型活动越来越多。为了保障活动顺利进行，经常需要开展人工影响天气作业。其中，作业效果检验是人工影响天气一个极为重要但又非常困难的课题，是当前国内外人工影响天气领域亟待解决的重大科学技术问题之一。如果一直无法提供准确、可靠、令人信服的作业效果评估结果，就会影响社会对人工影响天气作业意义和价值的判断，甚至阻碍人工影响天气学科的发展。因此，迫切需要建立和发展适合实际的、客观的、科学的和定量的人工影响天气作业效果检验技术方法。

催化剂是人工影响天气作业的主要播撒物质。催化剂入云后的扩散范围、质粒浓度等关键参数的时空分布与催化作用和效果直接相关。因此，了解和掌握催化剂的扩散规律和时空分布，对效果评估和作业方案设计非常重要。国内外学者针对此问题开展过一些研究工作。例如，申亿铭(1994)对催化剂扩散做过较为系统的研究，主要包括梯度输送理论、扩散统计理论、层状云及对流云中线源和点源催化剂扩散的理论模式等。余兴等(1998,2005)利用烟团模式对催化剂水平输送和扩散、作业间距、播云物理效应等进行了模拟研究。戴进等(2006)对作业催化剂用量、人工增雨播撒方法进行了理论研究和探讨。郭宇光(2008)利用高斯模式建立了一套层状云催化剂扩散模式，对高炮点源催化剂扩散规律进行了研究。翟菁等(2012)基于对流云中催化剂扩散理论建立了一个适用对流云的云中点源催化剂扩散模拟系统，讨论了催化剂扩散与扩散时间、风速、湍流系统、垂直速度等因素的关系。周毓荃和朱冰(2014)基于扩散计算的解析解，研究了催化剂扩散问题。国外对催化剂的输送扩散研究主要采用示踪试验和数值模式相结合的方法，包括冬季地形云试验(Hill,1980)、飞机示踪试验(Holroyd et al，1988)、示踪物或播云物质扩散模拟(Bruintjes et al,1988)等。总体来看，以上研究偏重于催化扩散的理论研究，计算模型相对简单，有的偏重于对流云，有的偏重于层状云，因此通用性弱，示踪试验又相对复杂，对人力、物力、财力要求也较高；有的模型虽然考虑了相对复杂的物理过程，但模型过于老旧，未考虑应用最新的模型发展成果。针对上述问题，文中基于近年来新发展的拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF，通过改造使之具备飞机播云作业催化剂扩散模拟能力，并以一次播云作业为例，对催化剂扩散情况进行了模拟评估，以期为人工影响天气催化剂扩散评估提供一种新的思路。

1 模式简介与改造

1.1 模式简介

WRF模式作为新一代中尺度预报模式，源程序模块灵活高效，具有模块化、可移植、易维护、可扩展、高效率、方便等许多特点。FLEXPART模式是由挪威大气研究所研发的一种拉格朗日扩散模式，最初被用来研究长距离、中尺度的点源空气污染扩散问题，经过多年的发展已经成为模拟和分析大气传输的一个重要工具，从空气污染到大气传输应用广泛。FLEXPART模式通过计算点、线、面或体积源释放的大量粒子的轨迹，来描述示踪物在大气中长距离和中尺度空间的传输、扩散、干湿沉降和辐射衰减等过程。FLEXPART模式经过改造调整后可以与WRF模式进行耦合使用(FLEXPART-WRF模式)，将高时空分辨率的气象场输入该模式，从而大幅度提高区域扩散模拟的准确性，尤其在复杂地理环境下，可以得到更为准确的模拟结果。

1.2 模式改造

FLEXPART-WRF模式具有移植方便和计算效率、空间分辨率高等优点，非常适合用于催化剂扩散研究，因此文中首次将其引入到此领域，并以典型催化剂AgI为例进行数值模拟。由于模式自带的各种粒子物理化学特性参数清单文件不包括典型催化剂AgI。通过查阅文献，在模式中设计增加AgI物理化学特性模块，主要包括AgI粒子的降水清除系数、雨强权重、密度、平均直径、对数正态分布标准差、干沉降速率、25 ℃条件下AgI与OH-离子反应速率等关键物理化学特性参数，从而使得FLEXPART-WRF模式具备AgI扩散模拟能力。

2 试验设计

2.1 个例选取

为了检验改造后的FLEXPART-WRF模式对AgI扩散的模拟能力，以2015年7月30日内蒙古中部地区的一次飞机播云作业为例开展评估。此次作业时段为04:20—06:30(北京时，下同)，播撒催化剂为AgI冷云焰条，作业高度5 700—6 000 m，作业环境温度-8—-10 ℃，共使用冷云焰条17根(AgI含量125 g/根，燃烧时间25—30 min)，飞机作业速度保持在110 m/s左右，作业GPS轨迹如图1所示。作业时段可划分为5个阶段，表1给出了各时间段AgI焰条用量和播撒速率。

表1 2015年7月30日飞机播云作业AgI焰条催化信息

图1 飞机播云轨迹(B、E点分别代表播云开始和结束点的位置)

2.2 模拟设计

2.2.1 WRF模式设计

采用WRF模式V3.7.1对2015年7月30日天气进行模拟，模式输出资料时间间隔为1 h，采用的参数化方案为Lin微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、YSU边界层方案、Kain-Fritsch(new Eta)积云参数化方案。选取1°×1°分辨率NCEP/NCAR分析资料(间隔6 h)形成模式初始场。模式积分区域中心位于(42°N,114°E)，垂直方向30层，时间积分步长180 s，积分时间为2015年7月30日02时—31日02时。采用三重嵌套设置，分辨率分别为15 km、5 km、1.67 km，网格数(东西向×南北向)分别为160×130、232×181、301×301。

2.2.2 FLEXPART模式AgI源项输入方案设计

FLEXPART模式可以处理的粒子排放源类型包括点源、线源、面源和体源四种。但除点源外，其他三种排放源都需要是规则的排放源，即排放源不论是二维还是三维，都需要为正南北向、正东西向、正垂直方向。飞机播撒方式为不规则线源，由于作业持续时间较长，可将其作为连续移动点源，每隔Δt时间播撒质量为Qn=RΔt(R为播撒速率)的催化剂，飞机播撒点的四维精确坐标(经度、纬度、高度、时间)来自飞机GPS实测信息。文中取Δt=5 s，共1 560个点源，每个阶段AgI点源的播撒质量可利用AgI播撒速率计算得到。

2.2.3 FLEXPART模式设计

采用WRF模式分辨率最高的第三层区域模拟输出结果，为FLEXPART模式提供背景气象场作为驱动。FLEXPART模式水平范围为(40°—44°N,111°—116°E)，水平分辨率为0.01°N×0.01°E。垂直方向分为18层，高度分别为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，对作业高度上下1 000 m左右范围进行了间隔200 m的加密输出。

3 模拟效果分析

只有当AgI粒子浓度(CAgI)大于某一阈值(C)时，播云作业才会产生催化效果。在检验FLEXPART-WRF模式对AgI粒子扩散的模拟能力时，采用四种指标对催化范围进行评估。1) 有效区域：CAgI大于C的范围，表示有效作业的范围大小；2) 有效面积：某一高度上CAgI大于C的面积，表示云中此高度有效催化作用区域的大小；3) 投影有效面积：某一时刻各高度层上有效面积在地面上的垂直投影，表示此刻催化作业在地面上形成的有效面积，是计算作业效能的一个关键物理量；4)有效体积：某一时刻CAgI大于C的体积，表示此刻云中有效区域的体积。

分别采用103个/m3、104个/m3作为播云作业有效、显著有效的阈值(周毓荃和朱冰，2014)。根据焰条性能参数，取-10 °C时AgI粒子的成核率为1.8×1015个/g。在此基础上，对有效区域模拟结果进行评估。

3.1 水平扩散态势

图2给出了2015年7月30日05—12时飞机作业高度AgI粒子有效区域变化。分析发现，在飞机作业完成30 min(07时)时，AgI粒子扩散时间还不长，其浓度范围与图1飞机播云轨迹基本相似，反映了模式对飞机播云作业催化剂扩散模拟能力的总体合理性。存在不一致的原因在于FLEXPART模式输出高度为固定高度，而飞机播云的高度在5 700—6 000 m动态变化。随着时间的推移，在风场和湍流扩散共同作用下，AgI有效催化区域逐渐向东南方向移动，范围逐渐扩大，至10时AgI粒子传输扩散范围相较于初始播云轨迹已经产生了较大的变化。

图3给出了飞机播云作业高度的风场变化。分析发现，05—11时，飞机作业高度区间风场保持较为稳定的西北气流，风向总体变化不大，风速基本维持在6—12 m/s，风场与图2中AgI粒子的扩散规律保持了较好的一致性。除了风速外，大气稳定度也是决定AgI粒子扩散效果的重要指标。采用风速比法计算了6 000 m高度与5 500 m高度的大气稳定度，按照Pasquill稳定度分类规则(金莉莉等，2016)，作业区域基本保值在D类中性稳定状态。结合图2分析还发现，较为稳定的大气导致AgI粒子即使在经历了较长时间扩散过程后依然维持在一个较小的扩展宽度。

图2 2015年7月30日飞机播云作业高度AgI粒子浓度变化(单位：个/m3)

图3 2015年7月30日飞机播云作业高度风场(单位：m/s)

3.2 催化范围评估

3.2.1 投影有效面积

图4给出了30日04时—31日02时投影有效催化面积变化。分析发现，随着催化剂的扩散，投影有效催化面积均逐渐增大。在作业完成的30日06:30左右，有效催化面积约为2 000 km2；15时左右达到峰值，为1.5×104km2左右。在高空风作用下，随着催化剂扩散以及主体逐渐移出模拟区域，有效面积迅速减小，30日20时左右显著有效面积减小为0，而有效催化面积在30日20时—31日02时一直维持在6 000 km2左右。

3.2.2 各层有效面积

图5给出了30日04时—31日02时不同高度层的有效催化面积和显著有效催化面积变化。分析发现，总体而言，在播撒层上下高度层有效催化面积较大。其中，第5层面积在30日14时左右达到1.3×104km2，第6层面积在16时左右达到1×104km2，第4层面积在15—16时达到9 000 km2，第7层面积在16时左右达到5 500 km2。30日20时以后，除第1—3层以外，其他层次有效面积均为0。也就是说，图4中30日20时之后出现的有效面积全是催化剂在第1—3层扩散的贡献。显著有效催化面积的变化与有效面积的变化相似。

图4 飞机播云作业AgI粒子的投影有效催化面积变化

图5 AgI粒子在不同高度层的有效催化面积(a)和显著有效催化面积(b)变化

3.2.3 有效体积

图6给出了30日04时—31日02时有效催化体积和显著有效催化体积变化。分析发现，30日16时左右，有效催化体积和显著有效催化体积均达到峰值，分别约为2.9×104km3和1.8×104km3；之后迅速降低，20时左右显著有效催化体积即减小为0，而有效催化体积保持在6 000 km3左右。

图6 飞机播云作业AgI粒子的有效催化体积变化

综合分析模拟结果发现，此次飞机播云作业AgI催化剂扩散速率较低，播云作业完成后9 h左右有效催化面积才达到最大值，而有效催化体积达到最大值的时间更晚。因此，建议在实施飞机播云作业前，应根据作业当日天气条件和作业目的，合理设置播云作业时间，以达到最优的作业效果。

4 小 结

文中针对人工影响天气飞机播云作业效果评估需求，提出了一种基于拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF的催化剂催化范围模拟评估方法。以AgI催化剂为例，编制AgI物理化学特性参数清单文件，结合飞机播云特点和模式源项特点，将飞机不规则线性播撒方式离散化为连续移动点源播撒方式，实现模式对飞机播云的模拟能力。通过对一次飞机播云作业的模拟试验，证实了模拟评估方法的可行性和有效性。同时，模拟结果表明，播云作业时间设置合理与否直接影响作业效果。此方法不仅可推广至高炮、火箭、地面燃烧炉播云作业，还可用于指导作业实践，考证播云方案的有效性，对于规范播云方法、减少作业盲目性、提高作业效果具有重要意义。