2020年雾灵山人工低频强声波增雨和消雾试验

孙 跃 肖 辉2)* 冯 强 张 云 舒未希2) 付丹红2) 杨慧玲2)

1)(中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室, 北京 100029) 2)(中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049) 3)(中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094) 4)(国防科技大学气象海洋学院, 长沙 410003)

引 言

云和雾由尺度在微米量级或更大的水凝物组成,分别由高空和近地面的水汽凝结或凝华等微物理过程形成。云和雾均是人工影响天气的重要作业对象。对云的人工影响目的主要为增雨、消减雨和防雹等,主要作业手段为通过高炮、火箭弹、飞机、地面发生器等方式向云播撒催化剂。对于具有过冷水的云,播撒人工冰核(如AgI等)或制冷剂(如液态二氧化碳、干冰、液氮等)可消耗过冷水使冰晶增长并下落,最终引发冷云降水微物理连锁反应;对于温度大于0 ℃的云,播撒吸湿性催化剂(如盐粉、吸湿性混合剂等)可诱发大云滴的形成,促进云滴碰并增长成为尺度和下落末速度更大的雨滴,从而形成降水,即暖云增雨。然而,上述作业方式往往涉及作业空域的协调,在作业的灵活性和安全性等方面不可避免地存在局限性。人工消雾的作业手段除了加热和人工扰动等方法外,还包括按照雾的冷、暖性质播撒针对性催化剂,作业灵活性方面也存在局限性。因此,仍然有必要探索人工影响云雾和降水的新技术和方法。

声波可促使气溶胶和云雾粒子发生聚并、碰并增长[1],是应用潜力值得深入挖掘的人工影响手段。早在20世纪60年代,苏联科学家已归纳出经典可解析计算的声波影响气溶胶、云雾等小粒子碰并的理论主要包括同向位移效应[1-3]和声尾流效应[1,4]。同向位移效应指不同强度、频率的声波携带不同尺度粒子的能力存在差异,导致粒子出现额外相向运动的效应。如在气流沿声波法线方向往复变化的微观流场中,较小粒子在气动阻力作用下会在极短时间内被加速到和气流运动一致,而较大粒子受气动阻力作用被加速所需时间更长,最终可能导致在1个声波正弦波形的后半周期,大粒子刚被加速到正速度最大值,由于惯性仍在向前运动,而小粒子则已开始向相反方向运动,导致不同尺度粒子出现同向位移。这种效应在给定背景条件、声波频率和强度及粒子固有物理属性后可解析计算[5]。通常频率在102Hz量级或更低的低频声波更易驱使1～100 μm尺度的粒子出现同向位移,高频声波的粒子则容易促使0.01～1 μm尺度的粒子发生该效应。声尾流效应指在声波法线方向上的两个粒子由于存在交替遮挡关系而产生相向运动的能力。该机制很好地解释了单分散颗粒在声波作用下也能出现明显聚并增长的现象。此外,许焕斌[6]指出声波能影响球形粒子边界层的动量交换状态,减小粒子下落时的空气阻力,形成润滑效应,这是既能增加粒子下落速度也能影响粒子碰并的潜在机制之一。

20世纪70年代后随着空气质量健康标准愈发受到重视,许多学者陆续开展试验和数值模拟,研究人工声场促使燃烧排放的飞灰颗粒发生聚并的能力和规律[7-13],以达到清除空气污染物的目的。Hoffmann等[14-15]采用显微镜下的可视化追踪技术,发现两个粒子在强声波作用下呈音叉状振荡下落最终聚并的运动轨迹,该现象表明两个粒子在声波作用下发生聚并的轨迹基本符合声尾流效应的理论计算结果。González等[16-17]提出能更精确反映声尾流效应的计算方案。Zhang等[18-21]在González的工作基础上相继开展计算流体力学验证与离散元数值模拟方法的改进与应用,并展示声波消烟试验。此外,近年国内还有研究团队从工程角度开展强声波清除气溶胶的室内试验研究。

在声波消雾和影响降水方面,20世纪60年代我国学者已在探讨声场中粒子的受力[22],并能实现行波管中的消雾[23]。早期有文献记载船舶汽笛前方的消雾现象。顾震潮[24]提到声波对云雾的影响作用,但可能受制于有限的作业和观测等条件,未能形成明确结论。侯双全等[25]开展低频强声波消雾的室内试验,结果显示:在声压级超过130 dB的30 Hz低频强声波作用下,1 min后出现直径接近10 μm的大滴增多现象,雾室内的水雾在2 min内迅速消散,明显区别于超过5 min的自然消散时间。该试验还证实消雾效果具有随频率增加而减弱的趋势。这些现象与声波促使粒子碰并的原理和解析计算规律基本相符,从而证明人工强声波能够消除一定体积内的雾。此外,有研究从工程角度开展外场增雨[26]和消雾的试验探索。许焕斌[6]也开展过声场雨效应的外场随机对比试验,归纳出声响雨大、声停雨小的试验现象。但总体而言,充分结合云雾和降水物理观、探测手段和分析方法的声波外场作业试验与研究报道仍较少。

声波外场增雨和消雾作业可行性的关键问题在于声波的强度及其随距离的衰减。根据球面波的衰减规律,声波法线上水平距离分别为S1和S2的两点声压级差异为20×lg(S1/S2) dB,即与声波源的距离每增加1个量级,理论上声压级衰减20 dB。考虑许多强声波装置在出口(通常约定为1 m处)的声压级超过150 dB,100 m距离上声压级仍能达到110 dB,而这也较实验室内发现的有消雾作用的声压级下限(100 dB)[21-22]更高。外场试验的声波波束不免具有一定的角度展宽范围,对于静稳天气下的雾过程,人工低频强声波能直接影响空间体积比试验室内大得多的雾,叠加局部消雾后四周雾扩散、平流的补充效应,理论上可在下游局部范围内达到消、减雾的效果。另一方面,100 m距离接近甚至超越许多低云的云底高度,如果能在云底引发粒子增长和下落,可能会拖曳减弱上升气流或形成下沉气流,从而促成更多雨滴下落的连锁反应。然而,自然条件下的云雾在宏微观特性方面均存在很大时空变率,人工强声波能否真正达成显著的影响效果,仍然亟待研究。

2020年8—9月中国科学院大气物理研究所牵头的研究团队在河北省雾灵山开展人工强声波装置的增雨和消雾试验,并进行应用效果评估研究。本文将对此轮外场试验进行介绍,并基于结果讨论作业试验的效果。

1 数据和方法

1.1 试验场地及观测设备

雾灵山地处河北省承德市兴隆县,紧邻北京东北界外,系燕山山脉主峰,最高海拔为2118 m。雾灵山以夏季多雾多云而闻名,现为国家AAAA级旅游景区。本文试验团队于2020年8月18日—9月13日在雾灵山顶景区构建了临时外场试验阵地。图1为试验场位置和仪器分布,其中试验场上空照片取自高分2号卫星0.8 m分辨率全色通道数据。A点为山顶西侧的一处平台空地,人工强声波装置部署于此。A点周围是其他机构的平房,试验团队租用其中一部分以供试验仪器供电和团队住宿。B点为平房楼顶,部署具备超声风速仪的Lufft WS600-UMB型自动气象站(采样频率为5 s)和OTT Parsivel2型雨滴谱仪(采样频率为1 min),用于观测背景气象信息和评估增雨效果。C点位于主峰及山顶信号塔南侧山坡步行道旁相对平坦开阔的位置,距离A点约126 m,海拔略高于A点,部署HY- V20型能见度仪(采样频率为15 s)和DMT FM-120型雾滴谱仪[27](采样频率为1 s),用于评估消雾效果。此外,使用NTi XL2型手持式声压级计在不同位置观测无计权声压级,用以评估人工强声波装置发射声波的性能参数。

图1 雾灵山顶临时试验场的位置(方框,填色为海拔高度)(a)与仪器分布(A为架设在地面平台上的人工强声波装置,B为架设在屋顶的激光雨滴谱仪和自动气象站,C为雾滴谱仪和能见度仪观测点;蓝色箭头为消雾试验时云雾从南坡爬上山顶的方向示意,红色箭头为低频强声波装置消雾发射时的声波朝向)(b)

在观测点位置的设计方面,由于几乎所有的雾(包括部分不易与雾区分的地形云,以下统称为雾)均从山的南坡爬升而来,故最初在考察和选定试验场地时,本文研究团队原计划人工强声波装置在图1 A点向南边作业,并在A点部署1台雾滴谱仪作为影响观测点,在侧风方向稍远距离部署第2台雾滴谱仪作为对比观测点。但试验场地开始部署设备并经过对雾天实况考察后发现,由于A点平台南侧边缘过于陡峭,雾要么爬升不上来而从平台侧边绕过A点,要么沿人工强声波装置无法影响到的负仰角爬升上来,因此观测点并不理想。A点和C点间为景区停车场,不宜部署设备,故将消雾影响观测点设置在剩余可行的、具有步行道且坡度较缓的C点。山顶南坡其他周边位置受限于无步行道或地形陡峭等因素,不易完成观测设备及其线缆的布设和维护,故第2台雾滴谱仪仅为备用,未能实现利用其构建侧向对比观测点的试验构想。消雾作业时,A点的人工强声波装置向C点南侧的山坡上空进行作业,预计可影响到沿坡度较缓的山坡向山顶移动的雾。此时C点作为影响区的下游,预计可观测到受作业影响前后能见度和雾滴谱的变化。对于增雨作业,则将人工强声波装置指向天顶,并向目测降水云系的来向(基本为偏北向)略微倾斜约10°天顶角,由B点的雨滴谱观测作业前后雨滴谱的变化。

1.2 人工强声波装置

本文使用的人工强声波装置为中国科学院大气物理研究所和中国电子科技集团公司第三研究所联合研制的电声低频强声波装置原型机。该装置主体是由9个电声音箱组成的发声阵列,仰角和方位角可手动调整,另外附属有功放机柜和有线音源控制盒。该装置设计的最大声压级为155 dB(1 m处),试验时由手动控制开关及播放预制的单一频率数字音源。

图2为人工强声波装置声压级随发射声波频率和测试距离的变化。试验团队在A点北侧的房顶上进行观测,测试点距离装置约为30 m。由于受周边房屋遮挡、折射干涉和山风影响,声压级可能偏小,但仍然可见,在200 Hz和60 Hz位置具有极值,声压级超过120 dB,符合该装置可发射低频强声波的设计目的。与此同时,钳形电表现场测试该装置的电功率为2000～8000 W,具体电功率与声压级和声音频率有关。

图2 声压级随频率和距离的变化

另一个需要外场实证的问题是该装置发出的声波是否能传播较远的距离。由于雾灵山山间地形较为崎岖且晴天时山风较强,在雾灵山试验期间并未形成较完整的声压级随距离变化的测试结果,仅测得C点(距声源126 m)的声压级最高为106 dB。为此,2020年11月23日本文研究团队专门赴具有2 km长的直线步行道及开阔环境的北京顺义奥林匹克水上公园,在晴朗且几乎无风的傍晚进行补充测试。测试不同频率下30 m～1 km距离的声压级,结果显示该装置发出的声波声压级随距离的变化符合理论推算值,即距离增大1个量级声压级衰减20 dB。可能受声波同时沿地面传播的影响,实测声压级还略高于推算值,且明显高于背景声压级,从而验证了该装置发出强声波的传播能力。

由于作业装置需要调整指向,声压级的方向图也是需要关注的重要指标。本文在远近两个地点(126 m和30 m)分别开展了声压级方向图测量。鉴于装置设计的局限性,在A点北侧30 m处房顶的观测采用抬升声波装置的仰角进行,在C点的观测采用变换声波装置的方位角进行。由图3可知,两个地点的观测结果存在差异。该声波装置30 m测量点疑似由于地面和房屋折射影响,在偏离角度40°以内的衰减较慢;126 m测量点疑似由于山风和山体传播、反射等因素影响,在偏离角度40°以上的衰减较慢。总体而言,由发声阵列构成声波装置的定向性偏弱,衰减6 dB(两倍)对应的偏离角度为60°甚至更大,这与抛物面天线雷达、号筒喇叭等装置的能量集中性存在明显差异。但不能就此认为该装置拥有如此大方位角的影响范围,还应考虑偏离角度增大后声压级随距离衰减的影响。经过订正,6 dB衰减对应的偏离角度为40°～45°,由此确定该声波装置的影响范围。

图3 人工强声波装置的声压级方向图

另一个需要关注的问题是人工强声波装置是否成为影响周边环境的噪声源。需要指出的是,本文以dB为单位的无计权声压级与用于评估环境噪声的声压级有所不同,后者使用A计权声压级(声环境质量标准 GB 3096—2008),即按照人耳的敏感程度对不同声音频率赋予不同权重再积分得到声压级。在人耳较为敏感的1000～5000 Hz,A计权权重大于1,在更高频和更低频方向权重系数依次减小。如30 Hz的权重系数约为-40 dB,60 Hz的权重系数约为-27 dB。以声环境质量标准为例,昼间居民区对环境噪声A计权声压级限制为55 dB。经反算可知最大声压级155 dB的强声波装置以60 Hz 作业时,若要满足居民区的噪声标准,则作业装置在中间无地物遮挡的情况下需距离居民区4.5 km 以上。实际情况下难免有地物遮挡,导致声波快速衰减,作业装置也应尽可能距居民区1 km以上,本文试验也符合这一指标。另一方面,近距离测试人员在声波装置正面30 m的噪声感受(A计权下大于90 dB)会超过工厂内的限制(通常规定最大不超过90 dB),但考虑到近距离的测试时间非常短且非持续性,在佩戴隔音耳罩后认为可以临时承受。对于在声波装置侧面和背面的其他控制人员和相关人员,10～ 30 m距离的噪声感受类似在铁路干线或飞机场旁,也认为短暂操作相关设备时可以临时承受。

1.3 作业方案和预期结果

低频强声波装置消雾试验的作业需充分考虑外场试验和室内试验的主要差异,即自然雾具有移动性和时空不均匀性。因此,外场消雾不宜像室内试验一样长时间持续开机作业直至雾消散。由1.1节和1.2节可知,本文的声波装置在100 m量级的距离上声压级已不足110 dB,接近室内试验中声波促使粒子碰并的声压级下限;考虑到该声波装置法线两侧存在最大45°的展宽,不论雾的来向是偏南侧还是偏西侧,经声波影响区到达观测点C均约为100 m。以试验地区爬坡的山风分别为0.5 m·s-1(一级风)和2 m·s-1(二级风)为例,雾被风输送100 m距离的时间分别为200 s和 50 s。因此,如果声波消雾在这种外场条件能够产生效果,则在100～101min量级时间内必然能够在下游观测到能见度和雾滴谱发生变化,而在更长时间后才出现的雾消散效果则应考虑是雾本身的时空尺度和移动的结果。另一方面,考虑即便影响区出现消雾效果,其上游即山坡下面会有雾补充,因而不应期望短时作业能使山顶的雾完全消散。综合上述考虑,制定作业试验方案:等待雾从山下爬升上来并基本维持在极低能见度状态(A点通过目测看不到C点,能见度小于100 m),以10 min左右作为声波装置开机时长,以5～10 min间隔,交替开机、关机。预期观测的宏观结果:开机时段具有明显消雾现象,关机时段具有雾明显回升补充现象。对于增雨试验,采用类似的交替开机、关机方式进行试验。按照上述方法,2020年8月23日—9月10日分别在7个作业日开展25次开机消雾试验,9月7—11日期间分别在3个作业日5个作业时段内开展22次开机增雨试验。

在预期的微物理观测效果方面,由于强声波理论上能促使粒子碰并,形成更大的粒子,引发更多的粒子沉降,故在雾滴谱和雨滴谱中应能观测到相应的变化。对于消雾试验中的雾滴谱数据,预期观测到作业时发生小粒子减少、大粒子先增多再减少的现象。考虑到C点位于影响区下游,可能存在大粒子已经在上游沉降而无法进一步向下游输送的情况,故作业时C点实际观测到的大粒子增加数可能偏少,即大粒子数浓度存在增长但幅度有限。对于增雨试验中的雨滴谱数据,预期作业后表现出大雨滴突然增多的现象。考虑到作业前无法观测到那些最终无法下落的小云滴和小雨滴,因此无法预期雨滴谱数据出现类似雾滴谱的小雨滴减少的现象。此外,还需关注是否出现声响雨大、声停雨小[6]的现象。

2 作业效果观测与分析

2.1 2020年8月23日消雾试验

2020年8月下旬雾灵山地区除25日前后受途经黄海北上的第8号台风巴威(2008)外沿的影响外,其他时间500 hPa上总体受中纬度纬向型环流影响。受延伸到华东地区的西北太平洋副热带高压(台风时段除外)影响,雾灵山地区850 hPa为偏南风。在上述环流背景下,山谷形成的雾在白天可被上坡风及背景偏南风输送至山顶,偏南风本身也能促使水汽上坡时发生凝结,导致山顶可观测到雾的过程。

2020年8月23日除自动气象站的接收终端通讯尚在调试外,其他观测仪器均已完成部署,当日下午迎来一次雾过程。声波频率采用低频方向声压级较高的60 Hz,采用开机10 min、暂停5 min的方式进行试验。由图4可见,8月23日17:45(北京时,下同)能见度由800 m降至100 m以下并几乎稳定维持,最低可至60 m。第1次开机作业后,能见度迅速回升至最高500 m,之后在100～500 m间振荡,关机后回落至最低50 m。第2次开机后类似,能见度先迅速回升至300 m,之后最高可超过1000 m,关机后能见度持续回落至40 m以下。进一步通过线性拟合计算作业时段内能见度随时间的变化,求得前两次作业的能见度回升速度分别为14.0 m·min-1和59.3 m·min-1。但是后两次作业的能见度始终为100 m以下,第3次作业完全没有消雾效果(-0.1 m·min-1),第4次作业仅有微弱效果(3.8 m·min-1)。雾滴谱参数随时间的变化与能见度的对应关系很好:对于前两次作业,均存在数浓度和液态水含量减小、体积中值等效直径先增大再减小的现象;后两次作业未能显现以上变化趋势,且液态水含量比前两次作业开始前大2倍,体积中值等效直径也明显较大。第4次作业结束5 min后,虽然雾的过程尚未结束,但考虑到日落后光线不足可能导致试验人员在山间活动存在安全隐患,故结束当日试验。

图4 2020年8月23日消雾试验的能见度和雾滴谱参数(有序号阴影区代表开机作业的顺序时段)

由平均雾滴谱变化(图5)可知,在前两次消雾效果明显的作业中,雾滴谱演变符合预期。对于第1次作业,作业开始1 min后雾滴尺度小于10 μm的粒子减少,尺度大于10 μm的粒子增多,但作业2 min 后尺度大于5 μm的粒子迅速减少。对于第2次作业,作业开始2 min后出现小粒子略微减少而大粒子略微增多的现象,且在作业4 min后出现尺度大于5 μm的粒子全部迅速减少的现象。这与1.3节试验方案设计时期望的结果非常吻合。而第3和第4次消雾效果不明显的试验中,雾滴谱的变化幅度非常小。

前两次作业效果好而后两次作业无效可能有两个方面原因:一是后两次作业时雾过于浓密,二是山坡下的风速、风向发生变化。但由于原定计划用于观测风速的自动气象站在该作业日的次日才完成部署,这使得当日缺少山顶的实测风信息供参考。因此,采用ERA5再分析地面10 m水平风数据作为参考。由图6可知,空间分辨率为0.25°×0.25°的ERA5数据格点恰好位于雾灵山周边,通过对山下数据的简单插值无法合理评估山上的风速,但可以通过作业时段内两个整点时次风速、风向的变化分析山上风向的变化趋势。在距离前两次作业最近的整点18:00,雾灵山南偏东侧格点为不足1 m·s-1的西南风,而西南侧格点几乎静风,表明当时山南坡很可能为风速很小的西南风。但比较临近后两次作业时间的19:00,山南侧全部转为风速较18:00更大的偏东风。这能较好地解释作业效果的差异:对于前两次作业,雾在较弱西南风输送下经过图1中A、C两点连线南侧的作业影响区并较充分地受到声波作业影响;对于后两次作业,雾被东南风向山顶输送,处于C点相对A点的远端,未经过声波较强的影响区,因而几乎未受到声波作业影响。除风向变化外,风速增强导致雾的输送能力增强也能很好地解释后两次作业观测的液态水含量和体积中值等效直径较前两次作业明显偏大的现象。综上,在风速很小且风向促使雾途经声波装置影响范围近侧时,在下游容易观测到消雾效果。

图6 2020年8月23日消雾作时雾灵山周边地区ERA5地面风(∆为雾灵山,蓝色矢量为18:00的风,红色矢量为19:00的风)

2.2 其他消雾试验

其余21次消雾试验的作业声波频率仍以60 Hz为主,并穿插采用少量31.5 Hz和200 Hz等其他作业频率,每次作业时长为5～15 min,间隔5～10 min。但得到的结果不如8月23日试验典型。由图7可知,2020年8月27日的能见度在两次作业时均有一定程度的回升趋势,但振荡也很明显,较难判断这些变化是否为雾的空间不均匀性导致的自然起伏;2020年8月28日和29日各仅进行1次声波作业,虽然作业期间能见度明显回升,但持续10 min的作业暂停后,雾彻底消散,使得这两个个例作为孤证时无法区分是否为作业的效果;2020年8月30日的作业从能见度变化几乎看不出作业效果;其他未展示个例均在一定程度上存在上述问题。此外,由于未能连续复现单一声波频率的消雾效果,声波频率对消雾效果的影响试验未能充分开展。

图7 2020年消雾试验的能见度变化个例(有序号的阴影区代表开机作业的顺序时段)

结合2.1节2020年8月23日试验的分析经验,风速、风向可能是影响上述声波消雾作业效果在下游观测结果的关键因素,下面分析上述21次作业时段内自动气象站观测的水平风和能见度变化速度的关系。需要指出的是,图1中B点观测的风可能与其南侧山坡上的风存在差异,因此,相关统计结果仅作为定性参考。由图8可知,能见度变化速度最大3次试验对应的数据点全部位于平均风速小于1.5 m·s-1的区间,而在风速大于2 m·s-1的区间能见度变化速度基本接近于0。另一方面,结合纬向风分量分析可见,能见度变化速度较大的试验对应的数据点更多分布在偏西风的区间。综上分析,与2.1节典型个例对风速的讨论结果类似,在风速较小且风向使得雾途经声波装置影响范围近侧时,更容易观测到明显的低频强声波消雾效果。

图8 2020年8月27日—9月10日21次消雾作业时段内自动气象站风速和能见度变化速度的关系

2.3 增雨试验

开展的5个增雨试验时段的风速和云类型见表1。2020年9月7日起雾灵山地区逐渐受东北冷涡影响,频繁出现降水天气。在此期间,降水云全部从山北侧移来。经现场目测和FY-4A气象卫星红外通道云图确认,9月7日作业云是冷涡云系西侧边界外的对流云,9月10—11日作业云则是冷涡云系内偏西南侧的层状云。

表1 2020年增雨试验的风速和云信息

比较典型的增雨是2020年9月7日针对一块对流云的个例。考虑到低频声波的周期更长、更具备驱动大粒子的能力,故选择最低的31.5 Hz频率声波进行作业。此外,考虑到云的移速相对较快且一般积云空间尺度有限,以比消雾试验更短的 3 min 和2 min分别作为开始时长和暂停间隔为主。由图9可见,作业开始前2～3 min,仅能观测到0.3 mm·h-1左右的微量降水,且仅出现2 min;第1次作业时,雨强迅速增加至7.5 mm·h-1,具有明显的突然增加现象。其后的3次作业效果均不明显,尽管第3次和第4次开机后雨强也出现增加趋势,但量级非常小,这可能是由于第1次作业已使大部分具有碰并潜力的雨滴增长并迅速下落,也可能是云逐渐移出观测场所致。由第1次作业的雨滴谱可见,作业开始后1～3 min以及作业结束后1 min,可观测到的最大雨滴尺度持续增加,从作业前的不足2 mm增大到作业结束后1 min超过6 mm。作业结束后2 min,大雨滴才明显减少,同时小于3 mm的小雨滴明显增多,这可能是由于大雨滴下落拖曳上升气流从而使得更多雨滴下落。综合上述现象,认为该次增雨试验符合作业后大雨滴迅速增多的试验预期。

图9 2020年9月7日增雨试验的雨强和第1次作业前后的雨滴谱(带序号阴影区代表开机作业的顺序时段)

图10 2020年9月10—11日增雨试验的雨强(具有序号的阴影区代表开机作业的顺序时段)

需要指出的是,尽管自然对流性降水本身具有脉动特征,其中也不乏尺度超过5 mm的大雨滴[28-33],但该个例作业后短时间内出现了仅持续2 min、尺度分别超过5 mm和6 mm的大雨滴,这在以往不多见。Luo等[34]研究显示,在位于雾灵山西南侧、北京郊区顺义区观测的暴雨系统雨滴谱中,较为孤立的对流云虽然在雨滴谱时间变化上也会表现出突然性和脉动性,但最大雨滴未超过4 mm,更大的雨滴出现在强对流云系主体内。河北省周边地区的典型强降水确实可见超过6 mm的雨滴[35-36],但也全部出现在大到暴雨且持续时间较长的强对流系统中。在强度稍弱的对流中[37-38],类似尺度的大雨滴仍然很少见。上述9月7日的个例尚属孤证,且没有对比站点或特种雷达进行对比和追踪剖析,加之影响雨滴最大尺寸的因素较多,但周边地区的针对性研究较少,故不能就此确定上述作业后大雨滴迅速增多一定由作业导致,该现象仅能作为符合作业试验预期的一种佐证。

对于其余针对层状云的增雨试验,试验团队原预计层状云相比对流云在时空变化方面更加均匀和稳定,遂采取200、60 Hz和31.5 Hz声波频率轮流的方式开展作业。但疑似受较大风速影响,未能再次观测到类似2020年9月7日的个例。如在2020年9月10日清晨的3次作业仅在后2次作业结束后才出现零星时次的微量降水,雨滴谱原始采样极少导致难以分析滴谱变化;9月10日上午的9次作业雨强呈振荡变化,其中4次作业期间雨强增大,另外5次作业期间雨强减小,未能表明作业和增雨的关系;9月11日中午的3次作业期间均出现微量的间断性降水,有些类似声响雨大、声停雨小的现象[6],但较第1次作业开始前1 min的雨强并无明显量级差异;9月11日下午作业开始前出现降水,作业后反而没有。总体看,2020年9月10—11日针对层状云的增雨试验未能表现出明显且一致的增雨现象和预期的微物理变化特征。

在成因分析方面,表1显示2020年9月7日针对对流云作业时,山顶平均风速仅为1.4 m·s-1,其余针对层状云的作业,风速均超过3 m·s-1,增大1倍多。云系过山时易受山顶地形和建筑物引起的复杂气流影响,较大的风速和瞬时多变的风向使受作业影响而形成的大雨滴未必恰好在雨滴谱仪上方下落,可能导致不易观测到确定性的有效增雨证据。

3 结论与讨论

本文综合分析2020年8—9月在雾灵山利用人工低频强声波装置开展的增雨和消雾作业试验的观测结果,得到主要结论如下:

1) 对于具有明显消雾效果的典型个例,在微观变化方面,60 Hz低频强声波作业2～3 min内尺度小于10 μm的雾滴减少,尺度大于10 μm的雾滴增多,随后大部分尺度的雾滴均出现明显减少;在宏观变化方面,作业开机时能见度回升并达到消雾效果,关机后雾受观测点上游补充影响又导致能见度迅速回落。这些宏微观变化特征符合低频强声波促进粒子碰并形成大粒子进而引发沉降的原理及试验预期。

2) 风速风向对消雾效果有较大影响。作业时能见度回升速度大的个例发生在平均风速小于1.5 m·s-1的条件下,而平均风速大于2 m·s-1的个例几乎未能表现出能见度的趋势性变化。在风速较小且风向使得雾能够途经声波装置影响范围近侧时,作业更加充分,下游更易取得明显的消雾效果。

3) 在1次对流云的增雨作业中观测到了符合试验预期的结果。雨强在作业3 min内由0.3 mm·h-1迅速增加到7 mm·h-1以上,并能够观测到迅速出现但维持时间较短的大雨滴,符合低频强声波促进云、雨粒子碰并进而形成大雨滴和降水的原理。

4) 雨量明显增加的个例发生在平均风速仅为1.4 m·s-1的条件下。其他增雨个例在作业时段的平均风速均超过3 m·s-1,可能受风速偏大和雨滴谱仪部署点位单一的影响,未能观测到增雨的确定性证据。

尽管增雨和消雾效果明显的作业个例在本轮外场试验中占比很少,但在效果相对理想的个例中已能获取与原理和试验预期相符的云雾和降水粒子微物理演变的证据,初步验证了人工强声波装置开展消雾和增雨作业的可行性和有效性,同时也积累了许多经验。首先,目前人工强声波装置仅适合在静稳、微风天气下开展消雾作业,应避免在风速较大时盲目开展作业。其次,山间地形崎岖,气流复杂,本轮试验观测点位部署灵活性较差。未来应尽量选择开阔的平台场地开展消雾外场试验,并在可能的上下游位置充分部署观测设备,确保可靠的对比观测点,以便积累更多可靠的试验结果对人工强声波影响降水和雾的效果进行充分评估。再次,在野外临时阵地的选择方面,应对预选阵地周围的各种天气实况和环境状况进行更加充分的考察。此外,对于增雨试验,应结合具有距离高度显示扫描功能的天气雷达或云雷达,针对性地探测作业点上空及云移动方向上的垂直剖面,以便进一步明晰声波促使云雨粒子碰并增长的物理证据。