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北京地区人工消雾技术研究
2014-03-20
随着现代社会的进步与发展，浓雾作为一种灾害性天气，对航空、海陆交通运输、输变电线路的影响越来越大，国民经济因此所遭受的损失也日趋严重。在北京地区，空中、地面交通十分繁忙，雾天出现交通事故已司空见惯，因浓雾造成的航班延误、旅客滞留的情况屡见不鲜。同时，雾还加剧了大气污染，危害着人们的身体健康，由于大雾天气造成的空气质量恶化导致体弱人群的患病人数明显增加。
为减轻和消除雾害，改进和完善北京地区消雾催化作业技术，2006年 “十一五”国家科技支撑计划项目设立“人工影响天气关键技术与装备研究”，其中第四课题为“北京地区人工消雾技术研究”。该课题由北京市人工影响天气办公室承担，课题组主要成员包括：张蔷、何晖、、王广河、金华、黄梦宇、权建农、马新成、刘建忠、高茜、董鹏捷等。
一、主要任务
1．北京地区雾结构与过程的宏微观物理特征研究
在常规气象观测资料基础上，综合静止卫星云图、多通道微波辐射计、雾滴谱仪、能见度仪等相关仪器，对大雾形成过程及在对其催化前后进行逐时监测，以掌握其宏微物理结构特征的变化，为分析大雾时空演变规律，实施人工消雾作业方案，进行消雾作业效果评估提供基础资料。
2．建立与中尺度数值预报业务模式（MM5）耦合的消雾数值模式
针对北京地区不同性质的大雾天气，通过敏感性实验模拟来研究在不同的催化剂种类及其不同作业用量、不同作业时机和不同的作业高度下雾的演变规律，为外场消雾作业提供技术基础。
3．云雾试验和外场消雾试验研究
利用相关课题“人工增雨及消雾装备研发”研发的新型催化剂以及其它催化剂在京津地区进行消雾的外场试验研究，研究最佳催化效果的催化剂播撒方案等。
4．北京地区人工消雾催化作业技术方案
在上述工作的基础之上，总结形成适合北京地区特点的人工消雾催化作业技术方案。
课题组综合观测环北京地区雾的形成、演变和消散规律及雾的结构和能见度的关系等，利用云室进行造雾试验，研究了人工消雾的机理；研发人工消雾数值模式，并进行了敏感性试验，研究了人工消雾的催化方式、最佳播撒剂量、催化响应范围等；利用相关课题研发的吸湿性焰剂和现有的消雾技术，开展了外场试验；改进和完善了环北京地区人工消雾催化作业技术。
课题共有4项成果获得了专利认证。其中，机载消云播撒设备播撒拉绳和包装箱和播撒方发一吸湿性暖云催化剂的播撒拉绳（ZL 2008 1 0240255.X）、吸湿性暖云催化剂包装箱、包装方法、拉绳缠绕方法、播撒方法（ZL 2008 1 0182770.7）等分别于2010年6月与2010年8月获得了国家发明专利，一种吸湿性暖云催化剂的输送装置（ZL 2008 2 0233838.5）、一种吸湿剂暖云催化剂的播撒拉绳（ZL 2008 2 0233837.0）播撒驱动装置和播撒拉绳分别于2009年10月与2010年1月获得国家实用新型专利。截至目前，课题组编写专著1部，在各类学术期刊和学术会议上发表文章24篇其中SCI3篇，硕士论文1篇。
1．北京地区大雾天气气候特征统计分析
为深入了解北京地区大雾天气气候背景特征，为人工消雾作业方案制定提供基础，统计和分析了北京观象台1960～2005年大雾气象观测资料，得出了北京地区大雾天气的时间分布和地面分布特征以及不同性质雾（冷雾、暖雾）的时间分布特征等。
2．吸湿性催化剂消雾性能云室试验研究
北京地区发生的雾灾以暖雾为主，目前人工消暖雾的方法主要有：加热蒸发法、动力混合法、静电清除法、声波震荡法和播撒吸湿性催化剂法，而播撒吸湿性催化剂法是一种较为方便的消雾方法。课题组进行了吸湿性催化剂消雾性能云室试验研究，对传统的吸湿性催化剂（氯化钠，氯化钙）和新型的吸湿剂RC/XW的消雾性能进行对比，并找到效果较好的催化剂的粒径尺度和播撒量。
3．京津地区大雾天气综合观测试验
为了解北京地区雾的宏微观物理特征，课题组在京津地区进行了大量雾的外场观测试验。雾外场观测场主要设在北京气象局（车道沟）、北京南郊观象台以及天津市武清县气象局观测场，并对观测结果进行了分析。雾综合探测内容主要包括雾的宏微观物理结构、雾含水量观测、雾滴谱观测、能见度观测、气溶胶探测、温度廓线、湿度廓线、液水含量廓线以及常规的气象探测等。
4．人工消雾中尺度数值模式的开发
数值模拟是研究雾的重要手段，目前针对消雾方法的数值模拟研究方面明显偏少，并且进行的消雾模拟研究主要是在雾模式中进行的。雾模式虽然是一种研究雾的很好的工具，但是由于它主要针对雾来设计，无法考虑地形、环境场的变化对雾滴的影响。利用雾模式进行消雾模拟对于消雾技术规律性的分析和研究，以及其中的微物理机制的认识等均存在明显的局限性消雾研究应该选用中尺度模式进行。
课题组通过在中尺度模式中耦合致冷剂（液氮）、吸湿剂与雾滴相互作用的过程，在中尺度模式内部增加一个具有催化功能的新方案，并使催化方案与中尺度模式完全融合。
5．人工消雾中尺度数值模拟研究
课题组分别选择了
6．外场消雾和消低云试验研究
外场消雾试验方面主要进行的有：
7．人工消雾作业技术方案
在参考国内外消雾试验研究结果基础上，结合课题组进行的外场消雾、消低云试验和数值模拟研究，提炼出北京地区的人工消雾作业技术方案。消除冷雾的方法主要是播撒致冷剂；选择液氮作为成冰催化剂；其对应的播撒工具为液氮播撒罐车。消除暖雾的方法主要是播撒吸湿剂法与加热法。
1．利用多种先进的宏微观观测设备对京津地区大雾天气展开了综合观测试验取得了一些新的资料，揭示了京津地区的大雾天气不仅具有与其它地区雾共同的一些宏微观特性，同时还具有相对于其它地区气溶胶数浓度和雾滴数浓度偏大，而雾滴粒径偏小的特征，对京津地区浓雾微物理结构有了一个新的认识。
2．尝试通过使用地面移动播撒装备燃烧吸湿性焰条的方式进行了消暖雾试验，并利用飞机进行了低云消除的外场试验。播撒催化剂包括食盐、硅藻土、膨润土、新型吸湿剂等不同尺度的吸湿剂，并就试验后的效果进行了详细分析，证明了采用较大尺度的吸湿剂从云顶播撒的方法有较好的消低云效果，这种方法为今后进行进一步消暖雾试验提供了一种新的途径。
3．对中尺度模式MM5进行了改造，主要是在MM5的动力框架内，成功耦合了针对冷暖雾的催化和催化效应的预报方程。在MM5显式方案中增加了一个含催化机制的新方案，并利用催化方案进行了冷暖雾消除的催化模拟研究，提出了播撒液氮进行冷雾催化时，应依据风速确定作业距离和作业剂量，以及在用播撒吸湿剂进行暖雾催化时，最佳的吸湿剂粒径应选择在
