人工影響天氣消減霧霾試驗研究

周亞麗 江召兵 彭軼群

摘要：霧霾與霧雖產生的原因及危害性不同，但人工驅散霧氣的方法可對消除已產生的霧霾提供啟示。本文提出了一種利用逆溫層的特性和破壞逆溫層的方法消除已產生的霧霾，采用WRF模式系統構建氣象模型，分別進行控制試驗、敏感性試驗。多點高速電風扇組合布置后所產生的氣流，能夠對周邊較大范圍的空氣產生強烈擾動，增加近地層溫度和降低濕度，使空氣上下對流起來，從而達到除霧的效果。

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.

關鍵詞：消減霧霾;控制試驗;敏感性試驗

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

中圖分類號：P48 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0256-04

0 ?引言

霧霾給人們的正常生活、出行造成了一定的影響，甚至還威脅到了人們的生命健康[1]。霧霾形成的原因實質是靜穩天氣下空氣中集聚了足夠濃度的污染物。由于空氣在水平和垂直方向幾乎靜止，導致由氮氧化物、二氧化硫、灰塵、有機碳氫化合物等非水成物粒子組成的氣溶膠系統與水霧結合在一起形成的霧霾無法擴散。

近幾年來，國外對霧霾的研究主要側重于探討霧霾成因問題，國內則側重于治理路徑與模式的研究。霧霾治理方法可概括為減少污染物的排放量，對如何消減已產生的霧霾研究較少[2]。

國慶50年閱兵時，我國就成功應用了在跑道上部署噴氣發動機水平噴氣，以此來吹散霧氣。美國也曾在加利福利亞的特拉維斯空軍基地飛機跑道上成功地將能見度從300英尺增加到了0.5英里。這些研究和應用給人工驅散已產生的霧霾提供了啟發，因為霧霾的物理性質和霧很相近。

1 ?人工氣流生成與部署系統

采用高速電風扇，在地面布置多臺電風扇，向上噴射，在電風扇上部形成氣流上升區，氣流上升區外圍的空氣下降，形成氣流下降區，多臺電風扇分布呈矩形布局并產生垂直向上的持續射流，使氣流上升區和氣流下降區的直徑范圍為3～5公里，如圖1所示。

經過理論建模測算和風動試驗驗證，這些高速電風扇的功率、產生氣流的速度等性能參數可以達到吹散逆溫層的強度。而且能夠部署在平板車上，形成獨立的可遠程控制的移動式系統。在使用時，必須根據霧霾形成的實際氣象情況，在不同區域靈活遷移與部署，才能達到最大化干擾逆溫層的效果。

2 ?射流建模與分析系統

通過射流建模分析，發現按照分布式矩形部署高速電風扇（16個高速電風扇），其影響范圍投射到3km高空，可達到5km×5km范圍，相隔兩個高速電風扇的間距為1公里左右，如圖2所示。

3 ?控制試驗和敏感性試驗研究

基于2017年西南地區的歷史氣象數據，采用WRF（Weather Research Forecast）模式系統構建氣象模型，分別進行控制試驗、敏感性試驗。選取區域的范圍：以高速電風扇所在位置為中心，5平方公里、3千米高的向上垂直運動氣柱（簡稱5×5×3）。通過引入一個擾動點，模擬計算瞬間的氣流擾動能夠對5×5×3區域內的空氣流造成的影響。

利用T511數值預報模式產品，作為數值天氣預報背景場，模擬石家莊附近區域2017年1月15日12時（UTC）的24小時天氣形勢，格點數分別為331×301，水平分辨率為5km，垂直方向71層。

3.1 試驗情況

模式的水平分辨率為5km，東西方向的格點數為331，南北方向格點數為301，采用蘭伯特投影，投影中心點位于106.747E和31.540N，模式積分步長為15秒，模式間隔30分鐘輸出一次。

試驗分為控制試驗和敏感性試驗，控制試驗就是不對模式初始場大氣狀態等進行調整，敏感性試驗就是在T511模式基礎上，修改石家莊附近區域（約5平方公里）大氣東西向風U、南北向風V、垂直速度W和地面氣壓PSFC，模擬利用航空發動機進行5平方公里大氣的垂直輸送。兩個試驗采用相同的參數化方案。需要指出的是，敏感性試驗僅考慮了初始時刻的航空發動機向上大氣輸送效果，沒有考慮發動機持續向上輸送大氣的效果。

在敏感性試驗中，按照發動機尾噴口的大氣射流速度修改（148，134）所在點的垂直速度;將（148，134）所在點的地表氣壓減去200Pa，修改（148，134）所在點周圍8格點的東西方向風U和南北方向風V廓線，各層的U和V，風向同上圖的設置，風速大小為W的1/4，通過上述方法，在敏感性試驗中，將發動機垂直尾流，加入數值預報模式。

3.2 區域模擬結果分析

以高度100米左右為例，模擬區域內水平、垂直風速差異隨時間的變化，詳見圖4、圖5，每張圖的時間分別晚30分鐘，圖中黑點表示發動機垂直射流所在位置。

選取發動機位置SJZ所在點進行要素差時序圖分析。這里的要素差是利用敏感性試驗同時次同變量的要素值減去敏感性試驗同時次同變量的要素值。高要素差反映的是模式模擬初始時刻航空發動機向上噴射大氣，對未來7-8小時大氣從地面到高空造成的影響，詳見圖6。

4 ?結論

經過風洞試驗、控制性試驗、敏感性試驗等多項試驗數據表明：多點高速電風扇組合布置后所產生的氣流，能夠對周邊較大范圍的空氣產生強烈擾動，增加近地層溫度和降低濕度，使空氣上下對流起來，從而達到除霧的效果。

通過干擾逆溫層，破壞大氣逆溫現象，達到減輕霧氣的效果。一旦逆溫層被擾亂或破壞，就容易實現逆溫層上方和下方的氣流交換，原本由于逆溫層聚攏在特定區域內無法散去的霧氣，就會被“風”吹走，改善當地的大氣質量。

參考文獻：

[1]楊卉.霧霾治理措施研究[J].環境與發展，2018，31（07）：31-32.

[2]唐德才，李智江，張瑛.霧霾治理文獻綜述與有效性分析[J]. 生態經濟，2017，33（12）：174-179.

[3]郭帷.新疆人工影響天氣作業點安全射界圖設計規范研究[J].價值工程，2015，34（23）：162-164.