基于外场试验的人工消雾机理与方法的中尺度数值模拟研究

In view of the status quo that few studies have been conducted on numerical simulation of the physical mechanism and the methods of artificial fog dispersal, and the existing research mainly base on the fog model that failed to consider environmental evolution or combine with the field experiments, this project focus on studing the following issues: (1) Analysing the observation data of the field experiments, and to get fog evolution characteristics.(2) Combining a new seeding scheme with the given explicit cloud scheme in dynamic frame of mesoscale model MM5. With LN(liquid nitrogen)-seeding for cold fog dissipation, and salt- and heating-seeding for the warm one,this newly developed seeding-scheme is developed to parameterize the processes of diffusion,and the transport of seeding agents, as well as interactions with other hydrometeors.(3)Simulating typical warm and cold fog seeding in Beijing area with the newly seeding scheme according to the observation data and actual artificial fog dispersal method. With comparative analysis on the observation data, the model parameter and the seeding scheme are improved to reproduce the macro and micro characteristics of fog evolution before and after dispersal experiment. (4)Summarizing artificial fog dispersal methods and physical mechanism during different fog events through a large number of sensitive simulation experiments.

针对目前国内外对消雾机理及方法的数值研究偏少，已有研究多采用无法考虑环境场变化的雾模式并普遍缺乏与外场试验结合的薄弱环节，本项目拟重点研究以下内容:(1) 分析外场消雾试验观测资料,获得大雾演变过程特征。(2) 在较先进的中尺度模式MM5(V3.7)动力框架内的显式云物理方案中增加一含催化机制的新方案。该方案设计了针对冷雾播撒致冷剂、暖雾播撒吸湿剂及加热方法的预报方程，对催化剂的传输、扩散及其与雾中其它水凝物相互作用的过程进行参数化描述。(3) 利用加入催化方案的中尺度模式，结合外场消雾试验的观测资料，并参照外场消雾作业方法针对北京地区典型的冷暖雾天气进行催化模拟。通过与外场消雾试验观测资料的比较分析，对模式相关参数和加入催化机制的新方案进行调整与改进，使之能再现消雾试验前后雾的宏微观变化特征。(4) 在此基础上通过大量敏感性实验总结出针对不同大雾天气的作业方法和其中的微物理机制。

近年来雾作为一种灾害性天气，对交通影响越来越大。同时，雾还加剧大气污染，危害人们的身体健康。如何减轻雾害，已引起政府和社会的关注。在消雾的外场试验方面，目前虽然取得一定的效果。但由于对消雾机理和规律性的研究不够，导致很难给出针对不同性质雾催化参数的具体指标，对消雾区的大小及其演变规律的认识也不够。针对消雾机理和方法的数值模拟研究多是在雾模式中进行。由于大部分雾模式没有考虑地形、大尺度环境场的影响，对于消雾机理和规律性的分析，以及其中的微物理机制的认识均有明显局限性。消雾的研究应利用中尺度模式同时结合外场试验进行。本项目基于北京人影办进行的外场消减雾试验，首先对几次典型的消雾作业后雾的响应以及大雾的边界层结构和微物理特征的进行分析。在此基础之上，通过在中尺度模式 MM5/WRF内耦合致冷剂、吸湿剂与云相互作用以及加热作用的过程，在模式内部增加消雾功能的新方案，利用新方案结合观测，对几次典型冷暖雾进行消雾模拟研究，初步得出不同消雾作业方法引起雾变化的微物理机制，以及针对不同大雾天气的人工消除技术方法。研究表明：针对液氮消冷雾，在目标区上风方1-2km, 以5g/s的播撒速率播撒10min，催化作业9min后目标区开始显现作业效果，最好的效果出现在作业后24min，作业效果可以维持25min左右。消雾机理主要为播撒人工冰晶通过贝吉隆过程减少雾滴，同时上游作业导致雾滴向下游目标区平流的减少。针对播撒吸湿剂消暖雾，当在雾顶以6 g m−2的播撒量播撒粒径80um的盐粉，作业开始阶段出现负效果，在作业后18min，开始出现正效果，效果最好为作业后21min，正效果可以维持 35min 左右。消雾的机理为：作业后盐粉的凝结引起雾滴蒸发以及盐粉与雾滴的碰并作用导致雾水减少。当播撒量为6 g m−2 时，粒径80μm的盐粉作业效果最好。而对于粒径低于10μm的盐粉来说，作业效果为负效果。存在一个播撒量的阈值，在此播撒量上，最佳能见度达到最大。针对加热法消暖雾，在目标区上风方 1km 左右持续加热 10 min。作业 3min后，目标区的雾水含量就有所减弱。最好的作业效果出现在作业后 6～24min，作业效果可以维持 45min 左右。加热消雾的微物理机制主要是加热作用引起水汽凝结为雾滴的减少，以及由于加热作用引发的垂直环流对雾水的吹散作用。