2020年霧靈山人工低頻強聲波增雨和消霧試驗

孫 躍 肖 輝2)* 馮 強 張 云 舒未希2) 付丹紅2) 楊慧玲2)

1)(中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室, 北京 100029) 2)(中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049) 3)(中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100094) 4)(國防科技大學氣象海洋學院, 長沙 410003)

引 言

云和霧由尺度在微米量級或更大的水凝物組成,分別由高空和近地面的水汽凝結或凝華等微物理過程形成。云和霧均是人工影響天氣的重要作業對象。對云的人工影響目的主要為增雨、消減雨和防雹等,主要作業手段為通過高炮、火箭彈、飛機、地面發生器等方式向云播撒催化劑。對于具有過冷水的云,播撒人工冰核(如AgI等)或制冷劑(如液態二氧化碳、干冰、液氮等)可消耗過冷水使冰晶增長并下落,最終引發冷云降水微物理連鎖反應;對于溫度大于0 ℃的云,播撒吸濕性催化劑(如鹽粉、吸濕性混合劑等)可誘發大云滴的形成,促進云滴碰并增長成為尺度和下落末速度更大的雨滴,從而形成降水,即暖云增雨。然而,上述作業方式往往涉及作業空域的協調,在作業的靈活性和安全性等方面不可避免地存在局限性。人工消霧的作業手段除了加熱和人工擾動等方法外,還包括按照霧的冷、暖性質播撒針對性催化劑,作業靈活性方面也存在局限性。因此,仍然有必要探索人工影響云霧和降水的新技術和方法。

聲波可促使氣溶膠和云霧粒子發生聚并、碰并增長[1],是應用潛力值得深入挖掘的人工影響手段。早在20世紀60年代,蘇聯科學家已歸納出經典可解析計算的聲波影響氣溶膠、云霧等小粒子碰并的理論主要包括同向位移效應[1-3]和聲尾流效應[1,4]。同向位移效應指不同強度、頻率的聲波攜帶不同尺度粒子的能力存在差異,導致粒子出現額外相向運動的效應。如在氣流沿聲波法線方向往復變化的微觀流場中,較小粒子在氣動阻力作用下會在極短時間內被加速到和氣流運動一致,而較大粒子受氣動阻力作用被加速所需時間更長,最終可能導致在1個聲波正弦波形的后半周期,大粒子剛被加速到正速度最大值,由于慣性仍在向前運動,而小粒子則已開始向相反方向運動,導致不同尺度粒子出現同向位移。這種效應在給定背景條件、聲波頻率和強度及粒子固有物理屬性后可解析計算[5]。通常頻率在102Hz量級或更低的低頻聲波更易驅使1～100 μm尺度的粒子出現同向位移,高頻聲波的粒子則容易促使0.01～1 μm尺度的粒子發生該效應。聲尾流效應指在聲波法線方向上的兩個粒子由于存在交替遮擋關系而產生相向運動的能力。該機制很好地解釋了單分散顆粒在聲波作用下也能出現明顯聚并增長的現象。此外,許煥斌[6]指出聲波能影響球形粒子邊界層的動量交換狀態,減小粒子下落時的空氣阻力,形成潤滑效應,這是既能增加粒子下落速度也能影響粒子碰并的潛在機制之一。

20世紀70年代后隨著空氣質量健康標準愈發受到重視,許多學者陸續開展試驗和數值模擬,研究人工聲場促使燃燒排放的飛灰顆粒發生聚并的能力和規律[7-13],以達到清除空氣污染物的目的。Hoffmann等[14-15]采用顯微鏡下的可視化追蹤技術,發現兩個粒子在強聲波作用下呈音叉狀振蕩下落最終聚并的運動軌跡,該現象表明兩個粒子在聲波作用下發生聚并的軌跡基本符合聲尾流效應的理論計算結果。González等[16-17]提出能更精確反映聲尾流效應的計算方案。Zhang等[18-21]在González的工作基礎上相繼開展計算流體力學驗證與離散元數值模擬方法的改進與應用,并展示聲波消煙試驗。此外,近年國內還有研究團隊從工程角度開展強聲波清除氣溶膠的室內試驗研究。

在聲波消霧和影響降水方面,20世紀60年代我國學者已在探討聲場中粒子的受力[22],并能實現行波管中的消霧[23]。早期有文獻記載船舶汽笛前方的消霧現象。顧震潮[24]提到聲波對云霧的影響作用,但可能受制于有限的作業和觀測等條件,未能形成明確結論。侯雙全等[25]開展低頻強聲波消霧的室內試驗,結果顯示:在聲壓級超過130 dB的30 Hz低頻強聲波作用下,1 min后出現直徑接近10 μm的大滴增多現象,霧室內的水霧在2 min內迅速消散,明顯區別于超過5 min的自然消散時間。該試驗還證實消霧效果具有隨頻率增加而減弱的趨勢。這些現象與聲波促使粒子碰并的原理和解析計算規律基本相符,從而證明人工強聲波能夠消除一定體積內的霧。此外,有研究從工程角度開展外場增雨[26]和消霧的試驗探索。許煥斌[6]也開展過聲場雨效應的外場隨機對比試驗,歸納出聲響雨大、聲停雨小的試驗現象。但總體而言,充分結合云霧和降水物理觀、探測手段和分析方法的聲波外場作業試驗與研究報道仍較少。

聲波外場增雨和消霧作業可行性的關鍵問題在于聲波的強度及其隨距離的衰減。根據球面波的衰減規律,聲波法線上水平距離分別為S1和S2的兩點聲壓級差異為20×lg(S1/S2) dB,即與聲波源的距離每增加1個量級,理論上聲壓級衰減20 dB?？紤]許多強聲波裝置在出口(通常約定為1 m處)的聲壓級超過150 dB,100 m距離上聲壓級仍能達到110 dB,而這也較實驗室內發現的有消霧作用的聲壓級下限(100 dB)[21-22]更高。外場試驗的聲波波束不免具有一定的角度展寬范圍,對于靜穩天氣下的霧過程,人工低頻強聲波能直接影響空間體積比試驗室內大得多的霧,疊加局部消霧后四周霧擴散、平流的補充效應,理論上可在下游局部范圍內達到消、減霧的效果。另一方面,100 m距離接近甚至超越許多低云的云底高度,如果能在云底引發粒子增長和下落,可能會拖曳減弱上升氣流或形成下沉氣流,從而促成更多雨滴下落的連鎖反應。然而,自然條件下的云霧在宏微觀特性方面均存在很大時空變率,人工強聲波能否真正達成顯著的影響效果,仍然亟待研究。

2020年8—9月中國科學院大氣物理研究所牽頭的研究團隊在河北省霧靈山開展人工強聲波裝置的增雨和消霧試驗,并進行應用效果評估研究。本文將對此輪外場試驗進行介紹,并基于結果討論作業試驗的效果。

1 數據和方法

1.1 試驗場地及觀測設備

霧靈山地處河北省承德市興隆縣,緊鄰北京東北界外,系燕山山脈主峰,最高海拔為2118 m。霧靈山以夏季多霧多云而聞名,現為國家AAAA級旅游景區。本文試驗團隊于2020年8月18日—9月13日在霧靈山頂景區構建了臨時外場試驗陣地。圖1為試驗場位置和儀器分布,其中試驗場上空照片取自高分2號衛星0.8 m分辨率全色通道數據。A點為山頂西側的一處平臺空地,人工強聲波裝置部署于此。A點周圍是其他機構的平房,試驗團隊租用其中一部分以供試驗儀器供電和團隊住宿。B點為平房樓頂,部署具備超聲風速儀的Lufft WS600-UMB型自動氣象站(采樣頻率為5 s)和OTT Parsivel2型雨滴譜儀(采樣頻率為1 min),用于觀測背景氣象信息和評估增雨效果。C點位于主峰及山頂信號塔南側山坡步行道旁相對平坦開闊的位置,距離A點約126 m,海拔略高于A點,部署HY- V20型能見度儀(采樣頻率為15 s)和DMT FM-120型霧滴譜儀[27](采樣頻率為1 s),用于評估消霧效果。此外,使用NTi XL2型手持式聲壓級計在不同位置觀測無計權聲壓級,用以評估人工強聲波裝置發射聲波的性能參數。

圖1 霧靈山頂臨時試驗場的位置(方框,填色為海拔高度)(a)與儀器分布(A為架設在地面平臺上的人工強聲波裝置,B為架設在屋頂的激光雨滴譜儀和自動氣象站,C為霧滴譜儀和能見度儀觀測點;藍色箭頭為消霧試驗時云霧從南坡爬上山頂的方向示意,紅色箭頭為低頻強聲波裝置消霧發射時的聲波朝向)(b)

在觀測點位置的設計方面,由于幾乎所有的霧(包括部分不易與霧區分的地形云,以下統稱為霧)均從山的南坡爬升而來,故最初在考察和選定試驗場地時,本文研究團隊原計劃人工強聲波裝置在圖1 A點向南邊作業,并在A點部署1臺霧滴譜儀作為影響觀測點,在側風方向稍遠距離部署第2臺霧滴譜儀作為對比觀測點。但試驗場地開始部署設備并經過對霧天實況考察后發現,由于A點平臺南側邊緣過于陡峭,霧要么爬升不上來而從平臺側邊繞過A點,要么沿人工強聲波裝置無法影響到的負仰角爬升上來,因此觀測點并不理想。A點和C點間為景區停車場,不宜部署設備,故將消霧影響觀測點設置在剩余可行的、具有步行道且坡度較緩的C點。山頂南坡其他周邊位置受限于無步行道或地形陡峭等因素,不易完成觀測設備及其線纜的布設和維護,故第2臺霧滴譜儀僅為備用,未能實現利用其構建側向對比觀測點的試驗構想。消霧作業時,A點的人工強聲波裝置向C點南側的山坡上空進行作業,預計可影響到沿坡度較緩的山坡向山頂移動的霧。此時C點作為影響區的下游,預計可觀測到受作業影響前后能見度和霧滴譜的變化。對于增雨作業,則將人工強聲波裝置指向天頂,并向目測降水云系的來向(基本為偏北向)略微傾斜約10°天頂角,由B點的雨滴譜觀測作業前后雨滴譜的變化。

1.2 人工強聲波裝置

本文使用的人工強聲波裝置為中國科學院大氣物理研究所和中國電子科技集團公司第三研究所聯合研制的電聲低頻強聲波裝置原型機。該裝置主體是由9個電聲音箱組成的發聲陣列,仰角和方位角可手動調整,另外附屬有功放機柜和有線音源控制盒。該裝置設計的最大聲壓級為155 dB(1 m處),試驗時由手動控制開關及播放預制的單一頻率數字音源。

圖2為人工強聲波裝置聲壓級隨發射聲波頻率和測試距離的變化。試驗團隊在A點北側的房頂上進行觀測,測試點距離裝置約為30 m。由于受周邊房屋遮擋、折射干涉和山風影響,聲壓級可能偏小,但仍然可見,在200 Hz和60 Hz位置具有極值,聲壓級超過120 dB,符合該裝置可發射低頻強聲波的設計目的。與此同時,鉗形電表現場測試該裝置的電功率為2000～8000 W,具體電功率與聲壓級和聲音頻率有關。

圖2 聲壓級隨頻率和距離的變化

另一個需要外場實證的問題是該裝置發出的聲波是否能傳播較遠的距離。由于霧靈山山間地形較為崎嶇且晴天時山風較強,在霧靈山試驗期間并未形成較完整的聲壓級隨距離變化的測試結果,僅測得C點(距聲源126 m)的聲壓級最高為106 dB。為此,2020年11月23日本文研究團隊專門赴具有2 km長的直線步行道及開闊環境的北京順義奧林匹克水上公園,在晴朗且幾乎無風的傍晚進行補充測試。測試不同頻率下30 m～1 km距離的聲壓級,結果顯示該裝置發出的聲波聲壓級隨距離的變化符合理論推算值,即距離增大1個量級聲壓級衰減20 dB?？赡苁苈暡ㄍ瑫r沿地面傳播的影響,實測聲壓級還略高于推算值,且明顯高于背景聲壓級,從而驗證了該裝置發出強聲波的傳播能力。

由于作業裝置需要調整指向,聲壓級的方向圖也是需要關注的重要指標。本文在遠近兩個地點(126 m和30 m)分別開展了聲壓級方向圖測量。鑒于裝置設計的局限性,在A點北側30 m處房頂的觀測采用抬升聲波裝置的仰角進行,在C點的觀測采用變換聲波裝置的方位角進行。由圖3可知,兩個地點的觀測結果存在差異。該聲波裝置30 m測量點疑似由于地面和房屋折射影響,在偏離角度40°以內的衰減較慢;126 m測量點疑似由于山風和山體傳播、反射等因素影響,在偏離角度40°以上的衰減較慢?？傮w而言,由發聲陣列構成聲波裝置的定向性偏弱,衰減6 dB(兩倍)對應的偏離角度為60°甚至更大,這與拋物面天線雷達、號筒喇叭等裝置的能量集中性存在明顯差異。但不能就此認為該裝置擁有如此大方位角的影響范圍,還應考慮偏離角度增大后聲壓級隨距離衰減的影響。經過訂正,6 dB衰減對應的偏離角度為40°～45°,由此確定該聲波裝置的影響范圍。

圖3 人工強聲波裝置的聲壓級方向圖

另一個需要關注的問題是人工強聲波裝置是否成為影響周邊環境的噪聲源。需要指出的是,本文以dB為單位的無計權聲壓級與用于評估環境噪聲的聲壓級有所不同,后者使用A計權聲壓級(聲環境質量標準 GB 3096—2008),即按照人耳的敏感程度對不同聲音頻率賦予不同權重再積分得到聲壓級。在人耳較為敏感的1000～5000 Hz,A計權權重大于1,在更高頻和更低頻方向權重系數依次減小。如30 Hz的權重系數約為-40 dB,60 Hz的權重系數約為-27 dB。以聲環境質量標準為例,晝間居民區對環境噪聲A計權聲壓級限制為55 dB。經反算可知最大聲壓級155 dB的強聲波裝置以60 Hz 作業時,若要滿足居民區的噪聲標準,則作業裝置在中間無地物遮擋的情況下需距離居民區4.5 km 以上。實際情況下難免有地物遮擋,導致聲波快速衰減,作業裝置也應盡可能距居民區1 km以上,本文試驗也符合這一指標。另一方面,近距離測試人員在聲波裝置正面30 m的噪聲感受(A計權下大于90 dB)會超過工廠內的限制(通常規定最大不超過90 dB),但考慮到近距離的測試時間非常短且非持續性,在佩戴隔音耳罩后認為可以臨時承受。對于在聲波裝置側面和背面的其他控制人員和相關人員,10～ 30 m距離的噪聲感受類似在鐵路干線或飛機場旁,也認為短暫操作相關設備時可以臨時承受。

1.3 作業方案和預期結果

低頻強聲波裝置消霧試驗的作業需充分考慮外場試驗和室內試驗的主要差異,即自然霧具有移動性和時空不均勻性。因此,外場消霧不宜像室內試驗一樣長時間持續開機作業直至霧消散。由1.1節和1.2節可知,本文的聲波裝置在100 m量級的距離上聲壓級已不足110 dB,接近室內試驗中聲波促使粒子碰并的聲壓級下限;考慮到該聲波裝置法線兩側存在最大45°的展寬,不論霧的來向是偏南側還是偏西側,經聲波影響區到達觀測點C均約為100 m。以試驗地區爬坡的山風分別為0.5 m·s-1(一級風)和2 m·s-1(二級風)為例,霧被風輸送100 m距離的時間分別為200 s和 50 s。因此,如果聲波消霧在這種外場條件能夠產生效果,則在100～101min量級時間內必然能夠在下游觀測到能見度和霧滴譜發生變化,而在更長時間后才出現的霧消散效果則應考慮是霧本身的時空尺度和移動的結果。另一方面,考慮即便影響區出現消霧效果,其上游即山坡下面會有霧補充,因而不應期望短時作業能使山頂的霧完全消散。綜合上述考慮,制定作業試驗方案:等待霧從山下爬升上來并基本維持在極低能見度狀態(A點通過目測看不到C點,能見度小于100 m),以10 min左右作為聲波裝置開機時長,以5～10 min間隔,交替開機、關機。預期觀測的宏觀結果:開機時段具有明顯消霧現象,關機時段具有霧明顯回升補充現象。對于增雨試驗,采用類似的交替開機、關機方式進行試驗。按照上述方法,2020年8月23日—9月10日分別在7個作業日開展25次開機消霧試驗,9月7—11日期間分別在3個作業日5個作業時段內開展22次開機增雨試驗。

在預期的微物理觀測效果方面,由于強聲波理論上能促使粒子碰并,形成更大的粒子,引發更多的粒子沉降,故在霧滴譜和雨滴譜中應能觀測到相應的變化。對于消霧試驗中的霧滴譜數據,預期觀測到作業時發生小粒子減少、大粒子先增多再減少的現象?？紤]到C點位于影響區下游,可能存在大粒子已經在上游沉降而無法進一步向下游輸送的情況,故作業時C點實際觀測到的大粒子增加數可能偏少,即大粒子數濃度存在增長但幅度有限。對于增雨試驗中的雨滴譜數據,預期作業后表現出大雨滴突然增多的現象?？紤]到作業前無法觀測到那些最終無法下落的小云滴和小雨滴,因此無法預期雨滴譜數據出現類似霧滴譜的小雨滴減少的現象。此外,還需關注是否出現聲響雨大、聲停雨小[6]的現象。

2 作業效果觀測與分析

2.1 2020年8月23日消霧試驗

2020年8月下旬霧靈山地區除25日前后受途經黃海北上的第8號臺風巴威(2008)外沿的影響外,其他時間500 hPa上總體受中緯度緯向型環流影響。受延伸到華東地區的西北太平洋副熱帶高壓(臺風時段除外)影響,霧靈山地區850 hPa為偏南風。在上述環流背景下,山谷形成的霧在白天可被上坡風及背景偏南風輸送至山頂,偏南風本身也能促使水汽上坡時發生凝結,導致山頂可觀測到霧的過程。

2020年8月23日除自動氣象站的接收終端通訊尚在調試外,其他觀測儀器均已完成部署,當日下午迎來一次霧過程。聲波頻率采用低頻方向聲壓級較高的60 Hz,采用開機10 min、暫停5 min的方式進行試驗。由圖4可見,8月23日17:45(北京時,下同)能見度由800 m降至100 m以下并幾乎穩定維持,最低可至60 m。第1次開機作業后,能見度迅速回升至最高500 m,之后在100～500 m間振蕩,關機后回落至最低50 m。第2次開機后類似,能見度先迅速回升至300 m,之后最高可超過1000 m,關機后能見度持續回落至40 m以下。進一步通過線性擬合計算作業時段內能見度隨時間的變化,求得前兩次作業的能見度回升速度分別為14.0 m·min-1和59.3 m·min-1。但是后兩次作業的能見度始終為100 m以下,第3次作業完全沒有消霧效果(-0.1 m·min-1),第4次作業僅有微弱效果(3.8 m·min-1)。霧滴譜參數隨時間的變化與能見度的對應關系很好:對于前兩次作業,均存在數濃度和液態水含量減小、體積中值等效直徑先增大再減小的現象;后兩次作業未能顯現以上變化趨勢,且液態水含量比前兩次作業開始前大2倍,體積中值等效直徑也明顯較大。第4次作業結束5 min后,雖然霧的過程尚未結束,但考慮到日落后光線不足可能導致試驗人員在山間活動存在安全隱患,故結束當日試驗。

圖4 2020年8月23日消霧試驗的能見度和霧滴譜參數(有序號陰影區代表開機作業的順序時段)

由平均霧滴譜變化(圖5)可知,在前兩次消霧效果明顯的作業中,霧滴譜演變符合預期。對于第1次作業,作業開始1 min后霧滴尺度小于10 μm的粒子減少,尺度大于10 μm的粒子增多,但作業2 min 后尺度大于5 μm的粒子迅速減少。對于第2次作業,作業開始2 min后出現小粒子略微減少而大粒子略微增多的現象,且在作業4 min后出現尺度大于5 μm的粒子全部迅速減少的現象。這與1.3節試驗方案設計時期望的結果非常吻合。而第3和第4次消霧效果不明顯的試驗中,霧滴譜的變化幅度非常小。

前兩次作業效果好而后兩次作業無效可能有兩個方面原因:一是后兩次作業時霧過于濃密,二是山坡下的風速、風向發生變化。但由于原定計劃用于觀測風速的自動氣象站在該作業日的次日才完成部署,這使得當日缺少山頂的實測風信息供參考。因此,采用ERA5再分析地面10 m水平風數據作為參考。由圖6可知,空間分辨率為0.25°×0.25°的ERA5數據格點恰好位于霧靈山周邊,通過對山下數據的簡單插值無法合理評估山上的風速,但可以通過作業時段內兩個整點時次風速、風向的變化分析山上風向的變化趨勢。在距離前兩次作業最近的整點18:00,霧靈山南偏東側格點為不足1 m·s-1的西南風,而西南側格點幾乎靜風,表明當時山南坡很可能為風速很小的西南風。但比較臨近后兩次作業時間的19:00,山南側全部轉為風速較18:00更大的偏東風。這能較好地解釋作業效果的差異:對于前兩次作業,霧在較弱西南風輸送下經過圖1中A、C兩點連線南側的作業影響區并較充分地受到聲波作業影響;對于后兩次作業,霧被東南風向山頂輸送,處于C點相對A點的遠端,未經過聲波較強的影響區,因而幾乎未受到聲波作業影響。除風向變化外,風速增強導致霧的輸送能力增強也能很好地解釋后兩次作業觀測的液態水含量和體積中值等效直徑較前兩次作業明顯偏大的現象。綜上,在風速很小且風向促使霧途經聲波裝置影響范圍近側時,在下游容易觀測到消霧效果。

圖6 2020年8月23日消霧作時霧靈山周邊地區ERA5地面風(?為霧靈山,藍色矢量為18:00的風,紅色矢量為19:00的風)

2.2 其他消霧試驗

其余21次消霧試驗的作業聲波頻率仍以60 Hz為主,并穿插采用少量31.5 Hz和200 Hz等其他作業頻率,每次作業時長為5～15 min,間隔5～10 min。但得到的結果不如8月23日試驗典型。由圖7可知,2020年8月27日的能見度在兩次作業時均有一定程度的回升趨勢,但振蕩也很明顯,較難判斷這些變化是否為霧的空間不均勻性導致的自然起伏;2020年8月28日和29日各僅進行1次聲波作業,雖然作業期間能見度明顯回升,但持續10 min的作業暫停后,霧徹底消散,使得這兩個個例作為孤證時無法區分是否為作業的效果;2020年8月30日的作業從能見度變化幾乎看不出作業效果;其他未展示個例均在一定程度上存在上述問題。此外,由于未能連續復現單一聲波頻率的消霧效果,聲波頻率對消霧效果的影響試驗未能充分開展。

圖7 2020年消霧試驗的能見度變化個例(有序號的陰影區代表開機作業的順序時段)

結合2.1節2020年8月23日試驗的分析經驗,風速、風向可能是影響上述聲波消霧作業效果在下游觀測結果的關鍵因素,下面分析上述21次作業時段內自動氣象站觀測的水平風和能見度變化速度的關系。需要指出的是,圖1中B點觀測的風可能與其南側山坡上的風存在差異,因此,相關統計結果僅作為定性參考。由圖8可知,能見度變化速度最大3次試驗對應的數據點全部位于平均風速小于1.5 m·s-1的區間,而在風速大于2 m·s-1的區間能見度變化速度基本接近于0。另一方面,結合緯向風分量分析可見,能見度變化速度較大的試驗對應的數據點更多分布在偏西風的區間。綜上分析,與2.1節典型個例對風速的討論結果類似,在風速較小且風向使得霧途經聲波裝置影響范圍近側時,更容易觀測到明顯的低頻強聲波消霧效果。

圖8 2020年8月27日—9月10日21次消霧作業時段內自動氣象站風速和能見度變化速度的關系

2.3 增雨試驗

開展的5個增雨試驗時段的風速和云類型見表1。2020年9月7日起霧靈山地區逐漸受東北冷渦影響,頻繁出現降水天氣。在此期間,降水云全部從山北側移來。經現場目測和FY-4A氣象衛星紅外通道云圖確認,9月7日作業云是冷渦云系西側邊界外的對流云,9月10—11日作業云則是冷渦云系內偏西南側的層狀云。

表1 2020年增雨試驗的風速和云信息

比較典型的增雨是2020年9月7日針對一塊對流云的個例?？紤]到低頻聲波的周期更長、更具備驅動大粒子的能力,故選擇最低的31.5 Hz頻率聲波進行作業。此外,考慮到云的移速相對較快且一般積云空間尺度有限,以比消霧試驗更短的 3 min 和2 min分別作為開始時長和暫停間隔為主。由圖9可見,作業開始前2～3 min,僅能觀測到0.3 mm·h-1左右的微量降水,且僅出現2 min;第1次作業時,雨強迅速增加至7.5 mm·h-1,具有明顯的突然增加現象。其后的3次作業效果均不明顯,盡管第3次和第4次開機后雨強也出現增加趨勢,但量級非常小,這可能是由于第1次作業已使大部分具有碰并潛力的雨滴增長并迅速下落,也可能是云逐漸移出觀測場所致。由第1次作業的雨滴譜可見,作業開始后1～3 min以及作業結束后1 min,可觀測到的最大雨滴尺度持續增加,從作業前的不足2 mm增大到作業結束后1 min超過6 mm。作業結束后2 min,大雨滴才明顯減少,同時小于3 mm的小雨滴明顯增多,這可能是由于大雨滴下落拖曳上升氣流從而使得更多雨滴下落。綜合上述現象,認為該次增雨試驗符合作業后大雨滴迅速增多的試驗預期。

圖9 2020年9月7日增雨試驗的雨強和第1次作業前后的雨滴譜(帶序號陰影區代表開機作業的順序時段)

圖10 2020年9月10—11日增雨試驗的雨強(具有序號的陰影區代表開機作業的順序時段)

需要指出的是,盡管自然對流性降水本身具有脈動特征,其中也不乏尺度超過5 mm的大雨滴[28-33],但該個例作業后短時間內出現了僅持續2 min、尺度分別超過5 mm和6 mm的大雨滴,這在以往不多見。Luo等[34]研究顯示,在位于霧靈山西南側、北京郊區順義區觀測的暴雨系統雨滴譜中,較為孤立的對流云雖然在雨滴譜時間變化上也會表現出突然性和脈動性,但最大雨滴未超過4 mm,更大的雨滴出現在強對流云系主體內。河北省周邊地區的典型強降水確實可見超過6 mm的雨滴[35-36],但也全部出現在大到暴雨且持續時間較長的強對流系統中。在強度稍弱的對流中[37-38],類似尺度的大雨滴仍然很少見。上述9月7日的個例尚屬孤證,且沒有對比站點或特種雷達進行對比和追蹤剖析,加之影響雨滴最大尺寸的因素較多,但周邊地區的針對性研究較少,故不能就此確定上述作業后大雨滴迅速增多一定由作業導致,該現象僅能作為符合作業試驗預期的一種佐證。

對于其余針對層狀云的增雨試驗,試驗團隊原預計層狀云相比對流云在時空變化方面更加均勻和穩定,遂采取200、60 Hz和31.5 Hz聲波頻率輪流的方式開展作業。但疑似受較大風速影響,未能再次觀測到類似2020年9月7日的個例。如在2020年9月10日清晨的3次作業僅在后2次作業結束后才出現零星時次的微量降水,雨滴譜原始采樣極少導致難以分析滴譜變化;9月10日上午的9次作業雨強呈振蕩變化,其中4次作業期間雨強增大,另外5次作業期間雨強減小,未能表明作業和增雨的關系;9月11日中午的3次作業期間均出現微量的間斷性降水,有些類似聲響雨大、聲停雨小的現象[6],但較第1次作業開始前1 min的雨強并無明顯量級差異;9月11日下午作業開始前出現降水,作業后反而沒有?？傮w看,2020年9月10—11日針對層狀云的增雨試驗未能表現出明顯且一致的增雨現象和預期的微物理變化特征。

在成因分析方面,表1顯示2020年9月7日針對對流云作業時,山頂平均風速僅為1.4 m·s-1,其余針對層狀云的作業,風速均超過3 m·s-1,增大1倍多。云系過山時易受山頂地形和建筑物引起的復雜氣流影響,較大的風速和瞬時多變的風向使受作業影響而形成的大雨滴未必恰好在雨滴譜儀上方下落,可能導致不易觀測到確定性的有效增雨證據。

3 結論與討論

本文綜合分析2020年8—9月在霧靈山利用人工低頻強聲波裝置開展的增雨和消霧作業試驗的觀測結果,得到主要結論如下:

1) 對于具有明顯消霧效果的典型個例,在微觀變化方面,60 Hz低頻強聲波作業2～3 min內尺度小于10 μm的霧滴減少,尺度大于10 μm的霧滴增多,隨后大部分尺度的霧滴均出現明顯減少;在宏觀變化方面,作業開機時能見度回升并達到消霧效果,關機后霧受觀測點上游補充影響又導致能見度迅速回落。這些宏微觀變化特征符合低頻強聲波促進粒子碰并形成大粒子進而引發沉降的原理及試驗預期。

2) 風速風向對消霧效果有較大影響。作業時能見度回升速度大的個例發生在平均風速小于1.5 m·s-1的條件下,而平均風速大于2 m·s-1的個例幾乎未能表現出能見度的趨勢性變化。在風速較小且風向使得霧能夠途經聲波裝置影響范圍近側時,作業更加充分,下游更易取得明顯的消霧效果。

3) 在1次對流云的增雨作業中觀測到了符合試驗預期的結果。雨強在作業3 min內由0.3 mm·h-1迅速增加到7 mm·h-1以上,并能夠觀測到迅速出現但維持時間較短的大雨滴,符合低頻強聲波促進云、雨粒子碰并進而形成大雨滴和降水的原理。

4) 雨量明顯增加的個例發生在平均風速僅為1.4 m·s-1的條件下。其他增雨個例在作業時段的平均風速均超過3 m·s-1,可能受風速偏大和雨滴譜儀部署點位單一的影響,未能觀測到增雨的確定性證據。

盡管增雨和消霧效果明顯的作業個例在本輪外場試驗中占比很少,但在效果相對理想的個例中已能獲取與原理和試驗預期相符的云霧和降水粒子微物理演變的證據,初步驗證了人工強聲波裝置開展消霧和增雨作業的可行性和有效性,同時也積累了許多經驗。首先,目前人工強聲波裝置僅適合在靜穩、微風天氣下開展消霧作業,應避免在風速較大時盲目開展作業。其次,山間地形崎嶇,氣流復雜,本輪試驗觀測點位部署靈活性較差。未來應盡量選擇開闊的平臺場地開展消霧外場試驗,并在可能的上下游位置充分部署觀測設備,確?？煽康膶Ρ扔^測點,以便積累更多可靠的試驗結果對人工強聲波影響降水和霧的效果進行充分評估。再次,在野外臨時陣地的選擇方面,應對預選陣地周圍的各種天氣實況和環境狀況進行更加充分的考察。此外,對于增雨試驗,應結合具有距離高度顯示掃描功能的天氣雷達或云雷達,針對性地探測作業點上空及云移動方向上的垂直剖面,以便進一步明晰聲波促使云雨粒子碰并增長的物理證據。