CN104686264A - 一种空中播撒电荷人工降雨雪的方法和装置 - Google Patents

一种空中播撒电荷人工降雨雪的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空中播撒电荷降雨雪的方法及装置，该方法采用空中移动基站实现降雨或降雪，空中移动基站由飞行器系统、带电粒子发生系统、监控控制系统组成，监控控制系统对天气气候参数进行监控分析；飞行器系统根据监控控制系统的指令承载带电粒子发生系统到达设定的高空区域；带电粒子发生系统根据监控控制系统的指令播撒高密度等离子体；等离子体随着飞行器系统的移动分散到作用的云层中，进而影响云中的微物理过程，在该区域内产生降雨或降雪，另外本发明还提供相应的装置，本发明作业窗口要求宽，效果更显著大大降低带电粒子输运损耗，能有效提高降雨效率。

Description

一种空中播撒电荷人工降雨雪的方法和装置
技术领域
本发明属于一种新型人工影响天气的方法和装置，具体涉及电催化降雨雪的方法和装置。
背景技术
传统人工影响天气的原理主要分为两种：一种是在人工影响天气的过程中在云中引入催化剂(干冰、碘化银)，会在该目标区域中产生大量冰晶，会在一定程度上增加冷云降水的效率，该过程被称为静力催化；另一种原理为改变局部云体的动力状态。在云中引入催化剂(干冰、碘化银)，形成冰晶或水滴，进行这些微物理过程时，会释放出潜热，从而可影响云的上升气流，使云内上升气流加强，云的发展速度加快，水分积累加大，这样可使原来不产生降水的积云产生降水，使本来可能有降水的积云增加降水量，该过程被称为动力催化。
但是传统人工影响天气的方式有其不可避免的缺陷：传统的人工增雨作业条件苛刻，传统的方法称为人工“增雨”，而非人工降雨，因为传统的方法是在自然条件已经开始降雨的条件下作业才有效果，传统的人工增雨方法必须有合适作业条件的云系，且温度窗口较窄，如冷云增雨时只有当云层温度处于-25～-10℃时，增雨作业才有效果。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明要解决的技术问题在于提供一种空中播撒电荷人工降雨雪的方法和装置，使得人工影响天气受云系作业条件的影响减小，作业条件及要求变宽，并且增加降雨雪量以及降雨雪的范围。
电荷影响天气的原理：高密度的电荷会使云滴和气溶胶本身荷电，静电力会导致距离近的云滴粒子相互吸引，增加了液滴、气溶胶粒子碰撞合并的几率。随着粒子带电量的增加，电催化可以提高粒子间碰撞频率3个数量级，加速云滴生长。如果气溶胶粒子状态为冰核，会导致与其接触的液滴瞬间冷冻，产生的冰冻颗粒会继续增长。电催化的另一个作用是在暖云的环境下增加液滴碰并截面，计算表明，电场凝聚碰撞截面高于自然碰撞截面2个数量级，该过程对降雨的形成至关重要。另一方面，带电粒子碰并合并后不会受气流的影响再次分离成许多更小的液滴所以电荷可以使碰撞增长的效率大大提高。液滴上的电荷会导致其饱和蒸汽压变小，更有利于进行凝结增长，带电液滴产生的电场可以促使过冷水直接冷冻。国外理论研究表明(Khainet al.,Journal of Applied Meteorology 43,2004,1513-1529)，当云层中带电粒子密度达到105cm-3时即可快速诱发云滴的电场催化碰并。
但是，在平原或低海拔地区，地形相对平坦，无强烈的上升气流，且2-3km层状云水含量充裕。因为上升气流小，所以地面基站(高度一般为100m左右)产生的带电粒子和电荷很难运输至2-3km的云层，导致人工降雨效率降低，工程上实现人工降雨的难度较大。
电子束是利用高能电子束直接电离中性气体而产生大量电子的。其效率可高达50％，而传统的气体放电产生电荷方法效率只有1％。另外这种方法产生的电荷可以避免传统方法所带来的电子温度高、依赖气体参数，电场参数，以及腔室形状、不均匀等问题。所以电子束产生电子的方法目前受到越来越多的人关注。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明根据带电粒子催化降雨雪的原理提供一种空中播撒电荷降雨雪的方法，该方法采用空中移动基站实现降雨或降雪，空中移动基站由飞行器系统、带电粒子发生系统、监控控制系统组成，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：监控控制系统对天气气候参数进行监控分析，根据气候参数控制带电粒子发生系统的功率和飞艇的航向、速度、高度；
步骤2：飞行器系统根据监控控制系统的指令承载带电粒子发生系统到达设定的高空区域；
步骤3：带电粒子发生系统根据监控控制系统的指令播撒高密度等离子体；
步骤4：等离子体随着飞行器系统的移动分散到作用的云层中，进而影响云中的微物理过程，在该区域内产生降雨或降雪。
进一步地，监控控制系统由通讯系统、控制系统、评估系统组成，包括以下步骤:
评估系统对天气气候参数进行实时分析，判断气候条件及作用效果决定作用功率和作用时间；
通讯系统将带电粒子发生系统的工作状态参数、飞行器系统的运行高度与状态参数，评估系统分析出的高空气候条件参数传输给地面控制系统；
控制系统根据收到的参数控制带电粒子发生系统的功率和飞行器系统的航向、速度、高度。
进一步地，评估系统由毫米波气象雷达、激光雷达、微波辐射计、全天空成像仪、温湿度和风向测量仪仪器等仪器组成，用于测量作用区域的天气气候参数，并进行实时分析。
进一步地，带电粒子发生系统包括电源系统、电子束播撒装置，电子束播撒装置采用脉冲电子束等离子体源，由电子枪、高压电源、真空隔离膜片、真空设备组成，真空设备包括真空泵和真空计，真空泵为电子枪提供真空环境，真空计检测电子枪内真空度。电子枪选用热阴极发生电子，提供碰撞产生等离子体的电子束；高压电源为电子束播撒装置提供高压脉冲电源，为电子加速至高能电子束提供脉冲电场；真空隔离膜片用于隔离电子枪真空区和外界大气，同时使得高能电子束可以在低损耗条件下穿过；电子束播撒装置产生大体积高密度等离子体，进而影响相关区域进行降雨或降雪。
另外，本发明还提供一种人工空中播撒电荷降雨雪的装置，包括飞行器系统、带电粒子发生系统、监控控制系统，带电粒子发生系统安装于飞行器系统，监控控制系统分为通讯系统、控制系统、评估系统，通讯系统和评估系统安装于飞行器系统，控制系统位于地面，监控控制系统用于对天气气候参数进行监控分析，并对带电粒子发生系统和飞行器系统进行控制；飞行器系统用于承载带电粒子发生系统到达设定的飞艇系统；带电粒子发生系统用于播撒等离子体。
进一步地，飞行器系统为飞艇系统或热气球系统。
进一步地，带电粒子发生系统包括电源系统、电子束播撒装置、接地装置，电子束播撒装置采用脉冲电子束等离子体源，由电子枪、高压电源、真空隔离膜片、真空设备组成，脉冲电子束等离子体源是一种可以在高气压下产生大体积高密度等离子体的装置，功耗相对较低，对等离子体电子密度可控制性强，其中，电源系统为电子束播撒装置提供工作电压；接地装置采用导电良好的超轻碳纤维材料构成，连接带电粒子发生系统与地面，为高压电源和电子枪提供地电位保证其正常工作；真空设备为电子枪提供真空环境；
电子枪用于提供碰撞产生等离子体的电子束；
高压电源为电子束播撒装置提供高压脉冲电源；
真空隔离膜片用于隔离电子枪真空区和外界大气；
电子束播撒装置产生大体积高密度等离子体，进而影响相关区域进行降雨或降雪。
进一步地，带电粒子发生系统可以包括接地装置，接地装置采用导电良好的超轻碳纤维材料构成，连接带电粒子发生系统与地面，为高压电源和电子枪提供地电位保证其正常工作。
本发明通过改变大气微观物理过程来影响气候变化，为人工影响天气提供了新的方法和装置，具有以下优点：
(1)本发明作业窗口要求宽。湿度不必饱和，温度窗口宽，在无自然降雨时也有效。本发明相对于传统人工影响天气方法具有效果更显著。
(2)由于采用空中播撒的方式，大大降低带电粒子输运损耗，因此将会有效提高降雨效率。
(3)本发明操作简单，费用经济。
(4)本发明无需特殊化学工质，对环境损害降低。
附图说明
图1为本发明人工降雨雪空中移动基站组成图；
图2为本发明空中播撒电荷降雨雪装置的工作示意图；
图3为本发明带电粒子发生系统的示意图；
图4为本发明脉冲电子束等离子体源示意图；
附图中，1为飞艇；2为推进动力系统；3为带电粒子发生系统；4为等离子体；5为系留绳及接地线；6为地面通讯及控制系统；7为电源系统；8为高压脉冲电源；9为真空泵；10为连接法兰；11为电子枪；12为气象监测评估系统；13为无线通讯及控制系统。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
如图3所示，采用飞艇系统携带带电粒子发生系统空中播撒电荷降雨雪，实际操作中，也可以采用热气球系统携带带电粒子发生系统空中播撒电荷降雨雪，本发明实施例中，飞行器系统包括飞艇1和推进动力系统2，带电粒子发生系统3包括电源系统7、高压脉冲电源8、真空泵9、连接法兰10、电子枪11、气象监测评估系统12、无线通讯及控制系统13。带电粒子发生系统3水平悬挂在飞艇1下方，带电粒子发生系统3通过系留绳及接地线5与大地相连，真空泵9通过连接法兰10与电子枪11相连。
系留绳及接地线5材料选用碳纤维接地线，即保证飞艇1的作用区域固定性又起到接地的作用，而且碳纤维材料质量大幅度减小，有利于飞艇的载重量和航空高度。
电源系统7采用锂电池储能，与高压脉冲电源8、真空泵9、气象监测评估系统12、通讯及控制系统13相连接并提供工作电压。
无线通讯及控制系统13与地面通讯及控制系统6用无线通讯的方式进行连接，地面通讯及控制系统6接受来自无线通讯及控制系统13收到的气象参数，点参数等一系列信息，并通过下达控制指令给无线通讯及控制系统13，进而改变飞行器飞行状态及电子束发射功率，发射功率的调整范围为1kw-7kw。
高压脉冲电源8，电源幅值为0—-100Kv持续可调，额定输出功率为8kw，通过气象监测评估系统12反馈的气象数据(如：云中含水量、高空云分布、温湿度参数等)来确定电子枪的发射功率
当装置工作时，首先控制飞艇1到达预定的位置高度，高度位置根据作用区域的云层信息而定，开启真空泵9，抽取电子枪11内气压，使电子枪内保持真空状态，真空度保持为小于等于10-4pa，开启高压脉冲电源8，根据作用区域的气象条件调整输出电压幅值，传输给电子枪11，使电子枪喷射出大量电子4，电子密度可达到108-1011cm3，电荷随着飞艇的移动分散到作用的云层中，进而影响云中的微物理过程，在该区域内产生降雨或降雪。
相关实验数据及效果：
我们与国家电网防灾减灾重点实验室合作，在其大型云室内开展催化降雨雪的实验研究。大型云室内径25m，高度为27.5m，体积15000m3，温度从-20℃到70℃可调，湿度从20％到100％可调，耐压等级为800Kv，该云室是目前国际领先的电网大型人工气候模拟装置平台，电子束播撒装置通过通过升降平台架设至离地面10m左右的高度。
我们在不同的温湿度条件下用空中播撒电荷的方法做了大量的实验，数据如下：(下面数据为24h平均降雪/雨量，单位为mm)
上表中，0mm/24h表示无降雨、降雪，小雨的范围在(0-10mm)/24h，小雪的范围在(0-2.5mm)/24h，中雨的范围在(10-25)mm/24h，中雪的范围在(2.5-5mm)/24h，大雨的范围大于25mm/24h，大雪的范围大于5mm/24h。
从上述试验数据发现，在已进行的实验中，电场催化技术对-10℃至+20℃环境有效；当湿度>92％时可产生中雨/中雪，甚至大雨/大雪；湿度87.5％-92％可产生小雨/小雪，甚至中雨/中雪。由此可见，该电子束播撒装置大大拓宽了人工降雨降雪温度窗口和湿度窗口。
在实验中我们发现电子束播撒装置的输出功率与降雪量、降雨量在一定环境下呈现正比例关系。通过改变输出功率(改变电子枪发射功率)，在实验中我们可以控制降雪量和降雨量的大小，从而实现对降雪量、降雨量实现实时控制。
本发明中“降雨雪”与“降雨或降雪”的含义相同。

Claims (9)

1.一种空中播撒电荷降雨雪的方法，该方法采用空中移动基站实现降雨或降雪，所述空中移动基站由飞行器系统、带电粒子发生系统、监控控制系统组成，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：监控控制系统对天气气候参数进行监控分析，根据气候参数控制带电粒子发生系统的功率和飞艇的航向、速度、高度；
步骤2：飞行器系统根据监控控制系统的指令承载带电粒子发生系统到达设定的高空区域；
步骤3：带电粒子发生系统根据监控控制系统的指令播撒高密度等离子体；
步骤4：等离子体随着飞行器系统的移动分散到作用的云层中，进而影响云中的微物理过程，在该区域内产生降雨或降雪。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述监控控制系统由通讯系统、控制系统、评估系统组成，包括以下步骤:
评估系统对天气气候参数进行实时分析，判断气候条件及作用效果决定作用功率和作用时间；
通讯系统将带电粒子发生系统的工作状态参数、飞行器系统的运行高度与状态参数，评估系统分析出的高空气候条件参数传输给位于地面的控制系统；
控制系统根据收到的参数控制带电粒子发生系统的功率和飞行器系统的航向、速度、高度。
3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述评估系统由毫米波气象雷达、激光雷达、微波辐射计、全天空成像仪、温湿度和风向测量仪仪器等仪器组成，用于测量作用区域的天气气候参数，并进行实时分析。
4.根据权利要求1中所述的方法，所述带电粒子发生系统包括电源系统、电子束播撒装置、接地装置，其特征在于，所述电子束播撒装置采用脉冲电子束等离子体源，由电子枪、高压脉冲电源、真空隔离膜片、真空设备组成，所述方法包括以下步骤：
开启电源系统，为所述电子束播撒装置提供工作电压；
所述真空设备包括真空泵和真空计，开启真空泵，为所述电子枪提供真空环境，所述真空计检测所述电子枪内真空度。
开启高压脉冲电源，产生高压脉冲电，传输给电子枪，同时为电子加速至高能电子束提供脉冲电场；
电子枪产生等离子体的电子束；
真空隔离膜片用于隔离电子枪真空区和外界大气，同时使得高能电子束可以在低损耗条件下穿过；
大体积高密度等离子体喷射出来，进而影响相关区域进行降雨或降雪。
5.一种空中播撒电荷降雨雪的装置，包括飞行器系统、带电粒子发生系统、监控控制系统，所述带电粒子发生系统安装在飞行器系统下方，其特征在于：
所述监控控制系统用于对天气气候参数进行监控分析，并对带电粒子发生系统和飞行器系统进行控制；
所述飞行器系统用于承载带电粒子发生系统到达设定的高空区域；
所述带电粒子发生系统用于播撒等离子体。
6.根据权利要求5中所述的装置，其特征在于，所述飞行器系统为飞艇系统或热气球系统。
7.根据权利要求5中所述的装置，所述带电粒子发生系统包括电源系统、电子束播撒装置、接地装置，其特征在于，所述电子束播撒装置采用脉冲电子束等离子体源，由电子枪、高压脉冲电源、真空隔离膜片、真空设备组成，其中，
所述电源系统为所述电子束播撒装置提供工作电压；
所述接地装置采用导电良好的超轻碳纤维材料构成，连接带电粒子发生系统与地面，为高压电源和电子枪提供地电位保证其正常工作；
所述真空设备为所述电子枪提供真空环境；
所述电子枪选用热阴极，提供碰撞产生等离子体的电子束；
所述高压脉冲电源与电子枪连接；
所述真空隔离膜片隔离电子枪真空区和外界大气。
8.根据权利要求5中所述的装置，其特征在于，所述监控控制系统由通讯系统、控制系统、评估系统组成，所述评估系统用于对天气气候参数进行实时分析，判断气候条件及作用效果决定作用功率和作用时间；所述通讯系统用于将带电粒子发生系统的工作状态参数、飞行器系统的运行高度与状态参数，评估系统分析出的高空气候条件参数传输给控制系统；所述控制系统控制带电粒子发生系统的功率和飞行器系统的航向、速度、高度。
9.根据权利要求8中所述的装置，其特征在于，所述评估系统由毫米波气象雷达、激光雷达、微波辐射计、全天空成像仪、温湿度和风向测量仪仪器等仪器组成。
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