CN108268739B - 一种飞机播云作业有效催化范围评估方法 - Google Patents

一种飞机播云作业有效催化范围评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于人工影响天气领域，提供了一种飞机播云作业催化剂有效催化范围的评估方法，包括：安装编译中尺度数值模式WRF；获取模式背景场FNL资料；设置WRF多重嵌套模拟区域；获取WRF高分辨率模拟输出场；安装FLEXPART‑WRF数值模式；编制碘化银(AgI)催化剂物理化学特性参数清单文件SPECIES；设计典型催化剂播撒源项输入方案；获取AgI催化剂浓度模拟结果；计算有效催化范围。本发明提供的方法解决了基于飞机播云作业方式的催化剂有效催化范围评估问题，不仅可用于指导作业实践，考证播云方案的有效性，对规范播云方法、改进作业设计、减少作业盲目性、提高作业效果均具有重要意义，还可推广至高炮、火箭和地面燃烧炉等其他催化剂播撒方式的有效催化范围评估。

Description

一种飞机播云作业有效催化范围评估方法
技术领域
本发明属于人工影响天气领域，涉及一种催化剂扩散范围的计算方法，尤其涉及一种基于飞机作业方式的催化剂有效催化范围的评估方法。
背景技术
催化剂是人工影响天气作业的主要播撒物质。通过在云和降水自然过程中的某些关键环节或云系部位播撒催化剂，改变云的微物理过程或动力学特征，促使云和降水按人们预期的方向发展，以少量代价换取巨大的社会、经济、生态、环境等效益，可直接服务于防灾减灾和缓解水资源短缺矛盾。另一方面，播云作业之后的人工影响天气效果检验是进行人工影响天气活动特别关注的问题，是当前国内外人工影响天气面临的亟待解决的重大科学技术问题之一。通过评估播云作业后催化剂入云后的扩散范围，不仅可为研究播云作业效果提供客观数据，还能为优化播云作业方案提供依据。
对于催化剂扩散规律研究，已开展了较多工作，但在催化剂有效催化范围计算方面的研究尚不多见。余兴等(1996)利用湍流扩散方程对催化剂的浓度分布和扩散范围进行了计算，并设置了一系列前提假设，包括：流场均匀定常、湍流扩散系数取平均值、未考虑垂直风、作业播撒线与水平风垂直、催化剂的播撒均匀、大气各向同性、未考虑催化清除效应等，并且仅简单评估了扩散范围尺度，未提供扩散范围具体数值。余兴等(2002)、徐小红和余兴(2004)以及余兴和戴进(2005)，利用层状云中催化剂输送扩散的三维时变模式，对播云有效区域进行了分析，但其采用的催化剂扩散模式为三维时变烟团轨迹模式，云中扩散参数的计算还不够准确，还需要假定烟团内部的浓度分布为高斯型，并认为烟团为理想化的椭球体，提供驱动场三维非静力模式需假定初始时刻湍能和耗散率处于定常状态、侧边界梯度为零，并且由于烟团引入频率较低，造成播云线连续性不好。班显秀等(2004)利用无界大气瞬时点源扩散的高斯模式，对飞机线性播撒催化剂扩散范围进行了研究，但其模型采用高斯模式，将飞机播撒视为瞬时线源，未考虑播云作业时间和烟团的水平移动，并假定扩散常数为设定经验值。周毓荃和朱冰(2014)基于扩散计算的解析解，研究了高炮、火箭和飞机催化方式的扩散范围，其研究的前提和假设与余兴等(1996)相似。从目前的研究来看，催化剂有效催化范围的计算方法包括许多前提假设，与实际情况存在较大差异，不能够提供较为准确的评估数据。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的是，采用降尺度嵌套模拟技术，通过改造拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF，提供一种新的飞机播云作业催化剂有效催化范围的评估方法，旨在结合催化剂扩散模式的最新进展，解决人工影响天气中基于飞机播云作业方式的催化剂有效催化范围精确计算评估问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种飞机播云作业有效催化范围评估方法，包括如下步骤：
(1)在Linux操作系统安装编译中尺度数值模式WRF，具体为：
采用ARW(Advanced Research WRF)版本WRF，安装运行WRF所需pgi、zlib、hdf5、netcdf、jasper、libpng等库函数并设置环境变量；在此基础上，安装主模块WRF和前处理模块WPS；
(2)获取包含飞机播云作业时段在内的模式背景场FNL资料，为运行WRF提供初始和侧边界条件；考虑到模式播云后催化剂扩散需要一定时间(数小时量级)，将获取FNL资料的时间长度设为不小于24小时，且作业时段应位于FNL资料时间段的前半段；
(3)根据播云轨迹设置WRF多重嵌套模拟区域，具体为：
采用嵌套技术，设置多重模拟区域，进行降尺度模拟设置；设置最内层区域时需将飞机播云作业区域设置在临近最内层区域边界的作业高度上风方向位置；
(4)获取驱动FLEXPART模式运行的WRF高分辨率模拟输出场，具体为：
根据播云时段设置namelist.wps和namelist.input文件时间参数、物理参数方案等，依次运行WRF模式前处理模块WPS和主模块WRF，获取WRF模拟输出场；
(5)安装编译FLEXPART-WRF数值模式，具体为：
根据采用资料的种类(ECMWF或GFS)和WRF输出结果维数，设置par_mod.f90文件相关参量，包括WRF输入场最大维度nxmax、nymax、nuvzmax、nwzmax和nzmax，最大嵌套层数maxnests，嵌套输入场最大水平维度nxmaxn和nymaxn，指定模式所需species最大数量maxspec，以及nxshift参数；
设置makefile.mon文件中NETCDF路径(netcdf库函数路径)和编译器类型COMPILER；
编译FLEXPART_WRF模式；
(6)编制碘化银(AgI)催化剂物理化学特性参数清单文件SPECIES；
(7)典型催化剂播撒源项输入方案设计，具体为：
将飞机播云方式视为连续移动点源，每隔Δt时间播撒质量为Qn＝RΔt(R为播撒速率)的AgI催化剂，飞机播撒点的四维精确坐标(经度、纬度、高度、时间)来自飞机GPS实测信息；
(8)获取AgI催化剂浓度模拟输出结果，具体为：
设置flexwrf.input文件相关参数，采用分辨率最高的嵌套区域最内层区域输出结果为FLEXPART-WRF模式提供输入，运行FLEXPART-WRF模式，获取催化剂浓度模拟输出结果；
(9)计算有效催化范围，具体为：
对FLEXPART-WRF模式输出结果进行处理，根据有效增雨作业AgI粒子浓度阈值，统计每个高度层进行有效催化的格点数，根据每层的格点数和高度，计算作业有效催化面积和总的有效催化体积；
有效催化面积的计算为
Figure BSA0000158974580000021
式中，Seff为某高度层有效催化面积，xi、yi分别为该高度层达到有效浓度阈值的第i个格点的东西向长度和南北向长度，m为达到有效浓度阈值的格点数量。
有效催化体积的计算为
Figure BSA0000158974580000022
式中，Veff为有效催化体积，xj、yj、zj分别为催化范围内达到有效浓度阈值的第j个格点的东西向长度、南北向长度和高度，n为达到有效浓度阈值的格点数量。
本发明提供的飞机播云作业催化剂有效催化范围的评估方法，具有以下有益效果：
(1)可用于指导作业实践，考证播云方案的有效性，对于规范播云方法、改进作业设计、减少作业盲目性、提高作业效果具有重要意义；
(2)可推广至高炮、火箭和地面燃烧炉等其他催化剂播撒方式的催化剂有效催化范围评估。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1为飞机播云轨迹(B、E分别表示开始和结束位置)；
图2为模拟区域设置；
图3为7月30日05时～12时模式第6层(地面上4500～5000米高度)AgI粒子浓度(单位：个/m3)变化；
图4为7月30日05时至16时AgI粒子有效催化面积(单位：km2)随时间变化；
图5为7月30日05时至16时AgI粒子有效催化体积(单位：km3)随时间变化。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
第一步，在Linux操作系统安装编译中尺度数值模式WRF。实施例安装Linux系统版本为RHEL(Red Hat Enterprise Linux)x86_64 V6.3，安装WRF版本为V3.7.1，安装库函数及版本号分别为pgi V10.2、mpich2 V1.2.11、zlib V1.2.8、hdf5 V1.8.13、netcdfV4.0.1、jasper V1.701.0和libpng V1.2.12；编译主模块WRF V3.7.1和前处理模块WPSV3.7.1；在WRF官方网站下载地形数据放在指定位置。
第二步，获取包含飞机播云作业时段在内的模式背景场FNL资料。以2017年7月30日一次飞机播云作业为例，在美国国家环境预报中心(NCEP)官方网站下载7月30日-31日1°×1°FNL资料，为运行WRF提供初始和侧边界条件。
第三步，根据播云轨迹设置WRF多重嵌套模拟区域。图1给出了飞机播云作业轨迹。根据播云轨迹地理位置和播云高度5700～6000米风向-西北，设置积分区域中心为(42°N，114°E)，采用三重嵌套模拟，分辨率分别为15km、5km、1.67km，网格数(东西向×南北向)分别为160×130、232×181、301×301。图2为模拟区域设置。
第四步，获取驱动FLEXPART模式运行的WRF高分辨率模拟输出场。根据播云时段(7月30日4：20～6：30)设置namelist.wps和namelist.input文件时间参数、物理参数方案等，依次运行WPS和WRF模块，分别输出三个区域模拟结果，采用最内层区域(图2中d03区域)结果，为FLEXPART-WRF模式提供输入。
第五步，安装编译FLEXPART-WRF数值模式。首先，设置par_mod.f90文件相关参量，根据采用资料的种类(GFS)，设置nxshift＝0；根据d03区域模拟结果维数，并考虑节省计算量，设置nxmax＝350，nymax＝350，nuvzmax＝61，nwzmax＝61，nzmax＝61，最大嵌套层数maxnests＝2，嵌套输入场最大水平维度nxmaxn＝400和nymaxn＝400，指定模式所需species最大数量maxspec＝1。设置makefile.mon文件中NETCDF路径(NETCDF＝/home/FLEXPART-WRF/softwaredir/netcdf-4.0.1)和编译器选项(COMPILER＝pgi)。在此基础上，编译FLEXPART_WRF模式(make-f makefile.mon serial)。
第六步，编制碘化银(AgI)催化剂物理化学特性参数清单文件SPECIES。AgI粒子物理化学特性参数清单文件SPECIES，包括降水清除系数、雨强权重、密度、平均直径、对数正态分布标准差、干沉降速率、25℃与OH反应速率等关键物理化学特性参数，为FLEXPART-WRF提供输入。
第七步，典型催化剂播撒源项输入方案设计。整个播云时段共燃烧焰条17根，每根焰条含AgI质量125g，根据播撒量，划分为5个播撒时段，每个时段播撒量分别为，4：20～4：43(4根)、4：43～5：13(4根)、5：13～5：36(4根)、5：36～6：01(2根)、6：01～6：30(3根)。将飞机视为连续移动点源，每隔5s播撒一次，则5个时段每个点源AgI质量分别为：1.8116g、1.3889g、1.8116g、0.8333g、1.0776g，共播撒AgI点源1560个，AgI成核率为5×1013/g，每个点源的四维精确坐标(经度、纬度、高度、时间)来自飞机GPS实测信息。
第八步，获取AgI催化剂浓度模拟输出结果。设置flexwrf.input文件源项以外其他参数，包括模拟开始时间、结束时间、结果输出频率、输出水平范围、高度层等，运行FLEXPART-WRF模式，获取催化剂浓度、沉降量、传输路径等模拟输出资料，输出文件名类似grid_conc_20170730045700_001。
第九步，计算有效催化范围。采用Fortran程序语言，对FLEXPART-WRF模拟结果进行处理，设置有效播云作业的AgI粒子最低浓度阈值为104个/m3。图3给出了7月30日05时至12时模式第6层(地面上4500～5000米高度)AgI粒子浓度随时间变化。在此基础上，统计每个高度层大于该阈值进行有效催化的格点数，根据每层的格点数和高度，分别采用公式(1)和公式(2)计算有效催化面积和总的有效催化体积。图4和图5分别给出了7月30日05时至16时AgI粒子有效催化面积和有效催化体积随时间变化。

Claims (1)

1.一种人工影响天气飞机播云作业有效催化范围评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在Linux操作系统安装编译中尺度数值模式WRF，具体为：
采用ARW(Advanced Research WRF)版本WRF，安装运行WRF所需pgi、zlib、hdf5、netcdf、jasper、libpng库函数并设置环境变量；在此基础上，安装主模块WRF和前处理模块WPS；
(2)获取包含飞机播云作业时段在内的模式背景场FNL资料，为运行WRF提供初始和侧边界条件；考虑到模式播云后催化剂扩散需要一定时间，数小时量级，将获取FNL资料的时间长度设为不小于24小时，且作业时段应位于FNL资料时间段的前半段；
(3)根据播云轨迹设置WRF多重嵌套模拟区域，具体为：
采用嵌套技术，设置多重模拟区域，进行降尺度模拟设置；设置最内层区域时需将飞机播云作业区域设置在临近最内层区域边界的作业高度上风方向位置；
(4)获取驱动FLEXPART模式运行的WRF高分辨率模拟输出场，具体为：
根据播云时段设置namelist.wps和namelist.input文件时间参数、物理参数方案，依次运行WRF模式前处理模块WPS和主模块WRF，获取WRF模拟输出场；
(5)安装编译FLEXPART-WRF数值模式，具体为：
根据采用资料的种类ECMWF或GFS和WRF输出结果维数，设置par_mod.f90文件相关参量，包括WRF输入场最大维度nxmax、nymax、nuvzmax、nwzmax和nzmax，最大嵌套层数maxnests，嵌套输入场最大水平维度nxmaxn和nymaxn，指定模式所需species最大数量maxspec，以及nxshift参数；
设置makefile.mon文件中NETCDF路径和编译器类型COMPILER；
编译FLEXPART_WRF模式；
(6)编制碘化银AgI催化剂物理化学特性参数清单文件SPECIES；
(7)典型催化剂播撒源项输入方案设计，具体为：
将飞机播云方式视为连续移动点源，每隔Δt时间播撒质量为Qn＝RΔt的AgI催化剂，R为播撒速率，飞机播撒点的四维精确坐标经度、纬度、高度、时间来自飞机GPS实测信息；
(8)获取AgI催化剂浓度模拟输出结果，具体为：
设置flexwrf.input文件相关参数，采用分辨率最高的嵌套区域最内层区域输出结果为FLEXPART-WRF模式提供输入，运行FLEXPART-WRF模式，获取催化剂浓度模拟输出结果；
(9)计算有效催化范围，具体为：
对FLEXPART-WRF模式输出结果进行处理，根据有效增雨作业AgI粒子浓度阈值，统计每个高度层进行有效催化的格点数，根据每层的格点数和高度，计算作业有效催化面积和总的有效催化体积；
有效催化面积的计算为
Figure FSB0000191318330000011
式中，Seff为某高度层有效催化面积，xi、yi分别为该高度层达到有效浓度阈值的第i个格点的东西向长度和南北向长度，m为达到有效浓度阈值的格点数量；
有效催化体积的计算为
Figure FSB0000191318330000012
式中，Veff为有效催化体积，xj、yj、zj分别为催化范围内达到有效浓度阈值的第j个格点的东西向长度、南北向长度和高度，n为达到有效浓度阈值的格点数量。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114611308B (zh) * 2022-03-17 2022-11-25 中国气象科学研究院 一种在wrf中尺度模式中仿真模拟飞机催化作业轨迹的方法
CN116703247B (zh) * 2023-08-04 2023-09-26 中国气象局人工影响天气中心 一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090281787A1 (en) * 2008-05-11 2009-11-12 Xin Wang Mobile electronic device and associated method enabling transliteration of a text input
CN106326625A (zh) * 2015-07-09 2017-01-11 中国电力科学研究院 一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090281787A1 (en) * 2008-05-11 2009-11-12 Xin Wang Mobile electronic device and associated method enabling transliteration of a text input
CN106326625A (zh) * 2015-07-09 2017-01-11 中国电力科学研究院 一种耦合WRF与OpenFOAM模式的风场模拟方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
过冷层状云中飞机播云有效区域的模拟研究;余兴等;《气象学报》;20020430;全文 *

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