CN109270595A - 一种天气作业的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天气作业的方法和系统。包括获得目标区域的当前气象数据；所述气象数据包括当前温度T0、当前湿度H0以及云层参数；根据当前气象数据、历史气象数据以及目标天气作业标准，获得沉降量Qs以及云含水量Q0；判断所述云含水量Q0是否大于等于沉降量Qs，是则进入步骤S4；否则所述天气作业结束；根据当前气象数据以及历史气象数据，获得天气作业的参数。本发明通过对气象数据的分析，从而最大效率地完成天气作业。
Description
技术领域
本发明属于天气作业领域，更具体地，涉及一种天气作业的方法和系统。
背景技术
目前人工降雨或是除霾大都是根据实际天气情况观察后进行设备作业(如专利文献CN104412877A)，或是仅针对于传统化学方法实现人工降雨进行监测，如专利文献CN103585839A《大规模雾霾消除装置及方法》(D5)提到了利用收集整理所针对的雾霾地区的气象状态的历史记录数据，建立雾霾龙卷风发生速度、气压、方向、时间与空气质量的函数关系，设定雾霾消除所需的空气质量阔值，对气象数据进行实时监测，在满足气象和空气条件时，实施除霾作业。但是该专利文献实际上只是提出了一个设想，并没有明确除霾作业的具体条件，无法进行实施。
常规负离子发生器工作电压较低，通常为2kV～3kV，并采用裸铜针电极放电。例如专利文献CN205355534U《室外大功率除霾负离子发生驱动器》公开了一种过电荷除霾的装置，该装置采用阵列针电极，无法像线电极那样应沉降区域面积的大小而更改长度，因此导致了电荷释放区域有限，对于较大面积的除霾势必因增加大量针电极而耗费成本。同时由于使用交流电源，电荷数量不够多，电荷的移动会受到电场束缚，难以大范围扩散。
综上，基于传统人工影响天气的方法，虽然有其独特的优势，但也存在成本高，效率较低，且存在严苛的环境要求。因此急需一种新技术，既能减小现有技术的局限，实现经济高效环保，又能发挥电荷或者电场对大气气溶胶独特的优势。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种进行天气作业的方法和系统，其目的在于通过对气象数据的分析，从而最大效率地完成天气作业。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种进行天气作业的方法，包括以下步骤：
S1.获得目标区域的当前气象数据；所述气象数据包括当前温度T0、当前湿度H0以及云层参数；
S2.根据当前气象数据、历史气象数据以及目标天气作业标准，获得沉降量Qs以及云含水量Q0；
S3.判断所述云含水量Q0是否大于等于沉降量Qs，是则进入步骤S4；否则所述天气作业结束；
S4.根据当前气象数据以及历史气象数据，获得天气作业的参数。
优选地，所述步骤S1中的所述云层参数包括云层类型、云底高度hy、云层厚度l以及云层面积S0；在所述步骤S2中，沉降量Qs＝(Hp－H0)·S·hy，云含水量Q0＝ρ·S0·l；Hp为目标绝对湿度，S为目标区域的面积，ρ为云含水率。
优选地，所述步骤S4具体包括以下子步骤：
S41.根据当前气象数据以及历史气象数据，获得第一消耗量和第二消耗量；所述第一消耗量为天气作业的类型为飞行器模式时的消耗量，所述第二消耗量为天气作业的类型为空间电荷模式时的消耗量；
S42.根据第一消耗量和第二消耗量获得天气作业的参数；所述天气作业的参数包括天气作业的类型、负离子发生装置的数量n0、放电功率p0和作业时间t0；
作为进一步优选地，所述天气作业的参数还包括布置方式。
作为进一步优选地，在所述步骤S41中，所述第一消耗量M1＝n1·δ1·t1，第二消耗量M2＝n2·δ2·t2；n1为第一布置数量，n2为第二布置数量，δ1和δ2为常数，t1为第一作业时间，t2为第二作业时间；
其中， 第二极限高度h2为常数；κy为空间电荷在水平方向的扩散系数，γ1、γ2、ψ1、ψ2、τ1、τ2、υ1、υ2、都为常数；
在所述步骤S42中，当M1≥M2时，天气作业的类型为飞行器模式，负离子发生装置的数量n0＝n1，放电功率作业时间t0＝t1；否则天气作业的类型为空间电荷模式，负离子发生装置的数量n0＝n2，放电功率作业时间t0＝t2。
优选地，所述气象数据还包括风速在所述步骤S42中，当M1＜M2时，所述天气作业的参数还包括负离子发生装置与目标区域的水平距离其中，n是变化指数，0＜n＜1，e为自然常数。
优选地，所述天气作业为除霾作业，所述目标天气作业标准为能见度>5km，在所述步骤S1中的所述气象数据还包括能见度。
优选地，所述天气作业为降雨作业，所述目标天气作业标准为降雪量>25mm/日。
优选地，所述天气作业为降雪作业，所述目标天气作业标准为降雪量>2.5mm/日。
按照本发明的一个方面，还提供了一种利用该天气作业的方法的天气作业系统，包括气象采集站、分析台、控制装置、多个负离子发生装置；所述气象采集站的输出端连接所述分析台的输入端，所述分析台的输出端连接控制装置的输入端；
所述气象采集站用于获取当前气象数据；所述分析台用于根据当前气象数据以及历史气象数据，获得天气作业的参数；所述控制装置用于根据天气作为的参数，向所述负离子发生装置发出控制信号；所述负离子发生装置为球形或近球形负离子发生装置，用于根据所述控制信号进行天气作业。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过对气象数据的分析，能够取得下列有益效果：
1、本天气作业的方法以及天气作业系统，可以通过收集历史气象数据以及当前气象数据实现自动化天气作业，如除霾、降雨、降雪等，通过比较云含水量和沉降量，可以分析是否符合利用负离子发生装置进行天气作业的条件；
2、通过比较第一消耗量和第二消耗量，可以获得天气作业的参数从而进行天气作业；
3、气象采集站，分析台，控制台等自动化系统能采集分析当地的气象数据，同时由于负离子发生装置能利用放电产生大量的负电荷来与空气中的气溶胶直接结合，从而无需水资源因而适用范围更广，尤其是对于水资源较为匮乏的地区。另外，本装置不仅可以大范围除霾，并且可以用于人工降雨，由于电荷能够与云层的气溶胶粒子结合，因而对天气条件的要求较宽；
4、由于负离子发生装置产生的带电粒子除霾并无选择性，可除去空气中各类污染物颗粒，且对颗粒直径没有要求，因而能够有效地降雾除霾。同时，本发明也应用于提高降水量，相对于传统人工降雨方法，本发明对环境要求较宽，且对温度没有特殊要求，并且利用电荷和电场能够更高效地实现降雨，且在提高降水量的同时，能够显著的降低成本，另外，本发明由于只播撒电荷，因而并不会造成环境污染。
附图说明
图1为本发明负离子发生装置的二维阵列式布置方案的俯视图；
图2为本发明负离子发生装置的同心圆式布置方案的俯视图；
图3为固定设置的负离子发生装置的一种实施例；
图4为本发明实施例中负离子发生装置的一种Malter电极的正视图；
图5为本发明实施例中负离子发生装置的一种Malter电极的俯视图；
图6为本发明实施例中负离子发生装置的另一种Malter电极的俯视图；
图7为本发明实施例中负离子发生装置的另一种Malter电极的结构示意图；
图8为本发明实施例中另一种Malter电极与绝缘框架间的一种安装实施例；
图9为本发明实施例中另一种Malter电极与绝缘框架间的另一种安装实施例；
图10为本发明移动设置的负离子发生装置的一种实施例；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1a、1b、1-接地棒，3a、3b、3-接地线，4a、4b、4-带滑轮的底座，5a、5b、5-绝缘绳，6a、6b、6-高压传输线，7-绝缘支架，8-功率输出端子，9-高压直流电源，10a、10b、10c-信号传输线，11-控制台，12-分析台，13-气象采集站，14-储气室，15-通气管，16-扶梯，21-第二Malter电极，22-第一Malter电极，33-绝缘栓，43-Malter薄膜，44-电晕放电的细钢丝，45-绝缘框架，46a、46b、46-接地钢丝，47-风扇，56-铝箔材料，59a、59b、59-固定螺丝。
具体实施方式
本发明提供了一种通过负离子发生装置影响天气的方法，可以用于提高降水量或者去除雾霾；包括收集目标地区的实时气象数据，并根据实时气象数据获得最优方案，所述负离子发生装置再根据最优方案进行工作。
基于非雷暴云对环境电流十分敏感这一基础，人工降雨可以通过控制环境电流密度来实现。而增强环境电流可以从两方面入手，一是增加电荷注入，二是增强环境电场。接下来，首先从电场角度分析。
增加环境电场可以通过在云下方安装负离子发生装置，通过在负离子发生装置上积累电荷实现人工降雨。负离子发生装置的高度通常为100m～500m，当负离子发生装置高度越高，地面的感应电场就会越低，云高度的电场强度就会越强。非专利文献《基于有限元法的±800kV特高压直流输电线路离子流场计算》(电工技术学报,vol.25,No.2,2010)介绍了这一原理。
设上述配置中的负离子发生装置是半径为r0，且具有表面导电性质的球体或近球体，而该导电表面是常用类型的电荷负离子发生装置，其被提升高于地面H0处对地电位为V，则高度H处的电场E可以通过镜像法求出：
由于负离子发生装置周围的电场随空间位置变化而衰减，并且我们只关注电场的垂直分量。当云层经过垂直电场式将会在有限的时间内被充电。假设云带电，即电荷分布最终建立，则根据空间电荷密度ρ和环境电流密度矢量J的连续性方程，我们可以估计完整的充电所需时间：
根据欧姆定律，电流密度J和电场强度E可以通过环境电导率σ关联:
而E和ρ相关的Possion方程为：
在该等式中，ε是空气的介电常数。通过将表达式(3)代入(4)，我们得到：
假设(3)中的电阻率1/σ的梯度垂直于大气和云层之间的边界，并且沿着该梯度选作为y轴，则我们可以得到如下空间电荷密度的绝对值的表达式：
这里J⊥是正常(相对于边界面)大气电流密度的垂直分量，Δy为大气与云层之间的宽度。σ为云层附近的电导率，σ0＝γσ为纯净空气的电导率(γ>1)。结合公式(2)得到完整充电所需的时间为：
典型地，σ0～10-13/Ω/m，γ＝10，可以得出τ＝13min。根据云的水平速度，在该时间内，云可以运动上千米的距离。因此，可以沿着云运动的方向布置负离子发生装置，以确保在垂直方向上能够均匀的增强环境电流。通常，云运动方向与风向保持一致，可以通过风向标或者观察法确定。负离子发生装置应当升高至接近云边界层，负离子发生装置之间距离不应超过云边界层和负离子发生装置之间垂直距离的1.5倍，云边界层高度可以通过云高仪或是气象卫星测出。实际上，为了保证云充电有足够的宽度，有可能需要采用二维阵列的形式步骤负离子发生装置，各个负离子发生装置可以使固定的，也可以是移动的，如在货车上，或者是船上。根据大气条件和实施的实际情况，出现沉降可能至少需要30min。
布置的数量n1则和单个负离子发生装置作用的单位面积ΔS1条件有关，即 表示向上取整；由于雨滴下落的过程可看成是重力沉降，沉降速度这里dp为液滴直径(为和降雨强度线性相关的函数，即通常为0.04mm～4mm，其中，Qs表示沉降量、S表示目标区域面积，t1表示沉降时间即第一作业时间)，ρp为水的密度，可近似看为1000kg/m3，ρa为空气密度，可近似看作零，g为重力加速度，可近似看为10m/s2，ξ为阻力系数。由于雨滴在空气中的雷诺数Re<1，其在空气中的阻力系数遵从斯托克斯公式，即雨滴下落速度为雨滴在空气中的雷诺系数阻力系数因此阻力系数μ为当前温度下的空气粘度，于是可以得出液滴从作用区域(即发射电极与云层之间的区域)到地面所需的最短时间为h1为负离子发生装置的设置高度。本发明所用的负离子发生装置近似为球形，因此单个负离子发生装置可作用的极限面积所需的负离子发生装置的数量r0为负离子发生装置的半径，为平均风速，表示向上取整；数量越少，消耗量越低，但存在数量过少而功率不够用的情况，因此还需要将n1与作比较，其中，P1为总功率，P0为单个负离子发生装置的最大功率，因此，而由于与水的密度相比，空气密度近似为零，因此，
另一种办法是利用单极放电通过释放空间电荷实现。该方法显著优点是无需将负离子发生装置升高至接近云边界层的高度，只需要在5m～100m处设置负离子发生装置，通过负离子发生装置与大气云层，以及地面构成一个闭合回路，负离子发生装置的发射电极放电释放电荷，通过释放电荷加强环境电流即空间电荷羽流。该空间电荷羽流(目标区域垂直空间的所有电荷总和)可直接代替负离子发生装置，对云边界层进行充电。由于将单极性离子释放至大气中，会迅速与空气中气溶胶粒子结合生成带电气溶胶。而大气层中的带电气溶胶的寿命通常可以维持20min～40min，远比离子的寿命更长。根据上升气流的速度，可以推算空间电荷羽流可以升高几千米的高度，因而完全可以实现对云层充电。该装置的问题在于，降雨的位置受到多种因素影响，包括风(自然风/人造风)的速度和方向，初始空间电荷羽流的位置等。因此需要建立高斯扩散模型来确定释放电荷的位置。
基于高斯扩散模型，我们可以估计电荷具体产生效果的位置。模拟带电气溶胶粒子的羽流，所需参数包括带电气溶胶的产率，初始羽流高度，风速大小及方向，以及空间电荷分布的垂直和水平标准偏差(这取决于大气稳定性等级即大气湍流度)等参数。
带电气溶胶粒子在水平区域按照如下公式扩散：
在垂直区域则按如下方式扩散(Sutton修正扩散):
其中，以所述带电粒子发生装置所在位置为原点建立坐标系，以风向为x轴的正方向，Q(x,y,0)代表坐标系中(x,y,0)的电荷密度，Q(x,0,z)代表坐标系中任一点(x,0,z)的电荷密度，κz表示垂直方向的扩散系数，κx、κy为水平方向的扩散系数，Q为初始电荷释放速率，n是变化指数(是由大气稳定度确定的0～1之间的常数，通过《GB3840－91制定地方大气污染物排放标准的技术方法》中对气象数据的观测可以实现。一般中性条件下，n＝0.4；稳定条件下，n>0.4；不稳定条件下，n<0.4)，为平均风速。
而负离子发生装置与目标区域的最优距离h2为发射电极的高度，其中，e表示自然常数。即在实际作业中，需要在目标区域远离与风逆向距离为rs时，方能达到最优效果。
考虑到发射电极的电荷释放服从高斯定律，为保证电荷竖直向上传播，则两个负离子发生装置的最大间隔距离d应满足：
Q(x,y,0)|y＝d/2+Q(x,y-d,0)|y＝d/2＝Q(x,y,0)|y＝0因而有于是可得其中h2为负离子发生装置的高度，κy可利用《GB3840-91制定地方大气污染物排放标准的技术方法》进行查表计算，因此所需的负离子发生装置的数量从公式可以看出，负离子发生装置的数量与其高度成反比，可直接取最大值进行计算，同时与其在极限功率工作下所需的负离子发生装置数量进行比较，即其中，P2为总功率，P0为单个负离子发生装置的最大功率。
本发明提供的天气作业的方法具体包括以下步骤：
S1.通过气象采集站，获得目标区域的当前气象数据；所述气象数据包括当前温度T0、当前湿度H0、平均风速污染物浓度、风向、能见度、云层类型、云底高度hy、云层厚度l以及云层面积S0；
S2.分析台根据当前气象数据、历史气象数据以及目标天气作业标准，获得沉降量Qs＝(Hp－H0)·S·hy以及云含水量Q0＝ρ·S0·l；
其中，Hp为目标绝对湿度，即通过查询历史气象数据，在历史温度Tp与当前温度T0相同时，自然降雨达到目标天气作业标准时的天气湿度；目标天气作业标准则根据需求设置，通常来说，在进行除霾时，以能见度以良好(>5km)作为标准，在进行降雨作业时，以大雨(>25mm/日)作为标准，在进行降雪作业时，以雪量达到中雪为标准(2.5mm～4.9mm/日)；
H0为当前湿度，S为目标区域的面积，为已知常数，hy为云底高度，ρ为云含水率，可根据云的类型查表获得，S0为云层面积，l为云层厚度；
S3.判断所述云含水量Q0是否大于等于沉降量Qs，是则进入步骤S4；否则所述天气作业结束；
S4.获得第一消耗量和第二消耗量；其中，第一消耗量为天气作业类型为负离子发生装置的高度为100m～500m时的消耗量(即飞行器模式)，第二消耗量为负离子发生装置的高度为5m～100m时(即空间电荷模式)的消耗量；
其中，总消耗量＝电力消耗+人力消耗+设备消耗；其中在飞行器模式和空间电荷模式下的电力消耗基本相同，因此可忽略不计；其中，第一消耗量M1＝n1·δ1·t1，第二消耗量M2＝n2·δ2·t2；n1为飞行器模式下负离子发生装置的布置数量，n2为空间电荷模式下负离子发生装置的布置数量，δ1为飞行器模式下单个负离子发生装置的消耗量，δ2为空间电荷模式下单个负离子发生装置的消耗量，t1为第一作业时间(飞行器模式下的作业时间)，t2为第二作业时间(空间电荷模式下的作业时间)；
n1、n2已在公式(7)(10)中给出计算方法，即 δ2、δ1为和负离子发生装置特性相关的参数，在使用同一负离子发生装置且模式相同的情况下为常数，而作业时间是和负离子发生装置的总放电功率相关的指数函数，总放电功率是和沉降量Qs线性相关的函数；以第一作业时间t1为例即 因此可等效为同样的理由，第二作业时间γ1、γ2、k1、k2、ψ1、ψ2、τ1、τ2、υ1、υ2、都为常数，与目标区域的历史气象数据和负离子发生装置的特性有关，可用支持向量机、神经网络法、贝叶斯分类法或随机森林法建立模型而求出。
S5.根据第一消耗量和第二消耗量，获得天气作业的参数，所述天气作业的参数包括天气作业的类型、负离子发生装置的数量、放电功率、作业时间以及布置方式；
当M1≥M2时，天气作业的类型为飞行器模式，负离子发生装置的数量n0＝n1，放电功率p0＝P1/n1，作业时间t0＝t1，布置方式为二维阵列式排布；否则天气作业的类型空间电荷模式，负离子发生装置的数量n0＝n2，放电功率p0＝P2/n2，作业时间t0＝t2，布置方式为同心圆式排布；
之所以在飞行器模式采用二维阵列式排布是因为飞行器与云层较为接近，这样布置能保证垂直的环境电流最大；二维阵列排布的具体方法为将预定数量的负离子发生装置呈矩阵式排列，行与行之间错位，使每个负离子发生装置的作用范围最大，如图1所示。而在空间电荷模式下，此法适用于采用空间电荷羽原理降雨方案，由于负离子发生装置与云层相距较远，目标区域往往较大，电荷易扩散或受风速影响，因而通常采取同心圆式排布。应当注意，负离子发生装置排布位置不应超过圆的半弧，如图2所示。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于该天气作业的方法的天气作业系统，包括气象采集站、分析台、控制装置、多个负离子发生装置；
所述气象采集站的输出端连接所述分析台的输入端，所述分析台的输出端连接控制装置的输入端；
所述气象采集站用于获取当前气象数据；所述分析台用于根据当前气象数据以及历史气象数据，获得天气作业的参数；所述控制装置用于根据天气作为的参数，向所述负离子发生装置发出控制信号；所述负离子发生装置为球形或近球形，用于根据所述控制信号进行天气作业。
本发明的负离子发生装置可固定设置或可移动式设置。如图3为固定设置的负离子发生装置的实例之一，其包括直流电源9、功率输出端子8、第一高压传输线6a、第二高压传输线6b、绝缘支架7、第一接地线3a、第二接地线3b、第二Malter电极21、第一Malter电极22、第一接地棒1a、第二接地棒1b。其中，直流电源9的输出端连接功率输出端子8的输入端，功率输出端子8的正极通过第二高压传输线6b连接第一Malter电极22，功率输出端子8的负极通过第一高压传输线6b连接第二Malter电极，第二Malter电极的(膜还是导线是否有讲究)通过第一接地棒1a接地，第一Malter电极22的(膜还是导线是否有讲究)通过第二接地棒1b接地。接地棒由导电材料制成，插入土壤的深度一般大于0.5m，以保证接地棒的底端能接触到土壤层底部潮湿的部分。直流电源正电极以及外壳通过接地电极接地。
与现有发射电极不同，铝箔材料表面还附有一层氧化铝薄膜，即Malter膜，用于提供大量的二次电子与气溶胶结合，从而提高除霾或降水效率。铝箔连接高压传输线6，高压传输线6连接高压直流电源9的负电极。高压直流电源9的正极通过接地棒1a接地。氦气球表面固定有绝缘栓33，用于固定接地钢丝32。接地钢丝连接地线3，地线3另一端通过接地棒1b接地。氦气球通过尼龙布35包裹，下方连接绝缘绳5a，5b。高压传输线6、绝缘绳5b、接地线3的长度均通过带滑轮的底座4调节，绝缘绳应有保证优良的拉伸强度，最好大于500m保证足够长度。而图5为第二Malter电极21的俯视图，用于电晕放电的细钢丝44呈同心圆状排布，并均匀安装在铝箔材料56内表面。细钢丝44通过固定螺丝59a相互连接。再通过高压传输线连接到电源上。氦气球外表面安装有绝缘栓33，用于固定接地钢丝46a，46b。接地钢丝之间同样通过固定螺丝59b相互连接，并外接至接地棒。不管是电晕放电的钢丝44还是接地钢丝，46的直径均在0.3mm～1mm之间。钢丝44，46的平行间距应保证在5cm～25cm之间。
当第二Malter电极需要工作时，优先释放地线3和高压传输线6，确保绝缘绳5b为主要受力点，再缓慢释放绝缘绳5b将氦气球释放到最优高度。此后，直流电源控制端8接受控制台信号，直流电源9合闸，发射电极开始工作。
本实施例负离子发生装置电压较高(5kV～80kV)，电极为细导线，并且表面覆有氧化物涂层，可以显著提高负离子浓度，最高浓度超过1016/m3，直接利用负电荷离子与空气中的气溶胶结合。因而能显著增强带电粒子与气溶胶的结合率，提高沉降速度。该负离子发生装置还通过利用文丘里效应将氟离子水雾化形成负离子气溶胶，浓度大约在1010～1012/m3。利用带负电气溶胶在与其它气溶胶结合除霾。
该负离子发生装置可设置多台，并与气象采集站13、分析台12、控制台11协同作用以调节天气，当需要进行除霾或者降雨时，通过气象采集站13实时采集当地气象数据通过第三信号传输线10c将采集得到的天气数据传入分析台12，分析台12接收天气数据，由人工或者计算机自动调用分析程序进行计算。并将最优方案通过第二信号传输线10b传输至控制台11。控制台11接收分析台的提供的实施方案，依据方案结果确定并对负离子发生装置发出控制指令。储气室14通过通气管15向氦气球充气，控制系统依据指令启动计算数量的负离子发生装置；并依据指令将第一发射电极3a或者3b升高到计算高度；控制台校验电源的状态信息，确认符合合闸要求，调节电源至计算功率，并对高压直流电源9采取合闸操作。第二Malter电极21或者第一Malter电极22通过连接有功率输出端子8的第一高压导线6a或者第二高压导线6b接受能量，发生电晕放电，负离子进入大气，开始除霾或者降雨过程，如图1所示。
空间电荷模式的发射电极的另一种安装实例图如图6所示。包括立体式的绝缘框架45，其中，框架顶部安装有Al2O3材料制成的Malter薄膜43，用于产生电晕放电的细钢丝44固定在绝缘框架45和Malter薄膜43之间，并连接到Malter薄膜上。细钢丝2144通过高压传输线6连接到高压直流电源9的负极。接地钢丝46固定在绝缘框架45的中间层，通过接地线3接地。立体式绝缘框架45最底层安装有可调温式风扇47，风向为竖直向上。立式绝缘框架45固定在可伸缩式绝缘支撑杆7上。同样地，接地线和高压传输线的长度通过带滑轮的底座4a，4b调节。当需要发射电极工作时，可以根据情况决定是否需要开启风扇以及风扇的温度(例如，冬季应采用热风)。由于温度较低时，发射电极表面会有霜积聚，造成发射电极的性能较弱。通过调节风机温度至15℃～40℃，可以保证发射电极周围的温度不会降的过低，从而能够保证长时间的工作。此外，风机还起到加强气溶胶与带电粒子结合的作用，这是普通温控装置无法提供的。其余操作步骤，本专业领域的人可以理解，与飞行器模式的发射电极的操作步骤是类似的。可以将风机安置在发射电极的底部的绝缘框架上，使得发射电极产生的电荷在风力的作用下竖直向上运动，这是由于电荷密度存在一定的衰减速率，通过风扇一方面提高了离子的垂直扩散速度，从而使其更早的到达云层，另一方面，由于速度更快，相同海拔的电荷浓度更高，相应的环境电流密度也会有所增加。
进一步地，固定发射电极的绝缘框架可以是立体结构，比如四面体，六面体等。绝缘框上设有小孔或安装环，发射电极可以穿过框架上的小孔或者安装环绕制在该绝缘框上，达到固定的目的。
支撑杆是具有5m～50m高度的可伸缩性撑杆，主要用于支撑发射电极。该支撑杆表面应具有一层绝缘层，抑或，该支撑杆可由绝缘材料制成。
图7提供了空间电荷模式下发射电极的一种安装实例的俯视图。用于产生电晕放电的细钢丝44固定在绝缘框架45和Malter薄膜43之间，并连接到Malter薄膜上。细钢丝之间通过固定螺丝59相互连接，并外接高压传输线6。接地钢丝的安装在绝缘框架的中层，其排布的方式与用于产生电晕放电的细钢丝44一致。同样地，钢丝的直径与间距与图7保持一致。
电晕放电电极为细裸导线。使用细裸导线作为发生电极比使用具有尖锐尖端的针形电极更实用。因为后者会由于电化学的腐蚀作用而变钝，而导线的腐蚀则近乎在导线表面均匀的产生，因而远比针电极作用缓慢。同时，相比较针形电极，使用细裸导线能够最小化因进行电晕放电而产生的有害气体(如臭氧以及氮氧化物)的释放。实际上，在适宜的电场下，通过在大面积的细裸导线上进行电晕放电，不仅不会释放大量有害气体，还可以实现很高离子输出，达到影响环境电流的目的。优选地，电极的直径在0.3mm-1mm之间。电晕放电电极为钢丝。
使用的细裸导线可以由绝缘框架进行固定。应当理解，细裸导线可以是一条或者多条，并且可以沿着固定框架实现串行或者电耦合并行。具体的环绕方式应根据绝缘框架的结构而定。优选地，细裸导线可以通过框架上的小孔或安装环依次绕制成互相平行状。同时，钢丝的平行间距应保证在5cm-25cm之间。这是由于发射电极产生的电场会相互影响导致发射电荷效率下降，而如果距离太远，则会导致单位面积下的发射电荷功率降低，影响装置效果。
Malter电极可以极大增强发生电极的释放电荷的能力。Malter电极通过电耦合连接细裸导线。而Malter电极之间可以通过机械/电耦合连接。
进一步地，Malter电极应为球形或者准球形的中空负离子发生装置，这里的准球形应包括但不限于类似球形的任意形状，以及由多边形构成的类似球体的多面体(例如足球状)。
图8和图9介绍了绝缘框架与钢丝之间固定方式的两种实施例。前者通过在绝缘架上打孔，然后将钢丝穿过小孔并用固定螺丝进行固定。后者则是将固定铁环打入框架中，再通过铁环连接细钢丝实现固定。应当注意，两种方案可根据实际需要搭配选择。
图10为移动式的负离子发生装置的实例之一。其主要区别在于，该装置整体设置于货车14上，货车内还设置有分析台12、气象采集站13、可伸缩式绝缘支架7、扶梯16、风扇47等装置；
当需要进行除霾或者降雨时，货车14开往指定地区，由气象采集站13实时采集当地气象数据，并通过信号传输线10a将采集得到的天气数据传入分析台12，分析台12接收天气数据，由人工或者计算机自动调用分析程序进行计算。确定最优方案后，由专业人员通过扶梯16登上车顶完成对负离子发生装置的组装。包括选择发射电极21或22；将带有底座的滑轮4固定在车顶，并将接地线3；高压传输线6；绝缘绳5各自固定在滑轮上。将高压传输线10连接功率输出端子8与发射电极21或22。将接地线3连接至发射电极21，22、直流电源9、以及接地棒1，并将接地棒1就地插入地下，并且深度要大于0.5m；注意，当选择飞行器模式时，还需将绝缘绳连接第二Malter电极，并将氦气瓶14连接至第二Malter电极21，将第二Malter电极21充满氦气。而当选择空间电荷模式时，则将第一Malter电极22固定到绝缘支撑杆7上。组装完毕后，将第二Malter电极21或第一Malter电极22依据最优方案升高到最优高度，控制台校验电源的状态信息，确认符合合闸要求，调节电源至计算功率，并对高压直流电源9采取合闸操作。第二Malter电极21或第一Malter电极22接受能量，发生电晕放电，负离子进入大气，开始除霾或者降雨过程。本实施例可以根据实际需要进行移动，既能扩大处理面积，又能弥补移动平台所携带发射电极少的缺点，大大降低成本。此外，当目标区域较大时，还可以发动多台负离子发生装置同时处理。
本实施例的所用的负离子发生装置，产生电晕放电，同时利用Malter效应，向空气中播撒大量负离子，通过使气溶胶荷电，使得气溶胶粒子之间碰并效果和收集效应显著增强，达到沉降的目的。由于带电粒子除霾并无选择性，可除去空气中各类污染物颗粒，且对颗粒粒径没有要求，因而能够有效地降雾除霾。同时，本发明也应用于提高降水量，相对于传统人工降雨方法，本发明对环境要求较宽，且对温度没有特殊要求，利用电荷和电场能够更高效地实现降雨，且在提高降水量的同时，能够显著的降低成本，此外，本发明由于只播撒电荷，因而并不会造成环境污染。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种进行天气作业的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.获得目标区域的当前气象数据；所述气象数据包括当前温度T0、当前湿度H0以及云层参数；
S2.根据当前气象数据、历史气象数据以及目标天气作业标准，获得沉降量Qs以及云含水量Q0；
S3.判断所述云含水量Q0是否大于等于沉降量Qs，是则进入步骤S4；否则所述天气作业结束；
S4.根据当前气象数据以及历史气象数据，获得天气作业的参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述云层参数包括云层类型、云底高度hy、云层厚度l以及云层面积S0；在所述步骤S2中，沉降量Qs＝(Hp－H0)·S·hy，云含水量Q0＝ρ·S0·l；Hp为目标绝对湿度，S为目标区域的面积，ρ为云含水率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下子步骤：
S41.根据当前气象数据以及历史气象数据，获得第一消耗量和第二消耗量；所述第一消耗量为天气作业的类型为飞行器模式时的消耗量，所述第二消耗量为天气作业的类型为空间电荷模式时的消耗量；
S42.根据第一消耗量和第二消耗量获得天气作业的参数；所述天气作业的参数包括天气作业的类型、负离子发生装置的数量n0、放电功率p0和作业时间t0。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述天气作业的参数还包括布置方式。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S41中，所述第一消耗量M1＝n1·δ1·t1，第二消耗量M2＝n2·δ2·t2；n1为第一布置数量，n2为第二布置数量，δ1和δ2为常数，t1为第一作业时间，t2为第二作业时间；
其中， 第二极限高度h2为常数；κy为空间电荷在水平方向的扩散系数，γ1、γ2、ψ1、ψ2、τ1、τ2、υ1、υ2、都为常数；
在所述步骤S42中，当M1≥M2时，天气作业的类型为飞行器模式，负离子发生装置的数量n0＝n1，放电功率作业时间t0＝t1；否则天气作业的类型为空间电荷模式，负离子发生装置的数量n0＝n2，放电功率作业时间t0＝t2。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气象数据还包括风速在所述步骤S42中，当M1＜M2时，所述天气作业的参数还包括负离子发生装置与目标区域的水平距离其中，n是变化指数，0＜n＜1，e为自然常数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天气作业为除霾作业，所述目标天气作业标准为能见度>5km，在所述步骤S1中的所述气象数据还包括能见度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天气作业为降雨作业，所述目标天气作业标准为降雪量>25mm/日；或者所述天气作业为降雪作业，所述目标天气作业标准为降雪量>2.5mm/日。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，还包括步骤S5.根据天气作业的参数进行天气作业。
10.一种利用权利要求1-8中任意一项天气作业的方法的天气作业系统，包括气象采集站、分析台、控制装置、多个负离子发生装置；所述气象采集站的输出端连接所述分析台的输入端，所述分析台的输出端连接控制装置的输入端；
所述气象采集站用于获取当前气象数据；所述分析台用于根据当前气象数据以及历史气象数据，获得天气作业的参数；所述控制装置用于根据天气作为的参数，向所述负离子发生装置发出控制信号；所述负离子发生装置用于根据所述控制信号进行天气作业。
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Granted publication date: 20201110 Termination date: 20210920 |
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