一種云水消減及增雨規(guī)模預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣象干涉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種云水消減及增雨規(guī)模預(yù)測方法，特 別適用于涉及減弱、轉(zhuǎn)移和增加降水的云水迀移技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是洪水災(zāi)害頻繁的國家。據(jù)史書記載，從公元前206年至公元1949年中華人 民共和國成立的2155年間，大水災(zāi)就發(fā)生了 1029次，幾乎每兩年就有一次。解放后全國性 的大水災(zāi)主要有兩次，1954年大水災(zāi)和1998年大水災(zāi)。1954年水災(zāi)全國受災(zāi)面積達(dá)2. 4 億畝，成災(zāi)面積1. 7億畝。長江洪水淹沒耕地4700余萬畝，死亡3. 3萬人，京廣鐵路行車受 阻100天。國家對自然災(zāi)害的救濟(jì)費為3. 2億元。1998年，一場世紀(jì)末的大洪災(zāi)幾乎席卷 了大半個中國，長江，嫩江，松花江等大江大河洪波洶涌，水位陡漲。800萬軍民與洪水進(jìn)行 了殊死搏斗。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)年全國共有29個省區(qū)遭受了不同程度的洪澇災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失 高達(dá)1666億元。成災(zāi)6000萬畝，因災(zāi)害造成糧食減產(chǎn)上百億公斤。
[0003] 與洪水災(zāi)害相對應(yīng)的是，我國又是一個旱災(zāi)頻發(fā)的國家，不僅歷史上有多次導(dǎo)致 顆粒絕收的大旱情發(fā)生，更有數(shù)不勝數(shù)的局部旱災(zāi)發(fā)生。例如在修建林縣紅旗渠的官方記 載上就有局部旱災(zāi)的真實記載，旱災(zāi)的發(fā)生甚至導(dǎo)致人吃人的災(zāi)難性現(xiàn)象發(fā)生。與旱災(zāi)對 應(yīng)的是，2012年7. 21北京特大暴雨、2015年6. 16上海"看海"等都是暴雨成災(zāi)。
[0004] 旱災(zāi)與洪澇災(zāi)害的產(chǎn)生，都是降水集中與不均衡造成的：一是降水空間差異大，南 澇北旱，二是降水時間分配差別大，7、8、9三個月降水占全年降水量的70 %，此期間常有高 強度暴雨或受北上臺風(fēng)影響而形成的長歷時連續(xù)降水，造成洪澇災(zāi)害。在秋冬季，由于氣溫 低，蒸發(fā)量小，秋季滯流耕地中的雨水及受凍結(jié)溫度梯度作用上升到地表的地下水凍結(jié)成 為固態(tài)，與冬季降雪一起，春暖融化滯存于耕地表層形成春澇，"一年秋雨，兩年成災(zāi)"。
[0005] 因此，人們迫切期望能掌握云水消減及增雨的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)天氣的調(diào)節(jié)，特別是 能實現(xiàn)以云水人工迀移、飽和水汽轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)的降水再分配技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明人經(jīng)過多次設(shè)計和研究，本申請?zhí)岢鲆环N云水消減及 增雨規(guī)模預(yù)測方法，特別適用于涉及減弱、轉(zhuǎn)移和增加降水的云水迀移技術(shù)。本技術(shù)利用云 水人工迀移方法，遵循室內(nèi)模擬、方法篩選、可行性分析、實施方案設(shè)計、先導(dǎo)試驗等技術(shù)研 究路線，解決了雨澇、洪澇、干旱分布不均等問題。
[0007] 依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種云水消減及增雨規(guī)模預(yù)測方法，其包括下述步 驟：
[0008] 第一步，預(yù)測云水消減規(guī)模。
[0009] 第二步，確定消雨區(qū)、增雨區(qū)位置。
[0010] 第三步，測算云水迀移作業(yè)規(guī)模及所需設(shè)備數(shù)量。
[0011] 第四步，設(shè)置浮空平臺。
[0012] 第五步，設(shè)置浮空大通徑管道。
[0013] 第六部，云水迀移作業(yè)實施。
[0014] 其中，所述云水消減及增雨規(guī)模預(yù)測方法利用云水消減及增雨規(guī)模預(yù)測技術(shù)，所 述云水消減及增雨規(guī)模預(yù)測技術(shù)主要基于云物理結(jié)構(gòu)和降水微物理認(rèn)識，通過氣象雷達(dá)回 波、飛機穿云檢測等方法探測降水云（積雨云、雨層云、層云等）云頂、云底高度、云體大小、 含水量大小及分布等，預(yù)測云水總規(guī)模和需要消減的規(guī)模、效果。
[0015] 進(jìn)一步地，由于水汽的露點溫度下降較空氣溫度下降緩慢，因此一定高度后，濕空 氣將達(dá)到飽和，熱力、動力耦合將使水汽飽和在l〇〇〇m左右的中低空即可出現(xiàn)，形成低云 (雨層云、層云、積雨云等）。這時云的水滴較小，在沉降中相互合并、凝結(jié)將產(chǎn)生降水。雨 澇、洪澇區(qū)上方云中的小水滴、小冰晶被抽汲、轉(zhuǎn)移，可以減少降水，達(dá)到消減降水作用。云 水人工迀移到所選合適的地方和高度后，在適當(dāng)時機以合理速度噴射干冰等催化劑人工增 加凝結(jié)核，產(chǎn)生降水，使云水不再返回原地，并發(fā)揮增雨效果。通過一體化浮空管道，定向迀 移云水，在雨澇區(qū)消減降水，同時增加水庫、湖泊或干旱地區(qū)的降水，此消彼長，聯(lián)合作用， 是人工云水迀移的基本原理。
[0016] 更進(jìn)一步地，利用雷達(dá)等工具較準(zhǔn)確探測云水分布，通過雷達(dá)回波可以測定含水 量，回波值越大，表示云的含水量或云粒越大；在冷鋒天氣系統(tǒng)，積雨云平面回波多數(shù)是排 列成帶狀，氣團(tuán)內(nèi)部積雨云回波分散為單體。
[0017] 優(yōu)選地，云水分布也可通過數(shù)值模擬定量預(yù)測，其中建立數(shù)值模型、描述云水和大 氣運動的數(shù)學(xué)方程主要有渦度方程、水汽控制方程和包含水汽的歐拉方程組：
[0018] 渦度方程
[0019]
[0021] n:相對渦度。渦度是用以描述流體旋轉(zhuǎn)情況的流體力學(xué)概念，向量。大氣中，渦 度是一個空氣微團(tuán)的旋度。為了方便辨識，設(shè)有正負(fù)渦度。在北半球中，逆時針為正渦度， 順時針相反，氣旋為正渦度。由于地球是旋轉(zhuǎn)的，所以一般情況下采用相對渦度（即不考慮 地轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦度）；
[0022]X，z:水平和垂直方向；g:重力加速度；P:空氣密度；y:空氣粘度；P:大氣壓 力；
[0023] T:大氣溫度；
[0024] 水汽控制方程：
[0025] n= (Pdh-Pdht)/yd
[0026] 其中yd表示單位氣柱中干空氣的質(zhì)量，pdh和pdht分別為干空氣中的氣壓及模式 頂氣壓。
[0027] 包含水汽的歐拉方程組為：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 干空氣靜力方程：
[0036]
[0037] 濕空氣狀態(tài)方程：p=p。(Rd 0m/p。ad)Y
[0038] 其中，a,為干空氣密度的倒數(shù)；RdS干空氣比氣體常數(shù)；p。為參考?xì)鈮?；等號右?各項FpF^F^Fe表示模式物理過程、遄流混合、球面投影和地球旋轉(zhuǎn)引起的強迫項；a為任 意常數(shù)；T=Cp/Cv= 1. 4 ;a為所有水成物密度的倒數(shù)：
[0039] a=ad(l+qv+qc+qr+qi+--〇 1
[0040] qx分別為水汽、水滴、雨水、云冰等的比含水量。
[0041] 優(yōu)選地，消減降水方法與作用：根據(jù)現(xiàn)代氣象學(xué)認(rèn)識，當(dāng)云中宏微觀物理結(jié)構(gòu)適宜 時，在動力和熱力的作用下，就產(chǎn)生了降水。云物理研究中，以半徑100ym為界區(qū)分云滴和 雨滴，以半徑150ym為界區(qū)分冰晶和雪晶。云中的小冰晶、云滴、小水滴是降水的物質(zhì)基 礎(chǔ)，轉(zhuǎn)移走這些云水，也就消除了降水。
[0042] 云水人工迀移作用的大小體現(xiàn)于迀移的云水?dāng)?shù)量。迀移的云水量可以通過下式計 算：
[0043] Nw= 3infwvwr2t
[0044] 式中，凡:輸水量，kg;
[0045] fw:云中含水量，g/m3;
[0046] vw:云水移動速度，m/s;
[0047] r:管道半徑，m;
[0048] n:管道數(shù)；
[0049] t:輸送時間，小時。
[0050] 在前面推薦采用的內(nèi)徑2m，云水移動速度17m/s、含水量較充足為5. 5g/m3條件 下，單支浮空管道每小時可迀移云水4228kg，折算水量1. 17m3/s，與我國南水北調(diào)水量和速 度相比較，南水北調(diào)東線從2013年11月15日開始第一次正式通水，至12月10日通水結(jié) 束，歷時25天，共調(diào)3400萬立方米的水，水流量15. 75m3/s，由此計算，16支浮空管道迀移 的云水就已經(jīng)相當(dāng)于東線水量，而費用不到千分之一，效率提高百倍，水質(zhì)上更是有質(zhì)的提 高。特別是對于消減降雨而言，一旦云水迀移使得云中云滴飽和度降低到臨界飽和度之后， 降水就將停止。未達(dá)到臨界飽和度時，由于云滴、凝聚核的減少，也降低了云滴下降中因碰 并等作用產(chǎn)生的雨水，根據(jù)云底高度不同，消減雨水量將是運移出云水量的10-30倍。
[0051] 此外，增雨原理與方法：通過浮空管道輸送云水到達(dá)增雨區(qū)上空后，隨著輸入水分 的大量增加，云滴將迅速增長，短時間內(nèi)會出現(xiàn)一定數(shù)量的大云滴。大云滴與增雨區(qū)上空的 小云滴經(jīng)過相互碰并、凝結(jié)核增長，變成較大水滴，當(dāng)云滴增長較大，數(shù)量又增多后，克服上 升氣流的影響落出云外就產(chǎn)生了降雨。
[0052] 其中，對云水人工輸送來的溫度在0°C以上、以小水滴為主的暖性云水，可以進(jìn)一 步噴射鹽粉，促進(jìn)云滴吸濕增長，促進(jìn)降水。在冬季近地面溫度在〇°C以下，空中溫度更低的 情況下，為了增加降水，在出口端選擇適當(dāng)時機和合理速度噴射干冰、液氮、碘化銀等，促使 云中冰晶數(shù)量增加，凝華云中過冷云滴，使其繼續(xù)長大，增加層狀冷云降水。干冰是固態(tài)二 氧化碳，白色、無味，比重1. 3-1. 6g/cm3,壓力一個大氣壓時的氣化溫度為-78. 9°C，每千克 干冰升華為氣體時吸收的熱量為573. 5kJ，以液態(tài)貯存在鋼瓶中，成粉狀干冰粒子施放。液 氮密度805kg/m3,沸點-195. 8°C，氣化潛熱99600kJ/kg，與干冰同為"綠色催化劑"，不會污 染環(huán)境，是首選催化劑。降水量與消減、輸送的云水量成正相關(guān)關(guān)系。內(nèi)徑2m的浮空管道， 單支浮空管道每小時迀移云水4228kg，加上空中碰并、凝結(jié)增長，可以形成降水42-100t。 百支云水管道每小時就將增加降水1萬噸，效果顯著。
[0053] 此外，根據(jù)云水迀移速度、迀移距離要求等，計算和準(zhǔn)備作業(yè)所需浮空管道、浮空 平臺等數(shù)量。一體化浮空管道：云水迀移，特別對于大中城市消減降水，一般每次在1〇〇萬 噸規(guī)模，折算到云水質(zhì)點，為3. 3-10萬噸，按照作業(yè)2晝夜時間計，需要并聯(lián)內(nèi)徑2m的浮空 管道164支-493支。浮空平臺：每支浮空管道及附件重量2260kg，工業(yè)抽風(fēng)機重量170kg， 合計2430kg，1-2艘浮空器即可負(fù)擔(dān)。優(yōu)選地，浮空平臺由浮空器升級改造而成，位于對流 層之內(nèi)平流層之下，距離地面1000-2500m，以系留索固定于地面固定式系留粧，部分固定于 可移動系留臺。單艘浮空平臺載荷大于l〇〇〇kg，根據(jù)云水迀移規(guī)模和輸送距離長短，多艘聯(lián) 合使用，浮空管道起始點在云中依抽吸半徑呈動態(tài)面積或立體分布。
[0054] 進(jìn)一