引言

我国用于人工影响天气的Ag I年消耗数吨, 但其活化优势主要在- 8 ℃以下, - 6 ℃以上不如致冷剂, 且对水质和土壤还存在着污染; 因此, 人们一直致力于寻找其替代品。

液氮(LN, 下同)是一种致冷剂, 是制氧过程的副产品, 其资源丰富, 制备、存储容易, 价廉, 对环境无污染, 是“绿色催化剂”。其沸点- 196.8 ℃, 汽化潜热9.96 ×10⁴ J·kg^-1, 膨胀系数600, 成冰率10¹² ~ 10¹³个/g^{[1, 2]}, 与干冰、液态CO₂相当, 在0 ℃以下均可使用^{[3, 4]}。储液器内循环造成的压差很方便使液体喷出, 使用时比干冰、液态CO₂安全方便, 被广泛用于人工增雨和消雾外场试验^[5], 是“十五”人工影响天气攻关项目中研究和推荐催化剂之一。

本文通过介绍播撒LN前后气团平流雾的演变, 分析讨论LN消冷雾的效果。

1 资料 1.1 仪器及观测

测站在机场气象楼顶平台, 距地约20m, 离作业线路1线4.5 ~ 5km。监测仪器有电动三用滴谱仪、显微镜、录像机、冷台等。取样片面积2.0cm², 暴露时间为0.06s, 采样显微录像。冰、雪晶样片置于空旷场地自然沉降, 面积18.7cm², 暴露时间约2min, 显微录像。

1.2 资料及说明

由于受录像仪的限制, 采集冰雪晶资料时, 停止采集滴谱。滴谱、冰雪晶资料皆为现场录像后期读出。表 1为LN消雾前滴谱资料, 样片12个, 显微镜视野面积为0.0044cm², 相应采样体积为0.635cm³。冰雪晶样片共21个, 采样时连续录像, 资料随机读数, 即30s读一次, 约5min (近10个视野) 1组(表 2)。单位视野面积与雾滴谱资料相同, 其相应采样体积与冰雪晶下落速度有关, 下落速度与形状、尺度、密度等有关。按C. I. Davis的经验公式:U=Ad^B, 得下落末速为2.96 ~ 59.3cm·s^-1, 平均为31.2cm·s^-1, 即采样体积为16.5cm³。

2 雾的微结构演变分析 2.1 播撒前的自然雾

消雾前(17日20时)层结:54m ~ 293m ~ 461m, 相应温度为- 3.5 ℃ ~ - 5.0 ℃~ +7.0 ℃。逆温层顶高464.6m, 逆温强度为5.8 ℃/hm; 雾厚平均254.6m, 最大超过350m。能见度50m (高速公路: 20 ~ 30m); 地面风向NNE; 风速3m·s^-1; 机场、高速公路关闭。

作业前, 测站温度- 4.5 ~ - 4.7 ℃, 无冰雪晶出现, 东北转东南风, 风力1 ~ 2m·s^-1, 能见度50 ~ 100m, 雾滴平均浓度1.7 ×10⁵/cm², 谱宽4 ~ 46μm, 数密度975 ~ 1515个/cm³, 平均1206个/cm³, 平均含水量0.691g·m^-3。滴谱观测期间, 浓度随时间变小, 滴变大, 峰值由5 ~ 7μm变为7 ~ 9μm, 无冰晶。表 1是5:50 ~ 7:13作业前的雾滴谱, 图 1是其平均谱。

2.2 播撒后雾的微物理结构演变

消雾试验精心设计, 拟定了作业时间、区域、路线、流程, 多种催化装置和运载工具、多仪器的宏微观特征观测。高、低空3道作业线:1线在上风方跑道东侧的顺义东环岛向南7.5km的路段, 采用35枚30号系留气球携载液氮, 球间距130 ~ 150m, 形成一条空中作业线, 高度30m, 距机场跑道4km, 与跑道平行。2线以10m³液氮播撒车(采用SD-5型超声波撒喷头, 喷高22m), 在机场东南构成。3线以2m³液氮播撒车, 从收费站至三元桥。

07:30开始作业, 播后现场立即出现冰晶, 35min (08:05)后下风方4 ~ 5km的测站出现冰雪晶(图略), 8:21见太阳, 8:50出现冰晶粘连成的小雪花(图略), 9:00出现大雪花。冰晶出现能见度开始增加, 随着雪花尤其是大雪花的出现、沉降, 能见度从100m增加到300m, 迅速得以改善(见图 3的V₁)。冰雪晶平均0.13 ~ 0.63个/cm³, 平面密度为1.3 ×10³个/cm², 以柱状为主(89 %), 其尺寸:40μm ×27μm ~ 586μm ×55 μm, 还有六角(6.9 %)、针状(3.8 %)、柱帽(0.3 %)及不规则等形状。粘连成雪花的主要是柱状, 此外还有针状; 粘连的冰晶大小接近、形状相同, 表明生长的温湿条件相同。依T.Kobay achi的实验结果, 推断其形成的环境温度为- 3.0 ~ - 10.0 ℃, 主要在- 5.0 ~ - 8.0 ℃^[6]。在此温度范围内空心柱的出现, 其水汽的冰面过饱和度在6 %~ 8 %, 针状的过饱和度更大, 达到10 %以上, 与庐山的试验结果一致^[7]。冰雪晶采样期间(08:08 ~ 09:13), 测站温度回升(见图 3), - 4.6 ~ - 3.1 ℃, 除太阳辐射外, 相变潜热释放是温升的另一因素。风向顺时针转, 由170°~ 190°, 以东南风为主, 风速1 ~ 2m·s^-1, 冰雪晶浓度随时间增大(如图 2), 伴有过冷滴。作业共播撒液氮9m³, 地面积雪0.5 ~ 1cm。

多次试验表明, 风场是影响催化剂(LN)扩散的主要因素。风速小于1m·s^-1, LN约扩散4km; 1 ~ 2m·s^-1时, 扩散4 ~ 8km; 3m·s^-1时, 扩散约10km。催化影响区与风向一致, 与风速成正比。如图 3的V2是静风时的LN消雾, 播后1h, 能见度由播前30m增加到700m, 最好时达1500m。作业仅几秒钟, 作业点出现冰晶, 见飘扬的冰晶烟羽, 能见度变坏; 5min后能见度好转, 20min后见雪花, 能见度迅速好转, 9:30见太阳。作业后约10km²的区域, 维持了87min, 然后阳光模糊, 11:40时能见度回落到200m, 降雪0.2mm。象首都机场这样特定空间欲不受雾的困扰, 必须四周设防, 风向转变时能适时调整, 应有多种催化剂和作业方法。

2.3 冰晶源的扩散

冰晶的点源扩散方程^[8]:

其中Q:点源单位时间的冰晶生成率, q:冰晶浓度, h:源高, N_c:雾滴浓度, ω:冰晶下落速度, x、y、z:三轴向风速, k:湍流系数, t:时间。

常压下30号系留气球装LN约900g (点源), LN喷出迅速蒸发膨胀, 膨胀系数600, 距喷口1cm处温度随时间递增, 从开始的- 132 ℃上升到- 40 ℃约56min, 汽化率从开始的31g·min^-1减少到6g·min^-1, 56min内可保持同质自发核化的低温区域^[9]。在上风方, 强低温凝华核化的冰晶源(线源, 高30m), 随风向下游扩散, 测站(高20m) 35min后见到冰晶, 与风的水平输送(3m·s^-1)距离相若, 45min后见到从天而降的小雪花。冰晶源(线源)在随气流水平扩散的同时, 随相变潜热附加的浮力缓慢向上运动长大并趋向夹卷扩展, 到达稳定层(逆温层)底时水平扩散, 大冰晶下落引起了下面增长, 导致加热和接续的空气上升, 携带的冰晶长到克服上升气流的尺度而下落, 并合沿途的液滴或粘连其它的冰晶继续长大, 落至地面。这个上升气流在过冷雾或云的广大地区有效地水平扩展的冰晶羽, 帮助剩余冰晶下落增长, 以反馈方式影响整个云雾体, 扩散到整个空间, 机场能见度得以改善。

2.4 播撒率

LN的用量:M_j =W&/nm_j。M_j为催化剂用量(g), W、& 为催化对象的含水量和体积, n为冰晶生成率(10¹² ~ 10¹³/g), m_j为冰晶质量(10^-5 g), 雾含水量0.7g·m^-3, 体积10×0.3km³时, 一次消雾LN的用量约10g·m^-3。

几年来, 首都机场、高速公路消冷雾的试验中, 播撒LN都会立即出现冰雪晶, 随后出现雪花, 能见度很快得到改善, 作业时间与消雾效果的维持时间约1:1 ~ 2, 即播撒1h, 能见度的改善可维持1 ~ 2h。

3 小结

(1) 标准大气压下LN的沸点为- 196.8 ℃, 喷出汽化, 造成局部水汽同质自发核化、气溶胶核化, 产生大量冰晶。且其资源丰富、价格低廉、使用安全方便、对环境无污染, 是“绿色催化剂”, 在0 ℃以下均可使用, 成冰率达10¹² ~ 10¹³ /g, 与干冰、液态CO₂相当, 只要条件适宜, 是催化剂的首选。

(2) LN是有效的冷雾、冷云催化剂, 播后的明显物理效果是冰晶效应, 产生雪花, 能见度很快得到改善。风场对冰雪晶扩散的影响较大, 播撒影响区与风向一致, 且与风速成正比。作业时间与效果持续时间为1:1 ~ 2。