书城自然科学学生气象知识丛书-人工影响天气
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第9章 人工消雾(2)

人工消过冷雾作业实施方法早在20世纪50年代中期就有了,但一直到60年代初还没有在机场付诸业务实施,现在美国、法国和前苏联都已实行了机场消过冷雾的业务。目前使用的方法只有飞机播撒干冰和地面丙烷系统两种。由于过冷雾多出现在-5℃以上,飞机播撒碘化银的作业方法还没有作为常规业务被采用。

播撒干冰飞行作业一般包括5—10条平行线,8—9.6公里长,0.8—2.4公里的间隔。在消雾机场上风方向约45—60分钟的飞行距离上,在雾的上面,以4.3千克/公里(15磅/英里)的播撒速率进行播撒飞行。在1968—1972年间,美空军气象局在阿拉斯加埃尔门多夫空军基地通过消雾作业协助了飞机736次起飞和686次降落。他们还在1970—1972年间在欧洲九个作业点保证了飞机256次起飞和172次降落。在前苏联大约有15个最大的机场实施着消过冷雾作业。根据他们的报告,1964-1967年间在莫斯科机场成功地进行消雾作业的次数达80%,使原来不可能的284次起飞和143次降落得以实现。以后时间里消雾的成功率甚至还更高些。

美空军气象局在华盛顿费尔柴尔德空军基地以及法国在奥来机场还使用地面液体丙烷系统消过冷雾。美空军气象局的系统包含21个喷头,4个在机场附近供静风情况下使用,其他则配置在盛行风的上风方不同距离上。每一个丙烷罐子的容量为10加仑/小时。从1969年安装以来,消雾作业保证了飞机97次起飞和49次降落。法国的系统从1964年起在奥来机场开始进行作业。这个地面设施包含60个喷头,每次作业花费20美元/小时。在1970—1971年冬季由于奥来机场丙烷系统消雾作业,使340次降落和284次起飞成为可能。

三、消暖雾

暖雾属于大气中最稳定的云系。和过冷雾相比较,在暖雾中没有可供人工消雾利用的相态不稳定性。消暖雾的方法带有“蛮力”性质。消雾所需能量必须由消雾方法来提供,因此,必须进行周密设计,才能使消暖雾的方法比较可靠、合算,而又没有副作用。

通过使水滴蒸发以改善暖雾中能见度的有效方法有三种:一种是使雾和上面的干、暖空气进行机械混合;一种是用吸湿性物质使空气干燥;一种是加热空气。

1.直升机下洗混合法

进行消雾作业时直升机在雾层上方的晴空中悬停或缓慢向前移动。直升机翼的下洗作用迫使较干燥的空气进入雾中。下沉中的尾流夹卷着雾并与之混合。如果雾层上方空气的相对湿度约为90%或以下,这时的混合空气就变成亚饱和,从而使雾滴蒸发。直升机尾流造成的雾消区的范围比直升机本身大得多,通常为后者的10—20倍。直升机下洗尾流的穿透深度是随直升机重量的增大而增大的。在其他条件相同的情况下,当雾层的热力结构比较不稳定时,下洗尾流的范围较深而窄;当雾层热力结构比较稳定时,下洗尾流的范围较浅而宽。因此,当雾层厚度大于下洗尾流的穿透距离时,雾不能用直升机有效地消除。

当直升机在雾的上方以24公里/小时的时速作前进运动时,它所产生的雾消区通常在作业后30—45秒钟内出现,并持续3—8分钟。

用直升机下洗混合法消雾的最大范围、最大规模的试验是美空军和陆军于1969年9月在西弗吉尼亚刘伊斯堡联合进行的。这些试验结果及以后的理论分析表明:(1)一架中型直升机在厚度小于90米的雾区进行消雾作业,在大多数情况下其下洗尾流所造成的雾消地带足可供直升机着陆。(2)当雾的厚度为60米,扩散速度小于30厘米/秒、相对跑道的横向风分量小于4公里/小时的时候,一架或多架直升机可以在机场上空造成持续的雾消区。

到目前为止,作战上用直升机消雾只在东南亚进行过。美军用直升机进行消雾作业使29名伤员得以撤离。同时,也是通过直升机消雾作业才得以补充两个前哨中队,并保证42架飞机的着陆。

2.播撒吸湿性粒子法

以干粒子或溶液滴的形式在雾中播撒吸湿性物质后,它们便吸收水汽使空气变干,导致雾滴蒸发。由于吸湿性粒子对水汽具有很大的亲合力,它们一面在重力作用下降落,一面因凝结而迅速增长。它们降落到雾层以外大约需要五分钟,在这期间,大多数吸湿性粒子都增长到原来体积的三倍大小。随着雾滴在水汽亏缺情况下不断蒸发,能见度便得到改善。首先在播撒高度出现雾消区,以后逐渐扩展到地面,在播撒后十分钟左右,地面能见度最好。雾消区在风场作用下平流经过目标区,最后又在湍流混合的作用下被雾重新填补。如果目标区还需要进一步消雾,便得再次进行播撒。产生有效雾消区所需吸湿性物质的播撒量,与该物质的粒度大小及其化学性质、雾中含水量以及周围的风场等有关。

用这种方法消雾的有效性主要决定于播撒物质的粒度大小。粒子越小,达到一定能见度所需吸湿性物质也就越少,但粒子在雾中滞留的时间也就越长。但若粒子太小了,它们又将悬浮在雾中使能见度反而变坏;另一方面,粒子太大了,它们在雾中降落得太快,水分来不及在粒子上充分凝结。最合适的粒度应该是粒子能长到足够大以便从雾中降落出来,并且用最少的吸湿性物质而能在适当的时间里产生所要求达到的能见度。一般说来,吸湿性粒子的直径以30微米最为有效。

尿素是最好的,也比较安全的吸湿性物质。但是,未经加工的尿素在运输过程中容易弄碎,产生大量亚微粒子,使能见度不但得不到改善反而使之降低。为了保持尿素粒子的粒度和稳定性,现在采用一种微包封工艺(Micro—encapsulation Technology),即用化学方法将每一个晶体包封在不易损坏的薄壳中,从而使尿素作为暖雾播撒剂的消雾效率有所提高。

加利福尼亚马克利兰空军基地用C-130飞机在540米距离上对厚度为30米的雾播撒了544千克的微包封尿素粒子。播撒后7分钟,在跑道的进入端上空出现了210米宽、450米长的雾消区。36分钟后,这个洞又因湍流混合而被重新填补起来。这个试验很好地说明了湍流这个气象因素对消雾效率的影响。另一个影响播撒效率的因素便是雾的含水量。因为能见度和雾中含水量成反比,即含水量高的雾,初始能见度很低,所以,要想把能见度提高到具有实用价值的程度所需的播撒量几乎是与液体含水量的平方成比例地增加的。

3.地面加热法

最古老而又最有效的消暖雾的方法之一就是燃烧碳氢化合物使地面加热。这就必须提供足够的热量使雾滴蒸发,并使气温升高到使空气能容纳下雾滴蒸发所产生的水汽。消雾所需的加热速率主要和风速有关。风速大时加热速率也要增大。但是,在轻风条件下,为了补偿由于浮力造成的垂直热损失,需要大的加热率。