[发明专利]一种人工增雨去除细颗粒预测模型

摘要

一种人工增雨去除细颗粒预测模型，本发明涉及城市大气质量研究技术领域；它的建立步骤如下：降雨清除多分散气溶胶理论模型的建立：模型公式的建立；雨滴对气溶胶的捕集效率E(Dp,dp)的求取；雨滴终端沉降速度V(Dp)的求取；雨滴数尺度谱分布n(Dp)的求取；气溶胶尺度谱分布n(dp)的求取；降雨清除多分散气溶胶模型修正与验证。利用已有的研究结果，在考虑多分散气溶胶分布的基础上，通过理论分析和对观测结果的讨论，来估计和评价降雨过程对颗粒物的清洗效果，以便为后续研究提供必要的理论根据。

主权项

1.一种人工增雨去除细颗粒预测模型，其特征在于：它的建立步骤如下：(1)、降雨清除多分散气溶胶理论模型的建立：(1.1)、模型公式的建立：按照云下雨洗理论，降雨清除大气气溶胶的基本控制方程表示如下：式中c(t)为t时刻的气溶胶质量浓度，μg/m³；Λ代表降雨清除系数(s^‑1)；假定降雨清除系数Λ不随时间发生变化，则(公式1)的解为：c(t)＝c₀exp(‑Λt)   (公式2)式中c₀为降雨清洗开始时大气中的气溶胶质量浓度，μg/m³；t为以降水清洗开始时计算的清洗时间，s；从方程(公式2)可以看出，要得到大气中气溶胶质量浓度随降雨时间的变化规律，得到降雨清除系数Λ是一个关键问题；对于多分散气溶胶的降雨清除系数Λ，通过如下公式求得：式中D_p和d_p分别表示雨滴和颗粒物的直径，μm；n(D_p)表示雨滴尺度谱的数量浓度分布函数，1/(m³·μm)；n(d_p)表示气溶胶尺度谱的数浓度分布函数，1/(m³·μm)；V(D_p)表示雨滴的终端沉降速度，m/s；E(D_p,d_p)表示雨滴对颗粒物的捕集效率；(公式3)表明，通常影响降雨清除系数的因素包括雨滴对颗粒物的捕集效率、雨滴终端沉降速度、雨滴和气溶胶粒径谱分布函数；(1.2)、雨滴对气溶胶的捕集效率E(D_p,d_p)的求取：式中各参数定义如下：这里D_diff为粒子扩散系数；St为粒子Stokes数；τ为粒子特征时间；μ_a/μ_w为水‑气动力学粘度比。(公式4)的第一项代表布朗扩散，第二项代表拦截，第三项代表惯性碰撞；第三项仅在St大于St^*才有效；(1.3)、雨滴终端沉降速度V(Dp)的求取：采用如下公式来预测雨滴终端沉降速度，即：V(D_p)＝4854D_pexp(‑1.95D_p)   (公式5)(1.4)、雨滴数尺度谱分布n(Dp)的求取：n(D_p)＝n₀exp(‑ψD_p)   (公式6)式中，n₀＝8×10³1/(m³·mm)，斜率因子ψ＝4.1I^‑0.21，其中，I是降雨强度，mm/h。此处的n(D_p)的单位为1/(m³·mm)，D_p的单位为mm；对不同性质、不同时间和不同地点的降水，雨滴谱会有所不同，然而，马歇尔‑帕尔默指数分布对中纬度大陆稳定性降雨一般可以得到接近实况的结果；因此，现采用该指数分布来给出雨滴谱分布，并且雨滴的直径范围取为0.2‑5.8mm；(1.5)、气溶胶尺度谱分布n(dp)的求取：已有的研究都表明大气气溶胶尺度分布近似服从对数正态分布，并且气溶胶尺度谱分布可以看做是三种对数正态分布的叠加，这种复合型对数正态形式的谱分布函数如下：式中，N_i代表第i种分布的颗粒物总数量，R_i代表第i种分布的几何平均半径，σ_i代表第i种分布的几何标准差，它们的取值确定了气溶胶的谱形状和气溶胶粒子粒径分布的范围大小；现采用式(公式7)来表示气溶胶的尺度谱分布，得城市气溶胶质量浓度与粒径谱分布函数的转化关系，见下式：式中，M_pm代表气溶胶质量浓度，C_j为采用的粒径间隔，C_pm与气溶胶粒径范围有关，根据对研究地区的采样观测发现该研究地区的气溶胶质量浓度约为1.7g/cm³，现采用此值作为气溶胶的密度；另外，在究模拟计算时，将气溶胶以0.001μm为间隔进行划分；基于以上分析，现通过式(公式8)将气溶胶质量浓度转化为数浓度粒径谱分布、并通过式(公式6)、(公式5)、(公式4)和(公式3)分别得到雨滴尺度谱分布、雨滴终端沉降速度、雨滴对气溶胶的捕集效率和降雨对多分散气溶胶的清除系数，最终通过(公式2)获得气溶胶质量浓度随降雨时间的变化规律；为了解决式(公式3)的二重积分计算，现采用矩形算法，同时，假定粒径相同或相近的气溶胶具有相同的特征和动力学行为，这些气溶胶能在数值估算中用适当数量的虚拟气溶胶所代表，即每颗虚拟气溶胶具有一定数目的权值，以代表相应数目的实际气溶胶，这样，就建立起降雨对多分散气溶胶的清除预测模型，以模拟气溶胶质量浓度c(t)随降雨强度及时间的变化规律；(2)、降雨清除多分散气溶胶模型修正与验证选择验证地区，并于验证地区在2016年～2018年观测期内，仅统计分析数据有效且连续降雨超过4小时的降雨事件，得：Λ＝(ln(c₀)‑ln(c(t))/t   (公式9)式中的参数可参见式(公式2)的说明；根据(公式9)及2016年4月12日降雨对细颗粒的清除情况，可得降雨对细颗粒的清除系数为3.0×10^‑5s^‑1；并且看出，2016年4月12日12:00到17:00的这段降雨，其平均降雨强度为0.9mm/h。根据建好的降雨清除多分散气溶胶预测模型，估计2016年4月12日降雨对细颗粒的清除；模型中(公式4)的参数Ta取为273.15K，μ_a取1.72×10^‑5pa·s，μ_w取1.792×10^‑3pa·s，ρ_a取1.29kg/m³，λ取为6.53×10⁸m；将模型计算得到的清除系数带入(公式2)，即可得出细颗粒在0.9mm/h降雨强度下随时间的变化规律；采用上述类似的方法，可求在2016年～2018年观测期内，连续降雨超过4小时的实测降雨清除系数和模拟降雨清除系数；降雨清除系数模型计算值和实测计算值间呈线性关系，关系式如下：Λ_s＝1.59×10^‑5+0.61Λ_m,R²＝0.7   (公式10)因此，验证地区降雨对细颗粒范围粒子的清除系数模型计算值可以通过式(公式10)来进行修正。