[發明專利]一種人工增雨去除細顆粒預測模型

有效

• 申請號: 201910161676.1
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109918770B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發明（設計）人: 王洪強;馮琦;王敦球;廖雷
• 申請（專利權）人: 桂林理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 楊鳳娟

1.一種人工增雨去除細顆粒的預測模型的方法，其特征在于：它的建立步驟如下：

(1)、降雨清除多分散氣溶膠理論模型的建立：

(1.1)、模型公式的建立：

按照云下雨洗理論，降雨清除大氣氣溶膠的基本控制方程表示如下：

式中c(t)為t時刻的氣溶膠質量濃度，μg/m³；Λ代表降雨清除系數(s^-1)；

假定降雨清除系數Λ不隨時間發生變化，則公式1的解為：

c(t)＝c₀exp(-Λt)?(公式2)

式中c₀為降雨清洗開始時大氣中的氣溶膠質量濃度，μg/m³；t為以降水清洗開始時計算的清洗時間，s；

從方程公式2可以看出，要得到大氣中氣溶膠質量濃度隨降雨時間的變化規律，得到降雨清除系數Λ是一個關鍵問題；對于多分散氣溶膠的降雨清除系數Λ，通過如下公式求得：

式中D_p和d_p分別表示雨滴和顆粒物的直徑，μm；n(D_p)表示雨滴尺度譜的數量濃度分布函數，1/(m³·μm)；n(d_p)表示氣溶膠尺度譜的數濃度分布函數，1/(m³·μm)；V(D_p)表示雨滴的終端沉降速度，m/s；E(D_p,d_p)表示雨滴對顆粒物的捕集效率；公式3表明，通常影響降雨清除系數的因素包括雨滴對顆粒物的捕集效率、雨滴終端沉降速度、雨滴和氣溶膠粒徑譜分布函數；

(1.2)、雨滴對氣溶膠的捕集效率E(D_p,d_p)的求取：

式中各參數定義如下：

這里D_diff為粒子擴散系數；St為粒子Stokes數；τ為粒子特征時間；μ_a/μ_w為水-氣動力學粘度比；

公式4的第一項代表布朗擴散，第二項代表攔截，第三項代表慣性碰撞；第三項僅在St大于St^*才有效；

(1.3)、雨滴終端沉降速度V(Dp)的求取：

采用如下公式來預測雨滴終端沉降速度，即：

V(D_p)＝4854D_pexp(-1.95D_p)?(公式5)

(1.4)、雨滴數尺度譜分布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是降雨強度，mm/h；此處的n(D_p)的單位為1/(m³·mm)，D_p的單位為mm；

對不同性質、不同時間和不同地點的降水，雨滴譜會有所不同，然而，馬歇爾-帕爾默指數分布對中緯度大陸穩定性降雨一般可以得到接近實況的結果；因此，現采用該指數分布來給出雨滴譜分布，并且雨滴的直徑范圍取為0.2-5.8mm；

(1.5)、氣溶膠尺度譜分布n(d_p)的求取：

已有的研究都表明大氣氣溶膠尺度分布近似服從對數正態分布，并且氣溶膠尺度譜分布可以看做是三種對數正態分布的疊加，這種復合型對數正態形式的譜分布函數如下：

式中，N_i代表第i種分布的顆粒物總數量，R_i代表第i種分布的幾何平均半徑，σ_i代表第i種分布的幾何標準差，它們的取值確定了氣溶膠的譜形狀和氣溶膠粒子粒徑分布的范圍大小；

現采用公式7來表示氣溶膠的尺度譜分布，得城市氣溶膠質量濃度與粒徑譜分布函數的轉化關系，見下式：

式中，M_pm代表氣溶膠質量濃度，C_j為采用的粒徑間隔，C_pm與氣溶膠粒徑范圍有關，根據對研究地區的采樣觀測發現該研究地區的氣溶膠質量濃度約為1.7g/cm³，現采用此值作為氣溶膠的密度；另外，在研究模擬計算時，將氣溶膠以0.001μm為間隔進行劃分；

基于以上分析，現通過公式8將氣溶膠質量濃度轉化為數濃度粒徑譜分布、并通過式公式6、公式5、公式4和公式3分別得到雨滴尺度譜分布、雨滴終端沉降速度、雨滴對氣溶膠的捕集效率和降雨對多分散氣溶膠的清除系數，最終通過公式2獲得氣溶膠質量濃度隨降雨時間的變化規律；

為了解決公式3的二重積分計算，現采用矩形算法，同時，假定粒徑相同或相近的氣溶膠具有相同的特征和動力學行為，這些氣溶膠能在數值估算中用適當數量的虛擬氣溶膠所代表，即每顆虛擬氣溶膠具有一定數目的權值，以代表相應數目的實際氣溶膠，這樣，就建立起降雨對多分散氣溶膠的清除預測模型，以模擬氣溶膠質量濃度c(t)隨降雨強度及時間的變化規律；

(2)、降雨清除多分散氣溶膠模型修正與驗證

選擇驗證地區，并于驗證地區在2016年～2018年觀測期內，僅統計分析數據有效且連續降雨超過4小時的降雨事件，得：

Λ＝(ln(c₀)-ln(c(t))/t?(公式9)

式中的參數可參見公式2的說明；

根據公式9及2016年4月12日降雨對細顆粒的清除情況，可得降雨對細顆粒的清除系數為3.0×10^-5s^-1；并且看出，2016年4月12日12:00到17:00的這段降雨，其平均降雨強度為0.9mm/h；

根據建好的降雨清除多分散氣溶膠預測模型，估計2016年4月12日降雨對細顆粒的清除；模型中公式4的參數Ta取為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取為6.53×10⁸m；

將模型計算得到的清除系數帶入公式2，即可得出細顆粒在0.9mm/h降雨強度下隨時間的變化規律；

采用上述的方法，可求在2016年～2018年觀測期內，連續降雨超過4小時的實測降雨清除系數和模擬降雨清除系數；降雨清除系數模型計算值和實測計算值間呈線性關系，關系式如下：

Λ_s＝1.59×10^-5+0.61Λ_m,R²＝0.7(公式10)

因此，驗證地區降雨對細顆粒范圍粒子的清除系數模型計算值可以通過式公式10來進行修正。

2.根據權利要求1所述的一種人工增雨去除細顆粒的預測模型的方法，其特征在于：所述的步驟(2)中2016年4月12日12:00-17:00時段風速的平均值±標準差為1.2m/s。