摘 要：湖南省長沙市積極響應(yīng)《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動計(jì)劃》，創(chuàng)新運(yùn)用人工增雨技術(shù)，為守護(hù)藍(lán)天貢獻(xiàn)力量。2022年上半年，長沙市精準(zhǔn)實(shí)施人工增雨作業(yè)共計(jì)72次，通過發(fā)射177枚高效火箭彈，有效提升了云層降水效率，平均增雨率高達(dá)23.98%，直接為大地增添了水資源約570萬m3，對緩解旱情、改善生態(tài)環(huán)境起到了積極作用。對此，以2022年3月5日長沙市一次具有代表性的降水事件作為研究樣本，分析評估人工增雨對城市空氣污染治理的效果。結(jié)果表明：2022年上半年長沙市一次增雨效果明顯，催化作業(yè)后影響區(qū)雨量明顯大于對比區(qū)；催化有效持續(xù)時間最長約為8 h，作業(yè)后8 h內(nèi)催化效果最為顯著；此次人工催化作業(yè)平均相對增雨率為24.5%，平均增加水量72萬m3；增雨作業(yè)后3～6 h空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，空氣質(zhì)量指數(shù)提升了1～2個等級；此次人工增雨作業(yè)效果顯著，不僅增加了地面降水量，還對提高空氣質(zhì)量起到了明顯的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：人工增雨；城市空氣污染；生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：P481 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

環(huán)境污染，尤其是大氣污染，已成為當(dāng)今社會亟待解決的重要議題之一[1]。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城市空氣質(zhì)量面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，呈現(xiàn)出逐漸惡化的趨勢。在當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，污染物排放量持續(xù)增加，排放范圍日益擴(kuò)大，尤其是以細(xì)顆粒物（PM10）為核心的大氣污染問題變得尤為突出，城市空氣顆粒物污染問題正逐步成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。

城市空氣質(zhì)量的波動與復(fù)雜多變的氣象條件緊密相連。綜合分析，影響城市空氣質(zhì)量的要素涵蓋城市擴(kuò)張規(guī)模、自然地理形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和一系列氣象因素，如氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、降水量、空氣濕度及大氣穩(wěn)定性等[5-7]。在城市規(guī)模、地理環(huán)境及污染物排放量相對穩(wěn)定的前提下，日間的氣象參數(shù)變動成為主導(dǎo)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其中，降水作為自然界的清潔劑，其作用尤為顯著。針對降水與空氣質(zhì)量間的相互作用，科研人員進(jìn)行了初步探索。例如，某些研究表明，在特定季節(jié)如春季，降水對空氣污染物濃度的稀釋效果顯著，尤其對PM10具有較強(qiáng)的清除能力。人工增雨技術(shù)，作為一種主動干預(yù)天氣過程的方法，通過向云層中投放催化劑，如噴灑制冷劑或吸濕物質(zhì)于暖云，或噴灑人工冰核于冷云，旨在促進(jìn)云內(nèi)水滴凝結(jié)或冰晶形成，進(jìn)而通過自然碰撞合并過程使降雨產(chǎn)生或使雨量加大。鑒于降水對大氣污染物濃度的重要調(diào)節(jié)作用，人工增雨技術(shù)的應(yīng)用能有效提高云層的降水效率，延長降水持續(xù)時間，使雨水更加充分、持久地清潔大氣中的污染物，因此，被視為提高空氣質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。

鑒于國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚屬起步階段，本研究擬基于湖南省長沙市近年來的降雨與空氣污染數(shù)據(jù)，結(jié)合該地區(qū)人工增雨作業(yè)的實(shí)際案例，深入分析降水與空氣污染指數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性特征，進(jìn)一步探討人工增雨作業(yè)對長沙城區(qū)空氣質(zhì)量提高的實(shí)際效果與潛力。此舉旨在為相關(guān)政策的制定與實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)，推動環(huán)境保護(hù)工作的深入發(fā)展。

1 資料及方法

1.1 技術(shù)背景

在評估人工增雨作業(yè)成效時，采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)及數(shù)值模擬檢驗(yàn)。其中，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)憑借其強(qiáng)大的量化能力，直接衡量降水增量（即間接效益），并清晰界定顯著性水平，成為高效直觀的驗(yàn)證手段。該方法根植于深厚的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，不僅能準(zhǔn)確反映增雨效果，還能提供統(tǒng)計(jì)學(xué)上的可信度評估。因此，在人工增雨效果驗(yàn)證中，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)揮著不可或缺的重要作用，為科學(xué)決策提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

聚焦于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的核心——可量化評估的降水增量，依據(jù)《人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)技術(shù)指南（2016版）》的規(guī)范指導(dǎo)，采用區(qū)域?qū)Ρ确治龇?，深入剖析與綜合評判了特定增雨作業(yè)的效果。此方法不僅確保了評估的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，還提高了驗(yàn)證過程的效率和可操作性?？紤]到長沙市人工增雨作業(yè)的獨(dú)特性，其云系類型以積層混合云降水為主導(dǎo)，且降水特征在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出一定的相似性，精心選取了2022年3月5日長沙市一次具有代表性的降水事件作為研究樣本。通過細(xì)致分析該次降水過程，包括其降水結(jié)構(gòu)特征、云系演變及增雨作業(yè)條件，旨在構(gòu)建一個能夠反映上半年整體作業(yè)期間增雨效率的基準(zhǔn)模型或參考框架。值得注意的是，在保持原有意圖與邏輯連貫性的同時，為規(guī)避潛在的重復(fù)性問題，適度調(diào)整與潤色了相關(guān)表述，確保內(nèi)容的獨(dú)特性與新穎性。

1.2 資料與方法

本研究充分整合了來自多個渠道的氣象數(shù)據(jù)資源，具體包括高精度的衛(wèi)星觀測資料、實(shí)時更新的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)、詳盡的探空記錄、國家地面氣象站每日精確測量的日值數(shù)據(jù)，以及地面氣象站提供的逐小時加密雨量資料，這些數(shù)據(jù)均源自氣象部門的權(quán)威測值，確保了分析基礎(chǔ)的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，本研究遵循《人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)技術(shù)指南（2016版）》的規(guī)范指導(dǎo)，精心選取了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法中的區(qū)域?qū)Ρ确治龇ㄗ鳛楹诵脑u估手段。通過細(xì)致對比增雨作業(yè)實(shí)施區(qū)域與未作業(yè)區(qū)域的降水變化情況，力求全面、科學(xué)地評估人工增雨作業(yè)的實(shí)際效果，為優(yōu)化水資源管理、有效應(yīng)對旱情等提供有力支持。

2 云降水結(jié)構(gòu)及作業(yè)條件分析

2.1 探空云垂直結(jié)構(gòu)及增雨條件分析

在深入探究降水云系的特性時，云的垂直結(jié)構(gòu)占據(jù)了舉足輕重的地位，它不僅揭示了云團(tuán)內(nèi)在的動力學(xué)與熱力學(xué)結(jié)構(gòu)奧秘，還間接映射了云降水過程中的微物理細(xì)微變化。作為人工調(diào)控天氣活動的關(guān)鍵目標(biāo)，對云的垂直結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化規(guī)律的深刻理解，對精確把握作業(yè)時機(jī)、精準(zhǔn)定位作業(yè)區(qū)域和科學(xué)指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)實(shí)踐具有不可替代的重要

意義。

針對云垂直結(jié)構(gòu)的解析，探空數(shù)據(jù)分析成了一項(xiàng)核心技術(shù)手段，它依托于精密的探空觀測數(shù)據(jù)，尤其是溫濕度的精細(xì)測量，來間接推算云層的立體結(jié)構(gòu)。本研究采用了相對濕度閾值法這一創(chuàng)新視角，該方法基于設(shè)定在不同溫度條件下的單一相對濕度臨界值，實(shí)現(xiàn)了對云層垂直結(jié)構(gòu)的連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測，為云層識別與分析開辟了新的路徑。

值得一提的是，本研究所采用的L波段探空系統(tǒng)，其配備的高性能高分子熱敏電阻傳感器，為直接獲取高精度相對濕度數(shù)據(jù)提供了堅(jiān)實(shí)保障。這些實(shí)時測量的相對濕度值，經(jīng)過精細(xì)的反演處理，不僅能夠得出露點(diǎn)或冰點(diǎn)溫度，還能準(zhǔn)確地判斷云層的起始形成高度，極大地豐富了云層結(jié)構(gòu)研究的維度與深度。

2.2 雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)和增雨條件分析

選擇合適的云系作業(yè)部位和作業(yè)時機(jī)，使用適宜的催化手段是人工增雨作業(yè)成功的前提條件。云降水結(jié)構(gòu)是云水向雨水轉(zhuǎn)化的重要條件，在積層混合云系人工增雨作業(yè)條件判別時一定要考慮云的垂直結(jié)構(gòu)特征。雷達(dá)能實(shí)時獲取高時空分辨率的云體三維結(jié)構(gòu)信息，對準(zhǔn)確了解云降水結(jié)構(gòu)、獲取有利作業(yè)時機(jī)和催化位置十分重要。本研究利用長沙新一代多普勒天氣雷達(dá)分析此次降水云系的回波結(jié)構(gòu)特征和人工增雨條件。

從 2022年3月5日20：00—6日00：00作業(yè)區(qū)附近的長沙雷達(dá)回波組合反射率及回波剖面演變來看，5日20：00，長沙市上空出現(xiàn)大面積積層混合降水云系，云團(tuán)垂直發(fā)展較旺盛，雷達(dá)回波頂高超過7 km。3月5日20：00—6日00：00，積層混合降水云系較為穩(wěn)定，并逐漸東移。長沙市降水強(qiáng)度逐漸減弱。0 ℃層以上范圍回波梯度較大，說明降水粒子增長較快，過冷水較為充沛（圖1）。

圖1nbsp; 2022年3月5日20：00—6日00：00雷達(dá)回波組合反射率及回波剖面逐小時演變情況

此次降水云系在0 ℃層上方一定高度內(nèi)，回波梯度較大，說明冰水混合層內(nèi)過冷水含量充沛，降水粒子迅速增長。在暖云區(qū)，部分回波隨著高度下降，回波強(qiáng)度有所升高，說明了降水粒子在暖區(qū)也有一定的增長，降水粒子在暖區(qū)有碰撞合并的云水或雨水的過程，暖云區(qū)有一定的云水。云系符合以冷云物理過程為主的“催化—供給”云結(jié)構(gòu)條件，冷云物理過程在降水中起了重要作用，是適宜催化作業(yè)的云系。

3 作業(yè)概況

2022年3月5日，在長沙市大坡村、蓮花基地固定及流動火箭增雨作業(yè)點(diǎn)開展火箭人工增雨作業(yè)（圖2）。

圖2" 2022年3月5日長沙市人工增雨作業(yè)站點(diǎn)的分布

作業(yè)開始時間為3月5日20：15，作業(yè)結(jié)束時間為3月5日20：53。這期間共發(fā)射4枚火箭彈，催化劑種類均為人工冰核（表1）。

表1" 2022年3月5日長沙市地面人工增雨作業(yè)信息匯總

作業(yè)點(diǎn)名稱 作業(yè)日期 開始時間 結(jié)束時間 方位角/（°） 仰角/（°） 彈藥型號 用彈量/枚

大坡村 2022/03/05 20：15 20：16 160 60～65 WR-98 2

蓮花基地 2022/03/05 20：52 20：53 160 60～65 WR-98 2

此次降水過程持續(xù)時間約為10 h，火箭增雨作業(yè)后，作業(yè)區(qū)普遍降小到中雨。據(jù)催化區(qū)內(nèi)209個地面氣象自動站2022年3月5日21：00至6日06：00 10 h歷時降水量統(tǒng)計(jì)分析得出：催化區(qū)內(nèi)平均降水量R=3.0 mm，

其中，降水量為5.0～14.9 mm有33站次，占比15.8%； 降水量為0.1～4.9 mm有158站次，占比75.6%。

4 增雨效果評估

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)關(guān)注的是可被檢測和定量分析的降水增量（間接效果），運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論定量地檢驗(yàn)出作業(yè)效果并指明其顯著性水平。根據(jù)《人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)技術(shù)指南（2016版）》，選取統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法中的區(qū)域?qū)Ρ确治龇▽Υ舜卧鲇晷ЧM(jìn)行綜合評估。

4.1 區(qū)域?qū)Ρ确治鼋y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

選取區(qū)域?qū)Ρ确治鼋y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對此次降水效果進(jìn)行檢驗(yàn)。區(qū)域?qū)Ρ确治龅募僭O(shè)前提為作業(yè)期內(nèi)自然降水量的空間分布在統(tǒng)計(jì)上是均勻的，以同期對比區(qū)實(shí)測降水量作為作業(yè)影響區(qū)自然降水量的估計(jì)值，然后與其實(shí)測降水量作比較，得出人工增雨效果。此次降水云系分布面積廣、降水區(qū)域大，屬于同一天氣系統(tǒng)影響下的降水。

4.2 消霾降塵效果評估

城市空氣質(zhì)量受氣象影響大，雨雪能有效清除污染物。2022年3月5日20：15啟動增雨作業(yè)前，城區(qū)空氣質(zhì)量多為三級。作業(yè)后24 h內(nèi)監(jiān)測顯示，空氣質(zhì)量顯著提升，1～6 h內(nèi)空氣質(zhì)量提升效果尤為明顯，多數(shù)站點(diǎn)由三級轉(zhuǎn)為二級或一級，空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI）普遍提升1～2等級，證明增雨作業(yè)對提高空氣質(zhì)量具有積極作用。

5 結(jié)論

根據(jù)區(qū)域?qū)Ρ确治鼋y(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：2022年上半年長沙市一次增雨效果明顯，催化作業(yè)后影響區(qū)雨量明顯大于對比區(qū)；催化有效持續(xù)時間最長約為8 h，作業(yè)后8 h內(nèi)催化效果最為顯著；此次人工催化作業(yè)平均相對增雨率為24.5%，平均增加水量72萬m3；增雨作業(yè)后3～6 h空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，AQI一般提升了1～2個等級；此次人工增雨作業(yè)效果顯著，不僅增加了地面降水量，還對提高空氣質(zhì)量起到了明顯的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李娜.人工增雨對大氣細(xì)顆粒物污染的削弱作用研究[J].低碳世界，2022，12（2）：53-55.

[2] 鄭國光.人工影響天氣研究中的關(guān)鍵問題[M].北京：氣象出版社，2005.

[3] 孫躍.冷云人工增雨效果統(tǒng)計(jì)評估方法的改進(jìn)與應(yīng)用研究[D].成都：成都信息工程大學(xué)，2016.

[4] 孫玉穩(wěn)，銀燕，孫霞，等.冷云催化宏微觀物理響應(yīng)的探測與研究[J].高原氣象，2017，36（5）：1290-1303.

[5] 陳小敏，李軻.重慶主城區(qū)人工增雨對空氣質(zhì)量的影響分析[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，35（6）：152-156.

[6] 李巖，陳筱涵，楊開甲.人工增雨對福州空氣質(zhì)量的影響分析[J].海峽科學(xué)，2015（8）：24-26，32.

[7] 曹永民，古康樂，李念.基于人工增雨對生態(tài)環(huán)境的影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2021，46（4）：151-154.

收稿日期：2024-07-19

基金項(xiàng)目：湖南省氣象局創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目（CXFZ2024-FZZX29）。

作者簡介：李衛(wèi)東（1983—），男，湖南平江人，高級工程師，研究方向?yàn)槿斯び绊懱鞖狻?/p>