飞机人工增雨对长沙市空气环境质量的影响分析

飞机 人工增雨对长沙市 空气环境 质量的影响分析

梁潇 黎跃勇 马晶昊 罗潇 孟露

（湖南省气象服务中心 410118 ）

摘要：本文利用2015年1月-2019年8月长沙主城区降水资料和空气污染资料,进行降水与空气污染指数的相关性研究,并对开展飞机人工增雨长沙主城区空气质量影响可行性进行了理论分析。从作业后效果可得出，实施人工增雨改善空气质量的作业方式主要以对大范围层状云比较有效是空中飞机作业方式。

关键词：飞机人工增雨；空气质量；增雨量；AQI

引言

近年来，为了改善长沙地区空气环境质量，先后开展了一系列大气污染控制措施，大部分主城区空气质量得到有效改善。但随着经济社会的快速发展和城区规模不断扩大，空气质量的改善程度离广大人民群众的要求还有较大差距，大气污染成为影响人居环境和城市形象、制约经济社会协调发展的一个重要因素。

1.背景分析

1.1污染现状

对2015年1月-2019年8月长沙主城区环境监测点进行统计分析，从长沙地区空气质量达标天数中可以看出，长沙主城区1月份空气污染最严重，空气质量达标天数最少，为12.0天，7月空气污染最少，空气质量达标天数最多，为28.6天，基本上整月都达标。总体而言，在9-2月空气质量达标天数较少，在25天以下，其中12月、1月和2月都在20天以下。在3-8月空气质量达标天数较多，基本都在25天以上。

1.2降水特点

针对长沙地区1971-2018年年降水和秋冬季（10月-2月）降雨量统计分析，可以看出，长沙地区年降雨量平均在1472mm左右，秋冬季降雨量平均在427mm左右，占全年降雨量的29 %。而10至12月是长沙地区降雨量最小的时候，且长沙地区以静、小风为主,平均风速约1.98m/s，使得秋冬季空气在垂直方向和水平方向的交换能力差，不利空气中污染物的扩散。

通过以上对长沙市污染现状和降水特点的分析，可以看出，秋冬季是长沙地区环境空气质量污染最严重的时段，此时段对应的降雨量也较少，通过开展飞机人工增雨作业，可以降低空气污染物指标,减轻大气污染程度。

2.科学技术基础

2.1 空气污染自净过程

自然条件下，空气污染物主要靠两类清除过程达到自净，清除过程是维持大气成分相对稳定的重要因子。通常大气的这种清除过程分为干清除过程和湿清除过程。简单地说，没有降水的条件下，通过重力沉降作用和湍流输送作用将本地上空大气污染物（包括气溶胶粒子和微量气体）直接送到地表或其它地方而使之减轻或消除空气污染的过程称为干清除过程，有时也称为干沉降过程。比如，在风速较大，大气稳定度较低时，污染物将较快地向外向高空输送和扩散，本地的污染物浓度就相应下降。

通过降落的水汽凝结体（雨滴、雪片、霰粒等）把大气微量成分带到地面使之减少或从大气中消失的过程称为湿清除过程，有时也称为湿沉降过程。湿清除是许多大气成分的有效快速清除过程，它能有效地清除所有尺度的可溶性粒子、极小的和极大的不可溶性粒子。

2.2 人工增雨原理及途径

人工增雨是在自然冰晶不足的冷云中播撒干冰、碘化银等催化剂， 产生大量人工冰晶，促进降水的发展。同时由于冰晶凝华潜热的释放，可以使云体温度提高，促进上升气流的发展，进一步加强成云降雨的过程。在自然暖云中播撒吸湿性颗粒可以增加一定数量的大云滴，加速水滴碰并长大成雨的过程。

云是由无数小水滴和小冰晶组成的，一般云滴平均尺度为20μm，而降至地面的雨滴尺度为200μm（毛毛雨）至600μm（雨滴变形尺度约在450μm，破碎尺度约为600μm）。分析自然降水形成机制，研究影响云滴增长的各种微物理过程，可以得出结论：对云滴长大为雨滴有重大影响的有两个主要过程，贝吉隆（三相）过程和重力碰并过程。

由于冰面饱和水汽压小于水面饱和水汽压，在-10℃时，80%的相对湿度对冰面为饱和。水滴组成的云内相对湿度接近冰面饱和（相对湿度接近100%），一旦负温区出现冰晶，冰晶处于过饱和环境中会出现水汽分子不断跑向冰晶，而水滴表面水汽分子又不断补充到云中，发生三相过程即贝吉隆过程，冰晶得以迅速长大。不断增长的冰晶下落经过暖区融化，及地即为雨滴。因而引晶催化成为催化冷云降雨的途径。

另一对云滴增长到雨滴有重大影响的是重力碰并过程。云中出现直径大于38μm的大滴时重力碰并过程显著，由于重力影响落速较快的大滴会碰并其下路路径上的小滴，迅速长大。因此在暖云中引入大滴是人工影响的另一途径，常用吸湿性核，如氯化钠粒子1min可在云中吸湿二直径增大2.5-3倍，形成大液滴。

因此人工增雨可能的途径主要包括：

（1）对云中水汽过饱和区域进行播撒冰晶（降水粒子胚胎），使得新增降水胚胎争食更多水汽，促进降水机制的产生，使更多的环境水资源向雨水转化，从而提高降水效率，达到增加降雨量的目的。

（2）通过飞机在云的顶部播撒吸湿性强的焰剂（吸湿性核），使云中由降水机制形成的小滴聚合在吸湿性核周围，在云中形成大滴，并利用重力作用，大滴碰并云中小滴，不断增长，充分利用云中云水资源，挺高降水效率，增加降水。

（3）通过播撒催化剂增强云中的上升运动，使云层到达一定高度凝结产生降水。其原理是在积云内的上升部位用飞机撒播适量的人工冰核，使积云中突然出现冰晶而放出相变潜热，增加云内温差，加大云的上升浮力，增加水分积累。从而让原来不产生降水的积云也降下水来。

在实际进行人工增雨作业时，一般是以上技术方法的综合应用，根据降雨系统，选择适当的增雨方式，以便取得更好的增雨效果。

2.3 人工增雨对空气质量影响

目前，对于人工增雨的效果，国内外科学家较一致的认可度为增加降水在15%～25%之间。

当按增雨率15%计算时，即当自然降水在5.2mm以上，理论上经过增雨后降雨量将都在6mm以上，这时可以认为空气质量完全达标，由于自然降水5.2mm以上空气质量不达标的有7天，经过增雨后达标。同理，当按增雨率25%计算时，经过增雨作业后增加达标天数12天。

当增雨后降雨量在6mm以下时，为了研究增雨对空气质量影响，我们将日降水量与空气污染影响考虑为指数关系，其它要素对空气污染影响考虑为线性关系，通过分析得出增雨对综合污染指数影响公式：

其中为第i+1天增雨后空气综合污染指数，Pi+1为第i+1天空气综合污染指数，Pi为第i天的空气综合污染指数，Ri+1为第i+1天的降雨量。将降水数据和空气质量数据代入上式计算，当进行增雨作业后，空气质量达标的天数增加了7-16天，其中，按15%增雨效率计算为7天，按25%增雨效率计算为16天。

由于第二天的空气质量受前一天空气质量影响较大，在有降水的日子里增雨后的第二天，其空气质量也将受到前一天增雨的影响，通过相关分析，当进行增雨作业后，第二天无降水时的空气综合污染指数与前一天增雨后综合污染指数的关系为：

将不同的增雨效率计算后的空气污染综合指数数据代入上式，在经过增雨后，第二天没有降水时空气不达标的天数都明显减少。

结语

长沙市秋冬季的降水主要源于层状云降水，这类云系范围较大，云内上升气流小，云层较为稳定，持续时间长，云内含水量较小，雨量分布均匀。研究表明：层状云降水机制主要是“蒸-凝过程”和“碰并过程”，即过冷云中无冰晶时，它是稳定的，一旦出现了冰水共存状态，就会出现蒸-凝过程，产生冰水转化。冰晶长大为降水粒子后，可以通过与过冷水滴碰冻结淞增长，降至暖区融化后，再经重力碰并进一步长大，最后形成较大的降水粒子。

针对这种云系特点，向云中播撒催化剂的作用就是制造冰晶，破坏云的微结构稳定。而且由于云中上升气流速度较小，云层范围较大，所以催化层高度应尽可能高些，催化范围尽可能大些，以使人工冰晶形成后能充分利用较厚云层的增长条件提高增雨效率。

参考文献

[1]陈小敏, 李轲. 重庆主城区人工增雨对空气质量的影响分析[J]. 西南师范大学学报:自然科学版, 2010, 35(6):152-156.

[2]李岩, 陈筱涵, 杨开甲. 人工增雨对福州空气质量的影响分析[J]. 海峡科学, 2015(08):24-26.

作者简介：梁潇（1984-）男，汉族，湖南省长沙人，本科学历，工程师，从事气象服务工作。