泰山碘化銀煙爐增雨作業(yè)的影響分析

摘 要：為揭示泰安地區(qū)碘化銀地面燃燒煙爐增雨作業(yè)的作業(yè)條件和效果評(píng)估，選取2018—2019年泰山站地面煙爐人工增雨過(guò)程，利用泰安市地面觀測(cè)、雷達(dá)以及NCEP/NCAR提供的FNL資料，對(duì)地面煙爐人工增雨作業(yè)過(guò)程中的天氣形勢(shì)和雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行分析，采用高斯模式對(duì)AgI擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：在進(jìn)行人工增雨的過(guò)程中，當(dāng)燃燒煙爐時(shí)，700～850 hPa平均垂直上升速度為0.6 Pa/s，最低平均上升速度為0.3 Pa/s；在燃燒煙爐后，較高濃度AgI顆粒能夠垂直向上擴(kuò)散至2.9 km左右，有效將催化劑輸送至0 ℃層高度以上。此外，通過(guò)具體案例分析表明，燃燒煙爐后雷達(dá)回波和大反射率均顯著增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：地面煙爐；人工增雨；作業(yè)條件；泰山

中圖分類號(hào)：P481 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

我國(guó)目前人工增雨主要方式為通過(guò)飛機(jī)、高炮、火箭等方式將催化劑傳送至高空，以起到增加冰核的作用[1-3]。然而，這種作業(yè)方式前期準(zhǔn)備工作耗時(shí)較長(zhǎng)，會(huì)錯(cuò)失最佳時(shí)機(jī)。相比上述增雨方式，碘化銀地面煙爐進(jìn)行人工增雨具有適用性強(qiáng)、不受空域限制等優(yōu)勢(shì)[4]。

為了將催化劑送入云層的過(guò)冷部位，地面煙爐通常被放置在海拔較高的山坡或山脊上。利用迎風(fēng)坡和高海拔的優(yōu)勢(shì)，煙爐能夠借助上升氣流將催化劑抬升至核化高度[5]。近年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)地面煙爐人工增雨進(jìn)行了研究并取得一定的成果。秦長(zhǎng)學(xué)等[6-7]的研究表明，地面煙爐作業(yè)效果的關(guān)鍵選擇適當(dāng)?shù)纳仙龤饬鲿r(shí)段；同時(shí)，秦彥碩等[8-9]均通過(guò)高斯模型的模擬驗(yàn)證了河北、海南地區(qū)地面煙爐可以將催化劑帶入云中進(jìn)行催化。本研究評(píng)估了位于泰山氣象站的地面燃燒煙爐人工增雨的效果，探索了適合泰山站碘化銀煙爐增雨作業(yè)的天氣條件，驗(yàn)證了泰山站碘化銀煙爐增雨的可行性，旨在為政府推廣地面煙爐人工增雨作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來(lái)源

泰山站、泰安站及周邊區(qū)域站地面氣象觀測(cè)資料；MICAPS實(shí)況資料；NCEP/NCAR提供的1°×1°FNL"6 h再分析資料；泰山站雷達(dá)觀測(cè)資料；泰山站煙爐燃燒觀測(cè)資料。

2 作業(yè)點(diǎn)適合人工增雨的天氣條件分析

2.1 泰山周邊降水天氣系統(tǒng)和降水分布特征

天氣系統(tǒng)對(duì)降水分布和發(fā)展以及人工增雨作業(yè)起著至關(guān)重要的作用。影響泰安市的降水受多種天氣系統(tǒng)的影響，包括切變線、倒槽、江淮氣旋、黃淮氣旋、蒙古氣旋、黃河氣旋等[10]。其中，江淮氣旋和黃淮氣旋是南方的主要天氣系統(tǒng)，對(duì)泰安市的降雨影響最為顯著。他們?cè)诒鄙线^(guò)程中帶來(lái)西南暖濕氣流，受到地形阻擋作用，給泰安地區(qū)帶來(lái)充足的水汽，是泰安人工增雨作業(yè)的首選天氣系統(tǒng)[11]。泰安市2—4月和10月的降水量較少，容易發(fā)生干旱。因此，2—4月和10月是泰安地區(qū)人工增雨需求最為迫切的時(shí)期。

2.2 適合人工增雨上升速度閾值

為獲得泰山站燃燒煙爐人工增雨過(guò)程中上升速度閾值，根據(jù)王以琳、姚展予、林長(zhǎng)城[12]提出的人工增雨對(duì)比區(qū)域選取標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)2018年3次過(guò)程和2019年10次過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。具體做法是為每次增雨過(guò)程選擇對(duì)比區(qū)域，然后對(duì)增雨效果進(jìn)行驗(yàn)證。

研究表明，平均催化增雨為20%左右，因此認(rèn)為作業(yè)區(qū)比對(duì)比區(qū)降水量20%以上，即認(rèn)為此次增雨過(guò)程有效[13]。通過(guò)篩選2018—2019年13次燃燒煙爐人工增雨過(guò)程，分別選取對(duì)比區(qū)對(duì)每次過(guò)程降水量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：泰山站共有6次增雨過(guò)程作業(yè)區(qū)降水比對(duì)比區(qū)降水量高20%以上，即認(rèn)為這6次過(guò)程為有效增雨過(guò)程。因?yàn)樘┥秸緹煚t高度在1 500 m以上（850 hPa左右），所以選取700～850 hPa平均上升氣流速度進(jìn)行研究具有參考價(jià)值。對(duì)6次有效增雨過(guò)程降水增加量和700～850 hPa平均上升速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明2018—2019年間煙爐燃燒人工增雨降水平均增加量為42.4%，700～850 hPa平均垂直上升速度為0.6 Pa/s，最低平均上升速度為0.3 Pa/s。

3 泰山地面煙爐催化劑擴(kuò)散能力分析

Dennis等[14]在美國(guó)南達(dá)科他州進(jìn)行的一項(xiàng)隨機(jī)吸濕性催化試驗(yàn)顯示，引入適當(dāng)大小的凝結(jié)核到云底可以激活降水增長(zhǎng)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通過(guò)催化擴(kuò)散模型，可以確定地面煙爐燃燒產(chǎn)生的催化劑能否到達(dá)云底。可通過(guò)高斯公式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

q=exp{exp[-]+exp[-]}（1）

式（1）中Q為源的核生成率，σy和σz分別為y和z軸方向上催化劑質(zhì)點(diǎn)濃度分布的均方差，u為x軸上的分風(fēng)速，H0為源高，y為發(fā)射點(diǎn)與通過(guò)排氣筒的平均風(fēng)向軸線在水平面上的垂直距離，z為發(fā)射點(diǎn)與水平面的垂直高度。

根據(jù)泰山所處位置，其海拔為1 534 m，作業(yè)時(shí)煙氣有效高度為71.8 m，因此模擬時(shí)點(diǎn)源高度H0為

1 605.8 m；泰山站x軸上分風(fēng)速常年（1959—2019年）平均值為6.7 m/s。AgI在-10 ℃成核率Q為1.03×1 015個(gè)/g，本地區(qū)所用催化劑在云中最佳凝結(jié)核濃度q0為105個(gè)，圖中催化劑的分布用相似濃度q*表示如下：

q*=q/q0

單位：103個(gè)/m3

從垂直擴(kuò)散圖（圖1a）可以看出，有效的AgI濃度（103個(gè)/m3）向上擴(kuò)散范圍高達(dá)5 km，濃度為105個(gè)/m3的AgI可垂直擴(kuò)散到2.9 km，水平影響范圍達(dá)100 km。在垂直1 900～2 100 m、水平39 km范圍108個(gè)/m3催化劑高濃度分布區(qū)。從水平擴(kuò)散圖（圖1b）可以看出，x軸方向17 km，y軸方向19 km左右范圍為3×105個(gè)/m3高濃度區(qū)，而催化劑擴(kuò)散到地面的高濃度104個(gè)/m3可擴(kuò)散到45 km的范圍。泰山10月至翌年4月產(chǎn)生降水的大多為2 500～3 000 m蔽光高層云和雨層云，而0 ℃層高度平均為2 600～3 000 m，以上表明泰山站燃燒煙爐可以有效將催化劑以較高濃度傳輸至0 ℃層高度以上。

4 典型人工增雨作業(yè)個(gè)例分析

為深入研究煙爐增雨作業(yè)過(guò)程，選取2018年4月21日泰山站燃燒煙爐人工增雨過(guò)程進(jìn)行分析。此次人工增雨燃燒煙爐時(shí)間為21日22：13，共點(diǎn)燃3支，22：31燃燒結(jié)束。

4.1 高空形勢(shì)

4月21日20：00 500 hPa是西低東高的形勢(shì)，泰安市處于南支槽前，槽前西南氣流影響泰安地區(qū)。引導(dǎo)水汽輸送。850 hPa風(fēng)場(chǎng)可以看出，山東省西北部存在明顯切變線，泰安位于其邊緣位置，為降水提供了前期動(dòng)力輻合條件。從圖中比濕分布可以看出，山東省西南部存在明顯濕舌，由西向東移動(dòng)。21日20：00海平面氣壓場(chǎng)分布表明，山東地區(qū)存在倒槽，此時(shí)魯西北、魯西南地區(qū)已產(chǎn)生降水。綜合表明，20：00泰安市位于高空槽前，西南氣流為降水提供了充足水汽，850 hPa泰安北部存在切變線為降水提供了動(dòng)力條件，同時(shí)近地面存在倒槽和濕舌，均為燃燒煙爐人工增雨提供了有利的背景條件。

4.2 雷達(dá)回波參數(shù)對(duì)比

為驗(yàn)證此次燃燒煙爐人工增雨過(guò)程的效果，選取作業(yè)前和作業(yè)后2個(gè)時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)為保證對(duì)比的有效性，作業(yè)后的對(duì)比時(shí)間選取在0.5 h以內(nèi)，同時(shí)遵循對(duì)比區(qū)選取原則，選取對(duì)比區(qū)域。

圖2為作業(yè)區(qū)與對(duì)比區(qū)在增雨作業(yè)前后雷達(dá)回波反射率的變化。從圖2a可以看出，作業(yè)前作業(yè)區(qū)與對(duì)比區(qū)發(fā)展相似，兩者回波強(qiáng)度都在30 dBz左右，作業(yè)23 min后，22：36作業(yè)區(qū)域雷達(dá)回波已經(jīng)明顯增強(qiáng)（圖2b），強(qiáng)回波面積已占據(jù)作業(yè)區(qū)總面積1/2，且出現(xiàn)了較多gt;35 dBz的強(qiáng)回波單元；而對(duì)比區(qū)回波強(qiáng)度則與之前相差不大，最強(qiáng)回波仍為30 dBz，且整體呈減弱趨勢(shì)。這表明燃燒煙爐對(duì)降水的增強(qiáng)起到了一定的積極作用。

4.3 最大反射率

圖3為燃燒煙爐前后作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)最大反射率隨時(shí)間變化。從圖3可以看出，初始階段作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)最大反射率相差較小，22：12以前兩者最大反射率差異趨于減小。22：13燃燒煙爐開(kāi)始作業(yè)后，兩者差距開(kāi)始拉大，其中作業(yè)區(qū)由31 dBz逐漸增強(qiáng)，最大值出現(xiàn)在22：33左右，約為38 dBz，然后逐漸減弱；對(duì)比區(qū)在開(kāi)始作業(yè)后最大反射率即開(kāi)始下降，至22：23略有增加然后繼續(xù)下降。作業(yè)開(kāi)始后作業(yè)區(qū)最大反射率與對(duì)比區(qū)差值逐漸增大，兩者最大差值出現(xiàn)在22：31左右，約為14 dBz。以上分析表明：煙爐燃燒AgI催化劑被抬升至高層起到了一定的催化作用。

此次作業(yè)時(shí)間為22：33～23：31，因此選取作業(yè)后作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)1 h平均降水量進(jìn)行評(píng)估，22：32～23：32作業(yè)區(qū)的區(qū)域站降水平均值為9.6 mm，對(duì)比區(qū)的區(qū)域站平均降水量為6.1 mm，作業(yè)區(qū)比對(duì)比區(qū)降水量增加了36.5%，因此此次燃燒煙爐人工增雨過(guò)程是有效的，通過(guò)燃燒煙爐人工增雨相比于自然降水有明顯的增強(qiáng)。

5 結(jié)論

（1）燃燒煙爐人工增雨有效過(guò)程中，700～850 hPa平均垂直上升速度為0.6 Pa/s，最低平均上升速度為0.3 Pa/s。

（2）較高濃度AgI催化劑可垂直擴(kuò)散至2.9 km左右，泰山站燃燒煙爐可以有效將催化劑以較高濃度傳輸至0 ℃層高度以上。

（3）個(gè)例分析表明水汽條件、動(dòng)力抬升條件是燃燒煙爐人工增雨的關(guān)鍵。燃燒煙爐23 min以后雷達(dá)回波、最大反射率均明顯增強(qiáng)，作業(yè)后1 h平均降水量比對(duì)比區(qū)增加了36.5%。

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作者簡(jiǎn)介：欒兆鵬（1990—），男，山東泰安人，工程師，主要從事人工影響天氣研究。