泰山碘化銀煙爐增雨作業的影響分析

摘 要：為揭示泰安地區碘化銀地面燃燒煙爐增雨作業的作業條件和效果評估，選取2018—2019年泰山站地面煙爐人工增雨過程，利用泰安市地面觀測、雷達以及NCEP/NCAR提供的FNL資料，對地面煙爐人工增雨作業過程中的天氣形勢和雷達參數進行分析，采用高斯模式對AgI擴散過程進行數值模擬。結果表明：在進行人工增雨的過程中，當燃燒煙爐時，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，通過具體案例分析表明，燃燒煙爐后雷達回波和大反射率均顯著增強。

關鍵詞：地面煙爐；人工增雨；作業條件；泰山

中圖分類號：P481 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

我國目前人工增雨主要方式為通過飛機、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，這種作業方式前期準備工作耗時較長，會錯失最佳時機。相比上述增雨方式，碘化銀地面煙爐進行人工增雨具有適用性強、不受空域限制等優勢[4]。

為了將催化劑送入云層的過冷部位，地面煙爐通常被放置在海拔較高的山坡或山脊上。利用迎風坡和高海拔的優勢，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，部分學者對地面煙爐人工增雨進行了研究并取得一定的成果。秦長學等[6-7]的研究表明，地面煙爐作業效果的關鍵選擇適當的上升氣流時段；同時，秦彥碩等[8-9]均通過高斯模型的模擬驗證了河北、海南地區地面煙爐可以將催化劑帶入云中進行催化。本研究評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的天氣條件，驗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提供科學依據。

1 資料來源

泰山站、泰安站及周邊區域站地面氣象觀測資料；MICAPS實況資料；NCEP/NCAR提供的1°×1°FNL"6 h再分析資料；泰山站雷達觀測資料；泰山站煙爐燃燒觀測資料。

2 作業點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和降水分布特征

天氣系統對降水分布和發展以及人工增雨作業起著至關重要的作用。影響泰安市的降水受多種天氣系統的影響，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，對泰安市的降雨影響最為顯著。他們在北上過程中帶來西南暖濕氣流，受到地形阻擋作用，給泰安地區帶來充足的水汽，是泰安人工增雨作業的首選天氣系統[11]。泰安市2—4月和10月的降水量較少，容易發生干旱。因此，2—4月和10月是泰安地區人工增雨需求最為迫切的時期。

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程中上升速度閾值，根據王以琳、姚展予、林長城[12]提出的人工增雨對比區域選取標準，分別對2018年3次過程和2019年10次過程進行了驗證。具體做法是為每次增雨過程選擇對比區域，然后對增雨效果進行驗證。

研究表明，平均催化增雨為20%左右，因此認為作業區比對比區降水量20%以上，即認為此次增雨過程有效[13]。通過篩選2018—2019年13次燃燒煙爐人工增雨過程，分別選取對比區對每次過程降水量進行對比分析，結果表明：泰山站共有6次增雨過程作業區降水比對比區降水量高20%以上，即認為這6次過程為有效增雨過程。因為泰山站煙爐高度在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行研究具有參考價值。對6次有效增雨過程降水增加量和700～850 hPa平均上升速度進行了統計，結果表明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散能力分析

Dennis等[14]在美國南達科他州進行的一項隨機吸濕性催化試驗顯示，引入適當大小的凝結核到云底可以激活降水增長的鏈式反應。通過催化擴散模型，可以確定地面煙爐燃燒產生的催化劑能否到達云底。可通過高斯公式進行計算，其計算公式為：

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軸方向上催化劑質點濃度分布的均方差，u為x軸上的分風速，H0為源高，y為發射點與通過排氣筒的平均風向軸線在水平面上的垂直距離，z為發射點與水平面的垂直高度。

根據泰山所處位置，其海拔為1 534 m，作業時煙氣有效高度為71.8 m，因此模擬時點源高度H0為

1 605.8 m；泰山站x軸上分風速常年（1959—2019年）平均值為6.7 m/s。AgI在-10 ℃成核率Q為1.03×1 015個/g，本地區所用催化劑在云中最佳凝結核濃度q0為105個，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/m3

從垂直擴散圖（圖1a）可以看出，有效的AgI濃度（103個/m3）向上擴散范圍高達5 km，濃度為105個/m3的AgI可垂直擴散到2.9 km，水平影響范圍達100 km。在垂直1 900～2 100 m、水平39 km范圍108個/m3催化劑高濃度分布區。從水平擴散圖（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/m3高濃度區，而催化劑擴散到地面的高濃度104個/m3可擴散到45 km的范圍。泰山10月至翌年4月產生降水的大多為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 典型人工增雨作業個例分析

為深入研究煙爐增雨作業過程，選取2018年4月21日泰山站燃燒煙爐人工增雨過程進行分析。此次人工增雨燃燒煙爐時間為21日22：13，共點燃3支，22：31燃燒結束。

4.1 高空形勢

4月21日20：00 500 hPa是西低東高的形勢，泰安市處于南支槽前，槽前西南氣流影響泰安地區。引導水汽輸送。850 hPa風場可以看出，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。21日20：00海平面氣壓場分布表明，山東地區存在倒槽，此時魯西北、魯西南地區已產生降水。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力條件，同時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 雷達回波參數對比

為驗證此次燃燒煙爐人工增雨過程的效果，選取作業前和作業后2個時間段進行對比分析，同時為保證對比的有效性，作業后的對比時間選取在0.5 h以內，同時遵循對比區選取原則，選取對比區域。

圖2為作業區與對比區在增雨作業前后雷達回波反射率的變化。從圖2a可以看出，作業前作業區與對比區發展相似，兩者回波強度都在30 dBz左右，作業23 min后，22：36作業區域雷達回波已經明顯增強（圖2b），強回波面積已占據作業區總面積1/2，且出現了較多gt;35 dBz的強回波單元；而對比區回波強度則與之前相差不大，最強回波仍為30 dBz，且整體呈減弱趨勢。這表明燃燒煙爐對降水的增強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區和對比區最大反射率隨時間變化。從圖3可以看出，初始階段作業區和對比區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燃燒煙爐開始作業后，兩者差距開始拉大，其中作業區由31 dBz逐漸增強，最大值出現在22：33左右，約為38 dBz，然后逐漸減弱；對比區在開始作業后最大反射率即開始下降，至22：23略有增加然后繼續下降。作業開始后作業區最大反射率與對比區差值逐漸增大，兩者最大差值出現在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。

此次作業時間為22：33～23：31，因此選取作業后作業區和對比區1 h平均降水量進行評估，22：32～23：32作業區的區域站降水平均值為9.6 mm，對比區的區域站平均降水量為6.1 mm，作業區比對比區降水量增加了36.5%，因此此次燃燒煙爐人工增雨過程是有效的，通過燃燒煙爐人工增雨相比于自然降水有明顯的增強。

5 結論

（1）燃燒煙爐人工增雨有效過程中，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）個例分析表明水汽條件、動力抬升條件是燃燒煙爐人工增雨的關鍵。燃燒煙爐23 min以后雷達回波、最大反射率均明顯增強，作業后1 h平均降水量比對比區增加了36.5%。

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基金項目：山東省氣象局引導類項目（2023SDYD24、2022SDYD18）；山東省氣象局面上項目（2023sdqxm12）。

作者簡介：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。