人工增雨對城市空氣污染治理的效果評估分析

摘 要：湖南省長沙市積極響應《空氣質量持續改善行動計劃》，創新運用人工增雨技術，為守護藍天貢獻力量。2022年上半年，長沙市精準實施人工增雨作業共計72次，通過發射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、改善生態環境起到了積極作用。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。結果表明：2022年上半年長沙市一次增雨效果明顯，催化作業后影響區雨量明顯大于對比區；催化有效持續時間最長約為8 h，作業后8 h內催化效果最為顯著；此次人工催化作業平均相對增雨率為24.5%，平均增加水量72萬m3；增雨作業后3～6 h空氣質量明顯好轉，空氣質量指數提升了1～2個等級；此次人工增雨作業效果顯著，不僅增加了地面降水量，還對提高空氣質量起到了明顯的促進作用。

關鍵詞：人工增雨；城市空氣污染；生態環境

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

環境污染，尤其是大氣污染，已成為當今社會亟待解決的重要議題之一[1]。隨著城鎮化進程的加速，城市空氣質量面臨嚴峻挑戰，呈現出逐漸惡化的趨勢。在當前我國經濟高質量發展的背景下，污染物排放量持續增加，排放范圍日益擴大，尤其是以細顆粒物（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注的焦點[2-4]。

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

鑒于國內在該領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據，結合該地區人工增雨作業的實際案例，深入分析降水與空氣污染指數之間的關聯性特征，進一步探討人工增雨作業對長沙城區空氣質量提高的實際效果與潛力。此舉旨在為相關政策的制定與實施提供科學依據，推動環境保護工作的深入發展。

1 資料及方法

1.1 技術背景

在評估人工增雨作業成效時，采用統計檢驗、物理檢驗及數值模擬檢驗。其中，統計檢驗憑借其強大的量化能力，直接衡量降水增量（即間接效益），并清晰界定顯著性水平，成為高效直觀的驗證手段。該方法根植于深厚的概率論與數理統計理論，通過科學的數據分析，不僅能準確反映增雨效果，還能提供統計學上的可信度評估。因此，在人工增雨效果驗證中，統計檢驗發揮著不可或缺的重要作用，為科學決策提供了堅實的數據支撐和理論依據。

聚焦于統計檢驗的核心——可量化評估的降水增量，依據《人工增雨作業效果檢驗技術指南（2016版）》的規范指導，采用區域對比分析法，深入剖析與綜合評判了特定增雨作業的效果。此方法不僅確保了評估的科學性與準確性，還提高了驗證過程的效率和可操作性?？紤]到長沙市人工增雨作業的獨特性，其云系類型以積層混合云降水為主導，且降水特征在結構上呈現出一定的相似性，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。通過細致分析該次降水過程，包括其降水結構特征、云系演變及增雨作業條件，旨在構建一個能夠反映上半年整體作業期間增雨效率的基準模型或參考框架。值得注意的是，在保持原有意圖與邏輯連貫性的同時，為規避潛在的重復性問題，適度調整與潤色了相關表述，確保內容的獨特性與新穎性。

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據資源，具體包括高精度的衛星觀測資料、實時更新的雷達探測數據、詳盡的探空記錄、國家地面氣象站每日精確測量的日值數據，以及地面氣象站提供的逐小時加密雨量資料，這些數據均源自氣象部門的權威測值，確保了分析基礎的準確性和可靠性。在此基礎上，本研究遵循《人工增雨作業效果檢驗技術指南（2016版）》的規范指導，精心選取了統計檢驗方法中的區域對比分析法作為核心評估手段。通過細致對比增雨作業實施區域與未作業區域的降水變化情況，力求全面、科學地評估人工增雨作業的實際效果，為優化水資源管理、有效應對旱情等提供有力支持。

2 云降水結構及作業條件分析

2.1 探空云垂直結構及增雨條件分析

在深入探究降水云系的特性時，云的垂直結構占據了舉足輕重的地位，它不僅揭示了云團內在的動力學與熱力學結構奧秘，還間接映射了云降水過程中的微物理細微變化。作為人工調控天氣活動的關鍵目標，對云的垂直結構及其動態變化規律的深刻理解，對精確把握作業時機、精準定位作業區域和科學指導人工影響天氣作業實踐具有不可替代的重要

意義。

針對云垂直結構的解析，探空數據分析成了一項核心技術手段，它依托于精密的探空觀測數據，尤其是溫濕度的精細測量，來間接推算云層的立體結構。本研究采用了相對濕度閾值法這一創新視角，該方法基于設定在不同溫度條件下的單一相對濕度臨界值，實現了對云層垂直結構的連續、動態監測，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，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據提供了堅實保障。這些實時測量的相對濕度值，經過精細的反演處理，不僅能夠得出露點或冰點溫度，還能準確地判斷云層的起始形成高度，極大地豐富了云層結構研究的維度與深度。

2.2 雷達回波結構和增雨條件分析

選擇合適的云系作業部位和作業時機，使用適宜的催化手段是人工增雨作業成功的前提條件。云降水結構是云水向雨水轉化的重要條件，在積層混合云系人工增雨作業條件判別時一定要考慮云的垂直結構特征。雷達能實時獲取高時空分辨率的云體三維結構信息，對準確了解云降水結構、獲取有利作業時機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分析此次降水云系的回波結構特征和人工增雨條件。

從 2022年3月5日20：00—6日00：00作業區附近的長沙雷達回波組合反射率及回波剖面演變來看，5日20：00，長沙市上空出現大面積積層混合降水云系，云團垂直發展較旺盛，雷達回波頂高超過7 km。3月5日20：00—6日00：00，積層混合降水云系較為穩定，并逐漸東移。長沙市降水強度逐漸減弱。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，回波梯度較大，說明冰水混合層內過冷水含量充沛，降水粒子迅速增長。在暖云區，部分回波隨著高度下降，回波強度有所升高，說明了降水粒子在暖區也有一定的增長，降水粒子在暖區有碰撞合并的云水或雨水的過程，暖云區有一定的云水。云系符合以冷云物理過程為主的“催化—供給”云結構條件，冷云物理過程在降水中起了重要作用，是適宜催化作業的云系。

3 作業概況

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點開展火箭人工增雨作業（圖2）。

圖2" 2022年3月5日長沙市人工增雨作業站點的分布

作業開始時間為3月5日20：15，作業結束時間為3月5日20：53。這期間共發射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信息匯總

作業點名稱 作業日期 開始時間 結束時間 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

此次降水過程持續時間約為10 h，火箭增雨作業后，作業區普遍降小到中雨。據催化區內209個地面氣象自動站2022年3月5日21：00至6日06：00 10 h歷時降水量統計分析得出：催化區內平均降水量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

統計檢驗關注的是可被檢測和定量分析的降水增量（間接效果），運用概率論與數理統計理論定量地檢驗出作業效果并指明其顯著性水平。根據《人工增雨作業效果檢驗技術指南（2016版）》，選取統計檢驗方法中的區域對比分析法對此次增雨效果進行綜合評估。

4.1 區域對比分析統計檢驗

選取區域對比分析統計檢驗方法對此次降水效果進行檢驗。區域對比分析的假設前提為作業期內自然降水量的空間分布在統計上是均勻的，以同期對比區實測降水量作為作業影響區自然降水量的估計值，然后與其實測降水量作比較，得出人工增雨效果。此次降水云系分布面積廣、降水區域大，屬于同一天氣系統影響下的降水。

4.2 消霾降塵效果評估

城市空氣質量受氣象影響大，雨雪能有效清除污染物。2022年3月5日20：15啟動增雨作業前，城區空氣質量多為三級。作業后24 h內監測顯示，空氣質量顯著提升，1～6 h內空氣質量提升效果尤為明顯，多數站點由三級轉為二級或一級，空氣質量指數（Air Quality Index，AQI）普遍提升1～2等級，證明增雨作業對提高空氣質量具有積極作用。

5 結論

根據區域對比分析統計結果可知：2022年上半年長沙市一次增雨效果明顯，催化作業后影響區雨量明顯大于對比區；催化有效持續時間最長約為8 h，作業后8 h內催化效果最為顯著；此次人工催化作業平均相對增雨率為24.5%，平均增加水量72萬m3；增雨作業后3～6 h空氣質量明顯好轉，AQI一般提升了1～2個等級；此次人工增雨作業效果顯著，不僅增加了地面降水量，還對提高空氣質量起到了明顯的促進作用。

參考文獻

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

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

收稿日期：2024-07-19

基金項目：湖南省氣象局創新發展項目（CXFZ2024-FZZX29）。

作者簡介：李衛東（1983—），男，湖南平江人，高級工程師，研究方向為人工影響天氣。