梁瑩露 許藝馨 何林宴 莫申萍

（1 貴港市氣象局 廣西貴港 537100 2 廣西物流職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西貴港 537100）

引言

降水能降低大氣污染中污染物濃度的機(jī)理機(jī)制，降水的強(qiáng)度越大，降水的凈化能力也會隨之增大，隨著降水時間的增加，大氣污染物濃度也不斷下降，降水凈化后的空氣可在一定時間內(nèi)維持，避免污染超標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生[1][2]。金麗娜[3]研究了不同量級的降水對PM10濃度的清除率。徐瓊芳等[4]分析了湖北省潛江市2015 ～2016 年空氣污染物濃度與氣象要素，結(jié)果表明5mm 以上降水才對PM2.5污染產(chǎn)生清除作用。因此，降水對大氣污染物的清除具有重大意義。而人工增雨可利用增加降水量的方式降低污染物，改善空氣質(zhì)量。人工增雨技術(shù)是指在云中播撒碘化銀等催化劑，作為凝結(jié)核使得水汽形成大雨滴或冰晶，動力條件達(dá)到時便形成降雨，對大氣污染物的濕沉降作用更加明顯，大氣凈化效果顯著[5]。

1 資料來源

環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)為2015 年1 月1 日至2019 年12 月31 日大氣污染物小時濃度、日均濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于貴港市環(huán)境監(jiān)測中心，主要包括SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10等 主要污染物濃度及AQI 的數(shù)據(jù)，其污染物濃度限值依照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)中的相關(guān)規(guī)定統(tǒng)計。

氣象數(shù)據(jù)為2015 年1 月1 日至2019 年12月31 日的雨量數(shù)據(jù)，來源于貴港市國家氣象觀測站，高空、地面、物理量場等再分析數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報中心( ECMWF) ，水平分辨率為 1°×1°(由于資料限制，地面相對濕度資料用1000hPa 相對濕度代替)。

人工增雨數(shù)據(jù)來源于貴港市人工影響辦公室，貴港市人工影響天氣常用的催化手段包括地面燃燒爐（煙爐）、火箭2 種方式，2015～2019年中一共人工增雨作業(yè)62 次(火箭增雨作業(yè)38次、煙爐增雨作業(yè)24 次)，有2d 既采取了火箭作業(yè)又采取了煙爐作業(yè)。

根據(jù)氣象業(yè)務(wù)規(guī)范，小時降水等級主要分為4 類，即小雨、中雨、大雨、暴雨以上。從社會安全角度考慮，日雨量≥50mm 都不適于增雨作業(yè)。但由于氣象業(yè)務(wù)規(guī)范上的等級劃分跨度太大，如小雨量級和中雨量級等，不能較好的反應(yīng)日降雨量對空氣污染物的清除能力。因此，本文將研宄范圍內(nèi)的日雨量進(jìn)一步細(xì)分成5 個等級，即0＜R＜1mm、1≤R＜5mm、5≤R＜10mm、10≤R＜25mm、25≤R＜50mm、R≥50mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 日雨量對污染物濃度的影響

圖1 為自然日不同量級（0＜R＜1mm、1≤R＜5mm、5≤R＜10mm、10≤R＜25mm、25≤R＜50mm、R≥50mm）的降雨量下污染物濃度的變化趨勢，從圖中可以看出降水對5 種污染物（SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10）均有一定的清除效果。PM2.5和PM10在5mm 以上降雨量時濃度呈現(xiàn)出稍有下降的趨勢，當(dāng)降雨量級達(dá)到25≤R＜50mm時，PM2.5和PM10濃度處在一級濃度限值之內(nèi)（PM2.5的一級濃度限值為35ug/m3，PM10的一級濃度限值為50ug/m3）；SO2、NO2由于易溶于水成為硫酸根離子和硝酸根離子，降水量在5mm 以上，SO2、NO2的濃度變化不明顯；O3隨著降水量級的增大，并未有明顯的減少，甚至在10≤R＜25還有輕微反彈。說明，自然日的不同降水量對SO2、NO2、O3的濕沉降效果并不明顯。

圖1 自然日不同降水量級下污染物濃度分布

圖2、圖3 為火箭、增雨日不同降水量級下污染物濃度分布，相比起自然日0＜R＜1mm 的污染物濃度，人工增雨日中0＜R＜1mm 雨日的污染物濃度明顯更高，說明作業(yè)日的空氣質(zhì)量一般都準(zhǔn)備超標(biāo)或已經(jīng)超標(biāo)，且作業(yè)增雨的效果并非很明顯，污染物濃度維持在較高水平。但人工增雨降雨量級處于1≤R＜5mm 時，污染物濃度就開始有明顯的下降過程，當(dāng)降雨量級處于5≤R＜10mm，污染物濃度下降幅度最大，人工增雨（火箭、煙爐）污染物濃度均小于自然降雨日同等量級的污染物濃度，其中煙爐增雨的污染物濃度又小于火箭增雨的污染物濃度。當(dāng)降雨量級處于10≤R＜25mm，污染物濃度反而反彈，這可能與降雨前背景濃度較大或樣本數(shù)量太少有關(guān)，不能準(zhǔn)確反映出真實情況。當(dāng)降雨量級處于25≤R＜50mm 時，人工增雨污染物濃度均小于自然降雨日同等量級的污染物濃度，煙爐增雨的污染物濃度小于火箭增雨的污染物濃度。

圖2 火箭增雨日不同降水量級下污染物濃度分布

圖3 煙爐增雨日不同降水量級下污染物濃度分布

2.2 自然降雨日和人工增雨日對污染物的清除率

為進(jìn)一步了解自然降雨日和人工增雨日的不同日降雨量等級對污染物的清除率，可利用前一日和當(dāng)日污染物濃度的差值，占前一日污染物濃度的百分比，來表示降水的濕清除能力的大小，正數(shù)表示正清除，負(fù)數(shù)表示加重污染，同時把降水強(qiáng)度分為更細(xì)的等級，計算不同量級的雨量對各污染物濃度的清除能力。

設(shè)某日空氣污染物濃度的日均值為CT，其前一日的日均值為CT-1，則

dC表示該日降雨的清除率，若dC＞0，表明空氣質(zhì)量有所改善，當(dāng)日空氣污染物濃度比前一日有所降低；若dC＜0，則表示空氣質(zhì)量惡化，當(dāng)日空氣污染物濃度比前一日有所增加。貴港市的每日降雨資料（日降雨時段、日降雨量），可直觀反映出日降水對空氣污染物的清除能力。

分 別 用dSO2、dNO2、dO3、dPM2.5、dPM10表示5 種污染物的變化率。分別計算2015～2019年自然降雨日不同等級的日雨量對5 種空氣污染物濃度的清除能力（即通過計算dC的平均值來反映降水對污染物的平均清除效率）。當(dāng)日雨量處于25≤R＜50mm 時，對5 種空氣污染物的清除率為7.1%～23.1%，對所有污染物的清除能力達(dá)到最佳，其中對PM10的清除能力最大為23.1%，dAQI 排第2 位為18.6%。日雨量在10≤R＜25mm 時，清除能力次之，清除率分別為4.7%～15.8%，但AQI 的正變化率排最大為25.7%。日雨量在5≤R＜10mm 時，對污染物的正清除能力稍差，清除率為5%～9%。降雨量在5～50mm 時，降水對5 種空氣污染物都有明顯的清除作用，但清除能力明顯不同，平均清除率按大小排序為PM10＞PM2.5＞O3＞SO2＞NO2，PM10的平均清除率為15.4%，PM2.5的清除率為14.5%。對于貴港主城區(qū)而言，PM10、PM2.5濃度的變化直接影響到空氣污染指數(shù)的變化，因此降水對PM10、PM2.5的清除作用具有重大意義。

5mm 以下降水時，雖然AQI 的平均變化率為正值，但5 種空氣污染物濃度平均變化率均為負(fù)值，表明空氣質(zhì)量呈變差的態(tài)勢，說明5mm以下的降水不但不能清除空氣污染物，相反還有增加污染物濃度的趨勢，尤其是日雨量處于0＜R＜1mm，污染物濃度變化率為-3.3%至-14.8%時，由于水溶性離子吸濕增長，液滴分子凝結(jié)在水溶性離子表面非均相成核，成核之后的分子簇經(jīng)過初始增長和冷凝增長，吸附污染物質(zhì)造成污染物濃度超標(biāo)。

2015～2019 年，開展人工增雨作業(yè)R＜5mm的雨日為31d，5≤R＜10mm的雨日為7d，10≤R＜25 的雨日為14d，25≤R＜50mm 為的雨日6d，R＞50mm 的雨日為2d。分別計算火箭增雨和煙爐增雨作業(yè)日不同等級的日降雨量對空氣污染物濃度和AQI 的清除能力。在火箭作業(yè)增雨日中，不同日雨量等級的清除率均為正值，對5 種空氣污染物的平均清除率為15.8%～28.9%，比自然降雨日的清除效率增加了3.8%～13.5%，AQI 的正變化率為22.4%，比自然降雨日增加3.8%。其中，日雨量25≤R＜50mm 對PM2.5的清除效率最大達(dá)到45.1%。清除能力與自然降水日稍有不同，平均清除率按大小排序為PM10＞PM2.5＞SO2＞O3＞NO2。在煙爐作業(yè)增雨日中，不同日雨量等級的清除率均出現(xiàn)了負(fù)值，對5 種空氣污染物的平均清除率為-9.4%～22.7%，僅對O3的清除效率表現(xiàn)比自然降水日和火箭作業(yè)日更優(yōu)，對其余污染物清除率表現(xiàn)較差。這歸結(jié)于可能樣本較少，代表性不夠好，不能反應(yīng)真實效果。

2.3 利用人工增雨對空氣質(zhì)量進(jìn)行改善的天氣系統(tǒng)

一般來說，通過人工增雨改善空氣質(zhì)量，本身就是考慮到空氣質(zhì)量準(zhǔn)備超標(biāo)或已經(jīng)超標(biāo)，且天氣形勢不利于污染物稀釋沉降，自然降水的量級可能很小的情況下才開展的人工輔助手段[6]。因此，在這種情況下，就必須綜合考慮人工增雨作業(yè)的氣象條件，并對可采取人工增雨的天氣系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

貴港空氣質(zhì)量超標(biāo)時影響地面的主要天氣系統(tǒng)分為冷高壓脊底部型、冷高壓控制、冷高壓后部、西南暖低壓控制型、熱帶氣旋外圍型、均壓場型6 種類型。如表1 所示，冷高壓脊底部造成的污染天數(shù)最多，持續(xù)時間最長。在冷高壓控制下的空氣質(zhì)量最差(AQI 為163)，PM2.5、PM10、SO2的日平均濃度皆排在各類型之首。受西南暖低壓影響下的空氣質(zhì)量狀況次嚴(yán)重(AQI 為135)，PM2.5、PM10、SO2的平均濃度排在第2 位。

表1 2015～2019 年污染日各天氣類型氣象要素平均值

2.3.1 可采取人工增雨的污染天氣類型

2.3.1.1 冷高壓脊底部型

該污染天氣類型是在地面冷空氣南下到貴港時，貴港近地層空氣氣溫較低，形成上暖下冷較穩(wěn)定的逆溫層。冷空氣冷暖交匯處容易形成降水，當(dāng)冷空氣過境后，天氣轉(zhuǎn)好，天空晴朗無云，清晨由于輻射降溫，濕度較大的空氣容易降溫凝結(jié)成霧滴或水滴，污染物特別是硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等水溶性無機(jī)離子吸濕增長，發(fā)生再次轉(zhuǎn)化形成二次污染物，二次污染物往往毒性更大，黏附在細(xì)顆粒物上導(dǎo)致粒徑增大，并且可能轉(zhuǎn)變?yōu)榇诸w粒物，從而近地面顆粒物濃度污染超標(biāo)。

從圖4 可知，地面鋒區(qū)南壓到廣西中部，500hPa 有高空槽配合(圖4a)，低層冷暖空氣交匯(圖4b )，暖濕氣流被抬升，此時天空的云系主要為層狀云，由于層狀云較穩(wěn)定，因此發(fā)展變化較慢，云含水量很低(圖4c )，集中在云層底部。此時，水汽條件允許，由于冷空氣從北面入境，作業(yè)地點(diǎn)適宜在影響區(qū)域的上風(fēng)方進(jìn)行，受鋒面系統(tǒng)影響提供的動力條件，人工增雨條件有利，當(dāng)出現(xiàn)增雨潛力云時，增雨作業(yè)方式適合采取火箭作業(yè)。

圖4 冷高壓脊底部天氣學(xué)模型

2.3.1.2 冷高壓后部型

該污染天氣類型是冷空氣主力從 110°E 附近中路向南移動，通過東路移到海面，再從湘桂鐵路沿線通道進(jìn)入廣西，又稱為“東灌”，東路冷空氣對降水形勢相對有機(jī)會，又稱“回流天氣”。從圖5 可知，中高層環(huán)流為強(qiáng)勁的偏西起來控制（圖5a），近地層850hPa 及以下受偏南暖濕氣流控制（圖5b），對流層500～850 hPa 依然為冷氣團(tuán)占據(jù)并有下沉運(yùn)動，近地面暖濕氣團(tuán)向上運(yùn)動的通道被阻斷，有利于底層水汽的積累和濕度增大，且污染物垂直擴(kuò)散和稀釋的能力減弱，近地層相對濕度增加到60%以上（圖5c ），利于水溶性顆粒物吸濕增長，造成細(xì)顆粒物濃度超標(biāo)，出現(xiàn)霾天氣。

圖5 冷高壓后部型天氣學(xué)模型

低層850hpa 以下受氣旋后部影響(圖5d))，有東南暖濕氣流輸送，利于水汽的積累和增大，并伴隨弱的輻合上升運(yùn)動，當(dāng)云物理條件符合時，亦可嘗試人工影響天氣作業(yè)增雨；當(dāng)秋冬的云層比較低，云底高度如果小于2km 時可考慮采取煙爐作業(yè)，如果云層較厚，云高處于2～4km，也可考慮火箭作業(yè)。

2.3.1.3 西南暖低壓型

該污染天氣類型，500～700 hPa 貴港受南支波動的偏西氣流影響（圖6a），850 hPa 強(qiáng)存在西南暖濕氣流(圖6b )，強(qiáng)盛的為低層空氣補(bǔ)充源源不斷的水汽（圖6c）。地面上四川盆地北面生成西南暖低壓，并逐漸發(fā)展東移，地面氣壓呈現(xiàn)東高西低的形勢。西南暖低壓中心降到1010～1012.5 hPa（圖6c），高空槽的偏東的引導(dǎo)氣流促使低壓中心東移到廣西西部或中部，此時貴港處于西南暖低壓的東側(cè)。從圖6d 得知，西南暖低壓導(dǎo)致印度洋的暖濕氣流不斷吹向陸地，地面偏南風(fēng)加大，貴港地面逐漸轉(zhuǎn)為東風(fēng)或南風(fēng)，氣溫明顯升高，濕度顯著增大，溫度露點(diǎn)差減小到3 ℃以下，即常說的“回南天”。(“回南天”是污染物發(fā)生的溫床，促使顆粒物發(fā)生更為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，濃度增大。)

圖6 西南暖低壓型天氣學(xué)模型

在850hpa等壓面上30°N以南， 105°～115°E范圍內(nèi)（圖6b），常有風(fēng)速大于12m/s 的低空急流，(印度洋的西南暖濕氣流)，甚至高濕區(qū)出現(xiàn)90%以上的相對濕度，如果500hpa 西風(fēng)槽東移，廣西剛好處在槽前，引導(dǎo)氣流提供良好的上升垂直速度。偏南氣流主要產(chǎn)生層云和層積云，云底高度在1km 左右，適宜煙爐增雨。

2.3.2 不宜采取人工增雨的污染天氣類型

不適宜人工增雨改善空氣質(zhì)量作業(yè)的污染天氣類型為冷高壓控制型、熱帶氣旋型、均壓場型3 種。其中，冷高壓控制型污染天氣，高空為北方的干冷氣團(tuán)控制，濕度較低，天氣晴朗無云，不適宜人工增雨作業(yè)；熱帶氣旋型污染天氣，容易出現(xiàn)臭氧污染，通常臺風(fēng)主體離廣西陸地較遠(yuǎn)，離廣西境內(nèi)1000km 以上，其外圍云系未進(jìn)入廣西上空，高溫低濕，晴空少云，西太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)控制下，一般是588agpm 等高線所包圍的區(qū)域，氣流下沉，不具備水汽和大氣動力條件，不具備人工增雨條件；均壓場型污染天氣，沒有明顯的天氣系統(tǒng)影響，即便濕度大于70%，大氣處于高度靜穩(wěn)的狀態(tài)，基本沒有熱力對流活動，同樣不適宜人工增雨作業(yè)。

3 討論與建議

利用人工增雨方法改善空氣質(zhì)量，往往是因為空氣質(zhì)量準(zhǔn)備超標(biāo)或已超標(biāo)，不得已而采取的非常規(guī)手段。前面研究表明，自然日降水中，PM2.5和PM10在5mm 以上降雨量時濃度呈現(xiàn)出稍有下降的趨勢，而SO2、NO2、O3的濃度變化不明顯，甚至在10≤R＜25mm 時O3濃度還有輕微反彈。而人工增雨日中0＜R＜1mm 雨日的污染物濃度明顯比自然日更高，但人工增雨降雨量級處于1≤R＜5mm、5≤R＜10mm、25≤R＜50mm時，污染物濃度都有明顯的下降過程，考慮為通過人工增雨，使得小時雨強(qiáng)有所增加，沖刷沉降能力增大的原因。在同樣的日雨量，人工增雨的污染物濃度比自然降雨日的污染物濃度要明顯偏低，其中煙爐增雨的污染物濃度又小于火箭增雨的污染物濃度。

當(dāng)人工增雨作業(yè)把日雨量5≤R＜50mm 以上時，火箭作業(yè)對首要污染物PM2.5、PM10、O3的平均清除率分別為35%、34%、13%，AQI 值也會隨之平均下降27%；煙爐作業(yè)對首要污染物O3的平均清除率為31%，AQI 值也會隨之平均下降26.7%。按污染日平均AQI 為133 計算，可以認(rèn)為人工增雨后5≤R＜50mm 的降水對改善空氣質(zhì)量，日雨量越大，越有希望將AQI 值降到100 以下，增加空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)完全可行。當(dāng)人工增雨作業(yè)效果不佳，日雨量在5mm 以下時，就存在降水對空氣污染的不確定影響。

人工增雨技術(shù)可干預(yù)和改善大氣污染程度，但當(dāng)?shù)氐牡乩肀尘昂吞鞖鈼l件嚴(yán)重制約了人工增雨作業(yè)，能進(jìn)行人工增雨改善空氣質(zhì)量的污染天氣類型為冷高壓脊底部、冷高壓后部型、西南暖低壓型，不適宜人工增雨改善空氣質(zhì)量作業(yè)的污染天氣類型為冷高壓控制型、熱帶氣旋型、均壓場型。因此，如能在適宜開展人工影響天氣作業(yè)增雨的污染天氣類型中抓住適當(dāng)?shù)奶鞖鈺r機(jī)開展作業(yè)，便能達(dá)到改善空氣質(zhì)量、降低污染天數(shù)的效果。

結(jié)語

人工增雨技術(shù)可增大降雨量級，除了緩解干旱，還可提高大氣的濕沉降作用，以達(dá)到凈化大氣、清除污染的目的。廣西有關(guān)人工降雨對大氣污染的相關(guān)研究較少，通過對貴港2015～2019年人工增雨作業(yè)進(jìn)行分析和研究，分析貴港市人工增雨改善空氣質(zhì)量的可行性，評估人工增雨改善大氣污染物濃度的效果，提出日雨量為5≤R＜50mm 的降水對改善空氣質(zhì)量較明顯的建議，得出火箭增雨去除污染物效果優(yōu)于煙爐增雨的結(jié)論，并研究出人工增雨改善空氣質(zhì)量的污染天氣類型為冷高壓脊底部、冷高壓后部型、西南暖低壓型等天氣學(xué)模型，供政府和有關(guān)部門參考，以期有效減輕空氣污染，改善空氣環(huán)境質(zhì)量，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，相關(guān)經(jīng)驗方法可推廣使用。