人工增雨對(duì)大氣顆粒污染物濃度的消減作用分析

張向軍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

一、實(shí)驗(yàn)研究

（一）采樣方法

隨機(jī)收集不同環(huán)境下的大氣顆粒污染物與人工增雨后雨水樣品,采樣區(qū)域?yàn)殡S機(jī)挑選的某森林,挑選晴朗無風(fēng)或是微風(fēng)的天氣進(jìn)行短時(shí)間采樣,大氣顆粒污染物采樣點(diǎn)共存在十個(gè),擬定森林已經(jīng)被分為了四個(gè)區(qū)域,同時(shí)四個(gè)區(qū)域的面積大小都存在較小差異,因此按樹林、松林、柏林與平原各兩個(gè)點(diǎn),馬路上的空曠區(qū)域內(nèi)存在的兩個(gè)點(diǎn),依靠采樣器對(duì)大氣顆粒污染物進(jìn)行采樣,憑借濃度儀對(duì)空曠區(qū)域與四種劃分林進(jìn)行測(cè)定同時(shí)記錄讀數(shù),空曠區(qū)域的大氣顆粒污染物濃度也通過顆粒污染物濃度儀測(cè)定,經(jīng)過分析測(cè)定植物葉片內(nèi)大氣顆粒污染物含量,來評(píng)測(cè)人工增雨對(duì)大氣顆粒污染物濃度的消減程度。

（二）測(cè)定方法

大氣中顆粒污染物的測(cè)定算法使用傳統(tǒng)鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法。顆粒污染物濃度能夠通過儀器直接測(cè)定獲得,而水滴上吸附的顆粒污染物,能夠通過較為傳統(tǒng)的測(cè)定算法進(jìn)行處理,即:人工增雨過后,取適當(dāng)雨水,在燒杯內(nèi)進(jìn)行蒸餾,逐漸蒸發(fā)水源,使附著在水滴上的顆粒污染物脫落。

（三）大氣顆粒污染物濃度的日變化

降水的重要性在于云內(nèi)的吸附過程和降水沖刷，分析降雨量、降水時(shí)數(shù)和降水強(qiáng)度對(duì)大氣污染物濃度的影響發(fā)現(xiàn)，降水強(qiáng)度最重要，降水強(qiáng)度大，清洗系數(shù)就大，大氣污染物濃度隨降水強(qiáng)度增大而迅速減少。人工增雨能夠有效增加降水強(qiáng)度及雨滴沉降時(shí)間，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量影響效果最好。挑選一個(gè)存在高濕、高溫的天氣,當(dāng)日收集樣本的時(shí)間段是從早至夜晚,期間平均的溫度是29.5℃,風(fēng)速較小,約為1m/s,在這種較為平穩(wěn)的天氣環(huán)境下,大氣顆粒污染物的排放不會(huì)容易擴(kuò)散,顆粒污染物會(huì)嚴(yán)重干擾能見度。挑選高溫高濕天氣、增雨天氣與晴朗天氣內(nèi)存在的代表性1h 數(shù)據(jù),顆粒污染物濃度呈現(xiàn)三峰值分布,其粒徑是100nm 的顆粒污染物濃度最高,為了能夠方便表示顆粒污染物的濃度分布特征,使用對(duì)數(shù)正態(tài)參數(shù)化式對(duì)數(shù)譜分布進(jìn)行參數(shù)化處理,就是通過幾種模態(tài)完成處理。每種模態(tài)顆粒污染物的中值粒徑、模態(tài)相應(yīng)的顆粒污染物總濃度與集合指標(biāo)偏差來模擬顆粒污染物的分布,通過儀器檢測(cè)出的大氣顆粒污染物質(zhì)量分布,在高濕、高溫的天氣情況下顆粒污染物的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)雙模態(tài)分布,在1.0μm～1.8μm 粒徑段就會(huì)展現(xiàn)較高的峰值,第二種峰值呈現(xiàn)在3.2μm～5.6μm 粒徑段,大氣顆粒污染物內(nèi)每種粒徑區(qū)域的質(zhì)量濃度分別是170.68μm/m3與249.35μg/m3,這就證明,這種天氣情況下大氣顆粒污染物,特別是粒徑較細(xì)的顆粒污染物,其污染效果會(huì)比其他顆粒要更為嚴(yán)重,并且顆粒污染物內(nèi)還存在硝酸鹽與硫酸鹽,這兩種顆粒也存在較高的質(zhì)量濃度,其主要寄存在粒徑較細(xì)的污染物內(nèi),是主要的二次污染源,顆粒污染物的濃度分別是54.5μg/m3與32.6μg/m3,其內(nèi)存在的兩種鹽質(zhì)量濃度分布都呈現(xiàn)單峰分布,其峰值都呈現(xiàn)在32.6μg/m3粒徑段,在高濕、高溫的天氣情況下,很有可能會(huì)出現(xiàn)成云過程,并且,因?yàn)橹饕鼭裥缘牧Ｗ佣嘉挥谳^細(xì)的污染物顆粒內(nèi),高溫悶熱的夜晚會(huì)使?jié)穸壬仙?細(xì)粒子的質(zhì)量濃度分布會(huì)變寬。但是降雨也導(dǎo)致了近地面濕度增加，在較高的相對(duì)濕度和靜風(fēng)的氣象條件下形成了霧霾天氣；另一方面，這種天氣條件下細(xì)顆粒污染物不易擴(kuò)散稀釋，顆粒物不斷累積，形成霾污染。在高濕、高溫的天氣情況下,太陽的輻射較為強(qiáng)烈,并且光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物不容易擴(kuò)散,細(xì)小的顆粒污染物質(zhì)量與濃度都要超過正常天氣。高濕、高溫天氣與高濃度的顆粒污染物會(huì)對(duì)人體與自然環(huán)境造成影響。

（四）人工增雨對(duì)顆粒污染物濃度的消減作用分析

增雨過程里顆粒污染物濃度變化。該實(shí)驗(yàn)挑選九場(chǎng)人工增雨,對(duì)降雨前中后流程內(nèi)大氣顆粒污染物濃度的變化進(jìn)行分析,其中后幾場(chǎng)降雨值呈現(xiàn)兩種連續(xù)的變化,大氣顆粒污染物的濃度隨降雨變化而變化，因?yàn)橛晁奈脚c沖刷作用,除了個(gè)別情況以外,大氣顆粒污染物濃度值會(huì)隨著降雨,整體上會(huì)出現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。在增雨完成之后,顆粒污染物的濃度會(huì)逐漸回復(fù)到之前的狀態(tài),大氣顆粒污染物的質(zhì)量濃度也存在相似的變化規(guī)律,在降雨過程內(nèi)兩者的關(guān)聯(lián)性較好,關(guān)聯(lián)系數(shù)是0.98,這就證明大氣顆粒污染物會(huì)受到人工降雨的影響,濃度降低。在大氣污染物中，水溶性有機(jī)物約占PM2.5 有機(jī)物總量的20%～80%。并且，相對(duì)濕度高的空氣導(dǎo)致顆粒物表面對(duì)氣態(tài)污染物更容易吸附，使得污染氣體易于吸收或吸附在顆粒表面。低空急流的氣流多來自熱帶海洋上空，是動(dòng)量、熱量和水汽的集中帶，是輸送大氣能量和水汽的通道，容易產(chǎn)生暴雨等天氣。低空急流占總個(gè)例的l%。降水的重要性在于云內(nèi)的吸附過程和降水沖刷,分析降雨量、降水時(shí)數(shù)和降水強(qiáng)度對(duì)大氣污染物濃度的影響,發(fā)現(xiàn)降水強(qiáng)度最重要,污染物濃度隨降水強(qiáng)度增大而迅速減少.重慶冬半年24h 降雨量較大時(shí),相應(yīng)的降水時(shí)數(shù)也較長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的每小時(shí)的降水強(qiáng)度也較小,此時(shí)人工增雨能夠比較有效增加降水強(qiáng)度,對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量影響效果最好。降雨流程內(nèi)顆粒污染物緩沖能力大氣顆粒污染物內(nèi)存在酸解能力,這種存在酸解的顆粒污染物如果出現(xiàn)大量聚合的情況,就會(huì)與云產(chǎn)生關(guān)聯(lián),這就可能導(dǎo)致在降雨的過程中普通雨水會(huì)轉(zhuǎn)化為酸雨,因此文章擬定在增雨前中后的過程中,降雨對(duì)顆粒污染物的酸緩沖能力,將顆粒污染物的酸緩沖性能擬定為值,其變化的狀況酸緩沖能力變化大氣顆粒污染物酸緩沖能力值會(huì)隨著降雨時(shí)間推移,出現(xiàn)顯著的下滑趨勢(shì),在停止降雨后,又會(huì)恢復(fù)平穩(wěn)。由于空氣質(zhì)量的連續(xù)性,在有降水的日子里增雨后的第2 天,其空氣質(zhì)量也將受到增雨的影響,如果第2 天有降水,則其空氣質(zhì)量受當(dāng)日降水影響更大,如果第2 天沒有降水,則增雨效果也會(huì)對(duì)第2 天仍有影響。這時(shí)因?yàn)榇髿忸w粒污染物內(nèi)的堿性成分被雨水沖刷,使酸緩沖的能力上升,同時(shí)在降雨之后土壤等較粗的顆粒污染物又會(huì)重新融入環(huán)境空氣內(nèi),使顆粒污染物的酸緩沖能力值得到增加。人工增雨前后無機(jī)離子變化擬定人工增雨前后大氣顆粒污染物中,可溶性組分的大氣濃度對(duì)比,如人工增雨后大氣顆粒污染物中的可溶性組分的濃度要比人工增雨前的濃度,出現(xiàn)明顯的下滑,這是因?yàn)樵诮涤甑倪^程中,雨水會(huì)通過吸附效果,捕捉大量的可溶性組分。這就說明人工增雨后大氣顆粒污染物的濃度聚合效果會(huì)降至最低。

二、人工增雨改善空氣質(zhì)量防治

（一）人工增雨條件

根據(jù)人工增雨機(jī)制以及實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出人工增雨條件：1.云降水處于發(fā)展或持續(xù)階段，云中有比較深厚的上升氣流，云下蒸發(fā)較弱，云厚較大，過冷云層較厚，云底較低。2.云中有過冷水，在較厚的層次里有較大的冰面過飽和水汽值，同時(shí)冰晶濃度較低則更有利。

（二）人工增雨改善空氣質(zhì)量潛力日的確定

一般來說，有利于開展人工增雨的天氣形勢(shì)，都可以進(jìn)行人工增雨改善空氣質(zhì)量作業(yè)。但考慮到自然24h 降雨量大于6mm 時(shí)，空氣質(zhì)量會(huì)有明顯凈化作用，空氣質(zhì)量就會(huì)達(dá)標(biāo)，因此，人工增雨改善空氣質(zhì)量作業(yè)最好選擇24h 自然降雨量小于6mm的天氣系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。春季和夏季對(duì)西南低渦、切變線、低空急流等系統(tǒng)實(shí)施人工增雨作業(yè)時(shí)，對(duì)冷暖空氣勢(shì)力強(qiáng)、云系穩(wěn)定少動(dòng)、輻合特征明顯且降水強(qiáng)度大的過程要慎重開展，以免引發(fā)暴雨事件的發(fā)生；而秋冬兩季則因暴雨機(jī)會(huì)小，西南低渦、切變線、低空急流等系統(tǒng)可作為人工增雨作業(yè)的有利天氣進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)施。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)降水天氣系統(tǒng)變化，特別是降水天氣系統(tǒng)移動(dòng)方向是人工增雨的基礎(chǔ)，在測(cè)雨雷達(dá)的監(jiān)視下，對(duì)天氣系統(tǒng)實(shí)施增雨作業(yè)是人工增雨的保障。降雨雖然能依靠其濕沉降作用使減少，但在風(fēng)速較小、濕度較大的時(shí)候，降雨對(duì)濃度的影響并不顯著。一般在風(fēng)速較大的時(shí)候，有利于污染物稀釋擴(kuò)散，如果在這種條件下再有降雨，即使降水過后水汽蒸發(fā)導(dǎo)致近地面濕度增加，較大的風(fēng)速和降雨的共同作用可以對(duì)當(dāng)日濃度降低起很大的促進(jìn)作用。如果應(yīng)用人工增雨方法達(dá)到減少某地區(qū)的目的，需要根據(jù)作業(yè)區(qū)的條件制定方案。夏季在風(fēng)速小、溫濕度大的天氣條件下，用人工增雨的作用僅僅能在降水區(qū)域短時(shí)間內(nèi)降低濃度，而隨著時(shí)間推移，當(dāng)日的平均濃度不僅不一定會(huì)降低，反而有可能因?yàn)榇罅康孛嫠畾獾恼舭l(fā)，氣溶膠難以擴(kuò)散可能導(dǎo)致數(shù)值升高。如果在風(fēng)速較大的時(shí)候開展人工降雨，特別有助于降低當(dāng)日的濃度，所以，如果在氣溫、風(fēng)速條件好的情況下進(jìn)行人工降雨或增雨作業(yè)，在風(fēng)力促進(jìn)擴(kuò)散污染物的同時(shí)，污染物也因降雨得到沉降，因此可以對(duì)當(dāng)日甚至未來幾天的濃度減少起到積極促進(jìn)作用。

（三）人工增雨與大氣外來污染物防治

考慮到各區(qū)域間空氣污染相互影響日益嚴(yán)重，一個(gè)區(qū)域或一個(gè)城市群的污染及其污染物的排放，有可能造成跨區(qū)域的影響。受地理與天氣控制，福州大氣污染與周邊污染物排放源有關(guān)，大氣污染過程加重的重要因素之一是周邊污染物的輸入。福州污染日的大氣污染物外來影響主要有兩個(gè)來向，一是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，二是福建中南沿海，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)霧霾污染是主要外來污染源，因此，在消除外來污染的人工增雨作業(yè)工作中，要重點(diǎn)在外來污染通道沿線上風(fēng)方增設(shè)人工增雨作業(yè)點(diǎn)，實(shí)施人工增雨，建立防護(hù)雨帶，把外來污染清除在福州市區(qū)以外。例如在連江、羅源等地設(shè)人工增雨作業(yè)點(diǎn)，增強(qiáng)清除外來大氣污染物的效果。

目前,建筑揚(yáng)塵、工業(yè)廢棄物排放量急速增加,使得大氣污染問題日益嚴(yán)重。為了明確人工增雨對(duì)大氣顆粒污染物濃度的消減作用,文章應(yīng)用多種分析規(guī)則對(duì)人工增雨下大氣顆粒污染物消減作用展開綜合研究,并獲得了一系列有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)。但研究還存在一定缺點(diǎn):大氣環(huán)境存在的干擾較多,如氣壓、氣候、風(fēng)向、濕度和采樣點(diǎn)周圍狀況的變化等,都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生干擾,導(dǎo)致采樣不可避免地受到偶然因素的影響。因此,下一步的研究將在不同氣象因素影響下分析人工增雨對(duì)大氣顆粒污染物消減速度的作用。