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(dá)以及NCEP/NCAR提供的FNL資料，對地面煙爐人工增雨作業(yè)過程中的天氣形勢和雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行分析，采用高斯模式對AgI擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：在進(jìn)行人工增雨的過程中，當(dāng)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(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：P481 文獻(xiàn)標(biāo)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(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)備工作耗時較長，會錯失最佳時機(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[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(fēng)坡和高海拔的優(yōu)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(xué)者對地面煙爐人工增雨進(jìn)行了研究并取得一定的成果。秦長學(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段；同時，秦彥碩等[8-9]均通過高斯模型的模擬驗(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 資料來源

泰山站、泰安站及周邊區(qū)域站地面氣象觀測資料；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)觀測資料；泰山站煙爐燃燒觀測資料。

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(qū)帶來充足的水汽，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(jù)王以琳、姚展予、林長城[12]提出的人工增雨對比區(qū)域選取標(biāo)準(zhǔn)，分別對2018年3次過程和2019年10次過程進(jìn)行了驗(yàn)證。具體做法是為每次增雨過程選擇對比區(qū)域，然后對增雨效果進(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)比對比區(qū)降水量20%以上，即認(rèn)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(qū)對每次過程降水量進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：泰山站共有6次增雨過程作業(yè)區(qū)降水比對比區(qū)降水量高20%以上，即認(rèn)為這6次過程為有效增雨過程。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(jìn)行了統(tǒng)計，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]在美國南達(dá)科他州進(jìn)行的一項隨機(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的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通過催化擴(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?？赏ㄟ^高斯公式進(jìn)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(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)時煙氣有效高度為71.8 m，因此模擬時點(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/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，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(kuò)散圖（圖1a）可以看出，有效的AgI濃度（103個/m3）向上擴(kuò)散范圍高達(dá)5 km，濃度為105個/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/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/m3高濃度區(qū)，而催化劑擴(kuò)散到地面的高濃度104個/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)個例分析

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

4.1 高空形勢

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(qū)。引導(dǎo)水汽輸送。850 hPa風(fēng)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(qū)存在倒槽，此時魯西北、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(dá)回波參數(shù)對比

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

圖2為作業(yè)區(qū)與對比區(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。這表明燃燒煙爐對降水的增強(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)和對比區(qū)最大反射率隨時間變化。從圖3可以看出，初始階段作業(yè)區(qū)和對比區(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燃燒煙爐開始作業(yè)后，兩者差距開始拉大，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；對比區(qū)在開始作業(yè)后最大反射率即開始下降，至22：23略有增加然后繼續(xù)下降。作業(yè)開始后作業(yè)區(qū)最大反射率與對比區(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)時間為22：33～23：31，因此選取作業(yè)后作業(yè)區(qū)和對比區(qū)1 h平均降水量進(jìn)行評估，22：32～23：32作業(yè)區(qū)的區(qū)域站降水平均值為9.6 mm，對比區(qū)的區(qū)域站平均降水量為6.1 mm，作業(yè)區(qū)比對比區(qū)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(qiáng)。

5 結(jié)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(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(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平均降水量比對比區(qū)增加了36.5%。

參考文獻(xiàn)

[1] 王以琳，姚展予，林長城.一次火箭人工增雨作業(yè)雷達(dá)回波響應(yīng)探討[J].氣象科技，2016，44（6）：1053-1059.

[2] 李德俊，唐仁茂，江鴻，等.武漢一次對流云火箭人工增雨作業(yè)的綜合觀測分析[J].干旱氣象，2016，34（2）：362-369.

[3] 劉晴，姚展予.飛機(jī)增雨作業(yè)物理檢驗(yàn)方法探究及個例分析[J].氣象，2013，39（10）：1359-1368.

[4] 郝劍平.西峽縣設(shè)置地面燃燒爐的可行性及放置位置研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（3）：63-68.

[5] 王文新，張建新，廖飛佳，等.地面碘化銀煙爐在山區(qū)人工增雨中的應(yīng)用[J].新疆氣象，2004（3）：25-27.

[6] 秦長學(xué)，楊道俠，金永利.碘化銀地面發(fā)生器增雨（雪）作業(yè)可行性及作業(yè)時機(jī)選擇[J].氣象科技，2003（3）：174-178.

[7] 戴玉珍，曹江平，王冀.地面碘化銀煙爐在廣西人工影響天氣作業(yè)中的應(yīng)用[J].氣象研究與應(yīng)用，2015，36（3）：64-67.

[8] 秦彥碩，段英，李二杰，等.河北大茂山碘化銀地面發(fā)生器增雪作業(yè)影響分析[J].氣象，2015，41（2）：219-225.

[9] 何媛，黃彥彬，李春鸞，等.海南省暖云煙爐設(shè)置及人工增雨作業(yè)條件分析[J].氣象科技，2016，44（6）：1043-1052.

[10] 周亦凌.山東泰安地區(qū)人工增雨作業(yè)天氣條件及物理檢驗(yàn)個例研究[D].北京：中國氣象科學(xué)研究院，2016.

[11] 王以琳，趙增亮.黃淮氣旋與山東飛機(jī)人工增雨[J].氣象， 1994（12）：42-45.

[12] 王以琳，姚展予，林長城.人工增雨作業(yè)前后不同高度雷達(dá)回波分析[J].干旱氣象，2018，36（4）：644-651.

[13] 曾光平，方仕珍，肖鋒.1975—1986年古田水庫人工降雨效果總分析[J].大氣科學(xué)，1991（4）：97-108.

[14] Dennis A S， Koscielski A. Height and temperature of first echoes in unseeded and seeded convective clouds in South Dakota [J]. Journal of Applied Meteorology， 1972， 11（6）： 994-1000.

基金項目：山東省氣象局引導(dǎo)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。