人工增雨对贵港市空气质量影响的分析研究

梁莹露 许艺馨 何林宴 莫申萍

（1 贵港市气象局 广西贵港 537100 2 广西物流职业技术学院 广西贵港 537100）

引言

降水能降低大气污染中污染物浓度的机理机制，降水的强度越大，降水的净化能力也会随之增大，随着降水时间的增加，大气污染物浓度也不断下降，降水净化后的空气可在一定时间内维持，避免污染超标现象的发生[1][2]。金丽娜[3]研究了不同量级的降水对PM10浓度的清除率。徐琼芳等[4]分析了湖北省潜江市2015 ～2016 年空气污染物浓度与气象要素，结果表明5mm 以上降水才对PM2.5污染产生清除作用。因此，降水对大气污染物的清除具有重大意义。而人工增雨可利用增加降水量的方式降低污染物，改善空气质量。人工增雨技术是指在云中播撒碘化银等催化剂，作为凝结核使得水汽形成大雨滴或冰晶，动力条件达到时便形成降雨，对大气污染物的湿沉降作用更加明显，大气净化效果显著[5]。

1 资料来源

环境空气质量数据为2015 年1 月1 日至2019 年12 月31 日大气污染物小时浓度、日均浓度监测数据来源于贵港市环境监测中心，主要包括SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10等 主要污染物浓度及AQI 的数据，其污染物浓度限值依照《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中的相关规定统计。

气象数据为2015 年1 月1 日至2019 年12月31 日的雨量数据，来源于贵港市国家气象观测站，高空、地面、物理量场等再分析数据来自欧洲中期天气预报中心( ECMWF) ，水平分辨率为 1°×1°(由于资料限制，地面相对湿度资料用1000hPa 相对湿度代替)。

人工增雨数据来源于贵港市人工影响办公室，贵港市人工影响天气常用的催化手段包括地面燃烧炉（烟炉）、火箭2 种方式，2015～2019年中一共人工增雨作业62 次(火箭增雨作业38次、烟炉增雨作业24 次)，有2d 既采取了火箭作业又采取了烟炉作业。

根据气象业务规范，小时降水等级主要分为4 类，即小雨、中雨、大雨、暴雨以上。从社会安全角度考虑，日雨量≥50mm 都不适于增雨作业。但由于气象业务规范上的等级划分跨度太大，如小雨量级和中雨量级等，不能较好的反应日降雨量对空气污染物的清除能力。因此，本文将研宄范围内的日雨量进一步细分成5 个等级，即0＜R＜1mm、1≤R＜5mm、5≤R＜10mm、10≤R＜25mm、25≤R＜50mm、R≥50mm。

2 结果与讨论

2.1 日雨量对污染物浓度的影响

图1 为自然日不同量级（0＜R＜1mm、1≤R＜5mm、5≤R＜10mm、10≤R＜25mm、25≤R＜50mm、R≥50mm）的降雨量下污染物浓度的变化趋势，从图中可以看出降水对5 种污染物（SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10）均有一定的清除效果。PM2.5和PM10在5mm 以上降雨量时浓度呈现出稍有下降的趋势，当降雨量级达到25≤R＜50mm时，PM2.5和PM10浓度处在一级浓度限值之内（PM2.5的一级浓度限值为35ug/m³，PM10的一级浓度限值为50ug/m³）；SO2、NO2由于易溶于水成为硫酸根离子和硝酸根离子，降水量在5mm 以上，SO2、NO2的浓度变化不明显；O3随着降水量级的增大，并未有明显的减少，甚至在10≤R＜25还有轻微反弹。说明，自然日的不同降水量对SO2、NO2、O3的湿沉降效果并不明显。

图1 自然日不同降水量级下污染物浓度分布

图2、图3 为火箭、增雨日不同降水量级下污染物浓度分布，相比起自然日0＜R＜1mm 的污染物浓度，人工增雨日中0＜R＜1mm 雨日的污染物浓度明显更高，说明作业日的空气质量一般都准备超标或已经超标，且作业增雨的效果并非很明显，污染物浓度维持在较高水平。但人工增雨降雨量级处于1≤R＜5mm 时，污染物浓度就开始有明显的下降过程，当降雨量级处于5≤R＜10mm，污染物浓度下降幅度最大，人工增雨（火箭、烟炉）污染物浓度均小于自然降雨日同等量级的污染物浓度，其中烟炉增雨的污染物浓度又小于火箭增雨的污染物浓度。当降雨量级处于10≤R＜25mm，污染物浓度反而反弹，这可能与降雨前背景浓度较大或样本数量太少有关，不能准确反映出真实情况。当降雨量级处于25≤R＜50mm 时，人工增雨污染物浓度均小于自然降雨日同等量级的污染物浓度，烟炉增雨的污染物浓度小于火箭增雨的污染物浓度。

图2 火箭增雨日不同降水量级下污染物浓度分布

图3 烟炉增雨日不同降水量级下污染物浓度分布

2.2 自然降雨日和人工增雨日对污染物的清除率

为进一步了解自然降雨日和人工增雨日的不同日降雨量等级对污染物的清除率，可利用前一日和当日污染物浓度的差值，占前一日污染物浓度的百分比，来表示降水的湿清除能力的大小，正数表示正清除，负数表示加重污染，同时把降水强度分为更细的等级，计算不同量级的雨量对各污染物浓度的清除能力。

设某日空气污染物浓度的日均值为CT，其前一日的日均值为CT-1，则

dC表示该日降雨的清除率，若dC＞0，表明空气质量有所改善，当日空气污染物浓度比前一日有所降低；若dC＜0，则表示空气质量恶化，当日空气污染物浓度比前一日有所增加。贵港市的每日降雨资料（日降雨时段、日降雨量），可直观反映出日降水对空气污染物的清除能力。

分 别 用dSO2、dNO2、dO3、dPM2.5、dPM10表示5 种污染物的变化率。分别计算2015～2019年自然降雨日不同等级的日雨量对5 种空气污染物浓度的清除能力（即通过计算dC的平均值来反映降水对污染物的平均清除效率）。当日雨量处于25≤R＜50mm 时，对5 种空气污染物的清除率为7.1%～23.1%，对所有污染物的清除能力达到最佳，其中对PM10的清除能力最大为23.1%，dAQI 排第2 位为18.6%。日雨量在10≤R＜25mm 时，清除能力次之，清除率分别为4.7%～15.8%，但AQI 的正变化率排最大为25.7%。日雨量在5≤R＜10mm 时，对污染物的正清除能力稍差，清除率为5%～9%。降雨量在5～50mm 时，降水对5 种空气污染物都有明显的清除作用，但清除能力明显不同，平均清除率按大小排序为PM10＞PM2.5＞O3＞SO2＞NO2，PM10的平均清除率为15.4%，PM2.5的清除率为14.5%。对于贵港主城区而言，PM10、PM2.5浓度的变化直接影响到空气污染指数的变化，因此降水对PM10、PM2.5的清除作用具有重大意义。

5mm 以下降水时，虽然AQI 的平均变化率为正值，但5 种空气污染物浓度平均变化率均为负值，表明空气质量呈变差的态势，说明5mm以下的降水不但不能清除空气污染物，相反还有增加污染物浓度的趋势，尤其是日雨量处于0＜R＜1mm，污染物浓度变化率为-3.3%至-14.8%时，由于水溶性离子吸湿增长，液滴分子凝结在水溶性离子表面非均相成核，成核之后的分子簇经过初始增长和冷凝增长，吸附污染物质造成污染物浓度超标。

2015～2019 年，开展人工增雨作业R＜5mm的雨日为31d，5≤R＜10mm的雨日为7d，10≤R＜25 的雨日为14d，25≤R＜50mm 为的雨日6d，R＞50mm 的雨日为2d。分别计算火箭增雨和烟炉增雨作业日不同等级的日降雨量对空气污染物浓度和AQI 的清除能力。在火箭作业增雨日中，不同日雨量等级的清除率均为正值，对5 种空气污染物的平均清除率为15.8%～28.9%，比自然降雨日的清除效率增加了3.8%～13.5%，AQI 的正变化率为22.4%，比自然降雨日增加3.8%。其中，日雨量25≤R＜50mm 对PM2.5的清除效率最大达到45.1%。清除能力与自然降水日稍有不同，平均清除率按大小排序为PM10＞PM2.5＞SO2＞O3＞NO2。在烟炉作业增雨日中，不同日雨量等级的清除率均出现了负值，对5 种空气污染物的平均清除率为-9.4%～22.7%，仅对O3的清除效率表现比自然降水日和火箭作业日更优，对其余污染物清除率表现较差。这归结于可能样本较少，代表性不够好，不能反应真实效果。

2.3 利用人工增雨对空气质量进行改善的天气系统

一般来说，通过人工增雨改善空气质量，本身就是考虑到空气质量准备超标或已经超标，且天气形势不利于污染物稀释沉降，自然降水的量级可能很小的情况下才开展的人工辅助手段[6]。因此，在这种情况下，就必须综合考虑人工增雨作业的气象条件，并对可采取人工增雨的天气系统进行分析研究。

贵港空气质量超标时影响地面的主要天气系统分为冷高压脊底部型、冷高压控制、冷高压后部、西南暖低压控制型、热带气旋外围型、均压场型6 种类型。如表1 所示，冷高压脊底部造成的污染天数最多，持续时间最长。在冷高压控制下的空气质量最差(AQI 为163)，PM2.5、PM10、SO2的日平均浓度皆排在各类型之首。受西南暖低压影响下的空气质量状况次严重(AQI 为135)，PM2.5、PM10、SO2的平均浓度排在第2 位。

表1 2015～2019 年污染日各天气类型气象要素平均值

2.3.1 可采取人工增雨的污染天气类型

2.3.1.1 冷高压脊底部型

该污染天气类型是在地面冷空气南下到贵港时，贵港近地层空气气温较低，形成上暖下冷较稳定的逆温层。冷空气冷暖交汇处容易形成降水，当冷空气过境后，天气转好，天空晴朗无云，清晨由于辐射降温，湿度较大的空气容易降温凝结成雾滴或水滴，污染物特别是硫酸盐、硝酸盐、铵盐等水溶性无机离子吸湿增长，发生再次转化形成二次污染物，二次污染物往往毒性更大，黏附在细颗粒物上导致粒径增大，并且可能转变为粗颗粒物，从而近地面颗粒物浓度污染超标。

从图4 可知，地面锋区南压到广西中部，500hPa 有高空槽配合(图4a)，低层冷暖空气交汇(图4b )，暖湿气流被抬升，此时天空的云系主要为层状云，由于层状云较稳定，因此发展变化较慢，云含水量很低(图4c )，集中在云层底部。此时，水汽条件允许，由于冷空气从北面入境，作业地点适宜在影响区域的上风方进行，受锋面系统影响提供的动力条件，人工增雨条件有利，当出现增雨潜力云时，增雨作业方式适合采取火箭作业。

图4 冷高压脊底部天气学模型

2.3.1.2 冷高压后部型

该污染天气类型是冷空气主力从 110°E 附近中路向南移动，通过东路移到海面，再从湘桂铁路沿线通道进入广西，又称为“东灌”，东路冷空气对降水形势相对有机会，又称“回流天气”。从图5 可知，中高层环流为强劲的偏西起来控制（图5a），近地层850hPa 及以下受偏南暖湿气流控制（图5b），对流层500～850 hPa 依然为冷气团占据并有下沉运动，近地面暖湿气团向上运动的通道被阻断，有利于底层水汽的积累和湿度增大，且污染物垂直扩散和稀释的能力减弱，近地层相对湿度增加到60%以上（图5c ），利于水溶性颗粒物吸湿增长，造成细颗粒物浓度超标，出现霾天气。

图5 冷高压后部型天气学模型

低层850hpa 以下受气旋后部影响(图5d))，有东南暖湿气流输送，利于水汽的积累和增大，并伴随弱的辐合上升运动，当云物理条件符合时，亦可尝试人工影响天气作业增雨；当秋冬的云层比较低，云底高度如果小于2km 时可考虑采取烟炉作业，如果云层较厚，云高处于2～4km，也可考虑火箭作业。

2.3.1.3 西南暖低压型

该污染天气类型，500～700 hPa 贵港受南支波动的偏西气流影响（图6a），850 hPa 强存在西南暖湿气流(图6b )，强盛的为低层空气补充源源不断的水汽（图6c）。地面上四川盆地北面生成西南暖低压，并逐渐发展东移，地面气压呈现东高西低的形势。西南暖低压中心降到1010～1012.5 hPa（图6c），高空槽的偏东的引导气流促使低压中心东移到广西西部或中部，此时贵港处于西南暖低压的东侧。从图6d 得知，西南暖低压导致印度洋的暖湿气流不断吹向陆地，地面偏南风加大，贵港地面逐渐转为东风或南风，气温明显升高，湿度显著增大，温度露点差减小到3 ℃以下，即常说的“回南天”。(“回南天”是污染物发生的温床，促使颗粒物发生更为复杂的化学反应，浓度增大。)

图6 西南暖低压型天气学模型

在850hpa等压面上30°N以南， 105°～115°E范围内（图6b），常有风速大于12m/s 的低空急流，(印度洋的西南暖湿气流)，甚至高湿区出现90%以上的相对湿度，如果500hpa 西风槽东移，广西刚好处在槽前，引导气流提供良好的上升垂直速度。偏南气流主要产生层云和层积云，云底高度在1km 左右，适宜烟炉增雨。

2.3.2 不宜采取人工增雨的污染天气类型

不适宜人工增雨改善空气质量作业的污染天气类型为冷高压控制型、热带气旋型、均压场型3 种。其中，冷高压控制型污染天气，高空为北方的干冷气团控制，湿度较低，天气晴朗无云，不适宜人工增雨作业；热带气旋型污染天气，容易出现臭氧污染，通常台风主体离广西陆地较远，离广西境内1000km 以上，其外围云系未进入广西上空，高温低湿，晴空少云，西太平洋副热带高压系统控制下，一般是588agpm 等高线所包围的区域，气流下沉，不具备水汽和大气动力条件，不具备人工增雨条件；均压场型污染天气，没有明显的天气系统影响，即便湿度大于70%，大气处于高度静稳的状态，基本没有热力对流活动，同样不适宜人工增雨作业。

3 讨论与建议

利用人工增雨方法改善空气质量，往往是因为空气质量准备超标或已超标，不得已而采取的非常规手段。前面研究表明，自然日降水中，PM2.5和PM10在5mm 以上降雨量时浓度呈现出稍有下降的趋势，而SO2、NO2、O3的浓度变化不明显，甚至在10≤R＜25mm 时O3浓度还有轻微反弹。而人工增雨日中0＜R＜1mm 雨日的污染物浓度明显比自然日更高，但人工增雨降雨量级处于1≤R＜5mm、5≤R＜10mm、25≤R＜50mm时，污染物浓度都有明显的下降过程，考虑为通过人工增雨，使得小时雨强有所增加，冲刷沉降能力增大的原因。在同样的日雨量，人工增雨的污染物浓度比自然降雨日的污染物浓度要明显偏低，其中烟炉增雨的污染物浓度又小于火箭增雨的污染物浓度。

当人工增雨作业把日雨量5≤R＜50mm 以上时，火箭作业对首要污染物PM2.5、PM10、O3的平均清除率分别为35%、34%、13%，AQI 值也会随之平均下降27%；烟炉作业对首要污染物O3的平均清除率为31%，AQI 值也会随之平均下降26.7%。按污染日平均AQI 为133 计算，可以认为人工增雨后5≤R＜50mm 的降水对改善空气质量，日雨量越大，越有希望将AQI 值降到100 以下，增加空气质量优良天数完全可行。当人工增雨作业效果不佳，日雨量在5mm 以下时，就存在降水对空气污染的不确定影响。

人工增雨技术可干预和改善大气污染程度，但当地的地理背景和天气条件严重制约了人工增雨作业，能进行人工增雨改善空气质量的污染天气类型为冷高压脊底部、冷高压后部型、西南暖低压型，不适宜人工增雨改善空气质量作业的污染天气类型为冷高压控制型、热带气旋型、均压场型。因此，如能在适宜开展人工影响天气作业增雨的污染天气类型中抓住适当的天气时机开展作业，便能达到改善空气质量、降低污染天数的效果。

结语

人工增雨技术可增大降雨量级，除了缓解干旱，还可提高大气的湿沉降作用，以达到净化大气、清除污染的目的。广西有关人工降雨对大气污染的相关研究较少，通过对贵港2015～2019年人工增雨作业进行分析和研究，分析贵港市人工增雨改善空气质量的可行性，评估人工增雨改善大气污染物浓度的效果，提出日雨量为5≤R＜50mm 的降水对改善空气质量较明显的建议，得出火箭增雨去除污染物效果优于烟炉增雨的结论，并研究出人工增雨改善空气质量的污染天气类型为冷高压脊底部、冷高压后部型、西南暖低压型等天气学模型，供政府和有关部门参考，以期有效减轻空气污染，改善空气环境质量，推进生态文明建设，相关经验方法可推广使用。