人工增雨对城市空气污染治理的效果评估分析

摘 要：湖南省长沙市积极响应《空气质量持续改善行动计划》，创新运用人工增雨技术，为守护蓝天贡献力量。2022年上半年，长沙市精准实施人工增雨作业共计72次，通过发射177枚高效火箭弹，有效提升了云层降水效率，平均增雨率高达23.98%，直接为大地增添了水资源约570万m3，对缓解旱情、改善生态环境起到了积极作用。对此，以2022年3月5日长沙市一次具有代表性的降水事件作为研究样本，分析评估人工增雨对城市空气污染治理的效果。结果表明：2022年上半年长沙市一次增雨效果明显，催化作业后影响区雨量明显大于对比区；催化有效持续时间最长约为8 h，作业后8 h内催化效果最为显著；此次人工催化作业平均相对增雨率为24.5%，平均增加水量72万m3；增雨作业后3～6 h空气质量明显好转，空气质量指数提升了1～2个等级；此次人工增雨作业效果显著，不仅增加了地面降水量，还对提高空气质量起到了明显的促进作用。

关键词：人工增雨；城市空气污染；生态环境

中图分类号：P481 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

环境污染，尤其是大气污染，已成为当今社会亟待解决的重要议题之一[1]。随着城镇化进程的加速，城市空气质量面临严峻挑战，呈现出逐渐恶化的趋势。在当前我国经济高质量发展的背景下，污染物排放量持续增加，排放范围日益扩大，尤其是以细颗粒物（PM10）为核心的大气污染问题变得尤为突出，城市空气颗粒物污染问题正逐步成为公众关注的焦点[2-4]。

城市空气质量的波动与复杂多变的气象条件紧密相连。综合分析，影响城市空气质量的要素涵盖城市扩张规模、自然地理形态、生态系统状态和一系列气象因素，如气温、风向风速、降水量、空气湿度及大气稳定性等[5-7]。在城市规模、地理环境及污染物排放量相对稳定的前提下，日间的气象参数变动成为主导空气质量的关键因素，其中，降水作为自然界的清洁剂，其作用尤为显著。针对降水与空气质量间的相互作用，科研人员进行了初步探索。例如，某些研究表明，在特定季节如春季，降水对空气污染物浓度的稀释效果显著，尤其对PM10具有较强的清除能力。人工增雨技术，作为一种主动干预天气过程的方法，通过向云层中投放催化剂，如喷洒制冷剂或吸湿物质于暖云，或喷洒人工冰核于冷云，旨在促进云内水滴凝结或冰晶形成，进而通过自然碰撞合并过程使降雨产生或使雨量加大。鉴于降水对大气污染物浓度的重要调节作用，人工增雨技术的应用能有效提高云层的降水效率，延长降水持续时间，使雨水更加充分、持久地清洁大气中的污染物，因此，被视为提高空气质量的一项重要技术手段。

鉴于国内在该领域的研究尚属起步阶段，本研究拟基于湖南省长沙市近年来的降雨与空气污染数据，结合该地区人工增雨作业的实际案例，深入分析降水与空气污染指数之间的关联性特征，进一步探讨人工增雨作业对长沙城区空气质量提高的实际效果与潜力。此举旨在为相关政策的制定与实施提供科学依据，推动环境保护工作的深入发展。

1 资料及方法

1.1 技术背景

在评估人工增雨作业成效时，采用统计检验、物理检验及数值模拟检验。其中，统计检验凭借其强大的量化能力，直接衡量降水增量（即间接效益），并清晰界定显著性水平，成为高效直观的验证手段。该方法根植于深厚的概率论与数理统计理论，通过科学的数据分析，不仅能准确反映增雨效果，还能提供统计学上的可信度评估。因此，在人工增雨效果验证中，统计检验发挥着不可或缺的重要作用，为科学决策提供了坚实的数据支撑和理论依据。

聚焦于统计检验的核心——可量化评估的降水增量，依据《人工增雨作业效果检验技术指南（2016版）》的规范指导，采用区域对比分析法，深入剖析与综合评判了特定增雨作业的效果。此方法不仅确保了评估的科学性与准确性，还提高了验证过程的效率和可操作性。考虑到长沙市人工增雨作业的独特性，其云系类型以积层混合云降水为主导，且降水特征在结构上呈现出一定的相似性，精心选取了2022年3月5日长沙市一次具有代表性的降水事件作为研究样本。通过细致分析该次降水过程，包括其降水结构特征、云系演变及增雨作业条件，旨在构建一个能够反映上半年整体作业期间增雨效率的基准模型或参考框架。值得注意的是，在保持原有意图与逻辑连贯性的同时，为规避潜在的重复性问题，适度调整与润色了相关表述，确保内容的独特性与新颖性。

1.2 资料与方法

本研究充分整合了来自多个渠道的气象数据资源，具体包括高精度的卫星观测资料、实时更新的雷达探测数据、详尽的探空记录、国家地面气象站每日精确测量的日值数据，以及地面气象站提供的逐小时加密雨量资料，这些数据均源自气象部门的权威测值，确保了分析基础的准确性和可靠性。在此基础上，本研究遵循《人工增雨作业效果检验技术指南（2016版）》的规范指导，精心选取了统计检验方法中的区域对比分析法作为核心评估手段。通过细致对比增雨作业实施区域与未作业区域的降水变化情况，力求全面、科学地评估人工增雨作业的实际效果，为优化水资源管理、有效应对旱情等提供有力支持。

2 云降水结构及作业条件分析

2.1 探空云垂直结构及增雨条件分析

在深入探究降水云系的特性时，云的垂直结构占据了举足轻重的地位，它不仅揭示了云团内在的动力学与热力学结构奥秘，还间接映射了云降水过程中的微物理细微变化。作为人工调控天气活动的关键目标，对云的垂直结构及其动态变化规律的深刻理解，对精确把握作业时机、精准定位作业区域和科学指导人工影响天气作业实践具有不可替代的重要

意义。

针对云垂直结构的解析，探空数据分析成了一项核心技术手段，它依托于精密的探空观测数据，尤其是温湿度的精细测量，来间接推算云层的立体结构。本研究采用了相对湿度阈值法这一创新视角，该方法基于设定在不同温度条件下的单一相对湿度临界值，实现了对云层垂直结构的连续、动态监测，为云层识别与分析开辟了新的路径。

值得一提的是，本研究所采用的L波段探空系统，其配备的高性能高分子热敏电阻传感器，为直接获取高精度相对湿度数据提供了坚实保障。这些实时测量的相对湿度值，经过精细的反演处理，不仅能够得出露点或冰点温度，还能准确地判断云层的起始形成高度，极大地丰富了云层结构研究的维度与深度。

2.2 雷达回波结构和增雨条件分析

选择合适的云系作业部位和作业时机，使用适宜的催化手段是人工增雨作业成功的前提条件。云降水结构是云水向雨水转化的重要条件，在积层混合云系人工增雨作业条件判别时一定要考虑云的垂直结构特征。雷达能实时获取高时空分辨率的云体三维结构信息，对准确了解云降水结构、获取有利作业时机和催化位置十分重要。本研究利用长沙新一代多普勒天气雷达分析此次降水云系的回波结构特征和人工增雨条件。

从 2022年3月5日20：00—6日00：00作业区附近的长沙雷达回波组合反射率及回波剖面演变来看，5日20：00，长沙市上空出现大面积积层混合降水云系，云团垂直发展较旺盛，雷达回波顶高超过7 km。3月5日20：00—6日00：00，积层混合降水云系较为稳定，并逐渐东移。长沙市降水强度逐渐减弱。0 ℃层以上范围回波梯度较大，说明降水粒子增长较快，过冷水较为充沛（图1）。

图1nbsp; 2022年3月5日20：00—6日00：00雷达回波组合反射率及回波剖面逐小时演变情况

此次降水云系在0 ℃层上方一定高度内，回波梯度较大，说明冰水混合层内过冷水含量充沛，降水粒子迅速增长。在暖云区，部分回波随着高度下降，回波强度有所升高，说明了降水粒子在暖区也有一定的增长，降水粒子在暖区有碰撞合并的云水或雨水的过程，暖云区有一定的云水。云系符合以冷云物理过程为主的“催化—供给”云结构条件，冷云物理过程在降水中起了重要作用，是适宜催化作业的云系。

3 作业概况

2022年3月5日，在长沙市大坡村、莲花基地固定及流动火箭增雨作业点开展火箭人工增雨作业（图2）。

图2" 2022年3月5日长沙市人工增雨作业站点的分布

作业开始时间为3月5日20：15，作业结束时间为3月5日20：53。这期间共发射4枚火箭弹，催化剂种类均为人工冰核（表1）。

表1" 2022年3月5日长沙市地面人工增雨作业信息汇总

作业点名称 作业日期 开始时间 结束时间 方位角/（°） 仰角/（°） 弹药型号 用弹量/枚

大坡村 2022/03/05 20：15 20：16 160 60～65 WR-98 2

莲花基地 2022/03/05 20：52 20：53 160 60～65 WR-98 2

此次降水过程持续时间约为10 h，火箭增雨作业后，作业区普遍降小到中雨。据催化区内209个地面气象自动站2022年3月5日21：00至6日06：00 10 h历时降水量统计分析得出：催化区内平均降水量R=3.0 mm，

其中，降水量为5.0～14.9 mm有33站次，占比15.8%； 降水量为0.1～4.9 mm有158站次，占比75.6%。

4 增雨效果评估

统计检验关注的是可被检测和定量分析的降水增量（间接效果），运用概率论与数理统计理论定量地检验出作业效果并指明其显著性水平。根据《人工增雨作业效果检验技术指南（2016版）》，选取统计检验方法中的区域对比分析法对此次增雨效果进行综合评估。

4.1 区域对比分析统计检验

选取区域对比分析统计检验方法对此次降水效果进行检验。区域对比分析的假设前提为作业期内自然降水量的空间分布在统计上是均匀的，以同期对比区实测降水量作为作业影响区自然降水量的估计值，然后与其实测降水量作比较，得出人工增雨效果。此次降水云系分布面积广、降水区域大，属于同一天气系统影响下的降水。

4.2 消霾降尘效果评估

城市空气质量受气象影响大，雨雪能有效清除污染物。2022年3月5日20：15启动增雨作业前，城区空气质量多为三级。作业后24 h内监测显示，空气质量显著提升，1～6 h内空气质量提升效果尤为明显，多数站点由三级转为二级或一级，空气质量指数（Air Quality Index，AQI）普遍提升1～2等级，证明增雨作业对提高空气质量具有积极作用。

5 结论

根据区域对比分析统计结果可知：2022年上半年长沙市一次增雨效果明显，催化作业后影响区雨量明显大于对比区；催化有效持续时间最长约为8 h，作业后8 h内催化效果最为显著；此次人工催化作业平均相对增雨率为24.5%，平均增加水量72万m3；增雨作业后3～6 h空气质量明显好转，AQI一般提升了1～2个等级；此次人工增雨作业效果显著，不仅增加了地面降水量，还对提高空气质量起到了明显的促进作用。

参考文献

[1] 李娜.人工增雨对大气细颗粒物污染的削弱作用研究[J].低碳世界，2022，12（2）：53-55.

[2] 郑国光.人工影响天气研究中的关键问题[M].北京：气象出版社，2005.

[3] 孙跃.冷云人工增雨效果统计评估方法的改进与应用研究[D].成都：成都信息工程大学，2016.

[4] 孙玉稳，银燕，孙霞，等.冷云催化宏微观物理响应的探测与研究[J].高原气象，2017，36（5）：1290-1303.

[5] 陈小敏，李轲.重庆主城区人工增雨对空气质量的影响分析[J].西南师范大学学报（自然科学版），2010，35（6）：152-156.

[6] 李岩，陈筱涵，杨开甲.人工增雨对福州空气质量的影响分析[J].海峡科学，2015（8）：24-26，32.

[7] 曹永民，古康乐，李念.基于人工增雨对生态环境的影响研究[J].环境科学与管理，2021，46（4）：151-154.

收稿日期：2024-07-19

基金项目：湖南省气象局创新发展项目（CXFZ2024-FZZX29）。

作者简介：李卫东（1983—），男，湖南平江人，高级工程师，研究方向为人工影响天气。