泰山碘化银烟炉增雨作业的影响分析

摘 要：为揭示泰安地区碘化银地面燃烧烟炉增雨作业的作业条件和效果评估，选取2018—2019年泰山站地面烟炉人工增雨过程，利用泰安市地面观测、雷达以及NCEP/NCAR提供的FNL资料，对地面烟炉人工增雨作业过程中的天气形势和雷达参数进行分析，采用高斯模式对AgI扩散过程进行数值模拟。结果表明：在进行人工增雨的过程中，当燃烧烟炉时，700～850 hPa平均垂直上升速度为0.6 Pa/s，最低平均上升速度为0.3 Pa/s；在燃烧烟炉后，较高浓度AgI颗粒能够垂直向上扩散至2.9 km左右，有效将催化剂输送至0 ℃层高度以上。此外，通过具体案例分析表明，燃烧烟炉后雷达回波和大反射率均显著增强。

关键词：地面烟炉；人工增雨；作业条件；泰山

中图分类号：P481 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

我国目前人工增雨主要方式为通过飞机、高炮、火箭等方式将催化剂传送至高空，以起到增加冰核的作用[1-3]。然而，这种作业方式前期准备工作耗时较长，会错失最佳时机。相比上述增雨方式，碘化银地面烟炉进行人工增雨具有适用性强、不受空域限制等优势[4]。

为了将催化剂送入云层的过冷部位，地面烟炉通常被放置在海拔较高的山坡或山脊上。利用迎风坡和高海拔的优势，烟炉能够借助上升气流将催化剂抬升至核化高度[5]。近年来，部分学者对地面烟炉人工增雨进行了研究并取得一定的成果。秦长学等[6-7]的研究表明，地面烟炉作业效果的关键选择适当的上升气流时段；同时，秦彦硕等[8-9]均通过高斯模型的模拟验证了河北、海南地区地面烟炉可以将催化剂带入云中进行催化。本研究评估了位于泰山气象站的地面燃烧烟炉人工增雨的效果，探索了适合泰山站碘化银烟炉增雨作业的天气条件，验证了泰山站碘化银烟炉增雨的可行性，旨在为政府推广地面烟炉人工增雨作业提供科学依据。

1 资料来源

泰山站、泰安站及周边区域站地面气象观测资料；MICAPS实况资料；NCEP/NCAR提供的1°×1°FNL"6 h再分析资料；泰山站雷达观测资料；泰山站烟炉燃烧观测资料。

2 作业点适合人工增雨的天气条件分析

2.1 泰山周边降水天气系统和降水分布特征

天气系统对降水分布和发展以及人工增雨作业起着至关重要的作用。影响泰安市的降水受多种天气系统的影响，包括切变线、倒槽、江淮气旋、黄淮气旋、蒙古气旋、黄河气旋等[10]。其中，江淮气旋和黄淮气旋是南方的主要天气系统，对泰安市的降雨影响最为显著。他们在北上过程中带来西南暖湿气流，受到地形阻挡作用，给泰安地区带来充足的水汽，是泰安人工增雨作业的首选天气系统[11]。泰安市2—4月和10月的降水量较少，容易发生干旱。因此，2—4月和10月是泰安地区人工增雨需求最为迫切的时期。

2.2 适合人工增雨上升速度阈值

为获得泰山站燃烧烟炉人工增雨过程中上升速度阈值，根据王以琳、姚展予、林长城[12]提出的人工增雨对比区域选取标准，分别对2018年3次过程和2019年10次过程进行了验证。具体做法是为每次增雨过程选择对比区域，然后对增雨效果进行验证。

研究表明，平均催化增雨为20%左右，因此认为作业区比对比区降水量20%以上，即认为此次增雨过程有效[13]。通过筛选2018—2019年13次燃烧烟炉人工增雨过程，分别选取对比区对每次过程降水量进行对比分析，结果表明：泰山站共有6次增雨过程作业区降水比对比区降水量高20%以上，即认为这6次过程为有效增雨过程。因为泰山站烟炉高度在1 500 m以上（850 hPa左右），所以选取700～850 hPa平均上升气流速度进行研究具有参考价值。对6次有效增雨过程降水增加量和700～850 hPa平均上升速度进行了统计，结果表明2018—2019年间烟炉燃烧人工增雨降水平均增加量为42.4%，700～850 hPa平均垂直上升速度为0.6 Pa/s，最低平均上升速度为0.3 Pa/s。

3 泰山地面烟炉催化剂扩散能力分析

Dennis等[14]在美国南达科他州进行的一项随机吸湿性催化试验显示，引入适当大小的凝结核到云底可以激活降水增长的链式反应。通过催化扩散模型，可以确定地面烟炉燃烧产生的催化剂能否到达云底。可通过高斯公式进行计算，其计算公式为：

q=exp{exp[-]+exp[-]}（1）

式（1）中Q为源的核生成率，σy和σz分别为y和z轴方向上催化剂质点浓度分布的均方差，u为x轴上的分风速，H0为源高，y为发射点与通过排气筒的平均风向轴线在水平面上的垂直距离，z为发射点与水平面的垂直高度。

根据泰山所处位置，其海拔为1 534 m，作业时烟气有效高度为71.8 m，因此模拟时点源高度H0为

1 605.8 m；泰山站x轴上分风速常年（1959—2019年）平均值为6.7 m/s。AgI在-10 ℃成核率Q为1.03×1 015个/g，本地区所用催化剂在云中最佳凝结核浓度q0为105个，图中催化剂的分布用相似浓度q*表示如下：

q*=q/q0

单位：103个/m3

从垂直扩散图（图1a）可以看出，有效的AgI浓度（103个/m3）向上扩散范围高达5 km，浓度为105个/m3的AgI可垂直扩散到2.9 km，水平影响范围达100 km。在垂直1 900～2 100 m、水平39 km范围108个/m3催化剂高浓度分布区。从水平扩散图（图1b）可以看出，x轴方向17 km，y轴方向19 km左右范围为3×105个/m3高浓度区，而催化剂扩散到地面的高浓度104个/m3可扩散到45 km的范围。泰山10月至翌年4月产生降水的大多为2 500～3 000 m蔽光高层云和雨层云，而0 ℃层高度平均为2 600～3 000 m，以上表明泰山站燃烧烟炉可以有效将催化剂以较高浓度传输至0 ℃层高度以上。

4 典型人工增雨作业个例分析

为深入研究烟炉增雨作业过程，选取2018年4月21日泰山站燃烧烟炉人工增雨过程进行分析。此次人工增雨燃烧烟炉时间为21日22：13，共点燃3支，22：31燃烧结束。

4.1 高空形势

4月21日20：00 500 hPa是西低东高的形势，泰安市处于南支槽前，槽前西南气流影响泰安地区。引导水汽输送。850 hPa风场可以看出，山东省西北部存在明显切变线，泰安位于其边缘位置，为降水提供了前期动力辐合条件。从图中比湿分布可以看出，山东省西南部存在明显湿舌，由西向东移动。21日20：00海平面气压场分布表明，山东地区存在倒槽，此时鲁西北、鲁西南地区已产生降水。综合表明，20：00泰安市位于高空槽前，西南气流为降水提供了充足水汽，850 hPa泰安北部存在切变线为降水提供了动力条件，同时近地面存在倒槽和湿舌，均为燃烧烟炉人工增雨提供了有利的背景条件。

4.2 雷达回波参数对比

为验证此次燃烧烟炉人工增雨过程的效果，选取作业前和作业后2个时间段进行对比分析，同时为保证对比的有效性，作业后的对比时间选取在0.5 h以内，同时遵循对比区选取原则，选取对比区域。

图2为作业区与对比区在增雨作业前后雷达回波反射率的变化。从图2a可以看出，作业前作业区与对比区发展相似，两者回波强度都在30 dBz左右，作业23 min后，22：36作业区域雷达回波已经明显增强（图2b），强回波面积已占据作业区总面积1/2，且出现了较多gt;35 dBz的强回波单元；而对比区回波强度则与之前相差不大，最强回波仍为30 dBz，且整体呈减弱趋势。这表明燃烧烟炉对降水的增强起到了一定的积极作用。

4.3 最大反射率

图3为燃烧烟炉前后作业区和对比区最大反射率随时间变化。从图3可以看出，初始阶段作业区和对比区最大反射率相差较小，22：12以前两者最大反射率差异趋于减小。22：13燃烧烟炉开始作业后，两者差距开始拉大，其中作业区由31 dBz逐渐增强，最大值出现在22：33左右，约为38 dBz，然后逐渐减弱；对比区在开始作业后最大反射率即开始下降，至22：23略有增加然后继续下降。作业开始后作业区最大反射率与对比区差值逐渐增大，两者最大差值出现在22：31左右，约为14 dBz。以上分析表明：烟炉燃烧AgI催化剂被抬升至高层起到了一定的催化作用。

此次作业时间为22：33～23：31，因此选取作业后作业区和对比区1 h平均降水量进行评估，22：32～23：32作业区的区域站降水平均值为9.6 mm，对比区的区域站平均降水量为6.1 mm，作业区比对比区降水量增加了36.5%，因此此次燃烧烟炉人工增雨过程是有效的，通过燃烧烟炉人工增雨相比于自然降水有明显的增强。

5 结论

（1）燃烧烟炉人工增雨有效过程中，700～850 hPa平均垂直上升速度为0.6 Pa/s，最低平均上升速度为0.3 Pa/s。

（2）较高浓度AgI催化剂可垂直扩散至2.9 km左右，泰山站燃烧烟炉可以有效将催化剂以较高浓度传输至0 ℃层高度以上。

（3）个例分析表明水汽条件、动力抬升条件是燃烧烟炉人工增雨的关键。燃烧烟炉23 min以后雷达回波、最大反射率均明显增强，作业后1 h平均降水量比对比区增加了36.5%。

参考文献

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[3] 刘晴，姚展予.飞机增雨作业物理检验方法探究及个例分析[J].气象，2013，39（10）：1359-1368.

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[11] 王以琳，赵增亮.黄淮气旋与山东飞机人工增雨[J].气象， 1994（12）：42-45.

[12] 王以琳，姚展予，林长城.人工增雨作业前后不同高度雷达回波分析[J].干旱气象，2018，36（4）：644-651.

[13] 曾光平，方仕珍，肖锋.1975—1986年古田水库人工降雨效果总分析[J].大气科学，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.

基金项目：山东省气象局引导类项目（2023SDYD24、2022SDYD18）；山东省气象局面上项目（2023sdqxm12）。

作者简介：栾兆鹏（1990—），男，山东泰安人，工程师，主要从事人工影响天气研究。