福州煙爐人工增雨作業(yè)點布設(shè)的合理性研究*

李 巖 林 冰

(福州市氣象局,福建 福州 350008)

隨著煙爐人工增雨作業(yè)技術(shù)重大進(jìn)展，我國自主開發(fā)的ZY-2A等遠(yuǎn)程遙控?zé)煚t研制成功，煙爐人工增雨在全國大部分省份推廣應(yīng)用，取得較好的增雨效果，解決了人工增雨作業(yè)中山區(qū)交通不便、時機把握不準(zhǔn)等難題,使人工增雨作業(yè)快捷進(jìn)行，實現(xiàn)人工影響天氣“安全、科學(xué)、高效、有序”發(fā)展,是繼飛機、地面高炮和火箭人工增雨以外的一種新型且比較切實可行的人工增雨方式。它具有不受空域限制，可遙控指揮作業(yè)，成本低、指揮環(huán)節(jié)少、可全天候長時間連續(xù)作業(yè)、節(jié)省人力物力、維護(hù)方便等優(yōu)點。

目前福州煙爐人工增雨主要采用暖云人工增雨作業(yè)方式。暖云人工增雨是指在云體內(nèi)部溫度高于0℃或云底以下200m附近播撒吸濕性顆粒物，促使云內(nèi)云滴譜變寬，產(chǎn)生大滴而引發(fā)重力碰并過程，促進(jìn)雨滴增長，從而實現(xiàn)暖云降水或增大其降水強度[1]。整個過程在云內(nèi)進(jìn)行，云隨風(fēng)飄向目標(biāo)區(qū)。福州地處我國東南沿海，以山地丘陵地形為主，山脈海拔高度雖然不高，但相對高度具備地形抬升條件，且水汽充足；煙爐作業(yè)點建設(shè)高度盡可能處在凝結(jié)高度以上，即云底之上，加上煙爐作業(yè)點的山體迎風(fēng)坡產(chǎn)生上升氣流，抬升吸濕性顆粒物進(jìn)入云內(nèi)，使得云中大于40μm的云滴數(shù)量大大增加，誘發(fā)重力碰并過程發(fā)生，與小云滴碰撞，迅速形成雨滴，引發(fā)降水或增大降水強度。

福州市氣象局在已建設(shè)5個火箭人工增雨標(biāo)準(zhǔn)化固定作業(yè)點、10個火箭人工增雨流動作業(yè)點和15個地面煙爐作業(yè)點的基礎(chǔ)上，計劃繼續(xù)增設(shè)6-8個地面煙爐作業(yè)點，采用地面煙爐與地面火箭互為補充，進(jìn)一步提升區(qū)域人工增雨作業(yè)效果和覆蓋面。

本文通過計算煙爐作業(yè)點凝結(jié)高度和分析其地形及風(fēng)向，探討福州市以改善空氣質(zhì)量為目的的地面煙爐人工增雨作業(yè)點布設(shè)的合理性，為今后煙爐作業(yè)點布設(shè)提供參考依據(jù)。

1 資料來源

日雨量資料取自福州市烏山氣象站。5個煙爐作業(yè)點分別選取閩侯可無仙、青龍、九都村、永泰天臺山以及福清牛紅山(圖1，表1)。煙爐作業(yè)點云底高度計算時所涉及的溫度、濕度和露點溫度數(shù)據(jù)用煙爐作業(yè)點及周邊臨近代表性較好的自動氣象站資料替代(如表2)。為探討煙爐作業(yè)點的風(fēng)向情況，在煙爐作業(yè)點的西面、中部及東面各取一個風(fēng)向資料完整、連續(xù)性和代表性好的自動氣象站用來代表煙爐帶風(fēng)的情況，西面取榜上水庫(F1205)，中部取九都村(F1230)，東面取青龍山(F1218)，表中以*標(biāo)注。

圖1 福州煙爐作業(yè)點位置

表1 福州煙爐作業(yè)點地理位置信息

表2 代表煙爐作業(yè)點氣象資料的自動氣象站信息

其中自動氣象站建站時間早于2016年的氣象資料選取時段為2016—2020年；時間遲于2016年的氣象資料選取時段為建站時間至2020年。

2 分析方法與選址原則

2.1 煙爐作業(yè)點凝結(jié)高度

凝結(jié)高度(LCL)是未飽和濕空氣塊干絕熱上升剛好達(dá)到飽和的高度，也大致對應(yīng)于熱力對流積狀云的云底高度。

世界氣象組織(WMO)推薦使用的飽和水汽壓逼近公式是世界公認(rèn)最準(zhǔn)確的公式[2]。

對平液面，-49.9℃～49.9℃范圍內(nèi)，

lges=10.79474(1-T1/T)-5.02800lg(T/T1)+1.50475×10-4[1-10-8.2969(T/T1-1)]+4.2873×10-4[104.7695(1-T1/T)-1]+0.78614

式中，es為水面飽和水汽壓(hPa)；T1為水的三相點溫度(273.16K)；T是熱力學(xué)溫度(K)。

相對濕度(RH)是空氣的實際混合比w與同溫度同氣壓下相對于平純水面的飽和混合比ws之比(以百分比表示)[2]。

RH=100×w/ws≈100×e/es

為精確計算抬升凝結(jié)高度數(shù)值，需根據(jù)溫度隨高度的變化，預(yù)先得到飽和溫度Tc，Bolton在1980年提出云底飽和溫度的計算公式[2]：

Tc=2840/(3.5lnT0-lne-4.0805)+55

式中，T0和e分別為氣塊初始溫度(K)和初始水汽壓(hPa)。

通過使用云底飽和溫度值改進(jìn)抬升凝結(jié)高度計算公式，避開了露點溫度及其減溫率的變化，提高了計算精度，抬升凝結(jié)高度Zc(km)[2]：

Zc=(T0-Tc)/Td

式中，T0為氣塊初始溫度,Tc為飽和溫度，Td為露點溫度。

2.2 煙爐作業(yè)點選址原則

(1)地面煙爐暖云增雨作業(yè)的關(guān)鍵是借助上升氣流區(qū)播撒暖云催化劑，因此煙爐作業(yè)點需設(shè)置在具有一定海拔高度的迎風(fēng)坡，利用地形抬升產(chǎn)生的上升氣流將催化劑帶入云中，同時也要考慮其上游區(qū)域有一縱深山谷，有助于形成上升氣流將催化劑帶入云中，且抬升氣流運動方向移向目標(biāo)區(qū)。

(2)煙爐作業(yè)點還須適當(dāng)考慮降水云系過境頻繁的路徑下方交通是否方便。

(3)應(yīng)在目標(biāo)區(qū)的上風(fēng)方5～20km范圍內(nèi)。

(4)應(yīng)在天氣雷達(dá)監(jiān)測覆蓋范圍內(nèi)。

(5)應(yīng)具備通訊信號覆蓋。

(6)避開洪水、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)地，避開沙土和濕地地質(zhì)，避開腐蝕性氣體、工業(yè)污染和水污染高發(fā)地，遠(yuǎn)離易燃易爆物。

3 結(jié)果分析

根據(jù)福州氣候特點、地理條件，結(jié)合以改善目標(biāo)區(qū)空氣質(zhì)量為目的構(gòu)想，擬考慮煙爐作業(yè)點建設(shè)在目標(biāo)區(qū)西南面[3]。降水對空氣中污染物有明顯的清除作用，當(dāng)福州市區(qū)日雨量大于或等于6mm時，空氣污染狀況明顯改善。為此，選擇福州自然日雨量為2～6mm的降水過程作為改善空氣質(zhì)量潛力日進(jìn)行人工增雨作業(yè)，勢必會極大改善福州空氣質(zhì)量[3]。

3.1 煙爐作業(yè)點建設(shè)位置分析

青龍山脈走向是西南西向到東西向,煙爐作業(yè)點建在兩走向山脈交點，其南面為走向南南東的山谷。當(dāng)風(fēng)向為偏南風(fēng)時,遇山體都可產(chǎn)生上升氣流，移向目標(biāo)區(qū)。因此該煙爐作業(yè)點選擇滿足作業(yè)要求?？蔁o仙山脈走向是西南-東北，山脈伸向西南，煙爐作業(yè)點建在山脈西南轉(zhuǎn)向伸向西的山脊上，其西南方也是深谷，當(dāng)西風(fēng)或西北風(fēng)遇山體都可產(chǎn)生上升氣流，移向目標(biāo)區(qū)，該煙爐作業(yè)點選擇滿足作業(yè)要求。牛紅山其西南方為走向西南-東的山谷，氣流沿著山谷都可產(chǎn)生上升氣流，移向目標(biāo)區(qū)，煙爐作業(yè)點選擇滿足作業(yè)要求。天臺山山脈走向是西北-東南，煙爐作業(yè)點西南方是山坡，氣流遇山坡可產(chǎn)生上升氣流，移向目標(biāo)區(qū)，該煙爐作業(yè)點選擇滿足作業(yè)要求。九都村山脈走向西北-東南，煙爐作業(yè)點其西南方是深谷，氣流沿山谷產(chǎn)生上升氣流，移向目標(biāo)區(qū)，該煙爐作業(yè)點的選擇滿足作業(yè)要求，有作業(yè)機會。

3.2 煙爐作業(yè)點風(fēng)向

繪制福州烏山氣象站日雨量介于2～6mm時的三個煙爐作業(yè)點對應(yīng)代表自動氣象站的2分鐘風(fēng)向玫瑰圖(見圖2～圖4)?？梢钥闯?，當(dāng)福州市區(qū)日雨量為在2～6mm時，煙爐作業(yè)點西面盛行風(fēng)向為西南-東北向，W-WS-S向風(fēng)占27%;中部盛行風(fēng)向為南南西-北北東，W-WS-S向風(fēng)占32%;東面，也就是在目標(biāo)區(qū)的南面，盛行風(fēng)向為南北向，W-S-E向風(fēng)占32%。因此，福州烏山氣象站的日雨量在2～6mm時，5個煙爐開展人工增雨作業(yè)的機會比較多，而且通過開展人工增雨作業(yè)并沿對應(yīng)的盛行風(fēng)向來增加福州市區(qū)降水量，從而達(dá)到改善福州市區(qū)空氣質(zhì)量的目的。

圖2 榜上水庫2分鐘風(fēng)向玫瑰圖

圖3 九都村2分鐘風(fēng)向玫瑰圖

圖4 青龍山2分鐘風(fēng)向玫瑰圖

通過上述分析，可以確定煙爐帶上的煙爐作業(yè)點無論位于西北-東南向、南北向和西南-東北向走向的山體上，其西南面上游都有一深谷且作業(yè)點處在山體的迎風(fēng)坡位置，當(dāng)氣流從深谷匯聚至迎風(fēng)坡處，就會產(chǎn)生強烈的上升氣流，有助于將煙爐作業(yè)點播撒的吸濕性顆粒物直接帶入云體內(nèi)，并伴隨盛行風(fēng)向影響至目標(biāo)區(qū)?？梢?，目前福州市煙爐作業(yè)點布設(shè)合理。

3.3 煙爐作業(yè)點凝結(jié)高度

地面煙爐暖云增雨作業(yè)的關(guān)鍵在云中或云底部200m處的上升氣流區(qū)播撒催化劑。當(dāng)福州日雨量在2～6mm時，福州空氣質(zhì)量的改善效率最高[3]。煙爐作業(yè)點高度在降水云底之上記為1，否則記為0，統(tǒng)計福州市日雨量在2～6mm時滿足煙爐作業(yè)點高度在降水時云底之上的頻率。

通過統(tǒng)計分析，當(dāng)福州市日水量在2～6mm時，青龍煙爐作業(yè)點的凝結(jié)高度低于煙爐建設(shè)高度的概率為97.66%，即97.66%的日雨量為2～6mm的降水過程可滿足煙爐作業(yè)要求的(表3)；當(dāng)福州市出現(xiàn)日雨量在2～6mm的降水過程時，煙爐作業(yè)點可無仙、牛紅山、天臺山、九都村的云底高度均低于煙爐建設(shè)高度，頻率達(dá)到100%，作業(yè)點建設(shè)高度完全滿足煙爐作業(yè)要求，暖云催化劑能完全在云中上升氣流區(qū)播撒，煙爐作業(yè)點布設(shè)合理。

表3 福州煙爐作業(yè)點高度在降水時的凝結(jié)

綜上，當(dāng)福州出現(xiàn)日雨量為2～6mm的降水過程時，5個煙爐作業(yè)點基本都處在凝結(jié)高度以上，即都在云底之上，煙爐作業(yè)點建設(shè)高度合理。

4 結(jié)論

①煙爐作業(yè)點西南面均有一深谷或山坡，氣流沿山坡產(chǎn)生上升氣流，利于催化劑進(jìn)入云區(qū)，伴隨盛行風(fēng)向影響至目標(biāo)區(qū)，符合煙爐作業(yè)點建設(shè)要求。

②當(dāng)福州出現(xiàn)日雨量為2～6mm的降水過程時，煙爐作業(yè)點都有較多機會進(jìn)行増雨作業(yè)，從而改善福州空氣質(zhì)量。

③以改善空氣質(zhì)量為目的的增雨作業(yè)潛力日，煙爐作業(yè)點建設(shè)高度大多都高于云底高度，即煙爐作業(yè)點建設(shè)高度合理。