人工影響天氣消除霧霾可行性研究

羅兆威 肖瀛川 黃聞 周燕

摘? 要：這幾年，伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快以及工業(yè)的迅速發(fā)展使得生態(tài)環(huán)境越來(lái)越惡劣，其中的霧霾天氣問(wèn)題更是引起了高度重視。文章主要將現(xiàn)今對(duì)于人工影響天氣消減霧霾的方法進(jìn)行進(jìn)一步論述，特別是針對(duì)樂(lè)山地區(qū)的氣候氣象特征，提出有針對(duì)性的措施。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，科技水平的不斷提高，將會(huì)有更多更加有效的消減技術(shù)出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：霧霾;天氣;人工影響;消除

中圖分類號(hào)：X51? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0054-04

Abstract： In recent years， with the acceleration of China's urbanization process and the rapid development of industry， the ecological environment has become worse and worse， and the haze weather problem has attracted much attention. This article mainly discusses the current methods of reducing the haze by artificial weather， and in particular， proposes targeted measures in response to the climatic and meteorological characteristics of Leshan area. It is believed that with the development of technology and the continuous improvement of scientific and technological level， more and more effective reduction technologies will emerge.

Keywords： smog; weather; artificial impact; elimination

1 概述

空氣中的霧霾顆粒與霧氣結(jié)合形成的特殊現(xiàn)象即為霧霾。霾是大量極為細(xì)小的顆粒，聚集過(guò)多時(shí)就會(huì)使能見(jiàn)度急劇下降，霧霾還會(huì)使得本來(lái)能見(jiàn)度已經(jīng)很低的空氣變得更低。自從2013年開(kāi)始至今，中國(guó)多個(gè)城市連續(xù)出現(xiàn)霧霾天氣，政府及社會(huì)各界就開(kāi)始關(guān)注這件事。

2 霧霾的成因分析

霧霾的形成既有“源頭”，也有“幫兇”，這就是不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件，一旦污染物在長(zhǎng)期處于靜態(tài)的氣象條件下積聚，就容易形成霧霾天氣。霧霾形成有三個(gè)要素：

一是生成顆粒性揚(yáng)塵的物理基源。我國(guó)有世界上最大的黃土高原地區(qū)，其土壤質(zhì)地最易生成顆粒性揚(yáng)塵微粒。

二是運(yùn)動(dòng)差造成揚(yáng)塵。例如，道路中間花圃和街道馬路牙子的泥土下雨或潑水后若有泥漿流到路上，一小時(shí)干涸后，被車(chē)輪一旋就會(huì)造成大量揚(yáng)塵，即使這些顆粒性物質(zhì)落回地面，也會(huì)因汽車(chē)不斷駛過(guò)，被再次甩到城市上空。

三是揚(yáng)塵基源和運(yùn)動(dòng)差過(guò)程集聚在一定空間范圍內(nèi)，顆粒最終與水分子結(jié)核集聚成霾。目前來(lái)看，在我國(guó)黃土平高原地區(qū)350多座城市中，霧霾構(gòu)造三要素存量相當(dāng)豐裕。

2.1 人為因素

首先，大量工廠的出現(xiàn)。我國(guó)工廠數(shù)量在改革開(kāi)放之后迅速增長(zhǎng)。工廠向空氣中排放出的未經(jīng)過(guò)處理的黑煙，一定程度上是霧霾天氣產(chǎn)生的主要原因。其次，汽車(chē)排放尾氣的原因。伴隨著我國(guó)私家車(chē)數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，私家車(chē)排放出的尾氣基本都是化石燃料，硫化物、氮氧化物等污染物直接排放到空氣中去，給霧霾天氣的產(chǎn)生提供了直接的基礎(chǔ)條件。此外，建筑粉塵已經(jīng)成為空氣中霾顆粒的主要來(lái)源，并且TSP會(huì)在這些城市的大氣中尤為突出。

2.2 氣象因素

霧霾的形成，除了有人為因素形成的霾之外，氣象條件也占據(jù)著極大的比例。氣象因素不僅僅只是溫度、濕度等，更包括風(fēng)向、風(fēng)速等。

平面擴(kuò)散主要取決于風(fēng)速，在風(fēng)速較小的情況下污染物的擴(kuò)散會(huì)減緩?，F(xiàn)代城市建筑建造得越高，間距就越小，從而阻塞了從郊區(qū)或者城市外流經(jīng)城市的氣流，使穿堂風(fēng)變成了靜風(fēng)，極其不利于懸浮在空氣中的顆粒物的擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒物聚集在一起，一旦氣候條件合適便會(huì)形成霧霾天氣。另一個(gè)影響的氣候因素就是逆溫層。逆溫層就好比覆蓋在城市上空的鍋蓋，屬于高空中的氣溫高于低海拔地區(qū)氣溫的現(xiàn)象，從而限制了低海拔大氣中空氣向上的垂直運(yùn)動(dòng)。懸浮在空中的粒子很難漂移得更高，在低空和地面附近被阻擋，形成薄霧。

3 樂(lè)山市人工影響天氣消除霧霾的路徑分析

3.1 樂(lè)山市氣候背景

樂(lè)山以山地丘陵為主。全市以靜、小風(fēng)為主，年均風(fēng)速約1.1m/s。年降水量在1200毫米左右，降水主要集中在6-9月，降水的時(shí)空分布極不均勻。冬半年， 樂(lè)山市受干冷氣團(tuán)控制，盛行偏北季風(fēng)，由于秦嶺的屏障作用，冬季干燥，降雨少，沒(méi)有嚴(yán)寒。夏半年受海洋暖濕氣流影響，盛行偏南風(fēng)，暖濕氣流受到西部山脈所阻時(shí)，被迫抬升，成云致雨，使樂(lè)山市夏季氣候具有無(wú)酷暑、濕度大、降雨多的特點(diǎn)。

3.2 樂(lè)山地區(qū)空氣污染氣象條件

樂(lè)山空氣質(zhì)量的分布狀況與樂(lè)山的氣候條件有很大的關(guān)系，冬春季空氣污染日數(shù)增多也與氣象條件密切相關(guān)。

（1）逆溫是空氣溫度隨高度增高而增加的大氣垂直層結(jié)現(xiàn)象，我市冬半年出現(xiàn)頻率高。低層大氣逆溫直接影響空氣污染物的垂直擴(kuò)散，致使污染物不能向上擴(kuò)散，只能向下蔓延，從而加重地面空氣污染。

（2）我市年均霧日58天，最多的一年達(dá)到101天。霧天常伴有近地層逆溫，空氣濕度大，如果連續(xù)多日，會(huì)造成地面污染物堆積，形成“煙霧”。

（3）研究表明，污染物濃度與風(fēng)速平方成反比，風(fēng)速越大越有利于污染物質(zhì)的水平稀釋擴(kuò)散，反之則會(huì)使近地面層的污染物質(zhì)不斷地增加。樂(lè)山市年均約1.1m/s，屬我國(guó)靜、小風(fēng)高頻區(qū)。

3.3 樂(lè)山市人工影響天氣消除霧霾的具體路徑

從2016年12月開(kāi)始至2018年12月，樂(lè)山市氣象局人影辦在冬半年多次開(kāi)展人工增雨作業(yè)，現(xiàn)在對(duì)近三年的情況做一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析。

2016年12月共4次過(guò)程進(jìn)行了人工增雨作業(yè)，實(shí)現(xiàn)有效降低空氣污染3次，其中兩次是在冷空氣影響盆地過(guò)程中實(shí)行的人工增雨作業(yè)，在有風(fēng)和明顯降水的情況下，作業(yè)效果更加明顯，而且冷空氣影響過(guò)程中的極大風(fēng)速超過(guò)了5m/s，在風(fēng)雨共同作用下，有效降低了空氣污染指數(shù)。而另一次有效降低空氣污染指數(shù)是以降水為主，降水量超過(guò)了1mm，也就是濕沉降作用，而風(fēng)速較弱，過(guò)程只是減弱空氣污染指數(shù)。剩余一次是在明顯逆溫層下作業(yè)，以求打破逆溫形成降水，降低污染氣象指數(shù)，但是逆溫層一直存在，而且濕度層較低且濕度較小，也沒(méi)有出現(xiàn)極大風(fēng)速超過(guò)5m/s的風(fēng)，因而作業(yè)出現(xiàn)了失敗。

結(jié)合表2樂(lè)山市2017年人影作業(yè)過(guò)程空氣污染環(huán)境指數(shù)與日氣象要素表來(lái)看，樂(lè)山市于2017年進(jìn)行了多次人工增雨作業(yè)，所取得的效果及條件具體分析如下。

1月份進(jìn)行了一次人工增雨作業(yè)，此時(shí)受冷空氣因素的影響，氣溫比較低，極大風(fēng)速在5m/s以上，有弱降水但無(wú)量，在風(fēng)的作用下，空氣污染指數(shù)明顯下降。

2017年2月兩次、3月三次、4月一次、10月兩次人工增雨過(guò)程當(dāng)中，都具備如下共同條件：溫度有明顯下降，極大風(fēng)速在5m/s以上，（四月的兩次風(fēng)速在4m/s以上），尤其是2月的兩次人工增雨作業(yè)其風(fēng)速為8m/s，這十分有利于清除空氣中的污染。在降雨量方面，3月三次、4月一次、10月兩次人工增雨過(guò)程中都有降雨出現(xiàn)，最低降雨量都在3mm以上，2月的兩次人工降雨當(dāng)中其當(dāng)日降雨量為4.2mm，在一定的極大風(fēng)速與有效的降雨相互配合之下，這幾次人工增雨作業(yè)所取得的效果都比較顯著，持續(xù)時(shí)間也比較長(zhǎng)。

2017年11月有兩次空氣污染過(guò)程實(shí)施了人工增雨作業(yè)，但是一次有降雨量，有效降低空氣污染指數(shù);一次沒(méi)有明顯降雨量，沒(méi)有明顯效果降低空氣污染。有降雨這次過(guò)程實(shí)施了兩次人工增雨作業(yè)過(guò)程，有效的降雨，配合一定的極大的風(fēng)速，有效地降低了空氣污染指數(shù)，但是持續(xù)的降雨，使空氣污染指數(shù)降低到一定程度而維持。另一次沒(méi)有明顯的降雨過(guò)程，雖然極大風(fēng)速也是超過(guò)4m/s，但是不能使空氣污染指數(shù)明顯下降，只是略有減弱作用。

2017年12月針對(duì)兩次空氣污染過(guò)程實(shí)施了人工增雨作業(yè)，一次弱降雨但無(wú)量，另一次有明顯降雨。兩次過(guò)程都出現(xiàn)了超過(guò)6m/s的極大風(fēng)速，對(duì)空氣污染指數(shù)的降低有非常明顯的作用。

結(jié)合2018年人影作業(yè)過(guò)程空氣污染環(huán)境指數(shù)與日氣象要素表來(lái)看，我們可了解到，2018年，樂(lè)山市通過(guò)人工增雨作業(yè)的方式來(lái)降低空氣污染指數(shù)的作業(yè)當(dāng)中，11月一次、12月三次的人工增雨作業(yè)都達(dá)到了降低空氣污染指數(shù)的目的。這幾次作業(yè)都具備一些共同的條件;極大風(fēng)速均在5m/s以上，且出現(xiàn)了降雨，一次降雨量在10mm以上，最少降雨量也在2mm以上。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，這幾次的人工增雨作業(yè)不僅效果突出，而且維系時(shí)間也比較長(zhǎng)。相比之下，1月份的4次人工增雨作業(yè)雖然有效的減弱了污染，空氣污染指數(shù)也明顯下降，不過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，作業(yè)后的效果只維持了兩天而已，這可能與1月份的人工增雨過(guò)程當(dāng)中并未出現(xiàn)過(guò)降雨有關(guān)。由此可見(jiàn)，在有降雨和風(fēng)的共同配合時(shí)讓空氣污染指數(shù)下降的低，并且維持的時(shí)間久，尤其是在污染指數(shù)達(dá)到中度污染或是輕度污染以上的時(shí)候更是如此。此外，2018年2月共進(jìn)行了兩次人工增雨作業(yè)，風(fēng)速均在5m/s以下，且當(dāng)時(shí)的盆地內(nèi)為均壓場(chǎng)，還是弱輻合風(fēng)場(chǎng)，有利于空氣污染物的累計(jì)，導(dǎo)致這兩次人工增雨作業(yè)并未取得良好效果，空氣污染指數(shù)甚至有所上升。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，在人工增雨作業(yè)降低空氣污染指數(shù)的多次作業(yè)過(guò)程來(lái)看，風(fēng)和雨是必不可少的因素，主要考慮以下幾個(gè)條件：（1）有效的降雨條件，降雨盡量要大一些，能達(dá)到5mm以上為佳;（2）有降雨還需要有效的極大風(fēng)速，達(dá)到5m/s以上，有效的大風(fēng)能效增加空氣流動(dòng)，使空氣污染物快速擴(kuò)散降低;（3）作業(yè)前要選擇空氣污染指數(shù)盡量在輕度污染以上的時(shí)候，這樣配合著天氣條件能有效的降低，在污染指數(shù)接近優(yōu)良的時(shí)候降雨對(duì)清除空氣污染有效但是效果并不明顯。另外，對(duì)比分析比較不同降雨量的影響，可以發(fā)現(xiàn)，降雨量越大，對(duì)空氣質(zhì)量改善的效果越好，如2018年11月15日的人工增雨過(guò)程當(dāng)中，降水量是1.4mm，PM2.5的質(zhì)量濃度是32%，而11月16日的人工增雨作業(yè)過(guò)程當(dāng)中，降水量為7.2mm，PM2.5的質(zhì)量濃度則降到了14%。結(jié)合數(shù)據(jù)分析來(lái)看，極大風(fēng)速越大，那么人工增雨作業(yè)的效果就更為明顯。以2018年1月15日與1月16日的人工增雨作業(yè)來(lái)看，這兩次作業(yè)過(guò)程當(dāng)中都未出現(xiàn)過(guò)降雨，但15日的PM2.5的質(zhì)量濃度是141%，16日的則降到了49%，這與16日的極大風(fēng)速（6.1m/s）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15日的極大風(fēng)速（3m/s）是密切相關(guān)的。

總而言之，選取適合的天氣條件（如風(fēng)速、降雨和溫度），進(jìn)行人工增雨作業(yè)，能夠有效降低PM2.5質(zhì)量濃度，改善環(huán)境空氣質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]艾洪福.基于MLR模型的霧霾天氣預(yù)測(cè)研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2019，39（22）：148-150.

[2]任毅，郭豐，高聰聰.京津冀城市群霧霾污染的時(shí)空特征與影響因素[J].首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，21（06）：80-91.

[3]周亞麗，江召兵，彭軼群.人工影響天氣消減霧霾試驗(yàn)研究[J].價(jià)值工程，2019，38（30）：256-259.

[4]趙顯彬，廉袆.蘭州市霧霾治理現(xiàn)狀研究[J/OL].中國(guó)建材科技：1-2[2019-12-03].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2931.TU.20191

023.1015.026.html.

[5]周勇.煙氣直接噴淋冷凝可協(xié)助消除霧霾[N].聯(lián)合日?qǐng)?bào)，2019-10-16（003）.

[6]姬溶婧.基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的霧霾治理研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J].河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（05）：27-36.

[7]宋本忠.淺談山西霧霾的成因及對(duì)策[J].山西化工，2019，39（05）：131-132.

[8]王小輝.城市霧霾天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（10）：71-75.

[9]王永光.大氣霧霾污染的原因及防治對(duì)策[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019（09）：23.

[10]溫香彩.消除霧霾：“天幫忙”，更要“人努力”[N].人民政協(xié)報(bào)，2015-12-17（003）.