福州烟炉人工增雨作业点布设的合理性研究*

李 岩 林 冰

(福州市气象局,福建 福州 350008)

随着烟炉人工增雨作业技术重大进展，我国自主开发的ZY-2A等远程遥控烟炉研制成功，烟炉人工增雨在全国大部分省份推广应用，取得较好的增雨效果，解决了人工增雨作业中山区交通不便、时机把握不准等难题,使人工增雨作业快捷进行，实现人工影响天气“安全、科学、高效、有序”发展,是继飞机、地面高炮和火箭人工增雨以外的一种新型且比较切实可行的人工增雨方式。它具有不受空域限制，可遥控指挥作业，成本低、指挥环节少、可全天候长时间连续作业、节省人力物力、维护方便等优点。

目前福州烟炉人工增雨主要采用暖云人工增雨作业方式。暖云人工增雨是指在云体内部温度高于0℃或云底以下200m附近播撒吸湿性颗粒物，促使云内云滴谱变宽，产生大滴而引发重力碰并过程，促进雨滴增长，从而实现暖云降水或增大其降水强度[1]。整个过程在云内进行，云随风飘向目标区。福州地处我国东南沿海，以山地丘陵地形为主，山脉海拔高度虽然不高，但相对高度具备地形抬升条件，且水汽充足；烟炉作业点建设高度尽可能处在凝结高度以上，即云底之上，加上烟炉作业点的山体迎风坡产生上升气流，抬升吸湿性颗粒物进入云内，使得云中大于40μm的云滴数量大大增加，诱发重力碰并过程发生，与小云滴碰撞，迅速形成雨滴，引发降水或增大降水强度。

福州市气象局在已建设5个火箭人工增雨标准化固定作业点、10个火箭人工增雨流动作业点和15个地面烟炉作业点的基础上，计划继续增设6-8个地面烟炉作业点，采用地面烟炉与地面火箭互为补充，进一步提升区域人工增雨作业效果和覆盖面。

本文通过计算烟炉作业点凝结高度和分析其地形及风向，探讨福州市以改善空气质量为目的的地面烟炉人工增雨作业点布设的合理性，为今后烟炉作业点布设提供参考依据。

1 资料来源

日雨量资料取自福州市乌山气象站。5个烟炉作业点分别选取闽侯可无仙、青龙、九都村、永泰天台山以及福清牛红山(图1，表1)。烟炉作业点云底高度计算时所涉及的温度、湿度和露点温度数据用烟炉作业点及周边临近代表性较好的自动气象站资料替代(如表2)。为探讨烟炉作业点的风向情况，在烟炉作业点的西面、中部及东面各取一个风向资料完整、连续性和代表性好的自动气象站用来代表烟炉带风的情况，西面取榜上水库(F1205)，中部取九都村(F1230)，东面取青龙山(F1218)，表中以*标注。

图1 福州烟炉作业点位置

表1 福州烟炉作业点地理位置信息

表2 代表烟炉作业点气象资料的自动气象站信息

其中自动气象站建站时间早于2016年的气象资料选取时段为2016—2020年；时间迟于2016年的气象资料选取时段为建站时间至2020年。

2 分析方法与选址原则

2.1 烟炉作业点凝结高度

凝结高度(LCL)是未饱和湿空气块干绝热上升刚好达到饱和的高度，也大致对应于热力对流积状云的云底高度。

世界气象组织(WMO)推荐使用的饱和水汽压逼近公式是世界公认最准确的公式[2]。

对平液面，-49.9℃～49.9℃范围内，

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为水面饱和水汽压(hPa)；T1为水的三相点温度(273.16K)；T是热力学温度(K)。

相对湿度(RH)是空气的实际混合比w与同温度同气压下相对于平纯水面的饱和混合比ws之比(以百分比表示)[2]。

RH=100×w/ws≈100×e/es

为精确计算抬升凝结高度数值，需根据温度随高度的变化，预先得到饱和温度Tc，Bolton在1980年提出云底饱和温度的计算公式[2]：

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

式中，T0和e分别为气块初始温度(K)和初始水汽压(hPa)。

通过使用云底饱和温度值改进抬升凝结高度计算公式，避开了露点温度及其减温率的变化，提高了计算精度，抬升凝结高度Zc(km)[2]：

Zc=(T0-Tc)/Td

式中，T0为气块初始温度,Tc为饱和温度，Td为露点温度。

2.2 烟炉作业点选址原则

(1)地面烟炉暖云增雨作业的关键是借助上升气流区播撒暖云催化剂，因此烟炉作业点需设置在具有一定海拔高度的迎风坡，利用地形抬升产生的上升气流将催化剂带入云中，同时也要考虑其上游区域有一纵深山谷，有助于形成上升气流将催化剂带入云中，且抬升气流运动方向移向目标区。

(2)烟炉作业点还须适当考虑降水云系过境频繁的路径下方交通是否方便。

(3)应在目标区的上风方5～20km范围内。

(4)应在天气雷达监测覆盖范围内。

(5)应具备通讯信号覆盖。

(6)避开洪水、泥石流、山体滑坡等自然灾害频发地，避开沙土和湿地地质，避开腐蚀性气体、工业污染和水污染高发地，远离易燃易爆物。

3 结果分析

根据福州气候特点、地理条件，结合以改善目标区空气质量为目的构想，拟考虑烟炉作业点建设在目标区西南面[3]。降水对空气中污染物有明显的清除作用，当福州市区日雨量大于或等于6mm时，空气污染状况明显改善。为此，选择福州自然日雨量为2～6mm的降水过程作为改善空气质量潜力日进行人工增雨作业，势必会极大改善福州空气质量[3]。

3.1 烟炉作业点建设位置分析

青龙山脉走向是西南西向到东西向,烟炉作业点建在两走向山脉交点，其南面为走向南南东的山谷。当风向为偏南风时,遇山体都可产生上升气流，移向目标区。因此该烟炉作业点选择满足作业要求。可无仙山脉走向是西南-东北，山脉伸向西南，烟炉作业点建在山脉西南转向伸向西的山脊上，其西南方也是深谷，当西风或西北风遇山体都可产生上升气流，移向目标区，该烟炉作业点选择满足作业要求。牛红山其西南方为走向西南-东的山谷，气流沿着山谷都可产生上升气流，移向目标区，烟炉作业点选择满足作业要求。天台山山脉走向是西北-东南，烟炉作业点西南方是山坡，气流遇山坡可产生上升气流，移向目标区，该烟炉作业点选择满足作业要求。九都村山脉走向西北-东南，烟炉作业点其西南方是深谷，气流沿山谷产生上升气流，移向目标区，该烟炉作业点的选择满足作业要求，有作业机会。

3.2 烟炉作业点风向

绘制福州乌山气象站日雨量介于2～6mm时的三个烟炉作业点对应代表自动气象站的2分钟风向玫瑰图(见图2～图4)。可以看出，当福州市区日雨量为在2～6mm时，烟炉作业点西面盛行风向为西南-东北向，W-WS-S向风占27%;中部盛行风向为南南西-北北东，W-WS-S向风占32%;东面，也就是在目标区的南面，盛行风向为南北向，W-S-E向风占32%。因此，福州乌山气象站的日雨量在2～6mm时，5个烟炉开展人工增雨作业的机会比较多，而且通过开展人工增雨作业并沿对应的盛行风向来增加福州市区降水量，从而达到改善福州市区空气质量的目的。

图2 榜上水库2分钟风向玫瑰图

图3 九都村2分钟风向玫瑰图

图4 青龙山2分钟风向玫瑰图

通过上述分析，可以确定烟炉带上的烟炉作业点无论位于西北-东南向、南北向和西南-东北向走向的山体上，其西南面上游都有一深谷且作业点处在山体的迎风坡位置，当气流从深谷汇聚至迎风坡处，就会产生强烈的上升气流，有助于将烟炉作业点播撒的吸湿性颗粒物直接带入云体内，并伴随盛行风向影响至目标区。可见，目前福州市烟炉作业点布设合理。

3.3 烟炉作业点凝结高度

地面烟炉暖云增雨作业的关键在云中或云底部200m处的上升气流区播撒催化剂。当福州日雨量在2～6mm时，福州空气质量的改善效率最高[3]。烟炉作业点高度在降水云底之上记为1，否则记为0，统计福州市日雨量在2～6mm时满足烟炉作业点高度在降水时云底之上的频率。

通过统计分析，当福州市日水量在2～6mm时，青龙烟炉作业点的凝结高度低于烟炉建设高度的概率为97.66%，即97.66%的日雨量为2～6mm的降水过程可满足烟炉作业要求的(表3)；当福州市出现日雨量在2～6mm的降水过程时，烟炉作业点可无仙、牛红山、天台山、九都村的云底高度均低于烟炉建设高度，频率达到100%，作业点建设高度完全满足烟炉作业要求，暖云催化剂能完全在云中上升气流区播撒，烟炉作业点布设合理。

表3 福州烟炉作业点高度在降水时的凝结

综上，当福州出现日雨量为2～6mm的降水过程时，5个烟炉作业点基本都处在凝结高度以上，即都在云底之上，烟炉作业点建设高度合理。

4 结论

①烟炉作业点西南面均有一深谷或山坡，气流沿山坡产生上升气流，利于催化剂进入云区，伴随盛行风向影响至目标区，符合烟炉作业点建设要求。

②当福州出现日雨量为2～6mm的降水过程时，烟炉作业点都有较多机会进行増雨作业，从而改善福州空气质量。

③以改善空气质量为目的的增雨作业潜力日，烟炉作业点建设高度大多都高于云底高度，即烟炉作业点建设高度合理。