引言

在我国，采用飞机、高炮或火箭等作为运载工具，直接向云中某些部位播散催化剂进行人工增雨(雪)的技术已经持续了几十年(汪晓滨等，2005；吴万友等，2012；邹书平，2011；孙鸿聘等，2011；嵇磊等，2014)，已成为我国各级政府防灾减灾、开发云水资源、保障农业丰收和国家粮食安全的重要措施之一。相对飞机(刘晴等，2013；王黎俊等，2013；陈小敏等，2014)、火箭等(李红斌等，2014)手段进行人工增雨(雪)作业而言，碘化银地基发生器具有作业成本低，指挥环节少，不受空域限制的优点(秦长学等，2003)，但其安放位置和作业时机要求较高。申亿铭(1994)认为催化剂发生器的安放位置设计有两种方案，一是将其放置在距催化目标上风方十几千米到40千米左右的地方(视风速大小而定)；二是放置在距影响区较近的山脊、山坡上或放置在催化剂目标周围，发生器放置的高度已接近云底或已在云中，这样产生的催化剂质点直接输送入云的过冷部位的可能性比较大。秦长学等(2003)认为把发生器设置在山体迎风坡可缩短催化剂入云输送距离，作业时机则是选择作业时段处于上升气流区。

利用地面发生器进行催化作业，主要研究其对地形云，特别是冬季地形云的影响(Geerts et al，2010；Huggins et al，2007)。美国犹他州(Solak et al，2003)利用地面发生器采用历史目标和控制回归方法研究催化对下风向降水影响发现，影响范围可达150 km，目标区12月至次年3月降水量超出整个季度平均值的14%。受需求推动，近几年国内多个省区布设的地基碘化银发生器多达1000台，但基本上多没有开展前期有关问题的研究，有关作业技术的研究几乎是空白，导致安放位置及作业技术可能存在着随意性和不确定性。

本文结合业务需求，选择河北省特色农业代表性好的保定唐县大茂山作业点的地基碘化银发生器，针对主要降水天气条件下(以地形云为主)人工增雨的作业条件、作业技术进行综合性分析研究，在论证该作业点选址是否科学的基础上，对作业时机、作业条件及其综合判别技术进行研究，以提高地基催化剂发生器增雨作业技术的科学性。本文重点介绍了研究地基碘化银发生器2012年11月10日增雪作业情况，对该个例的催化剂扩散进行了模拟研究，并对其作业条件进行了初步分析。

1 地基发生器简介及资料来源

保定唐县使用的是江西新余BDCW40-1型号的地基碘化银发生器(具体性能参数见表 1)。此次作业过程作业时间段为2012年11月10日08:10—11:30，总共燃烧9根烟条，有效催化时间累计1.8 h，但由于点燃每根烟条之间的间隔时间不固定，并不一定在前一根燃烧12 min后立即点燃下一根，所以此次作业过程共耗时为3小时20分。作业人员使用中心计算机或手机采用无线通讯方法，远程控制终端，根据对当时的云况及移动方向设定烟管点火时间、点火数量，燃烧催化剂，通过烟炉将催化剂释放在空中，并在上升气流的作用下抬升到云中，达到增雨(雪)的作用。发生器安装位置及作业情况如图 1所示。根据发生器工作原理，地基碘化银发生器在作业过程中，可将催化剂焰剂从一定口径在一定时间内连续释放，符合点源排放规律。

在影响河北省自然降水特征的不同类型天气系统研究(游景炎等，1994；吴志会等，2005)中发现，冬季对降水量贡献较大且适宜进行人工增雨催化的主要天气系统为西风槽、冷锋及回流天气。保定市及其周边县位于河北省中部，西邻太行山地，其中大茂山位于唐县、阜平及涞源三县交界处，离唐县西北75 km处，最高海拔1898 m，作业点(39.033°N、114.483°E)设置在大茂山区东部的一个迎风坡上，海拔962 m。受西风槽天气系统的影响，作业点地区的主导风为偏西方向，使得保定市及其周边县市处于作业点的下风向。冬季冷锋过境时，往往伴随偏北风，温度下降，阜平唐县等地处于作业点下风向。回流天气下作业区域受到东北平原南下的冷空气影响，经渤海以偏东路径侵入华北平原，冬季往往造成暴雪，但该地区主要受到偏东大风影响，此时东部县市处于作业点上方向，涞源等地处于下风向。此外，选择大茂山区的一个迎风坡架设，有利于借助地形对气流的抬升而形成上升气流(秦长学等，2003)。

本文研究所采用的是大茂山地基碘化银发生器进行作业的资料，所需气象资料(如风、温等)取距离作业点最近的四要素自动气象站(大约13 km，海拔703 m)观测值，云量资料来自唐县气象站6 h一次的人工观测，海拔73.4 m。探空资料来自美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料(赵天保等，2004)。

2 研究方法

本文研究思路：先将地面气象及对应探空资料输入Aermod软件(杨多兴等，2005)，对作业时间的气象条件进行统计分析，同时采用帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分类法得出不同时间段的大气稳定度状况；再利用高斯公式(申亿铭，1994)及P-G经验式(蒋维楣等，2004)计算扩散曲线。

2.1 Aermod软件简介

Aermod模型是以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布在一定范围内符合正态分布，采用高斯扩散公式建立起来的稳定状态烟羽模型(杨多兴等，2005)。没有涉及干、湿沉降方面的影响，但引入行星边界层等最新的大气边界层和大气扩散理论。该模型可用于多种排放源(包括点源、面源和体源)的排放，也可对乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种排放扩散情形进行模拟(Perry，1998；王伟平等，2002)。

2.2 计算方法 2.2.1 高斯公式

$ \begin{align} & \ \ \ \ \ \ \ \ q=\frac{Q}{2\mathit{\pi }{{\sigma }_{\mathit{y}}}{{\sigma }_{\mathit{z}}}\mathit{u}}\rm{exp}\left(-\frac{{{\mathit{y}}^{2}}}{2\sigma _{y}^{2}} \right)\times \\ & \left\{ \left. \rm{exp}\left[ -\frac{{{\left(\mathit{z}-\mathit{H} \right)}^{2}}}{2\sigma _{\mathit{z}}^{2}} \right]+\rm{exp}\left[ -\frac{{{\left(\mathit{z}+\mathit{H} \right)}^{2}}}{2\sigma _{\mathit{z}}^{2}} \right] \right\} \right. \\ \end{align} $

(1)

式中, q为实际催化剂扩散浓度(单位:g·m^-3)，Q为排放源核生成率(个·s^-1)，σ_y和σ_z分别为y和z轴方向上催化剂质点浓度分布的均方差，即扩散参数，u为x轴上的分风速，H为源高。

2.2.2 发生器排放出口风速计算

由于地基发生器所在站点没有风速的实际测量值，所以采用最近的自动站对应时间观测的风速，推算到发生器所在高度的风速。实际工作中用的较多的方法是指数律和对数律公式(李宗凯等，1985)，而对数律只适用于大气中性平衡或接近中性平衡及高度较低的情况下；指数律公式中幂指数m的变化反映大气层结的变化，可以推广到非中性大气中(植石群等，2001)，适用的高度范围更高。因此本文研究采用指数律(蒋维楣等，2004)进行计算。

作业时段大气稳定度扩散级别的判定方法：首先根据当地经纬度和作业时间计算出太阳高度角，再结合观测云量和地面风速确定太阳辐射等级(具体计算公式见蒋维楣等，2004)，最后根据帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分类法，判定出本次作业时间段10日08:10—11:30内的大气层结处于中性稳定度D。根据附近自动站观测的风速，采用风速幂指数法计算烟囱口风速值(图 2)，幂指数m取值0.15，作业时间段烟囱口风速大部分时间维持在0.3 m·s^-1范围，其中11:00风速增大为1.2 m·s^-1左右；温度波动较小，约为1℃。进一步根据大气温度递减率计算出0℃层高度为1122 m。

2.2.3 抬升高度

源高H为有效源高，包含排放源-如烟囱的自然高度h和烟流的抬升高度Δh，即有

$ H=h+\Delta h $

(2)

式中抬升高度Δh采用国家标准抬升公式(蒋维楣等，2004)。根据图 2中实测风速值判断，符合静风和小风(U₁₀＜1.5 m·s^-1)类别，计算此时烟气抬升高度Δh(m)。

碘化银发生器烟筒几何高度约为6 m，出口直径0.5 m，参照国家烟囱设计规范中确定的典型烟源数据(谷清等，2002)，假设出口烟速5.0 m·s^-1。根据国家标准公式计算出烟气热释放率为57.2 kJ·s^-1，抬升高度为65.8 m，即烟气的有效高度为71.8 m。

3 结果分析 3.1 催化剂扩散模拟分析

选取2012年11月10日利用唐县大茂山碘化银发生器进行增雪作业的个例进行模拟研究。在研究大气扩散时，大气层级的稳定度是很重要的因素。不同的稳定度条件，对作业发生器气流中碘化银的扩散能否进入云中有显著的影响。依据修订帕斯奎尔分类法(简记P·S)判断出此次作业大气处于中性层结状态。

根据2 m³云室(酆大雄，1995)对BR-91-Y型碘化银高效焰条进行成核率实验的结果，-5℃时成核率达到10¹³个·g^-1，-10℃达到10¹⁵个·g^-1；利用CAMS1m³等温云室对5种不同含AgI配方的烟条检测结果表明，一般-5℃时成核率达到10¹¹个·g^-1，-10℃达到10¹⁴个·g^-1(苏正军，2008)。此次作业碘化银排放量为0.056 g·s^-1，本文按AgI成核率10¹⁴个·g^-1进行模拟计算，那么该发生器可产生人工冰核5.6×10¹²个·s^-1，作业燃烧9根碘化银焰条，可产生人工冰核约3.6×10¹⁶个。

图 3为10日作业催化剂垂直及水平扩散图。该作业点位于大茂山上，海拔962 m，作业时烟气有效高度为71.8 m，从而得出模拟时点源高度为1033.8 m。图中催化剂的分布以相对浓度Q^*表示：

$ {{Q}^{*}}=Q/{{Q}_{0}} $

(3)

式中Q₀=10³个·m^-3，为云中冰核最佳浓度。其中相对浓度1.0代表催化剂浓度10³个·m^-3的分布。

11月10日作业过程中大气稳定度处于中性层结状态，从垂直扩散图中看出，有效的AgI浓度(10³个·m^-3)向上扩散范围高达3.0 km，浓度为10⁵个·m^-3的AgI可垂直扩散到高2.3 km，水平影响范围达100 km。在垂直800~1500 m、水平25 km范围有10⁷个·m^-3催化剂高浓度分布区。水平扩散图表明催化剂扩散到地面的高浓度10⁴个·m^-3可扩散到水平40~100 km范围。北京市10月至次年4月0℃层高度月平均值低于2560 m(秦长学等，2003)，10日大茂山作业点上空0℃层位于1122 m处，唐县11月至次年4月产生降水(雪)的多为2500~3000 m的蔽光性层云，所以设置在大茂山上的碘化银发生器催化作业可扩散至云底，其选址是合适的，在冬季进行增雨(雪)作业是可行的。

3.2 作业条件分析

选取2012年11月10日利用唐县大茂山碘化银发生器进行增雪作业的个例进行模拟研究，天气背景为自西南向东北移动的冷涡云系，形成的稳定性降雪过程。降雪实况显示，唐县地区24 h降雪量达到8 mm，为中到大雪；降雪最早出现在10日01时，持续至16时结束，增雪作业时间08:10—11:30，处于降水云系的发展成熟期的中后期。

11月10日08时500 hPa高空图看出这次天气过程为典型的西风槽形势，河套地区存在一低槽，伴随有-35℃的冷中心与之配合。温度槽落后于高度槽，低槽不断加强，并在东移的过程中与南支槽同位相叠加，贯穿中国内蒙古、陕西及湖南等地。此时山西、河北等地处于槽前正涡度平流区，有利于上升运动加强，为降雪的发生和维持提供了良好的动力条件。此次高空系统较为深厚，低槽从高层500 hPa一直延伸至850 hPa，并且呈后倾形势。700 hPa天气图上，11月10日08时低压槽已压至河北上空，随系统东移，槽后强劲的西北风引导冷空气从蒙古地区南下，影响华北平原，中西部平原地区风速从8 m·s^-1增加至14 m·s^-1，温度场跃至-4℃线以北。从850 hPa位势高度与风场综合图上看出，11月10日偏南暖湿气流与西北向干燥冷空气流构成一条较强低空切变带，逐渐压至河北地区上空，此时温度已低于0℃。冷暖空气强烈交馁，有利于云的生成发展和降雪的进一步加强。此外，水汽是形成降水的必要条件，大气中水汽含量越高，越有利于形成较大降水，一般水汽主要集中在低层。850 hPa的水汽输送与降水有直接的关系。从850 hPa MICAPS水汽输送场图(图略)来看，低空存在一致的偏南气流，携带水汽从东海、黄海上空源源不断输送至河北平原地区，水汽通量场上对应一条纵贯南北的水汽输送带。并受西部切变线的作用，水汽在华北平原上空积聚，为降雪的发生和维持提供有利的水汽条件。

在分析降水成因时，不仅需要分析水汽的来源，还要进一步考虑不同方向输送的水汽集中程度，即水汽通量散度A。图 5为NCEP实测的11月10日02—14时850 hPa水汽通量散度变化图。通过分析可看出，850 hPa低空东南气流带来了充沛的水汽，西北气流和东南气流交汇处对应一带状水汽通量辐合区。08时辐合区东移，正好处于大茂山区域，继而产生降雪。14时水汽辐合带继续向东，移出大茂山地带。可见08时作业时水汽条件比较好，此时作业，受到西北气流影响，有利于催化作业后的云系向东发展移动，对东部保定地区的降水产生影响。

当碘化银地面发生器将催化剂释放到大气中，影响催化剂进入云内的关键是作业时间段作业点是否处于上升气流区(秦长学等，2003)，即大气运动状态直接影响催化剂垂直输送能力。利用NCEP资料，图 6给出了11月10日02—14时大茂山作业点(39.033°N、114.483°E)大气的垂直速度廓线图，其中W＜0时表示大气具有辐合上升气流，W＞0表大气辐散下降。10日作业点02时从地面到2.2 km(700 hPa)范围内大气辐合上升，最大上升气流位于850 hPa，为-1.2 Pa·s^-1；到了08时大气对流加强，上升气流区增大至海拔高度3.2 km(600 hPa)，最大上升气流位于800 hPa，为-1.2 Pa·s^-1，海拔高度位于作业点烟囱口高度附近，相比02时，800 hPa以上同一气压高度具有的大气垂直速度增强；而到了14时大气低空主要处于下沉气流区。根据唐县气象站人工观测冬季蔽光性层云云底高度大多处于2700~3000 m。综合分析可见，当日选择08:10—11:30时开始作业，作业时机较好。

4 结论

本文首先介绍了研究地基碘化银发生器增雪过程的处理方法，并选取2012年11月10日唐县大茂山增雪作业的个例进行模拟研究，分析其作业条件。

(1) 先利用Aermod软件对作业时间段的气象条件进行统计分析，采用帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分类法得出该时间段的大气稳定度状况；再利用高斯公式及P-G经验式计算扩散曲线，其中风速采用指数律公式，抬升高度根据国家标准抬升公式。

(2) 通过对2012年11月10日唐县大茂山碘化银发生器进行增雪作业的个例进行模拟研究发现，此次天气背景为自西南向东北移动的冷涡云系，作业时间段大气处于中性层结状态，利用高斯模式模拟得出，有效的AgI浓度(10³个·m^-3)向上扩散范围高达3.0 km，水平影响范围达100 km。

(3) 从天气图及流场图看出，此次作业过程中作业点主要受到槽前西北气流控制，有利于催化作业后的云系向东发展移动，同时受南部切变线影响，水汽源源不断地输送到本地，形成水汽辐合区，对降水产生和维持提供了动力及水汽条件。计算作业点作业时段上空至3200 m均处于上升气流区，并计算出作业点实时温度1.0℃，冬季人工观测云底高度多为2500~3000 m，综合分析此次作业条件较好，可以将催化剂输送到云中，起到催化作用。

(4) 分析结果表明，设置在大茂山上的碘化银发生器，其选址是合适的，对此次冬季降雪进行增雪作业是可行的。实际业务中，为了有效地催化作业，每个地区应根据当地地形及盛行风特点进行地基催化选址作业；在充分研究多年不同类型天气形势基础上，选择最佳作业时机。