1. 引言
随着经济的发展和城市化进程的不断扩大，污染物的排放量不断增加，污染范围不断扩大，以颗粒物、二氧化硫、氮氧化合物等为主要污染物的大气环境污染问题日趋严重，环境污染对经济建设和人体健康造成了极大危害。
丹江口市地处鄂西北山区，地势呈西北向东南倾斜，丹江口市主要污染天气日数出现冬季(上年的12月到次年的2月)，据2017年1月~2020年3月丹江口市环境监测站数据统计表明：冬季轻度污染以上天气占全年污染天数的55%，主要污染物为PM2.5，其次为PM10，第三位是SO2。因此做好冬季的大气污染防治显得尤为重要。气象条件是影响空气质量的重要因素，国内外已有很多学者就气象条件与城市空气污染的关系进行了研究，取得了很大进展 [1] [2]。也有人专门研究了降水对大气污染浓度的影响，如王艳秋等 [3] 分析了哈尔滨地区降水对大气污染物浓度稀释影响，发现春季降水对污染物浓度影响较大，降水对PM10有较大的稀释作用。李瑞等 [4] 研究发现，乌鲁木齐地区不同等级降雨的清除能力大小排序为：大雨、小雨、中雨、微雨。陈小敏等 [5] 分析重庆主城区人工增雨对空气质量的影响，指出重庆在冬半年开展人工增雨作业后，平均可以让城市空气质量达标天数增加34~62 d。大气清除过程可分为两大类，即干清除与湿清除过程。湿清除过程主要指云雨不停吸收与冲刷大气中可溶气体及气溶胶，云雨带气流上升，低层四周气流向云中辐合，从而将低层四周的气溶胶输送到云雨区清洗。人工增雨是通过播撒干冰、碘化银等催化剂，产生大量人工冰晶，促进降水发生或增加。同时由于冰晶凝华潜热的释放，可以使云体温度提高，促进上升气流的发展，进一步加强成云降雨的过程。由于降水对大气污染浓度有较大影响，人工增雨可以提高云层的降水效率，增加降雨量和降雨时间，从而使得降落的雨滴能够更好更久地对大气污染物进行清洗，因此，人工增雨必将成为改善空气质量的重要手段之一。多地的实践证明 [6] [7]：通过实施人工增雨可以有效地降低PM2.5和PM10浓度，达到改善空气质量目的。
2019年12月23日14时开始，丹江口市空气质量由优良转差，空气质量指数(AQI)连续52小时100以上，峰值出现在24日23时，达到212，属重度污染天气，主要污染物为PM2.5；丹江口市启动污染天气应对预案，并要求气象部门适时开展人工影响天气作业，25日白天丹江口市气象局实施了一次以改善空气质量为目的冬季人工增雨作业试验，本文利用丹江口市空气质量监测站数据、国家气象站地面气象资料、区域自动站降水资料，对此次试验进行了综合分析，以期为后期开展人工增雨改善空气质量活动提供参考。
2. 资料来源
文章所用资料包括2019年12月25日5~23时丹江口市AQI数据和逐时空气质量监测数据，数据来源自丹江口市两个环境质量监测站(分别是城区武当大道站、沙陀营路站)，气象资料主要包括丹江口市国家气象观测站和区域自动站雨量资料。
3. 作业方案制定
3.1. 人工影响天气作业条件分析
25日08时500 hPa图上(见图1)，高原东部为平直西风气流，四川盆地有一短槽东移，700 hPa图上达州到陕南有一竖切变，地面为东路冷空气影响，受高空槽东移、中低层切变线与地面冷空气的共同影响，预报25日白天丹江口市有弱的降雨天气过程发生，降雨量1~2毫米。根据预报，25日白天丹江口市将具备人工增雨作业条件。
Figure 1. 500 hPa height (unit: dgpm) and 700 hPa full anemogram (unit: m/s, the brown line is the shear line) at 08:00 on the 25th
图1. 25日08时500 hPa高度(单位：dgpm)与700 hPa全风速图(单位：m/s，褐色线是切变线)
3.2. 作业阵地的选择
考虑到此次降水云团主要移动方向为自西向东，丹江口市两个空气质量监测站位置位于城区，选择距离城区直线距离10~12公里的上风方作业，可以确保降水影响区域在城区一带，有效降低城区空气中PM2.5与PM10的浓度，达到改善空气质量的目的。根据武汉飞行管制分区2019年批复我市作业空域地点，此次作业选择土关垭、牛河两个作业阵地实施人工增雨作业，具体作业地点与城区环境监测站见图2。
Figure 2. Two operation points, cloud system moving direction and environmental quality monitoring station (green point) on December 25
图2. 12月25日两个作业点、云系移动方向与环境质量监测站(绿点)
3.3. 作业情况与雨量分布
25日上午城区以零星小雨为主，雷达观测云层强度大多在10~12 dBz间，云高3 km左右，属层状云；作业指挥分析雷达资料后指令土关垭、牛河两处作业阵地在11时06~07分以65˚~66˚与55˚~57˚的仰角、方位角220˚~240˚发射火箭弹8枚，作业结束后持续牛毛细雨到晚上20时，选择作业阵地上风方的浪河、丁家营镇做为对比区，土关垭、牛河与城区为影响区，由于此次作业云中水汽含量较差，作业受益区域主要集中在作业阵地范围内，图3给出了作业阵地、对比区与影响区的雨量分布，分析图3可见，此次作业，作业阵地与影响区较对比区的雨量增加了15%~20%。
Figure 3. Rainfall distribution at 11:00~20:00 in operation position, urban area and operation comparison area on December 25
图3. 12月25日作业阵地、城区与作业对比区11~20时雨量分布图
4. 空气质量改善效果分析
降水时段为25日11~20时，持续时间为10小时，据丹江口市国家气象站数据显示：城区降水量为1.6毫米，降水强度范围为0.1~0.4 mm/h，呈多峰结构，平均降雨强度为0.16 mm/h，降水期间平均风速达到1.1 m/s，最大风速达到2.4 m/s。图4给出了丹江口市25日5~23时沙陀营路环境监测站(图4(a))与武当大道监测站PM2.5与PM10逐小时变化图，分析图4：当降水开始时PM2.5与PM10出现先短暂上
Figure 4. Variation diagram of PM2.5 (purple) and PM10 (blue) at Shatuoying Road Station (a) and Wudang Avenue Station (b) from 5:00 to 23:00 on the 25th (unit: ug/m3)
图4. 25日5~23时沙陀营路站(a)、武当大道站(b) PM2.5 (紫色)、PM10 (蓝色)变化图(单位：ug/m3)
升，这与增雨初期的吸湿增长与输入污染物有关；后期呈下降趋势，武当大道监测站数据显示：PM2.5从9时的135 ug/m3迅速下降到降水结束时的54 ug/m3，平均下降速率为6.75 ug/m3；PM10从9时的210 ug/m3下降到降水结束时的92 ug/m3，平均下降速率为9.8 ug/m3；沙陀营路站监测数据显示：PM2.5从9时的123 ug/m3迅速下降到降水结束时的68 ug/m3，平均下降速率为4.58 ug/m3；PM10从9时的175 ug/m3下降到降水结束时的83 ug/m3，平均下降速率为7.67 ug/m3；气态污染物NO2、SO2、CO也呈下降趋势，下降的幅度不一致，分别为33.3%、57.1%、23.8%。以上分析显示：随着降雨量加大，降水时间增加，降水的湿清除作用明显 [5]，降水对PM10的清除能力要明显优于PM2.5。
5. 结论与讨论
1) 本次人工增雨作业过程是在丹江口市出现污染天气条件下开展的，作业工具是WR-98型车载式增雨防雹火箭系统，由于冬季层状云含水量较差，增雨受益区主要是作业阵地附近，增加降水量约为15%~20%。
2) 作业后，空气质量由污染逐渐转好，随着降雨量加大，降水时间增加，降水的湿清除作用明显，降水对PM10的清除能力要明显优于PM2.5。
3) 由于此次作业是丹江口市首次实施人工增雨作业改善空气质量，本文只是简单统计分析了作业后PM2.5、PM10的变化趋势，所得出结论有待多次开展作业后进行对比分析。
4) 由于城区处于人员密集区，可考虑在城区布设地面3~4套远程遥控地面焰条播撒系统，在实施人工增雨作业的时候可以与地面火箭发射系统配合使用，弥补城区内不能开展作业的不足，同时针对城区雾天可以尝试开展人工消雾试验，有效解决地面火箭发射系统在雾日内不利开展作业的问题。