人工增雨对长江三角洲地区地表细颗粒物（PM2.5和PM10）清除作用的影响

《Journal of Environmental Sciences》：Impacts of artificial cloud seeding on surface PM 2.5 and PM 10 scavenging in the Yangtze River Delta

人工影响天气通过增强降水促进PM湿清除，研究显示降雨强度超过阈值时PM2.5清除效率提升10-16%，PM10达25-29%。飞机播云实验证实AgI诱导冰晶释放潜热加强对流，使局部PM浓度显著下降。模型模拟显示在900平方公里区域降水增加9万吨，但整体PM清除率仅1%。研究表明靶向云播种可改善地面降水和PM湿清除，其效果受微物理-动力学反馈驱动。

　　

作者：贾兴孙、岳涛、叶乐孙、刘卫国、赵书文、史月琴、李杰、杨洁帆

中国气象局（CMA）天气修改中心，北京100081，中国

摘要

人工增雨作为一种直接增强降水量的方法，以及间接降低地面颗粒物（PM）浓度的方式，近年来因其改善空气质量的潜力而受到越来越多的关注。我们对2022-2023年长江三角洲北部（徐州和宿迁）的PM观测数据进行分析后发现，当降雨强度超过某个阈值时，PM的湿去除效率呈线性增长；而气体污染物的清除效率则与降雨无关。在2023年上海世博会期间于宿迁进行的飞机增雨实验中，AgI（银碘）诱导的冰核作用触发了冰晶的沉积增长，释放的潜热增强了局部上升气流，并促进了后续的凝结尾和融化过程。增雨后的观测数据显示（3小时周期内），降水量为0.1-0.3毫米/小时，PM₁₀和PM_2.5分别减少了25%-29%和10%-16%，尽管风速较低，但仍表明增雨影响了PM的清除。结合观测数据的模型模拟显示，在约9,000平方公里的区域内，降雨量增加了90,000吨。然而，整个区域的PM减少幅度较小（<1%）。在上升气流较强的区域（>0.5帕/秒），PM的减少效率更高：900平方公里内减少了1%，100平方公里内减少了4%-5%，局部区域（40平方公里）内减少了超过10%。这些结果表明，有针对性的云播撒可以改善地表降雨和PM的湿沉降，其效果受到微物理-动力反馈机制的驱动。

引言

大气颗粒物（PM）污染长期以来一直被视为一个关键的环境问题，因为它对空气质量、能见度、人类健康和地球辐射平衡有负面影响（Brunekreef等人，2002年；IPCC，2021年；Pathak等人，2024年；Shrivastava等人，2017年）。过去十年中，中国实施了一系列严格的排放控制政策，包括2013年启动的《大气污染防治行动计划》，这些政策显著降低了全国范围内的PM浓度（Amritha等人，2024年；Zhang等人，2019年；Zhou等人，2021年）。尽管排放量有所减少，但停滞的气象条件仍导致频繁的PM污染事件（An等人，2019年；Zhou等人，2020年）。在寒冷季节，浅层行星边界层（PBL）、地表逆温、弱天气系统和有限的垂直混合作用有利于污染物在地表附近的积累（Wang等人，2020年；Xu等人，2021年）。地表风场的变化也对气溶胶浓度有显著影响：强风有助于水平扩散和污染物清除（Li等人，2023年；Sun等人，2021年），而持续的低风速则有利于本地排放颗粒物的积累以及周围地区老化污染空气的输送，从而导致严重的雾霾事件（Sun等人，2016年；Xu等人，2022年；Zhang等人，2018年）。此外，高相对湿度（RH）通常超过70%-80%，会通过加速吸湿性颗粒物的生长来加剧雾霾污染，这些颗粒物容易吸收水蒸气，体积膨胀并增强光散射（Tang，1996年；Zieger等人，2013年）。这种吸湿性生长还促进了水相化学反应，加速了硫酸盐和氧化有机气溶胶等二次气溶胶的形成（Chen等人，2022年；Xu等人，2017年）。停滞的气象条件，如低风速和高RH，不仅抑制了污染物扩散，还促进了二次气溶胶的形成，导致PM浓度迅速增加和能见度大幅下降（Huang等人，2013年；Li等人，2022年；Sun等人，2013年）。虽然排放量的减少显著改善了空气质量，但在停滞的气象条件下，其效果有限，这突显了需要补充技术来减轻污染积累。

除了水平扩散外，降水带来的湿清除作用是气溶胶的一个重要大气汇，特别是在其他清除途径受到抑制的停滞条件下。湿沉降主要通过两种机制实现：云内清除（降雨沉降）和云下清除（冲刷）。冲刷机制直接作用于近地表的气溶胶颗粒，落下的雨滴通过惯性撞击、布朗扩散和热泳动作用清除颗粒（Seinfeld等人，1998年）。因此，冲刷在去除边界层内的悬浮颗粒方面起着关键作用，并能显著改善地表空气质量。冲刷的清除效率受多种因素影响，包括降雨强度（R）、气溶胶粒径分布、溶解度和环境热力学结构（Feng，2009年；Pryor等人，2016年；Seinfeld等人，2016年）。其中，降雨强度和颗粒粒径通常被认为是最重要的参数，因为它们直接决定了雨滴与气溶胶之间的碰撞频率和收集效率（Henzing等人，2006年；Wang等人，2021b；Zhang等人，2004年）。粗颗粒如PM₁₀由于惯性较大，被更有效地清除，而细颗粒（PM₁）则较少受到冲刷的影响（Andronache，2003年）。大量观测研究表明，在降雨期间和之后，地表PM浓度显著下降，清除效率与降雨率和持续时间呈正相关（Guo等人，2016年；Li等人，2023年）。尽管降水在去除近地表PM方面显示出有效性，但观测到的和模拟的湿清除效率之间存在显著差异。最近的研究表明，全球和区域化学传输模型中使用的细颗粒（如PM_2.5）的云下清除系数通常比基于观测的估计值低一到两个数量级（Ge等人，2021年；Wang等人，2021b；Xu等人，2019年）。这些不确定性强调了加强基于观测的方法以更好地理解自然湿清除过程的必要性。

鉴于降水在气溶胶去除中的重要性，云播撒有潜力通过改变湿清除过程来增强地表降雨量，从而影响近地表颗粒物浓度。云播撒已经发展成一种科学上可行的大气干预技术，这得益于对云微物理的更好理解、多源观测的改进以及高分辨率数值模型的发展。通过向合适的云系统中引入吸湿性或冰核剂，可以实现降水增强，这些物质作为人工云凝结核或冰核，改变云的微物理过程，并通过凝结、沉积、凝结尾和聚合促进水成物的生长（Flossmann等人，2019年；Rauber等人，2019年；Seinfeld等人，1998年）。在冷云中，常用银碘（AgI）来引发异质冰核作用，触发Wegener-Bergeron-Findeisen过程，最终通过冰生长和重力沉降增加降水（Dennis，1980年）。一旦开始，新形成的冰颗粒通过蒸汽沉积和凝结尾迅速生长，聚集成雪粒并在降至0°C以下时融化成雨滴（Pruppacher等人，1980年）。相关的潜热释放增强了局部上升气流，加强了云的动力学，形成了正反馈，进一步加速了水成物的生长和降水效率（Rasmussen等人，2018年；Tessendorf等人，2012年）。

随着中尺度云解析模型和参数化成核方案的成熟，云播撒操作已经从经验性实践转变为可定量评估的干预措施。最初从云室实验中开发的AgI成核参数化方法（DeMott，1995年；Meyers等人，1995年）已成功整合到WRF（天气研究和预报模型）等模型中，允许详细模拟由增雨引起的冰成物演变和时空降水响应（Heymsfield等人，2005年；Liu等人，2016年；Roudsari等人，2020年；Xue等人，2013年）。世界各地的众多观测和建模研究表明，在适当的动力和热力学条件下，特别是在地形云系统和层状云系统中，降水显著增强（Breed等人，2014年；French等人，2018年；Guo等人，2015年；Yang等人，2022年）。飞机、卫星和雷达观测揭示了由增雨引起的微物理和辐射变化，包括冰和降水颗粒浓度的增加、云滴数浓度的减少和可见光反射率的降低以及雷达反射率的增强（Dong等人，2021年；Wang等人，2021年）。基于数值增雨模拟的定量评估表明，AgI增雨可以在增雨路径下游立即使降水量增加高达300%（Liu等人，2016年），平均增强范围为5%至20%（Xue等人，2016年）。在早期的一项研究中，Meyers等人（1995年）结合了数值建模和实地观测，报告增雨引起的降水量增加了0.1至0.7毫米。尽管取得了这些进展，但大多数现有的云播撒评估主要集中在水文结果上，而其对大气环境的潜在影响受到的关注相对较少。特别是，增雨引起的降水通过增强湿清除作用调节近地表PM浓度的程度仍不清楚。改进这一过程的定量理解对于评估云播撒的更广泛环境效果及其在停滞气象条件下的短期空气质量干预作用至关重要。

本研究开发了一种定量方法来评估人工云播撒对地表颗粒物浓度的影响。通过结合多站点地面观测和高分辨率数值模拟，我们首先建立了目标区域内降雨强度与颗粒物清除效率之间的统计关系。然后，我们将这一框架应用于中国国际进口博览会（以下简称上海世博会）期间进行的飞机云播撒实验。在此期间，上海上游的长江三角洲北部（YRD）观测到明显的污染，这促使在该地区实施了云播撒操作。该研究量化了降水增强和地表PM去除效果，从而提高了对云播撒环境综合影响的理解，并强调了其在短期空气质量管理中的潜在作用。

测量和数据分析

为了计算PM清除率与地表降水之间的关系，我们收集了2022年至2023年宿迁和徐州地区的观测数据。从国家环境监测站获得了PM_2.5、PM₁₀和包括臭氧（O₃、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）和二氧化硫（SO₂）在内的气体污染物的每小时质量浓度。同时获得了每小时降雨强度（R）、风速和风向（10米高度）的数据

降水过程中的污染物清除率

图2a展示了2022-2023年宿迁和徐州观测到的颗粒物和气体污染物质量浓度的变化情况。年均PM_2.5和PM₁₀浓度分别为40 ± 33 μg/m³和75 ± 70 μg/m³（± 1σ），在超过10%的监测时间内，浓度超过80 μg/m³（PM_2.5）和140 μg/m³（PM₁₀）时出现了明显的污染事件。气相测量结果显示NO₂（26 ± 18 μg/m³）和SO₂（8 ± 3 μg/m³）之间存在显著差异

结论

本研究开发了一种定量方法，利用观测数据和模型模拟来评估人工云播撒对地表污染物的影响。该方法应用于评估2023年上海世博会期间的一次飞机增雨操作的效果。首先使用2022-2023年徐州和宿迁这两个长江三角洲北部典型城市的PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、CO、O₃和降雨强度的地面观测数据建立了关系模型

未引用的参考文献

Duhanyan和Roustan，2011年；Pathak和Kuttippurath，2024年；Seinfeld和Pandis，2016年；Brunekreef和Holgate，2002年；Wang等人，2021a；Yang和Lei，2022年；Chen和Dudhia，2001年

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可以在在线版本xxxxxx中找到。

CRediT作者贡献声明

贾兴孙：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理。岳涛：撰写——审阅与编辑、资源获取、项目管理、资金争取、概念构思。叶乐孙：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论。刘卫国：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、软件、方法论。赵书文：可视化、方法论、调查、数据管理。史月琴：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国气象局创新与发展专项项目（编号CXFZ2024J029）的支持。