2020, Vol. 46 
2. 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081
2. Key Laboratory for Cloud Physics of China Meteorological Administration, Beijing 100081
人工影响天气是指在适当的天气条件下，通过人工干预，使天气过程向符合人类愿望的方向发展。1946年美国科学家Schaefer(1946)和Vonnegut (1947)相继提出, 可以在冷云中通过播撒干冰或碘化银(AgI)的方法，适当增加云中的冰晶数量，促使降水的形成。该方法的提出开创了人工增雨作业的历史，并一直受到一些国家政府和公众的重视，其科学基础已被大量室内实验、数值模拟和外场试验所证实。同时，人工影响天气在试验及效果综合评估、高性能遥感探测装备的应用、催化模式及应用、作业装备研发改进等四个主要方面取得了不少进展。我国的人工影响天气工作始于1958年，目前作业规模为世界之首(毛节泰和郑国光，2006；郑国光和郭学良，2012；洪延超和雷恒池，2012；段婧等，2017)。2018年，全国30多个省(区、市)开展了人工影响天气作业，使用飞机70架次，高炮和火箭作业点18057个，人工增雨作业目标面积可达490×104 km2，人工防雹可影响作业面积53×104 km2。
开展人工影响天气作业以来，曾经使用过几十种播云催化剂。有无机物质，也有有机物质，包括冰核、凝结核与致冷剂(吴兑，2005)。目前国际上人工影响天气作业催化剂主要有AgI类催化剂、致冷剂和吸湿性催化剂三大类。致冷剂主要包括干冰(固体二氧化碳)、液态二氧化碳和液氮等速效致冷剂。干冰和液态二氧化碳可使局部降温到-78.5℃，使得云中云滴冻结和水汽凝华产生冰晶。该类催化剂播撒后很快成为二氧化碳气体，它是空气的组成部分。液氮可使局部降温到-196℃，同样使得云滴冻结和水汽凝华产生冰晶。液氮播撒后成为氮气，也是空气的组成部分，不会对生态环境产生污染。吸湿性催化剂主要为氯化钠、尿素和硝酸铵等物质，这些物质具有强吸湿性，可在低于水面饱和条件下吸湿凝结增长。我国以前曾大量使用氯化钠播云，最多的年份耗用近300 t氯化钠，可能会造成土壤的盐渍化，对农作物也会有损害; 而且氯化钠、氯化钙、石灰都是具有一定腐蚀性的物质, 对生态环境有负面影响。尿素和硝酸铵对土壤有一定肥效。目前我国的吸湿性催化剂用量极少，对环境的影响可以不予考虑。
AgI常温下为亮黄色无臭粉末，熔点为558℃，沸点为1505℃，汽化冷凝后形成微小的AgI晶粒，温度更高时AgI可分解成离子，遇冷再结合成AgI粒子。AgI中的银离子(Ag+)为重金属，有一定的毒性。我国最新颁布的《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会, 2017)，在非常规指标及限值的毒理学指标中增加了银的标准。适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水的标准是银的含量不超过50 μg·L-1，这与世界卫生组织规定的饮用水标准一致(World Health Organization，2004)。AgI被认为是不溶于水的(溶解度常数为10-9 g·g-1)，游离的Ag+在自然环境中非常容易形成不溶于水的化合物，从而大大减小对环境的影响，因此Ag+几乎不可能通过陆地或水中的食物链积聚，达到能危害生物和动物的程度。
AgI是迄今所发现的最好的人工冰核物质, 它具有成冰阈温高和成核率高的优点, 同时作为化合物时毒性较低且用量少。除去它的晶格常数与冰晶十分接近外, 还由于它能通过高温产生高度分散的冰核气溶胶粒子, 大大提高了单位质量AgI所产生的冰核数。虽然某些无机和有机物也具有良好的核化冰晶性质, 但在高温下会分解, 只能用机械粉碎的方法来分散, 无法产生细小的粒子, 因而很难达到像AgI那样高的成核率(酆大雄，1991)。
AgI类催化剂主要由AgI及助溶剂和助燃剂组成，其播撒方式主要包括爆炸、燃烧溶液、燃烧焰剂和喷洒水溶胶等方法。机械分散的AgI粉末成核率很低, 因此获得AgI冰核气溶胶的方法主要采用燃烧AgI丙酮溶液或含AgI的焰火剂。通过燃烧方法获得的AgI气溶胶粒子尺度范围为0.005~0.3 μm。1 g AgI催化剂在-10℃环境下可形成1013~1014个冰晶核(酆大雄等，1995)，可从云的上风方、云底甚至地面燃烧播撒。
本文首先对多年来国内外利用AgI开展人工增雨(雪)、人工防雹外场试验和业务作业时获得的降水、土壤及湖泊中Ag+含量的调查和研究结果进行分析总结，然后统计我国AgI用量，分析评估人工影响天气中AgI对水资源和环境可能造成的影响。碘是人类所需的食物营养成分，所以研究AgI对环境和人体的影响，主要研究Ag+的影响。由于人工防雹的作业播撒比较集中，且催化剂用量一般较大，防雹催化影响区域中Ag+含量或许会高于人工增雨雪的含量，所以本文分别对两种催化目的AgI影响研究进展进行总结分析。
1 人工增雨雪AgI催化影响研究国际上早在20世纪60年代就开始了关于人工影响天气播撒AgI对环境影响的研究(表 1)，研究人员通过检测催化后雨雪中Ag+的含量，及土壤、湖泊和河流中Ag+含量，结合理论计算，分析其对环境可能的影响(Warburton and Maher, 1965；Kharkar et al, 1968; Warburton and Young, 1968；Parungo and Robertson, 1969；Standler and Vonnegut, 1972；Warburton，1973；Freeman，1979；Lacaux and Warburton, 1980；Stone, 1986；2006；Stone et al, 1995; Potapov和赵国庆, 1995；Warburton et al，1995；1996；Sánchez et al，1999；Williams and Denholm, 2009；Korneev et al, 2017；Fisher et al, 2018)。我国也从20世纪70年代开始对催化降水中Ag+含量进行检测(表 1)，并检测水库中Ag+含量，分析AgI催化对环境的可能影响(陈历舒和王道藩，1983；曾光平等，1989；吴兑，2005；赵习方等，2006；2007；2008)。
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表 1 多个国家人工影响天气催化降水中Ag+含量检测结果 Table 1 Ag+ concentration detection of precipitation by artificial seeding in several countires |
Warburton and Maher (1965)在澳大利亚东部飞机人工增雨雪催化的14个观测点收集雨雪样，催化后63个样本的降水中Ag+含量在0.003~0.048 μg·L-1(表 1)，平均值为0.007 μg·L-1。而在非作业时段该区域没有检测到Ag+ (Warburton and Young, 1968)。在美国科罗拉多州北部人工催化降雪的73个雪样中Ag+浓度约为0.01~8 μg·L-1，平均为0.95 μg·L-1(Parungo and Robertson, 1969；Standler and Vonnegut, 1972)。1984—1985年在美国内华达州通过地面燃烧炉进行人工增雪，并在降雪个例中收集2 cm深的雪样，分析催化后0.5~3 h或更长时间的Ag+含量，得出85%催化雪样的Ag+浓度高于背景浓度(0.002 μg·L-1；Warburton et al，1995；1996)。
2003年以来美国爱达荷能源公司在爱达荷州，利用布设在Payette的17个地面燃烧炉和两架飞机进行人工增雪催化作业(图 1)。在2015、2016年的2个降雪季中，在平行于平均风速和垂直于平均风速的方向，共布设了35个取样点，获取了超过4000个雪样，对14个增雪个例进行取样分析。催化后雪样中Ag+含量一般在0.005~0.025 μg·L-1 (表 1，图 2)，最大浓度为0.08 μg·L-1，而对比区的178个雪样的Ag+背景浓度为0.001 μg·L-1。对3个催化个例和1个自然降雪个例进行了实时连续取样，发现20%~75%的催化时段内Ag+含量明显增加，有时仅在短时间内可出现Ag+含量增加的现象(图 3)。Ag+的分布可以延伸到下游的60 km，少量可达70 km的范围(Fisher et al, 2018)，在催化下游100~200 km(图 1红色十字)的Ag+浓度很少超过0.002 μg·L-1。
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图 1 美国爱达荷州催化作业和取样点分布 (引自Fisher et al, 2018；红/紫三角：地面燃烧炉，实线：飞机催化航线，蓝色圆点：降水Ag+取样点，红色十字：下游取样点，黄色圆点：主要城市，白色圆点：对比取样点) Fig. 1 Idaho of United State uses ground generators (red/purple triangles) and aircraft (lines) to deliver AgI [Fisher et al, 2018; sampling sites in and around the Payette River Basin were targeted for precipitation enhancement (blue dots); sites downwind of operations were sampled as well (red crosses); Major cities: yellow dots; site 1 (white dot) was the sole control site for this project] |
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图 2 图 1中站点4(a)、站点7(b)和站点3(c)Ag+浓度(单位：ppt，1 ppt=10-12)分布 (引自Fisher et al，2018；CEF：地壳富集因子数) Fig. 2 Concentration (unit: ppt, 1 ppt=10-12) distributions of Ag+ at Site 4 (a), Site 7 (b) and Site 3 (c) of Fig. 1 (Fisher et al, 2018; CEF:crustal enrichment factor) |
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图 3 图 1中站点5(a)和站点6(b)Ag+浓度随时间的分布 (引自Fisher et al, 2018；红色：地面燃烧炉播撒时段，黄色：飞机播撒时段) Fig. 3 Two real-time sampling results from Site 5 (a) and Site 6 (b) of Fig. 1 (Fisher et al, 2018; red bar: ground generator, yellow bar: aircraft) |
我国在20世纪70年代开始关注催化降水中的Ag+含量，并开展了Ag+的检测，结果认为其对环境影响微乎其微(吴兑，2005)。1978—1980年夏秋, 在湖南省中西部高炮增雨试验区设置雨水采样点5处，进行Ag+含量分析(陈历舒和王道藩，1983)。在炮点及雷达站等采样点, 根据雨强大小, 每个样品水量不少于150~200 mL，连续采样，而其余采样点则对每块自然云的降雨过程取1~2个水样，共分析自然降雨40份，Ag+含量最大值为0.18 μg·L-1，平均Ag+为0.026 μg·L-1。作业雨水样品208份，Ag+含量最大值为0.65 μg·L-1，平均为0.046 μg·L-1。3年催化雨水中Ag+均大于自然雨水的含量。
1975—1986年在福建省古田水库利用“三七”高炮携带AgI进行人工增雨, 试验单元取3 h时长，在1982—1985年间共进行96次随机试验(其中催化47次)(曾光平等，1989)。图 4给出了催化作业点试验区及降水取样点分布，每个水样约10 mL，用原子吸收法对77个雨水样品Ag+含量进行测定。结果得出催化后降水中Ag+含量为0.004~0.01 μg·L-1，而在对比区的自然雨水中Ag+含量为0.0038~0.0042 μg·L-1，催化雨水高于自然雨水的含量，但仍然远小于50 μg·L-1的饮用水标准(图 5)。
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图 4 福建省古田水库地区的催化作业点和 两个试验区及降水取样点分布 (曾光平等，1989; ●：自记雨量点，○：人工观测雨量点，◆：雷达位置，★：Ag+含量观测点) Fig. 4 The location map of seeding sites, two experimental areas and precipitation sampling sites in Gutian Reservoir of Fujian Province (Zeng et al, 1989; ● :automatic rain gage stations, ○ :rain gage stations, ◆ :radar locations, ★ :Ag+observed sites) |
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图 5 试验区石塔山(黑实线)、长桥(黑虚线)和屏南(点划线)三个取样点Ag+随时间的分布 (曾光平等，1989) Fig. 5 Temporal variation of Ag+ concentration at Shitashan (solid line), Changqiao (dashed line) and Pingnan (dot dash line) sampling sites (Zeng et al, 1989) |
北京市2002年12月至2003年3月在尖子山进行地面燃烧炉人工增雨雪试验，期间在其下风方沿作业点共设20多个采样点作为雪水的Ag+监测点，并对4次人工降雪过程所采集雪水样品进行了Ag+测定及其他化学组分分析(赵习芳等，2007)。其中有2次收集到对比区的自然降雪样。共采集雪水样品213份，其中12份自然雪水样。取样时间从降雪开始到降雪结束，即代表作业后整个降水过程。发现雪水中Ag+浓度在不同天气过程中变化明显，浓度变化与催化剂用量间没有直接线性关系，如图 6所示雪水中Ag+不超过0.13 μg·L-1，虽然明显高于对比区，但仍然远低于我国生活饮用水标准。
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图 6 两次催化降水过程Ag+含量分布 (赵习芳等，2007) Fig. 6 Distribution of Ag+ concentration in two seeding processes (Zhao et al, 2007) |
美国开展了催化后湖泊和河流水域中Ag+含量的变化研究。Freeman(1979)利用科罗拉多高山地区的一个小流域和湖泊研究了Ag+的循环特征。流域中Ag+的来源除了考虑大气沉降和冲刷、地下水渗滤，还特别考虑了播云的影响。对雪、溪流和湖水、地下水、土壤、沉积物、沉积物间质水、水生植物、底栖生物和鱼类等的每月样本进行了两年沉积物中Ag+分析。观测表明Ag+并不局限于局地降水中，在播云后下风方几百千米处仍可检测到银残留物。Ag+浓度在所研究的所有生态系统组成中都显示出明显的季节性变化，这意味着生物积累的部分是变化的。
1980年以来美国对内华达州100多个山脉湖泊和河流水体进行了研究(Stone, 1986)，发现在目标区域水体的降水和湖泊沉积物样品中没有发现高于自然背景的可检测到的Ag+浓度，也没有发现在超过连续50年催化作业后出现Ag+积聚的证据(Stone et al, 1995; Stone, 2006)。没有证据表明AgI会对湖水化学组分产生影响。在内华达山脉的莫凯勒米河流域收集的湖泊和沉积物样品中测得的Ag+与其他天然存在的痕量金属的比较表明，Ag+是来自天然而非人工催化(Stone, 2006)。
从2003年开始，北京市每年夏季在密云和官厅水库区域进行蓄水型人工增雨作业，针对2004年6月至2005年7月汛期(5—9月)的飞机催化人工增雨试验, 对密云水库与白河入口处2个采样点的水质进行定期连续监测，组分测定除Ag+外，还进行了pH值、电导率等共16项检测项目。其中Ag+用原子吸收光谱法测定。检测结果表明，除氨氮外，在作业期所测组分浓度值均小于非作业期；Ag+及化学组分有明显的月变化，作业期为低值，而非作业期为高值，这是由于2005年和2006年的10月中旬至11月底晋冀6座水库集中向北京市输水，密云水库蓄水量增加，使输水后各时段Ag+浓度值与输水前的相应时段比有所降低。水库Ag+平均浓度最高值0.76 μg·L-1(赵习方等，2006；2008)，远远低于国家50 μg·L-1生活饮用水水质卫生标准。
尽管近几年北京的AgI用量比前几年有了一定的增长，如2011年初实施的人工增雪作业中，燃烧了1200多根AgI烟条，每根烟条含AgI约11 g，AgI总用量为13 kg，作业区面积约为1×104 km2，AgI平均用量约为1.3 g·km-2，属于微量(安惠文，2014)。2011年2月9—10日，山东省组织了大规模飞机人工增雨作业，燃烧1000多发AgI烟弹，每发烟弹含AgI 3 g；作业区面积约为7.5×104 km2，AgI用量为0.04 g·km-2；通过对增雨区济南卧虎山水库的检测，Ag+浓度为0.07 μg·L-1(卢培玉，2013)，与作业前检测相比较，Ag+浓度值相对降低，同样是由于作业后水库入库水量增大，稀释了Ag+的浓度。
1.3 人工增雨雪AgI催化对土壤和生态影响研究河北省廊坊市在实施作业10年后，在旧州、仇庄和刘庄3个作业点，根据每个作业点的常规发射方向和发射高度，选取影响区和对比区面积各约50~100 km2范围进行采样，以粉尘作为主要的采样介质，并佐以少量土壤，每个样品重量约5~10 g(刘伯华等，2011)。所取124件粉尘样品中平均含Ag+浓度为74.8 ppb(1 ppb=10-9)，低于全国土壤平均值132 ppb。旧州和仇庄两个观测点作业影响区比对比区略高，而刘庄的作业点影响区反而低于对比区平均Ag+含量。河北省平原区20029件土壤中Ag+含量的历史背景最小值为28 ppb，最大值为83.2 ppb，平均值为73 ppb，其中旧州、仇庄、霸州地区Ag+含量为62~75 ppb，测定值略高于历史背景值。
澳大利亚的人工增雪催化试验研究项目(SPERP)，2004—2009年在澳大利亚新南威尔士州覆盖1000 km2范围，2018年将目标区域扩大至2150 km2，评估AgI催化是否会对环境产生不利影响。每年使用AgI 17.6 kg，地面燃烧炉附近银的浓度为470 ppb，远高于目标区的90 ppb，对SPERP前四年收集的生态毒性监测数据的分析表明，总Ag+的平均浓度远低于任何引起关注的水平，并且认为由此项目使用AgI造成的不利生态毒理学影响的风险可以忽略不计(Williams and Denholm, 2009)。
已经确定的是，某些形式的银可以对低等生物有毒，而不会对高等动物产生毒性(Hampel, 1968)。自20世纪60年代以来，研究了使用AgI播云计划对环境的潜在影响，都得出对于植物和动物没有显著影响的结论(Cooper and Jolly, 1970；Howell, 1977; Tsiouris et al, 2002a；2002b; Williams and Denholm, 2009)。希腊科学家还研究了AgI对植物及其生理、大气降水、浮游生物，动物和人类的影响，得出了类似的结论(Tsiouris et al, 2002a；2002b)。
总的来看，从国内外人工增雨雪的降水中，及土壤、湖泊和河流中的Ag+含量分析表明，AgI人工增雨雪催化不会对环境产生不利影响。美国人工影响天气协会2009年的报告中也认为，迄今为止的所有研究表明，AgI人工增雨雪催化没有产生对环境和人类健康的不利影响(Dennis, 1980；Weather Modification Association, 2009)。
2 人工防雹AgI催化影响研究国际上一些国家对人工防雹作业后的降水、湖泊、土壤及空气的Ag+进行检测，分析AgI催化对环境的影响。到目前为止我国没有开展针对防雹作业的Ag+检测。
2.1 人工防雹AgI催化的降水Ag+分析1968年加拿大阿尔伯塔的人工防雹试验，在冰雹云底上升区利用飞机燃烧AgI焰剂释放AgI约240 g，在预报的降水路径上布点取样分析Ag+浓度(图 7)，28个降水样品中有15个检测到了高于背景浓度(0.005 μg·L-1)4倍以上的Ag+(0.02 μg·L-1)(Warburton，1973)。1977—1978年夏季，瑞士利用俄罗斯火箭对冰雹云进行AgI动力催化人工防雹作业，一颗火箭弹携带84 g AgI，每个对流单体催化3~5颗火箭弹，一个冰雹云单体3.1~3.7 km高度内催化AgI剂量可以达到250 g(Lacaux et al, 1985)。1977年118个非催化区雨水取样的Ag+浓度为0.009 μg·L-1，1978年的414个催化雨水Ag+浓度与背景浓度之比为1.1~40 (Lacaux and Warburton, 1980)。
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图 7 加拿大阿尔伯塔西尔万湖地区飞机播撒轨迹和地面采样点分布示意图 (Warburton, 1973) Fig. 7 Aircraft seeding tracks and surface sampling sites for Sylvan Lake storm in Canada (Warburton, 1973) |
1993—1994年期间西班牙在Leon省利用10个自动地面燃烧炉组成的催化网开展了人工防雹随机催化作业(图 8)，每小时释放200 g AgI，每个催化日大约播撒1.5 kg。在34个观测点共获取了88个催化样本，59个自然降水样本，催化个例中平均Ag+浓度为14.8 μg·L-1，远高于人工增雨雪的Ag+浓度，尽管催化后Ag+含量比非催化的高3倍，但仍然比被认为Ag+污染的值(50 μg·L-1)低很多(表 2；Sánchez et al，1999)。
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图 8 西班牙Leon省人工防雹试验区 (Sánchez et al，1999;条形区域为保护区，黑色三角为地面燃烧燃烧炉，黑色圆点为降水取样点) Fig. 8 The hail suppression regions in Leon of Spain (Sánchez et al, 1999; Triangles represent the location of each generator, striped zone represents the protected area, black dots circles represent the location of the rain gage stations used to collect the samples) |
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表 2 西班牙人工防雹试验催化和非催化区的Ag+浓度分布(Sánchez et al，1999) Table 2 Statistical values for thunderstorms seeded and unseeded in Spain (Sánchez et al, 1999) |
1986—1991年在摩尔多瓦利用AgI开展人工防雹作业，以保护200万hm2的庄稼免受雹灾影响。14年间分别在作业季节之前和之后，每年两次在防雹区内外的100个水库抽取水样，连续9年人工防雹作业区域水体的Ag+浓度为1.7~7.4 μg·L-1，而对比区浓度则为0.9~4.1 μg·L-1(Korneev et al, 2017)，贯穿整个测量时段, 防雹区的Ag+浓度超过了未防雹区浓度。即便如此，考虑到AgI浓度与播撒入大气中的催化总量之间没有相关性，所以防雹区的高Ag+浓度并不能认为是由AgI催化引起的。
2.3 人工防雹AgI催化对土壤和生态影响研究在希腊北部1982—1994年开展了12年人工防雹作业，设立了2个目标区和3个控制区(Tsiouris et al, 2002a；2002b)。通常认为大部分Ag+累积在地面2 cm厚的土壤内，因此防雹作业后对试验中对最上层3 cm内的土壤取样10 kg，24 h烘干后，取50 g土壤进行Ag+含量分析。共获取2507个土壤样本，同时在3个控制区域获取85个对比样本。两个区域的AgI用量很少，在20万、10万hm2面积上播撒量分别为469、361 kg，土壤中Ag+含量分别为44.5和37.2 ppb，与控制区没有被催化影响的区域水平相当(表 3)。观测表明12年的防雹作业，没有对土壤造成银污染。
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表 3 希腊人工防雹试验区目标区及和控制区的土壤Ag+浓度分析的统计结果(Tsiouris et al, 2002a) Table 3 Descriptive stastics of silver concentration acquired after soil sample analysis from the target and control areas (Tsiouris et al, 2002a) |
AgI播撒到空中后，除了一部分AgI粒子被浸没到液态水滴中，大部分AgI粒子在核化前会以气溶胶的形式存在。假如设定AgI气溶胶粒子的大小为0.1 μm，要达到5×104 m-3的冰核浓度以使过冷云中产生巨大变化，则Ag+在空中的浓度为0.1 ng·m-3，比最大允许浓度低10万倍，可以不予以考虑。当然在AgI发生器附近，AgI气溶胶浓度会大很多。若在5 m·s-1的风速下以1 mg·s-1的速率燃烧，在燃烧炉下风方至少50 m外位置的Ag+浓度才能被认为稀释到低于最大允许浓度(Standler and Vonnegut, 1972)。
在苏联的北高加索地区和摩尔多瓦开展人工防雹的季节里，为了确定空气中Ag+的浓度，每日4次用相同的分析过滤器抽取空气，每次总取样体积为5 m3，取样高度离地12 m，分析了催化季节观测站周围30 km范围内大气中Ag+浓度，得出AgI的浓度的变化与催化剂的用量不相关，表明催化对空气中AgI气溶胶浓度产生的影响不明显。在北高加索地区为6.4×10-5~8.3×10-5 μg·m-3，在摩尔多瓦则为0.001~0.043 μg·m-3，这个值比空气中最大允许浓度(10 μg·m-3)小几个量级。
所以，基于过量催化的原理，一般来说人工防雹的AgI用量会多于人工增雨雪的用量，但从上面的分析得出，人工防雹催化后降水、湖泊河流(表 1)和土壤及空气中Ag+含量仍然在安全的范围，不会对环境造成污染。
3 我国AgI播撒量统计和影响估算 3.1 我国AgI播撒量统计基于2016年和2017年全国飞机和地面作业情况，计算了不同催化设备的AgI用量。地面催化设备的AgI含量分别按照每根烟条20 g、每发火箭弹20 g和每发高炮炮弹1 g进行计算。2016年我国AgI年使用总量为4773 kg，2017年为4229 kg，美国在1996年AgI总量为3000 kg(Eisler，1996)。表 4给出了2016年和2017年全国不同催化设备和不同催化目的AgI催化用量。从地面和空中作业来看(图 9)，地面作业占AgI播撒总量的80%左右，其余为飞机作业播撒量。地面作业中火箭播撒的AgI贡献了总量的50%以上，炮弹释放量占20%左右，而地面AgI烟条占比低于10%。从催化目的来看，2016年地面作业中以防雹为主，占总播撒量的57%，而在2017年人工增雨催化用量有所增加，略微超过人工防雹的催化剂用量，同时火箭播撒的AgI用量占总播撒量的50%以上。
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表 4 2016年和2017年不同设备的AgI催化量(单位：kg) Table 4 AgI seeding mass by different devices in 2016 and 2017 (unit: kg) |
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图 9 2016年(a)和2017年(b)全国AgI催化量占比 Fig. 9 AgI seeding ratios by different devices and aims in 2016 (a) and 2017 (b) |
由于地面作业是AgI的主要播撒源，按照地面作业影响区域和播撒量，结合地区年降水量计算了我国作业省份每平方千米和体积降水内AgI的量，评估AgI对环境的影响。各省作业影响面积按照地面作业点数量和作业影响面积进行估算，地面作业点(火箭和高炮)按照10 km的半径计算影响面积。
统计了2016年我国30个省(区、市)的AgI用量(表 5)。从播撒量来看，新疆、云南和陕西是我国播撒量最大的三个省(区)(图 10)，新疆年播撒量近1.4 t，约占全国播撒量的30%，但因其区域面积最大，单位影响面积的AgI含量为1.47 g·km-2。对比来看，北京虽然不是播撒量较大的地区，但由于其影响面积仅为1.7×104 km2，所以单位影响面积AgI用量远高于其他各省(区、市)，达到4.59 g·km-2。进一步结合各省(区、市)年降水量，计算单位降水Ag+浓度后结果又有不同(图 11)。总的来看，新疆虽然播撒量最大，但由于其较大的区域面积和很低的年降水量，使得其单位降水Ag+浓度为0.01354 μg·L-1；虽然北京单位影响面积AgI用量最高，但因其较大的年降水量，单位降水Ag+浓度仅为0.00422 μg·L-1，这比前面提到的2002年和2003年以来在北京采样水库或降水测得的浓度值低1~2个数量级(赵习方等，2006；2007；2008)；湖南和福建的估算值也低于观测值1~2个量级(陈历舒和王道藩，1983；曾光平等，1989)，主要是因为不同于单点采样，这里的计算是平均了影响区域面积和考虑年降水量的综合结果，估算值低于观测值一方面可能是催化剂的影响范围并没有达到预估影响范围的结果，另一方面可能是计算中使用了全年总降水量，而有些区域催化时段并不覆盖整年，导致计算值偏低；甘肃因最低的年降水量，单位降水Ag+浓度为0.01532 μg·L-1，是所有计算各省(区、市)的最大值。各省(区、市)综合结果的最大值远小于饮用水的安全标准，因此并不会对环境产生不利影响。
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表 5 我国作业省(区、市)的AgI用量 Table 5 AgI consumption of seeding provinces in China |
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图 10 2016年我国开展地面催化的AgI播撒量 Fig. 10 AgI consumption of ground seeding for several provinces in China in 2016 |
4 结论和讨论
国际上人工影响天气催化剂主要有致冷剂、吸湿性催化剂和AgI类催化剂三大类。AgI广泛应用于人工影响天气作业。
国内外相关科学研究表明，人工防雹作业中Ag+浓度虽然远高于人工增雨雪产生的Ag+浓度，但总的来说人工影响天气作业产生的Ag+浓度低，对环境的影响远低于世界卫生组织饮用水中Ag+浓度(50 μg·L-1)的安全标准，土壤及空气中Ag+含量也在安全的范围。
近几年我国人工影响天气外场作业的AgI播撒量超过4000 kg，其来源以地面催化作业为主。利用年降水量和地面作业影响面积，估算地面催化的单位降水中Ag+浓度，认为当前我国降水中Ag+浓度远低于国际和国内水环境质量标准，不会对环境产生不利影响，也没有证据表明人工影响天气作业会对生态环境产生长期的累积不利影响。
为了更好地评估催化引起的环境影响，在以后的人工影响外场作业中，应该继续开展催化降水和湖泊河流等的Ag+浓度检测和土壤Ag+浓度检测，并进一步关注AgI在大气中扩散的情景，从而更好地评估催化对水资源和环境的影响。
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