湖州市降水對顆粒物濃度的影響分析

邱 杰 胡景波 吳 彬 陳峰云

（湖州市氣象局 浙江湖州 313000）

引言

大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態和液態顆粒的總稱。通常所指的大氣顆粒物為可吸入顆粒物，分為PM10、PM2.5和PM1。雖然大氣氣溶膠顆粒只是地球大氣成分中含量很少的部分，但它對空氣質量和人體健康有重要影響，而且顆粒物越小對人體健康的危害越大，除對人體健康的影響外，顆粒物還會對能見度、太陽輻射、云和降水等造成重要影響。大氣中的顆粒物濃度不但與污染源排放有關，也受氣象條件影響。唐家翔[1]、孫蓉花[2]、孫歡歡[3]、呂麗莉[4]分別研究了海口、烏魯木齊、成都和蘭州地區顆粒物濃度的變化趨勢以及與氣象因素的相關性。研究發現，在污染源相對穩定的前提下，氣象要素如降水、相對濕度、風速和氣溫等是影響大氣污染物濃度變化的重要因子，其中降水是最主要的因素之一，同時也是大氣污染物去除的重要途徑。

近年來如何有效降低氣溶膠濃度已是當今社會關注的熱點之一。很多部門希望通過人工降雨來減少顆粒物濃度，達到降低污染的目的。但是降水過程本身對氣溶膠具體清除作用有多大，對哪些粒徑的氣溶膠有明顯清除作用，目前還缺乏系統的分析和普遍共識。吳進[5]、韓力慧[6]、蘇正軍[7]分析了北京地區降水對氣溶膠粒子的影響.劉靜[8]、李芳[9]、王妮[10]、周彬[11]分別分析了阜新、西安、重慶、無錫降水對大氣污染物的清除效果。董群[12]分析了降雨對不同粒徑氣溶膠粒子碰撞清除能力。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，與蘇州、無錫隔太湖相望。湖州東部為水鄉平原，湖州西部以山地、丘陵地形為主，旅游資源豐富。本地政府對人影作業改善空氣質量期望值很高，作為人影作業的具體操作者，很有必要研究湖州地區的降水對顆粒物濃度的降低效果及凈化過程的影響因素，將研究結論應用到實際的操作中，這樣有利于人影作業時間和用彈量的選擇。本文利用湖州站的大氣成分數據，結合常規氣象觀測數據，通過降雨前后氣溶膠濃度的變化情況，分析降雨過程中氣象要素對氣溶膠清除作用的影響。

1 觀測數據

1.1 觀測地點和觀測儀器

湖州國家基本氣象站建于1956年1月，位于東經120度03分、北緯30度52分，站內除常規觀測要素以外，2008年開始酸雨觀測，觀測儀器為上海儀電科學儀器股份有限公司的雷磁牌PH計和電導率儀，本站每年參加國家局組織的酸雨考核，從未出現不合格的情況。2014年3月開始觀測大氣成分，觀測地點距離觀測場50米，儀器型號為Grimm180，主要上傳PM10、PM2.5、PM1數據，探測環境良好，數據穩定可靠。

1.2 數據來源和完整性

由于國家級臺站月報表里20時至次日08時不記錄降水的具體時間，因此無法準確統計降水的起止時間。本文統計的降水起止時間來自酸雨月報表，酸雨月報表里的夜間降水起止時間是值班員根據當天夜間的氣象要素變化情況、降水自動觀測結果等多方面因素判斷得出，與實際情況比較接近。風向、風速和降水量均取自對應時段的國家站數據。湖州站的大氣成分數據采集時間間隔為5分鐘，本文中把降水起止時間最接近的大氣成分數據作為顆粒物濃度開始和結束的數據。

2 結果與分析

2.1 近4年降水過程前后顆粒物濃度變化情況

本文分析的時間段為2014年4月至2018年3月，在這期間湖州站一共觀測到273次降水過程，再結合降水起止時段的顆粒物濃度數據分析，其中PM10上升了73次，PM2.5上升了82次，PM1上升了85次，至少一種顆粒物濃度指標上升的過程共有88次。

2.2 初始濃度對顆粒物濃度影響效果

將 PM10、PM2.5、PM1 的初始濃度以 50μg/m3和 100μg/m3為界限分成三個區域分別分析上升和下降情況，分析結果如表1所示，三者在不同初始濃度下上升的比例有明顯差異，但總體變化趨勢一致，均是初始濃度越大，降水之后上升的比例越小，說明降水在高顆粒物濃度情況下“去污”作用越明顯。

表1 不同初始濃度下顆粒物濃度上升情況

2.3 降水強度對顆粒物濃度影響效果

將每次降水過程的總降水量除以降水的持續小時數，求得這次過程的小時平均降水量，這個指標有利于分析一次降水過程的平均強度。統計所有顆粒物濃度上升的降水過程，發現有68次平均小時降水量不超過1.0mm，超過1.0mm的只有20次，說明較小的平均小時雨量會增大顆粒物濃度上升的概率。

2.4 風向風速對顆粒物濃度影響效果

圖1 顆粒物濃度上升的降水過程平均風向玫瑰圖

利用湖州站記錄的風向風速數據，將降水時段內的風向取平均，在求平均過程中考慮了風向“過零”的情況，求得的平均風向是真實的。如圖1，夏半年，顆粒物濃度上升的最多的是西南風，冬半年中西北風情況下濃度上升情況出現較多，這也可能與北方的污染物隨風南移有關。平均風速的分析結果與風向類似，在夏半年，降水過程中的平均風速越大，濃度降低越明顯，在冬半年西北風的情況下，風速與顆粒物濃度下降程度的正比關系不明顯，較大的風速本身“去污”能力較強，但帶來的污染物可能也較多。

2.5 固態降水對顆粒物濃度影響效果分析

近4年中湖州站一共有6次固態降水過程，顆粒物最終濃度上升的有3個，在降水過程中濃度有過上升變化的有5個。

圖2 2018年24日至28日降雪過程中顆粒物濃度變化曲線

如圖2為2018年24日至28日降雪過程的變化曲線。24日14時05分開始降中到大雪，顆粒物濃度有個短暫的上升，隨后開始下降，到26號凌晨降雪停止，26號晚上降雪天氣恢復，但強度稍弱。顆粒物濃度降雪停止時在低值區波動，恢復降雪后開始大幅上升，然后持續在高位波動，直至降雪停止。上述例子說明降水過程中顆粒物濃度上升與降水形態有很大關系。

2.6 近4年人工增雨效果分析

2014年4 月至2018年3月湖州共進行了20次人工增雨作業，其中6次顆粒物濃度不降反升。具體分析這6次降水過程，有5次是在12-2月，1次在3月，基本都發生在冬半年。還有共同點就是起始顆粒物濃度均在50左右，平均小時降水量都小于0.5mm。綜合以上分析，在湖州地區人工增雨的效果最好的是春夏兩季，秋冬季節效果較差。

近幾年湖州及周邊地區大型活動要求的人影保障工作基本都集中在秋季，結合以上分析，為了更好的控制顆粒物濃度，要求人影作業在規模上要擴大，要增加作業隊伍和用彈量，甚至要升級作業設備，比如大批量使用“燃氣炮”設備，增強對低空云系的作業效果，才能達到有效降低顆粒物濃度的目的。

結語

（1）以50μg/m3和100μg/m3為界限分成三個區域分別分析上升和下降情況，顆粒物濃度初始值越大、降水強度越大的降水過程“去污”效果越明顯。

（2）風向風速與顆粒物濃度變化也有一定關系。冬半年的降水過程還要考慮北方污染物的輸送強弱，當有固態降水時，顆粒物濃度的變化與降水相態的變化有一定關系。

（3）我們在選擇人工影響天氣作業時機的時候應該參考上述結論，選擇出適合作業的天氣過程，制定相應的作業計劃，重點需要考慮作業規模與用彈量，這樣才能將人影作業在凈化空氣方面的效果最大化。