2014年北京地區一次嚴重霧霾過程的氣象要素變化特征分析

韓晨超

(呼和浩特市氣象局，內蒙古 呼和浩特 010020)

隨著工業化步伐和城市化進程的加快、經濟社會的高速發展，環境污染問題日益嚴重，對人類的生存環境產生越來越不利的影響。霧霾天氣對氣候、自然環境、交通、經濟等方面均有很大影響。此外，霧霾中的可吸入顆粒物能夠長期懸浮在空氣中，成為大量有害物質的載體，對人類健康所帶來的危害往往高于單一污染物[1]。筆者以2014年北京地區一次嚴重霧霾天氣過程為研究對象，對其地面PM10和PM2.5變化特征和氣象要素變化特征進行了分析研究，以期為更好地理解霧霾天氣過程的特征和形成機制提供依據。

1 地面PM10和PM2.5變化特征

PM10指空氣中空氣動力學當量直徑小于等于10 μm的顆粒物，而PM2.5是直徑小于等于2.5 μm的顆粒物[2]。這些粒子能較長時間懸浮于空氣中，也被稱為可吸入顆粒物，吸入后對人體產生極大危害，在大氣中濃度越高，就表示空氣污染越嚴重。

為了對此次嚴重霧霾事件的污染程度有一個更加清楚的認識，筆者分析了北京10月和11月的1日—15日的PM2.5與PM10的變化情況。如圖1所示，從圖中可以明顯地看出10月7日—11日北京地區的PM2.5和PM10有明顯的增大，為期五天，正是筆者所研究的2014年10月北京地區一次嚴重霧霾過程。從10月7日起PM2.5和PM10均呈上升趨勢，9日達到最大值后逐漸下降。在此過程中最大值出現在10月9日，PM2.5為330 μg/m3，PM10為353 μg/m3；PM2.5最小值出現在7日為139 μg/m3，PM10最小值出現在11日為126 μg/ m3。嚴重霧霾期間PM2.5超出10月PM2.5月均值2.7倍多，PM10超出10月月均值2.3倍多。圖中顯示APEC期間11月5日—12日北京地區PM2.5和PM10最大值出現在11月5日，分別為76 μg/m3和98 μg/m3，PM2.5最小值出現在11月12日為5 μg/m3，PM10最小值出現在11月6日為20 μg/m3。APEC期間北京地區PM2.5最大值比11月PM2.5月均值小1倍多，最小值比11月月均值小17倍多，PM10最大值比11月月均值小近1.3倍，最小值比11月月均值小6倍，可以看出APEC期間北京地區空氣質量較好。對比10月、11月空氣質量可以明顯看出北京嚴重霧霾期間和APEC期間空氣質量有明顯的差異，嚴重霧霾期間比APEC期間PM2.5最高值大4.3倍，PM10最高值大3.6倍。APEC期間實施的交通管制和重點控制區域停止施工等措施控制了北京及其附近地區的污染源，使北京地區空氣質量好轉，出現了短暫的“APEC藍”。高健[3]等研究的《北京2011年10月連續灰霾過程的特征與成因初探》顯示，2011年10月PM2.5月平均值為103.5 μg/m3，PM10月平均值為207.1 μg/m3，4日—13日有一次嚴重灰霾過程，其中PM2.5最低值為60 μg/m3。筆者研究的2014年10月7日—11日嚴重霧霾期間PM2.5最低值為139 μg/m3，10月PM2.5平均值為119 μg/m3，PM10平均值為149 μg/m3。兩者相比較2014年10月PM2.5月均值高于同期2011年的月均值兩倍多，2014年嚴重霧霾期間的空氣質量更差。

圖1 北京地區2014年10月和11月的1日—15日的PM2.5與PM10變化特征

2 氣象要素變化特征

霧霾的產生與氣象要素有一定關系，筆者選取了北京10月嚴重霧霾期間污染最嚴重的9日作為霧霾日代表，APEC期間北京空氣質量狀況良好且較穩定，選取11月9日作為非霧霾日代表，對比分析北京10月、11月的1日—15日溫度和相對濕度資料，10月9日和11月9日位勢高度和風速資料，研究了霧霾日與非霧霾日的氣溶膠光學特性。

2.1 溫度與相對濕度

大氣污染程度與溫度存在一定的線性關系，即溫度越高污染物的濃度也越高。溫度升高，不僅加速了空氣擾動從而有助于各種粒子的擴散，還增加了大氣中污染物的活性并有利于二次粒子的生成。此外，溫度升高，空氣中的粒子布朗運動加劇，粒子間相互碰撞的概率加大，有利于愛根核模態粒子轉化為積聚核模態[4]。從而改變氣溶膠粒子的散射特性，使其對大氣能見度有一定影響。相對濕度增大時，氣溶膠粒子會吸收水汽，粒子的粒徑增大，使氣溶膠的散射系數增加，從而降低大氣能見度。

圖2為北京2014年10月和11月的1日—15日氣溫和相對濕度折線圖。從圖中可以看出，北京地區10月1日-15日最低溫度出現在10月1日和10月13日為11℃ ，最高溫度出現在10月10日為17℃。嚴重霧霾期間，氣溫從10月7日起開始上升，9日為16℃，10日達到峰值后開始下降，13日達到最低溫，與嚴重霧霾期間PM2.5和PM10的趨勢相同，此次污染過程溫度與污染程度呈正相關。11月北京氣溫與10月相比較低，最低溫度出現在13日為4℃，最高溫度出現在11月5日為13℃，APEC期間北京溫度均低于13℃，9日為7℃，6日—12日圍繞7℃上下震蕩。可以看出，北京10月嚴重霧霾期間溫度較高，有利于二次粒子的形成，同時加速氣溶膠粒子的運動，改變氣溶膠粒子的光學特性。圖2中顯示2014年10月1日—15日相對濕度最高值出現在10月4日為89%，最低值為26%出現在10月13日，嚴重霧霾期間相對濕度從6日起開始上升，峰值出現在10月9日為84%，之后開始下降，到13日降到最低。嚴重霧霾期間相對濕度較高。相對濕度與污染狀況呈正相關，嚴重霧霾期間氣溶膠吸濕性使粒子粒徑變大，散射系數增大，大氣能見度降低，與劉瑞婷[5]等的研究結果一致。11月1日—15日北京地區的相對濕度最大值為68%出現在11月8日，最小值為15%出現在11月12日，11月9日相對濕度為57%，APEC期間北京地區的相對濕度較低，大氣能見度較高，空氣質量良好。

圖2 北京2014年10月和11月的1日—15日氣溫、相對濕度折線

2.2 位勢高度與風速

圖3(a)和圖3(b)分別為10月9日和11月9日70°～140°E，5°～55°N 850 hPa位勢高度圖，從圖中可以看出10月9日70°～95°E，30°～55°N為蒙古高壓的局部地區，我國除東部地區外其他地區均受低壓控制，北京地區氣壓較高,平均位勢高度為1 540 gpm～1 560 gpm。11月9日我國西北地區仍受蒙古高壓控制，東北地區受低壓控制，我國中部和東南地區氣壓略高，北京的東北方有低壓中心，氣壓較低，平均位勢高度為1 520 gpm～1 540 gpm。高壓控制時常伴有下沉運動，易形成下沉逆溫，抑制湍流向上發展，不利于污染物的擴散，氣溶膠濃度較高，散射和反射較強，造成視程障礙，大氣能見度低。低壓控制時，易產生上升運動，為中性或不穩定狀態，利于擴散，污染程度低。

圖3 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa平均位勢高度

大氣運動對霧霾的影響主要有兩個：①風對霧霾的輸送，②湍流對霧霾的擴散稀釋。風速的大小決定了霧霾擴散稀釋的程度，風速越大，大氣中粒子擾動和流動的速率也越大，有助于污染物的擴散稀釋和運輸，使污染物的濃度減小。 圖4(a)、(b)分別為2014年10月9日和11月9日平均水平風速分布圖，10月9日北京地區的平均水平風速為0～2 m/s,風速較小，11月9日北京地區平均水平風速為3 m/s～5 m/s，風速較大。圖5(a)、(b)分別為2013年10月9日和11月9日Omega(垂直速度)分布圖，10月9日為-0.02 pascal/m～0.0075 pascal/m，11月9日為0.10 pascal/m～0.12 pascal/m，霧霾日水平風速和Omega均較小，非霧霾日風速較大。與李新妹[6]研究結果相同，高相對濕度和低風速有助于二次氣溶膠的形成，如SO2在空氣中氧化成硫酸鹽氣溶膠，多數無機鹽具有吸濕性，使氣溶膠粒子增大，散射能力增強，使大氣能度降低。

圖4 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa平均水平風速

圖5 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa Omega(垂直速度)分布

3 結論

2014年10月7日—11日嚴重霧霾期間PM2.5和PM10質量濃度明顯升高，最高值分別為330 μg/m3和353 μg/m3，APEC期間11月5日—12日北京地區PM2.5和PM10較低，最大值分別為76 μg/m3和98 μg/m3，嚴重霧霾期間比APEC期間PM2.5最高值大4.3倍，PM10最高值大3.6倍，嚴重霧霾期間北京空氣質量狀況極差，霧霾嚴重。

霧霾日即10月9日北京溫度為16℃，相對濕度84%，平均位勢高度為1 540 gpm～1 560 gpm，平均水平風速1 m/s～2 m/s，Omega(垂直速度)為-0.25 pascal/m～0 pascal/m；非霧霾日即11月9日北京溫度為7℃，相對濕度57%，平均位勢高度為1 520 gmp～1 540 gmp，平均水平風速2 m/s～4 m/s，Omega(垂直速度)為0.1 pascal/m～0.125 pascal/m。高溫、高壓、高相對濕度和低風速有助于二次氣溶膠的形成，吸濕性使氣溶膠粒子增大，散射能力增強，大氣能度降低，霧霾嚴重。