城市霧霾污染特征及其氣象成因研究

姚志平　謝勇　胡瑞　王華

關(guān)鍵詞：霧霾污染；氣象成因；污染物濃度；空氣質(zhì)量指數(shù)；能見度

中圖分類號：X513 文獻標志碼：B

前言

霧、霾均是近年來全國各大城市普遍出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象，但二者并不相同。霧是由水汽積聚而成，具有能見度低于1km的特點，當能見度處于1～10 km范圍可視其為輕霧，其核心成分是水。霾，俗稱灰霾，大氣中漂浮的大規(guī)模細小顆粒物呈規(guī)律性、均勻性分布，當大氣能見度低于10 km后即表現(xiàn)出混沌不清的特征。通常認為霧天的大氣穩(wěn)定度較高，同時也為污染物提供了凝聚條件，因此，霧與污染相伴發(fā)生。各類污染物的大量排放，對自然生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，由于細顆粒氣溶膠可被人體吸人，因此會為人體健康和各類生物生存帶來嚴重威脅。近年來，隨著污染問題的持續(xù)惡化，霧霾天氣數(shù)量呈增長發(fā)展趨勢，且時間呈持續(xù)性變化特點。

王耀庭等人針對北京發(fā)生的重大霧霾污染事件，分別從北京環(huán)境監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站獲取污染物濃度數(shù)據(jù)、氣象因素數(shù)據(jù)，在對污染空間分布、傳輸路線及污染源進行分析的同時，利用風廓線雷達數(shù)據(jù)等實現(xiàn)其污染成因的分析。周述學等人針對華東地區(qū)的一次具有范圍大、持久性特點的霧霾污染天氣，通過對其氣候異常特征、地面氣象因素、邊界層特征等方面進行分析，闡述了引發(fā)霧霾污染的氣象原因。針對城市霧霾污染問題的日益加劇，文章提出城市霧霾污染特征及其氣象成因分析。

1城市霧霾污染特征分析

1.1數(shù)據(jù)來源

研究城市霧霾污染特征及其氣象成因，以吉林長春市2016年12月份的重大霧霾污染為例，此次霧霾天氣具有污染強度大、持續(xù)時間久的特點。因此，文章將此次霧霾污染作為研究，從環(huán)境監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站獲取所需污染物數(shù)據(jù)信息及氣象要素數(shù)據(jù)信息，主要對霧霾污染期間顆粒污染物PM_2.5、PM₁₀、氣體污染物NO_2.5、SO₂濃度變化規(guī)律進行分析，并結(jié)合空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI）研究長春市的霧霾污染特征，從能見度、降雨量、相對濕度、風速、溫度等氣象因素方面完成氣象成因的分析。

1.2城市霧霾污染期內(nèi)空氣質(zhì)量分析

針對吉林長春市2016年12月的霧霾污染，通過AQI指數(shù)分析長春市霧霾污染期間的空氣質(zhì)量，分析可知，從12月4日開始長春市空氣質(zhì)量持續(xù)走低，已達到中輕度污染等級，12月10、11兩日空氣質(zhì)量處于重度污染等級，12月7、9兩日霧霾污染程度最高，達到嚴重污染等級，此次霧霾污染持續(xù)一周左右，是長春市有史以來經(jīng)歷的霧霾污染中最惡劣的一次，空氣質(zhì)量達到歷史最低。

1.3城市霧霾污染期內(nèi)各污染物濃度特征分析

采集吉林長春市霧霾污染期間各個空氣質(zhì)量監(jiān)測站的PM_2.5、PM₁₀、NO₂SO₂污染物數(shù)據(jù)，分析可知，在12月3日后，各霧霾污染物濃度曲線呈不斷增大趨勢，除SO₂污染物之外，其余三種污染物濃度在12月7、9日分別走向次高峰、最高峰，且PM_2.5、PM₁₀的污染濃度曲線具有相似性特點，NO₂、SO₂的日均值濃度曲線總體表現(xiàn)出類似性。霧霾污染期間，PM_2.5的日均濃度均高于120μg/m³，至12月7日其濃度上升至一個小高峰，8日濃度值有所下降，9日其濃度值處于巔峰，達到465.2μg/m³，當天的AQI指數(shù)為360，對應的空氣質(zhì)量等級為嚴重污染，之后幾日的PM_2.5濃度呈小幅度波動后，于12月12日降至120μg/m³。PM₁₀濃度曲線與其保持相似變化。霧霾污染期內(nèi)NO₂濃度總體呈上升趨勢，在9日時升至最大值，之后不斷減弱。SO₂濃度曲線與NO_2.5濃度曲線類似，但未出現(xiàn)大幅度波動，相對更加平穩(wěn)。

1.4城市霧霾污染期內(nèi)氣象要素特征分析

能見度是衡量霧霾污染程度的重要指標，所以，通過對不同氣象要素影響下能見度指標進行分析，反映城市霧霾污染情況。

1.4.1霧霾污染期大氣相對濕度的特征分析

由吉林長春市大氣監(jiān)測站獲取此次霧霾污染的監(jiān)測結(jié)果，霧霾污染發(fā)生前，長春市的能見度為11902m，從12月4日開始長春市出現(xiàn)嚴重的霧霾污染，能見度迅速降低至1388m，此后隨著霧霾污染程度的不斷加劇，能見度持續(xù)走低，12月9能見度達到歷史最低，不足50米，對市民出行造成嚴重影響，10日后霧霾污染處于消退期，能見度不斷增高。此期間內(nèi)大氣相對濕度不斷增大，至12月9日其值已從最初的32.5%增長至79.8%。霧霾污染后期相對濕度回落至最初水平，如圖1所示霧霾污染期內(nèi)能見度及大氣相對濕度的走勢。通過回歸分析對這兩個特征的關(guān)聯(lián)性進行反映，相對濕度不斷增大，能見度呈下降趨勢變化，二者具有反比關(guān)系。結(jié)果見圖2。

1.4.2霧霾污染期內(nèi)的風速特性

通過分析不同能見度下的風速變化趨勢，確定霧霾污染期內(nèi)的風速特征，隨著霧霾污染程度的不斷惡化，能見度呈下降趨勢變化，此過程風速具有逐漸減弱性特點，霧霾污染發(fā)生前的風速為3.1m/s左右，12月7日已達到嚴重污染等級，能見度僅為50米左右，此時風速降至1m/s左右，至9日隨著霧霾污染情況的更加惡化，風速僅為0.7m/s。通過對風速、能見度進行回歸分析發(fā)現(xiàn)二者的變化關(guān)系，二者表現(xiàn)為正比關(guān)系，當霧霾污染情形嚴重，能見度越來越低，風速隨之減小。結(jié)果分別見圖3、圖4。

1.4.3霧霾污染期內(nèi)的溫度特性

通過分析霧霾污染過程中的溫差改變反映其溫度特性。長春市的霧霾污染于12月13日徹底結(jié)束，其能見度上升至10290 m，在霧霾污染過程中，各日溫差的變化趨勢為：在霧霾污染加劇過程中，長春市各日的溫差總體呈增大規(guī)律變化，9日后霧霾污染逐漸減弱，各日溫差逐步下降，至12月13日霧霾污染完全消退后，溫差下降至最低值。通過對溫差與能見度進行回歸分析，研究二者的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者具有反比變化規(guī)律，霧霾污染越嚴重，能見度水平越低，溫差變化越大。

2城市霧霾污染的氣象成因分析

獲取吉林長春市2007年-2016年同期歷史地面氣象數(shù)據(jù)，分別從不同氣象要素角度進行研究，分析此次霧霾污染的氣象成因。如圖5所示歷史同期能見度變化分析結(jié)果。由圖5得出，從2013年后長春市的空氣質(zhì)量不斷下滑，2016年能見度為近年來最低水平。通過分析2007年-2016年同期的降雨量、相對濕度、溫度、風速地面氣象的變化闡述霧霾污染氣象成因。降低大氣氣溶膠的方式主要依靠濕清除，通過該方式可實現(xiàn)大氣的自潔凈處理。通過降雨可使大氣中50%的氣溶膠得以清除。長春市此次嚴重霧霾污染事件發(fā)生時間正值冬季，此階段降雨量低，普遍由氣溫驟冷引起，日均降雨量不足2mm·d^-1。發(fā)生嚴重霧霾污染的2016年的降雨量未達到歷史同期平均值，無法滿足大氣氣溶膠自凈條件，卻提高了大氣相對濕度，氣溶膠粒子隨著大氣濕度的增大而發(fā)生膨脹現(xiàn)象，使其顆粒物濃度不斷增大。相比2009年大氣濕度的歷史同期最低值，此次嚴重霧霾污染的大氣濕度上升了29.8%，達到76.2%。此值已高出當?shù)爻苯恻c，是引發(fā)霧霾污染的原因之一。不同氣象因素變化規(guī)律對比分析結(jié)果見圖6。

大氣污染物在風的作用下發(fā)生傳輸轉(zhuǎn)移，避免大量污染物積聚，實現(xiàn)污染物含量的稀釋，其速度一旦高于平衡風速，細顆粒物PM_2.5的清除性能更大，占有突出優(yōu)勢。霧霾污染期的風速均值較低，無法實現(xiàn)大氣污染物的稀釋，其積聚性能更突出，造成大氣污染物大量聚集。能見度最高的2009年也具有最高的風速，高風速對大氣污染物的稀釋作用更大。而污染物的擴散方向則由風向決定，決定了大氣污染物的水平通量。通過查閱相關(guān)資料顯示，長春市歷年風向多為偏北方向，其頻率為49%，與之相比，偏南風向少，頻率為35%。而2016年的風向則以偏南為主，頻率上升了8.6%左右，且風速發(fā)生大幅度降低。風速條件的改變表明該年氣候偏暖，氣溫較高，對大氣污染物的清除產(chǎn)生不利影響，為霧霾污染埋下禍根。氣溫的變化可揭示長春市冷空氣的強度，冷空氣強度隨著其值的增大而降低，冷空氣強度越大，對大氣污染物的清除效果越好。至2011年以后，長春市平均氣溫逐年升高，2016年平均氣溫升至歷年同期最大值。高氣溫、低風速是引發(fā)霧霾污染的又一原因。

3結(jié)束語

城市霧霾污染受多種因素影響，生產(chǎn)、生活污染物排放量逐步增大，致使城市氣象因素發(fā)生較大變化的同時，影響城市上空大氣氣溶膠的積聚，城市交通、工業(yè)、生活產(chǎn)生的大氣污染物不斷在城市上空聚集，會對環(huán)境熱輻射能量進行吸附，并生成大氣逆輻射，使郊區(qū)污染物積聚到城市中，造成城市大氣污染日益惡化之外，對霧霾的產(chǎn)生起到了推動作用。文章對長春市霧霾污染期間內(nèi)的氣候特征進行分析，并從不同氣象因素方面研究其氣象成因，結(jié)果表明：隨著霧霾污染程度的加劇，PM_2.5、PM₁₀、NO₂、SO₂污染物濃度呈上升趨勢。能見度與相對濕度、溫差變化成反比關(guān)系，與風速正相關(guān)。長春市降雨量、風速、溫度、相對濕度等氣象因素的變化是引發(fā)霧霾污染的成因。