长沙市灰霾天气与气象因子相关性研究

傅 鹏，许雄飞，朱 奕，朱 舟

(长沙市环境监测中心站，长沙 410001)

近年来，随着工业生产的发展和城市人口的迅速增长，城市大气污染日趋严重，这使人民的健康受到了严重的威胁［1，2］，因此我们在发展生产的同时迫切需要保护和改善环境。对一个地区而言，空气污染物浓度主要受污染源排放和气象条件的影响，而在污染源变化相对稳定的情况下，污染物浓度的大小则主要取决于污染气象条件［3，5］。在不同气象条件下，同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍。气象条件与空气质量的关系十分密切［6，7］，为了改善长沙市地区的空气质量，我们很有必要分析灰霾天气与气象因素相关性，揭示灰霾与气象条件、颗粒物等大气污染物之间的内在关系，为建立和完善灰霾污染监测预报预警体系提供科学依据。

1 定义与评价方法

灰霾是一种大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10km的对视程造成障碍的现象［8］。大量极细微的干尘粒用环境术语就是PM2.5，因各地污染情况、气象条件不同，各地环保部门对灰霾日的鉴定也有一定的差别，长沙市环境监测中心站根据国家环境保护部推荐的灰霾污染日判别标准 (试行)，即 PM2.5小时浓度值 ＞75ug/m3，PM2.5/PM10≥60%，能见度≤5km 这种状况持续6 h及以上可鉴定为灰霾日。根据以上条件，长沙市2013年灰霾日为112天。灰霾日主要出现在1月～3月以及10月～12月，占全年灰霾天数的89.3%。

本文采用的数据资料包括空气质量监测数据和气象数据，空气质量资料为2013年1月1号～2013年12月31号长沙市9个国控监测点PM2.5的质量平均浓度，气象资料为同期长沙市气象局地面与高空观测资料。文中的空气质量等级采用国家环保部制定的《环境空气质量指数 (AQI)技术规定》HJ633-2012，空气质量分为Ⅵ级，Ⅰ级为优，Ⅱ级为良，Ⅲ级为轻度污染，Ⅳ级为中度污染，Ⅴ级为重度污染，Ⅵ为严重污染。

2 空气质量状况

2.1 长沙市2013年空气质量概况

长沙市2013年全年空气质量优的日数为44天，占全年总日数的12.05%，空气质量良好的日数为153天，占全年总日数的41.92%，空气质量轻度污染的日数为81天，占22.19%，空气质量中度污染的日数为33天，占9.04%，空气质量重度污染的日数为50天，占13.70%，空气质量严重污染的日数为4天，占1.10%，Ⅲ级轻度污染以上天数共有168天，其中首要污染物为PM2.5的天数163天，占97.02%。逐月空气质量为Ⅲ级以上的日数 (即空气污染日数)见图1。

可见，10月空气污染日数最多，为29天，1月和12月空气污染日数为28天，3月空气污染日数为21天，5月～9月空气质量比较好，其中6月仅有1天污染日，8月没有出现空气污染日。

图1 长沙市2013年空气质量超标天数变化Fig.1 The number of days that the air quality exceeded the standard of Changsha in 2013

2.2 PM2.5浓度逐月变化特征

长沙市2013年PM2.5年均值浓度为83 ug/m3，浓度最低值为23 ug/m3，出现在9月24日，最高值为370 ug/m3，出现在11月23日。各月平均浓度在27～166 ug/m3之间 (图2)，其中 7月平均浓度最低，8月为次低，1月平均浓度最高，10月和12月为次高。

图2 长沙市PM2.5逐月平均浓度变化Fig.2 Variation of the monthly everage concentration of PM2.5in Changsha

3 PM2.5浓度变化与气象因子关系

根据长沙市2013全年空气质量数据统计，灰霾日主要出现在1月～3月以及10月～12月，利用spss软件，分别对1月～3月和10月～12月PM2.5日平均浓度对同一时间的气象因子进行相关系数分析，结果如表1。从表中可以看出，PM2.5日平均浓度与风速和降水量呈显著负相关，并通过显著性检验，与相对湿度、大气压、平均气温相关不明显。

表1 PM2.5日平均浓度与气象因子相关系数Tab.1 Correlation coefficient between daily everage concentration of PM2.5and meteorological factors

3.1 PM2.5浓度变化与风向风速的关系研究

图3 长沙市2013年风4季玫瑰图Fig.3 The wind rose diagram of four seasons of year 2013 in Changsha

风向、风速对大气污染物扩散起着很重要的作用，风向决定着污染物输送的方向，风速决定着对污染物扩散的能力，从图3中可以看出2013年长沙市地面风向平均频率，以NW和SE为主，其中WNW占26.0%，NNW 占11.8%，NW 占10.1%，SE占9.0%，SSE占5.8%，ESE占4.9%，在污染比较严重的1月～3月、10月～12月，其中NW上升到63.7%，，SE只占7.7%，在空气质量很好的6月～8月，NW占18.5%，，SE成为主导风向，占 64.5%。

气象因素不仅影响颗粒物的稀释扩散，还与周边地区污染物的中远距离输送有密切关系［9］。为了更好的结合气象资料了解大气颗粒物的传输过程，利用美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室(NOAA Air Resources Laboratory)的HYSPLIT模型［10］进行了气流高度为500m的168h后向轨迹分析 (Backward Trajectory Analysis)，以了解长沙市夏季非灰霾期和冬季灰霾期大气颗粒物运移轨迹。

图4 长沙市2013年7月8日非灰霾期间后向轨迹Fig.4 The backward trajectories of the non-haze period on July 8th，2013 in Changsha

图4显示从2013年7月8日零点开始往前溯源168h得到2013年夏季非灰霾日500m高度的后向气团轨迹。当日所到达长沙的气团，主要来源于偏南方向。根据轨迹水平分量的长短判断气团移动速度，多条后向轨迹距离长，代表风速较大，大气处在不稳定状态下，有利于污染物的垂直和水平扩散。同时从南部海面传输来的暖湿气团带来了丰富的水汽，形成的降水对颗粒污染物起到了冲刷和稀释扩散作用。

图5较为直观地描述了2013年1月灰霾期间长沙市大气气流运动轨迹。2013年1月7日～1月19日空气质量连续13天达到Ⅴ级重度污染，从2013年1月20日零点开始往前溯源168h，多条后向轨迹反演表明，500m高度的冬季灰霾气团移动轨迹分别主要从西北和东北部方向，经内陆省份最终达到长沙地区。加上气团携带了大量北方省市的浮尘和秸秆焚烧产生的污染物，受此影响，污染物难以扩散，这表明除了本地的污染排放外，外来污染物输入性污染也是导致长沙大气污染的来源之一。

图5 长沙市2013年1月20日灰霾期间后向轨迹Fig.5 The backward trajectories of the haze period on January 20th，2013 in Changsha

长沙市区地面平均风速为1.97m/s，春季平均风速1.98m/s，夏季平均风速2.33m/s，秋冬季平均风速1.68m/s。其中春季静风或小风 (0m/s＜风速 ＜1.5m/s)的 频 率 为 36.1%，夏 季 为11.9%，秋冬季为46.3%。选取连续出现灰霾的10月4日～10月30日为例，这一时期没有降水，风速就就决定了污染物的扩散能力，10月4日～10月14日，日平均风速在0.8～2.5m/s之间，10月15日、16日两天平均风速达到3.5m/s，16日的空气质量才从连续12天的超标污染转为良。10月17日 ～10月30日，日平均风速又在0.7～2.7m/s之间，空气质量又连续16天污染。

PM2.5浓度变化与风向风速有明显的相关性。长沙市区的灰霾日以西北风向为主。PM2.5浓度与风速呈显著负相关，风速越小越不利于大气污染物的输送，特别是静风时非常不利于大气污染物的扩散，容易造成当地空气质量污染，进而形成霾，风速大和湍流强时稀释扩散速度快，污染物浓度就低。在没有降水的情况下，风速达到3.5m/s以上，空气质量才有好转。

3.2 PM2.5浓度变化与降水量的关系研究

表2为长沙市2013年各月分级降水日统计，长沙市2013年降水天数为122天，其中降水量在0.1～1.0mm之间的降水天数占总降水天数的27.9%，在 1.0 ～ 5.0mm 之 间 的 降 水 天 数 占30.3%，在5～10mm之间的降水天数占13.1%，在10mm以上的降水天数占28.7%。

一般研究表明降水对清除大气中的污染物质起着重要的作用，有些污染气体能溶解在水中，同时降水过程还可以起到清除颗粒物的作用。PM2.5浓度变化与降水量有明显的相关性。长沙市PM2.5浓度与降水量呈显著负相关。2013年灰霾天气严重10月、11月、12月降水天数分别为2天、9天、4天，2013年9月29日～10月30日连续32天没有降水，整个10月有29天空气污染达到轻度污染以上，且10月29日、30日出现Ⅵ级严重污染天气。而污染严重的1月降水天数有11天，但其中10天降水是在5mm以下，说明降水量在5mm以下时，污染物的浓度不会有明显的下降。2013年11月11日、12日，降水分别达到 27.7mm、59.1mm，空气质量从前几天的中、重度污染迅速变为优，说明强降水对空气有净化作用，能改善空气质量，污染物浓度迅速下降。同样在空气质量很好的7月、8月降水天数分别仅有1天和3天，可见降水对污染物浓度的影响比较复杂，不同季节、不同时段、不同天气形势下的降水的稀释作用不同。

表2 长沙市2013年分级降水日统计Tab.2 The grading precipitation of Changsha in 2013 (d)

3.3 PM2.5浓度变化与低空逆 (等)温的关系研究

大气稳定度是影响空气污染的气象因素之一，它代表大气垂直扩散能力的强弱。不稳定类天气有利于大气污染物垂直扩散，而大气层结构稳定则不利于低层污染物的扩散，对城区空气质量产生不利影响。逆温层越厚，逆温强度越大，大气稳定度越强。

长沙市市冬季逆温有明显的日变化特征，一般在傍晚19时形成，平均厚度100 m左右，强度较小。随着时间的增加，逆温层的厚度增大，强度加强，到次日5～7时厚度达到500多m，强度可达2℃ /100 m。9时以后逆温层的厚度逐渐变薄，强度减弱，大约在11时左右消失。稳定层结一般出现在19:00到次日9:00，该时段正是空气污染高峰时段，与空气污染日变化相吻合。

对长沙市区2013年灰霾日期间8时/20时出现低空逆温进行统计表明 (表3)，在出现霾日的112 d中，共有94 d 08时/20时出现逆温，占霾日的83.9%。霾日时低空逆温层的月平均厚度介于201～762 m之间，平均为380m，1月的平均厚度最大，逆温层月平均强度介于0.58～1.94℃/100 m，平均为1.22℃/100 m，3月的平均逆温强度最大。对比分析2013年08时与20时霾日期间的低空逆温情况，可以看出，全年低空逆温发生频率在50%以上，1月～4月和9月～12月出现低空逆温频率高达80%，明显比其他月份较高，7月、8月很少出现低空逆温情况。

表3 长沙市区全年08时/20时出现低空 (0～3km)逆温情况统计Tab.3 The statistics of low-level temperature inversion(0 to 3 km)between 8 am to 8 pm in Changsha

图6 长沙市逐月空气质量超标天数、灰霾天数及低空逆温天数对比Fig.6 The comparison diagram of number of days that the air quality exceeding standard，haze appears and low-level temperature inversion

从图6可以看出，长沙市每月的低空逆温天数与灰霾天数有很大的相关性，近地面逆温的变化对大气污染有着直接的影响。

4 结论

4.1 根据长沙市2013全年空气质量数据统计，灰霾日主要出现在1月 ～3月以及10月 ～12月，PM2.5日平均浓度与相对湿度、大气压、平均气温相关不明显。

4.2 PM2.5浓度变化与风向风速有明显的相关性。长沙市区的灰霾日以西北风向为主，PM2.5浓度与风速呈显著负相关，风速越小越不利于大气污染物的输送，特别是静风时非常不利于大气污染物的扩散，容易造成当地空气质量污染，进而形成霾，风速大和湍流强时稀释扩散速度快，污染物浓度就低。统计2013年长沙市空气质量与风速相关性发现，在没有降水的情况下，风速达到3.5m/s以上，空气质量才有好转。

4.3 PM2.5浓度变化与降水量有明显的相关性。PM2.5浓度与降水量呈显著负相关。在秋冬季最长连续无雨期间，易出现严重污染天气。统计发现，降水量在5mm以下时，污染物的浓度不会有明显的下降。但强降水对空气有净化作用，能改善空气质量，降水对污染物浓度的影响比较复杂，不同季节，不同时段，不同天气形势下的降水的稀释作用不同。

4.4 灰霾天气发生与低空逆温密切相关，近地面逆温的变化对大气污染有着直接的影响。长沙市区全年边界层稳定的几率占了50%，尤其是秋冬季稳定性几率高达80%以上。这种稳定层结构是长沙市区各种大气污染源不易扩散的重要因素之一。

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