2014年北京地区一次严重雾霾过程的气象要素变化特征分析

韩晨超

(呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020)

随着工业化步伐和城市化进程的加快、经济社会的高速发展，环境污染问题日益严重，对人类的生存环境产生越来越不利的影响。雾霾天气对气候、自然环境、交通、经济等方面均有很大影响。此外，雾霾中的可吸入颗粒物能够长期悬浮在空气中，成为大量有害物质的载体，对人类健康所带来的危害往往高于单一污染物[1]。笔者以2014年北京地区一次严重雾霾天气过程为研究对象，对其地面PM10和PM2.5变化特征和气象要素变化特征进行了分析研究，以期为更好地理解雾霾天气过程的特征和形成机制提供依据。

1 地面PM10和PM2.5变化特征

PM10指空气中空气动力学当量直径小于等于10 μm的颗粒物，而PM2.5是直径小于等于2.5 μm的颗粒物[2]。这些粒子能较长时间悬浮于空气中，也被称为可吸入颗粒物，吸入后对人体产生极大危害，在大气中浓度越高，就表示空气污染越严重。

为了对此次严重雾霾事件的污染程度有一个更加清楚的认识，笔者分析了北京10月和11月的1日—15日的PM2.5与PM10的变化情况。如图1所示，从图中可以明显地看出10月7日—11日北京地区的PM2.5和PM10有明显的增大，为期五天，正是笔者所研究的2014年10月北京地区一次严重雾霾过程。从10月7日起PM2.5和PM10均呈上升趋势，9日达到最大值后逐渐下降。在此过程中最大值出现在10月9日，PM2.5为330 μg/m3，PM10为353 μg/m3；PM2.5最小值出现在7日为139 μg/m3，PM10最小值出现在11日为126 μg/ m3。严重雾霾期间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。图中显示APEC期间11月5日—12日北京地区PM2.5和PM10最大值出现在11月5日，分别为76 μg/m3和98 μg/m3，PM2.5最小值出现在11月12日为5 μg/m3，PM10最小值出现在11月6日为20 μg/m3。APEC期间北京地区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期间北京地区空气质量较好。对比10月、11月空气质量可以明显看出北京严重雾霾期间和APEC期间空气质量有明显的差异，严重雾霾期间比APEC期间PM2.5最高值大4.3倍，PM10最高值大3.6倍。APEC期间实施的交通管制和重点控制区域停止施工等措施控制了北京及其附近地区的污染源，使北京地区空气质量好转，出现了短暂的“APEC蓝”。高健[3]等研究的《北京2011年10月连续灰霾过程的特征与成因初探》显示，2011年10月PM2.5月平均值为103.5 μg/m3，PM10月平均值为207.1 μg/m3，4日—13日有一次严重灰霾过程，其中PM2.5最低值为60 μg/m3。笔者研究的2014年10月7日—11日严重雾霾期间PM2.5最低值为139 μg/m3，10月PM2.5平均值为119 μg/m3，PM10平均值为149 μg/m3。两者相比较2014年10月PM2.5月均值高于同期2011年的月均值两倍多，2014年严重雾霾期间的空气质量更差。

图1 北京地区2014年10月和11月的1日—15日的PM2.5与PM10变化特征

2 气象要素变化特征

雾霾的产生与气象要素有一定关系，笔者选取了北京10月严重雾霾期间污染最严重的9日作为雾霾日代表，APEC期间北京空气质量状况良好且较稳定，选取11月9日作为非雾霾日代表，对比分析北京10月、11月的1日—15日温度和相对湿度资料，10月9日和11月9日位势高度和风速资料，研究了雾霾日与非雾霾日的气溶胶光学特性。

2.1 温度与相对湿度

大气污染程度与温度存在一定的线性关系，即温度越高污染物的浓度也越高。温度升高，不仅加速了空气扰动从而有助于各种粒子的扩散，还增加了大气中污染物的活性并有利于二次粒子的生成。此外，温度升高，空气中的粒子布朗运动加剧，粒子间相互碰撞的概率加大，有利于爱根核模态粒子转化为积聚核模态[4]。从而改变气溶胶粒子的散射特性，使其对大气能见度有一定影响。相对湿度增大时，气溶胶粒子会吸收水汽，粒子的粒径增大，使气溶胶的散射系数增加，从而降低大气能见度。

图2为北京2014年10月和11月的1日—15日气温和相对湿度折线图。从图中可以看出，北京地区10月1日-15日最低温度出现在10月1日和10月13日为11℃ ，最高温度出现在10月10日为17℃。严重雾霾期间，气温从10月7日起开始上升，9日为16℃，10日达到峰值后开始下降，13日达到最低温，与严重雾霾期间PM2.5和PM10的趋势相同，此次污染过程温度与污染程度呈正相关。11月北京气温与10月相比较低，最低温度出现在13日为4℃，最高温度出现在11月5日为13℃，APEC期间北京温度均低于13℃，9日为7℃，6日—12日围绕7℃上下震荡。可以看出，北京10月严重雾霾期间温度较高，有利于二次粒子的形成，同时加速气溶胶粒子的运动，改变气溶胶粒子的光学特性。图2中显示2014年10月1日—15日相对湿度最高值出现在10月4日为89%，最低值为26%出现在10月13日，严重雾霾期间相对湿度从6日起开始上升，峰值出现在10月9日为84%，之后开始下降，到13日降到最低。严重雾霾期间相对湿度较高。相对湿度与污染状况呈正相关，严重雾霾期间气溶胶吸湿性使粒子粒径变大，散射系数增大，大气能见度降低，与刘瑞婷[5]等的研究结果一致。11月1日—15日北京地区的相对湿度最大值为68%出现在11月8日，最小值为15%出现在11月12日，11月9日相对湿度为57%，APEC期间北京地区的相对湿度较低，大气能见度较高，空气质量良好。

图2 北京2014年10月和11月的1日—15日气温、相对湿度折线

2.2 位势高度与风速

图3(a)和图3(b)分别为10月9日和11月9日70°～140°E，5°～55°N 850 hPa位势高度图，从图中可以看出10月9日70°～95°E，30°～55°N为蒙古高压的局部地区，我国除东部地区外其他地区均受低压控制，北京地区气压较高,平均位势高度为1 540 gpm～1 560 gpm。11月9日我国西北地区仍受蒙古高压控制，东北地区受低压控制，我国中部和东南地区气压略高，北京的东北方有低压中心，气压较低，平均位势高度为1 520 gpm～1 540 gpm。高压控制时常伴有下沉运动，易形成下沉逆温，抑制湍流向上发展，不利于污染物的扩散，气溶胶浓度较高，散射和反射较强，造成视程障碍，大气能见度低。低压控制时，易产生上升运动，为中性或不稳定状态，利于扩散，污染程度低。

图3 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa平均位势高度

大气运动对雾霾的影响主要有两个：①风对雾霾的输送，②湍流对雾霾的扩散稀释。风速的大小决定了雾霾扩散稀释的程度，风速越大，大气中粒子扰动和流动的速率也越大，有助于污染物的扩散稀释和运输，使污染物的浓度减小。 图4(a)、(b)分别为2014年10月9日和11月9日平均水平风速分布图，10月9日北京地区的平均水平风速为0～2 m/s,风速较小，11月9日北京地区平均水平风速为3 m/s～5 m/s，风速较大。图5(a)、(b)分别为2013年10月9日和11月9日Omega(垂直速度)分布图，10月9日为-0.02 pascal/m～0.0075 pascal/m，11月9日为0.10 pascal/m～0.12 pascal/m，雾霾日水平风速和Omega均较小，非雾霾日风速较大。与李新妹[6]研究结果相同，高相对湿度和低风速有助于二次气溶胶的形成，如SO2在空气中氧化成硫酸盐气溶胶，多数无机盐具有吸湿性，使气溶胶粒子增大，散射能力增强，使大气能度降低。

图4 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa平均水平风速

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

3 结论

2014年10月7日—11日严重雾霾期间PM2.5和PM10质量浓度明显升高，最高值分别为330 μg/m3和353 μg/m3，APEC期间11月5日—12日北京地区PM2.5和PM10较低，最大值分别为76 μg/m3和98 μg/m3，严重雾霾期间比APEC期间PM2.5最高值大4.3倍，PM10最高值大3.6倍，严重雾霾期间北京空气质量状况极差，雾霾严重。

雾霾日即10月9日北京温度为16℃，相对湿度84%，平均位势高度为1 540 gpm～1 560 gpm，平均水平风速1 m/s～2 m/s，Omega(垂直速度)为-0.25 pascal/m～0 pascal/m；非雾霾日即11月9日北京温度为7℃，相对湿度57%，平均位势高度为1 520 gmp～1 540 gmp，平均水平风速2 m/s～4 m/s，Omega(垂直速度)为0.1 pascal/m～0.125 pascal/m。高温、高压、高相对湿度和低风速有助于二次气溶胶的形成，吸湿性使气溶胶粒子增大，散射能力增强，大气能度降低，雾霾严重。