城市雾霾污染特征及其气象成因研究

姚志平　谢勇　胡瑞　王华

关键词：雾霾污染；气象成因；污染物浓度；空气质量指数；能见度

中图分类号：X513 文献标志码：B

前言

雾、霾均是近年来全国各大城市普遍出现的天气现象，但二者并不相同。雾是由水汽积聚而成，具有能见度低于1km的特点，当能见度处于1～10 km范围可视其为轻雾，其核心成分是水。霾，俗称灰霾，大气中漂浮的大规模细小颗粒物呈规律性、均匀性分布，当大气能见度低于10 km后即表现出混沌不清的特征。通常认为雾天的大气稳定度较高，同时也为污染物提供了凝聚条件，因此，雾与污染相伴发生。各类污染物的大量排放，对自然生态环境造成极大破坏，由于细颗粒气溶胶可被人体吸人，因此会为人体健康和各类生物生存带来严重威胁。近年来，随着污染问题的持续恶化，雾霾天气数量呈增长发展趋势，且时间呈持续性变化特点。

王耀庭等人针对北京发生的重大雾霾污染事件，分别从北京环境监测站、气象监测站获取污染物浓度数据、气象因素数据，在对污染空间分布、传输路线及污染源进行分析的同时，利用风廓线雷达数据等实现其污染成因的分析。周述学等人针对华东地区的一次具有范围大、持久性特点的雾霾污染天气，通过对其气候异常特征、地面气象因素、边界层特征等方面进行分析，阐述了引发雾霾污染的气象原因。针对城市雾霾污染问题的日益加剧，文章提出城市雾霾污染特征及其气象成因分析。

1城市雾霾污染特征分析

1.1数据来源

研究城市雾霾污染特征及其气象成因，以吉林长春市2016年12月份的重大雾霾污染为例，此次雾霾天气具有污染强度大、持续时间久的特点。因此，文章将此次雾霾污染作为研究，从环境监测站、气象监测站获取所需污染物数据信息及气象要素数据信息，主要对雾霾污染期间颗粒污染物PM_2.5、PM₁₀、气体污染物NO_2.5、SO₂浓度变化规律进行分析，并结合空气质量指数（Air Quality Index，AQI）研究长春市的雾霾污染特征，从能见度、降雨量、相对湿度、风速、温度等气象因素方面完成气象成因的分析。

1.2城市雾霾污染期内空气质量分析

针对吉林长春市2016年12月的雾霾污染，通过AQI指数分析长春市雾霾污染期间的空气质量，分析可知，从12月4日开始长春市空气质量持续走低，已达到中轻度污染等级，12月10、11两日空气质量处于重度污染等级，12月7、9两日雾霾污染程度最高，达到严重污染等级，此次雾霾污染持续一周左右，是长春市有史以来经历的雾霾污染中最恶劣的一次，空气质量达到历史最低。

1.3城市雾霾污染期内各污染物浓度特征分析

采集吉林长春市雾霾污染期间各个空气质量监测站的PM_2.5、PM₁₀、NO₂SO₂污染物数据，分析可知，在12月3日后，各雾霾污染物浓度曲线呈不断增大趋势，除SO₂污染物之外，其余三种污染物浓度在12月7、9日分别走向次高峰、最高峰，且PM_2.5、PM₁₀的污染浓度曲线具有相似性特点，NO₂、SO₂的日均值浓度曲线总体表现出类似性。雾霾污染期间，PM_2.5的日均浓度均高于120μg/m³，至12月7日其浓度上升至一个小高峰，8日浓度值有所下降，9日其浓度值处于巅峰，达到465.2μg/m³，当天的AQI指数为360，对应的空气质量等级为严重污染，之后几日的PM_2.5浓度呈小幅度波动后，于12月12日降至120μg/m³。PM₁₀濃度曲线与其保持相似变化。雾霾污染期内NO₂浓度总体呈上升趋势，在9日时升至最大值，之后不断减弱。SO₂浓度曲线与NO_2.5浓度曲线类似，但未出现大幅度波动，相对更加平稳。

1.4城市雾霾污染期内气象要素特征分析

能见度是衡量雾霾污染程度的重要指标，所以，通过对不同气象要素影响下能见度指标进行分析，反映城市雾霾污染情况。

1.4.1雾霾污染期大气相对湿度的特征分析

由吉林长春市大气监测站获取此次雾霾污染的监测结果，雾霾污染发生前，长春市的能见度为11902m，从12月4日开始长春市出现严重的雾霾污染，能见度迅速降低至1388m，此后随着雾霾污染程度的不断加剧，能见度持续走低，12月9能见度达到历史最低，不足50米，对市民出行造成严重影响，10日后雾霾污染处于消退期，能见度不断增高。此期间内大气相对湿度不断增大，至12月9日其值已从最初的32.5%增长至79.8%。雾霾污染后期相对湿度回落至最初水平，如图1所示雾霾污染期内能见度及大气相对湿度的走势。通过回归分析对这两个特征的关联性进行反映，相对湿度不断增大，能见度呈下降趋势变化，二者具有反比关系。结果见图2。

1.4.2雾霾污染期内的风速特性

通过分析不同能见度下的风速变化趋势，确定雾霾污染期内的风速特征，随着雾霾污染程度的不断恶化，能见度呈下降趋势变化，此过程风速具有逐渐减弱性特点，雾霾污染发生前的风速为3.1m/s左右，12月7日已达到严重污染等级，能见度仅为50米左右，此时风速降至1m/s左右，至9日随着雾霾污染情况的更加恶化，风速仅为0.7m/s。通过对风速、能见度进行回归分析发现二者的变化关系，二者表现为正比关系，当雾霾污染情形严重，能见度越来越低，风速随之减小。结果分别见图3、图4。

1.4.3雾霾污染期内的温度特性

通过分析雾霾污染过程中的温差改变反映其温度特性。长春市的雾霾污染于12月13日彻底结束，其能见度上升至10290 m，在雾霾污染过程中，各日温差的变化趋势为：在雾霾污染加剧过程中，长春市各日的温差总体呈增大规律变化，9日后雾霾污染逐渐减弱，各日温差逐步下降，至12月13日雾霾污染完全消退后，温差下降至最低值。通过对温差与能见度进行回归分析，研究二者的变化关系，发现二者具有反比变化规律，雾霾污染越严重，能见度水平越低，温差变化越大。

2城市雾霾污染的气象成因分析

获取吉林长春市2007年-2016年同期历史地面气象数据，分别从不同气象要素角度进行研究，分析此次雾霾污染的气象成因。如图5所示历史同期能见度变化分析结果。由图5得出，从2013年后长春市的空气质量不断下滑，2016年能见度为近年来最低水平。通过分析2007年-2016年同期的降雨量、相对湿度、温度、风速地面气象的变化阐述雾霾污染气象成因。降低大气气溶胶的方式主要依靠湿清除，通过该方式可实现大气的自洁净处理。通过降雨可使大气中50%的气溶胶得以清除。长春市此次严重雾霾污染事件发生时间正值冬季，此阶段降雨量低，普遍由气温骤冷引起，日均降雨量不足2mm·d^-1。发生严重雾霾污染的2016年的降雨量未达到历史同期平均值，无法满足大气气溶胶自净条件，却提高了大气相对湿度，气溶胶粒子随着大气湿度的增大而发生膨胀现象，使其颗粒物浓度不断增大。相比2009年大气湿度的历史同期最低值，此次严重雾霾污染的大气湿度上升了29.8%，达到76.2%。此值已高出当地潮解点，是引发雾霾污染的原因之一。不同气象因素变化规律对比分析结果见图6。

大气污染物在风的作用下发生传输转移，避免大量污染物积聚，实现污染物含量的稀释，其速度一旦高于平衡风速，细颗粒物PM_2.5的清除性能更大，占有突出优势。雾霾污染期的风速均值较低，无法实现大气污染物的稀释，其积聚性能更突出，造成大气污染物大量聚集。能见度最高的2009年也具有最高的风速，高风速对大气污染物的稀释作用更大。而污染物的扩散方向则由风向决定，决定了大气污染物的水平通量。通过查阅相关资料显示，长春市历年风向多为偏北方向，其频率为49%，与之相比，偏南风向少，频率为35%。而2016年的风向则以偏南为主，频率上升了8.6%左右，且风速发生大幅度降低。风速条件的改变表明该年气候偏暖，气温较高，对大气污染物的清除产生不利影响，为雾霾污染埋下祸根。气温的变化可揭示长春市冷空气的强度，冷空气强度随着其值的增大而降低，冷空气强度越大，对大气污染物的清除效果越好。至2011年以后，长春市平均气温逐年升高，2016年平均气温升至历年同期最大值。高气温、低风速是引发雾霾污染的又一原因。

3结束语

城市雾霾污染受多种因素影响，生产、生活污染物排放量逐步增大，致使城市气象因素发生较大变化的同时，影响城市上空大气气溶胶的积聚，城市交通、工业、生活产生的大气污染物不断在城市上空聚集，会对环境热辐射能量进行吸附，并生成大气逆辐射，使郊区污染物积聚到城市中，造成城市大气污染日益恶化之外，对雾霾的产生起到了推动作用。文章对长春市雾霾污染期间内的气候特征进行分析，并从不同气象因素方面研究其气象成因，结果表明：随着雾霾污染程度的加剧，PM_2.5、PM₁₀、NO₂、SO₂污染物浓度呈上升趋势。能见度与相对湿度、温差变化成反比关系，与风速正相关。长春市降雨量、风速、温度、相对湿度等气象因素的变化是引发雾霾污染的成因。