傅 鵬，許雄飛，朱 奕，朱 舟

(長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，長(zhǎng)沙 410001)

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市人口的迅速增長(zhǎng)，城市大氣污染日趨嚴(yán)重，這使人民的健康受到了嚴(yán)重的威脅［1，2］，因此我們?cè)诎l(fā)展生產(chǎn)的同時(shí)迫切需要保護(hù)和改善環(huán)境。對(duì)一個(gè)地區(qū)而言，空氣污染物濃度主要受污染源排放和氣象條件的影響，而在污染源變化相對(duì)穩(wěn)定的情況下，污染物濃度的大小則主要取決于污染氣象條件［3，5］。在不同氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍。氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系十分密切［6，7］，為了改善長(zhǎng)沙市地區(qū)的空氣質(zhì)量，我們很有必要分析灰霾天氣與氣象因素相關(guān)性，揭示灰霾與氣象條件、顆粒物等大氣污染物之間的內(nèi)在關(guān)系，為建立和完善灰霾污染監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 定義與評(píng)價(jià)方法

灰霾是一種大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km的對(duì)視程造成障礙的現(xiàn)象［8］。大量極細(xì)微的干塵粒用環(huán)境術(shù)語就是PM2.5，因各地污染情況、氣象條件不同，各地環(huán)保部門對(duì)灰霾日的鑒定也有一定的差別，長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部推薦的灰霾污染日判別標(biāo)準(zhǔn) (試行)，即 PM2.5小時(shí)濃度值 ＞75ug/m3，PM2.5/PM10≥60%，能見度≤5km 這種狀況持續(xù)6 h及以上可鑒定為灰霾日。根據(jù)以上條件，長(zhǎng)沙市2013年灰霾日為112天?；姻踩罩饕霈F(xiàn)在1月～3月以及10月～12月，占全年灰霾天數(shù)的89.3%。

本文采用的數(shù)據(jù)資料包括空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量資料為2013年1月1號(hào)～2013年12月31號(hào)長(zhǎng)沙市9個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5的質(zhì)量平均濃度，氣象資料為同期長(zhǎng)沙市氣象局地面與高空觀測(cè)資料。文中的空氣質(zhì)量等級(jí)采用國(guó)家環(huán)保部制定的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù) (AQI)技術(shù)規(guī)定》HJ633-2012，空氣質(zhì)量分為Ⅵ級(jí)，Ⅰ級(jí)為優(yōu)，Ⅱ級(jí)為良，Ⅲ級(jí)為輕度污染，Ⅳ級(jí)為中度污染，Ⅴ級(jí)為重度污染，Ⅵ為嚴(yán)重污染。

2 空氣質(zhì)量狀況

2.1 長(zhǎng)沙市2013年空氣質(zhì)量概況

長(zhǎng)沙市2013年全年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)的日數(shù)為44天，占全年總?cè)諗?shù)的12.05%，空氣質(zhì)量良好的日數(shù)為153天，占全年總?cè)諗?shù)的41.92%，空氣質(zhì)量輕度污染的日數(shù)為81天，占22.19%，空氣質(zhì)量中度污染的日數(shù)為33天，占9.04%，空氣質(zhì)量重度污染的日數(shù)為50天，占13.70%，空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染的日數(shù)為4天，占1.10%，Ⅲ級(jí)輕度污染以上天數(shù)共有168天，其中首要污染物為PM2.5的天數(shù)163天，占97.02%。逐月空氣質(zhì)量為Ⅲ級(jí)以上的日數(shù) (即空氣污染日數(shù))見圖1。

可見，10月空氣污染日數(shù)最多，為29天，1月和12月空氣污染日數(shù)為28天，3月空氣污染日數(shù)為21天，5月～9月空氣質(zhì)量比較好，其中6月僅有1天污染日，8月沒有出現(xiàn)空氣污染日。

圖1 長(zhǎng)沙市2013年空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)變化Fig.1 The number of days that the air quality exceeded the standard of Changsha in 2013

2.2 PM2.5濃度逐月變化特征

長(zhǎng)沙市2013年P(guān)M2.5年均值濃度為83 ug/m3，濃度最低值為23 ug/m3，出現(xiàn)在9月24日，最高值為370 ug/m3，出現(xiàn)在11月23日。各月平均濃度在27～166 ug/m3之間 (圖2)，其中 7月平均濃度最低，8月為次低，1月平均濃度最高，10月和12月為次高。

圖2 長(zhǎng)沙市PM2.5逐月平均濃度變化Fig.2 Variation of the monthly everage concentration of PM2.5in Changsha

3 PM2.5濃度變化與氣象因子關(guān)系

根據(jù)長(zhǎng)沙市2013全年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，灰霾日主要出現(xiàn)在1月～3月以及10月～12月，利用spss軟件，分別對(duì)1月～3月和10月～12月PM2.5日平均濃度對(duì)同一時(shí)間的氣象因子進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果如表1。從表中可以看出，PM2.5日平均濃度與風(fēng)速和降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，并通過顯著性檢驗(yàn)，與相對(duì)濕度、大氣壓、平均氣溫相關(guān)不明顯。

表1 PM2.5日平均濃度與氣象因子相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between daily everage concentration of PM2.5and meteorological factors

3.1 PM2.5濃度變化與風(fēng)向風(fēng)速的關(guān)系研究

圖3 長(zhǎng)沙市2013年風(fēng)4季玫瑰圖Fig.3 The wind rose diagram of four seasons of year 2013 in Changsha

風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)大氣污染物擴(kuò)散起著很重要的作用，風(fēng)向決定著污染物輸送的方向，風(fēng)速?zèng)Q定著對(duì)污染物擴(kuò)散的能力，從圖3中可以看出2013年長(zhǎng)沙市地面風(fēng)向平均頻率，以NW和SE為主，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%，在污染比較嚴(yán)重的1月～3月、10月～12月，其中NW上升到63.7%，，SE只占7.7%，在空氣質(zhì)量很好的6月～8月，NW占18.5%，，SE成為主導(dǎo)風(fēng)向，占 64.5%。

氣象因素不僅影響顆粒物的稀釋擴(kuò)散，還與周邊地區(qū)污染物的中遠(yuǎn)距離輸送有密切關(guān)系［9］。為了更好的結(jié)合氣象資料了解大氣顆粒物的傳輸過程，利用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局空氣資源實(shí)驗(yàn)室(NOAA Air Resources Laboratory)的HYSPLIT模型［10］進(jìn)行了氣流高度為500m的168h后向軌跡分析 (Backward Trajectory Analysis)，以了解長(zhǎng)沙市夏季非灰霾期和冬季灰霾期大氣顆粒物運(yùn)移軌跡。

圖4 長(zhǎng)沙市2013年7月8日非灰霾期間后向軌跡Fig.4 The backward trajectories of the non-haze period on July 8th，2013 in Changsha

圖4顯示從2013年7月8日零點(diǎn)開始往前溯源168h得到2013年夏季非灰霾日500m高度的后向氣團(tuán)軌跡。當(dāng)日所到達(dá)長(zhǎng)沙的氣團(tuán)，主要來源于偏南方向。根據(jù)軌跡水平分量的長(zhǎng)短判斷氣團(tuán)移動(dòng)速度，多條后向軌跡距離長(zhǎng)，代表風(fēng)速較大，大氣處在不穩(wěn)定狀態(tài)下，有利于污染物的垂直和水平擴(kuò)散。同時(shí)從南部海面?zhèn)鬏攣淼呐瘽駳鈭F(tuán)帶來了豐富的水汽，形成的降水對(duì)顆粒污染物起到了沖刷和稀釋擴(kuò)散作用。

圖5較為直觀地描述了2013年1月灰霾期間長(zhǎng)沙市大氣氣流運(yùn)動(dòng)軌跡。2013年1月7日～1月19日空氣質(zhì)量連續(xù)13天達(dá)到Ⅴ級(jí)重度污染，從2013年1月20日零點(diǎn)開始往前溯源168h，多條后向軌跡反演表明，500m高度的冬季灰霾氣團(tuán)移動(dòng)軌跡分別主要從西北和東北部方向，經(jīng)內(nèi)陸省份最終達(dá)到長(zhǎng)沙地區(qū)。加上氣團(tuán)攜帶了大量北方省市的浮塵和秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物，受此影響，污染物難以擴(kuò)散，這表明除了本地的污染排放外，外來污染物輸入性污染也是導(dǎo)致長(zhǎng)沙大氣污染的來源之一。

圖5 長(zhǎng)沙市2013年1月20日灰霾期間后向軌跡Fig.5 The backward trajectories of the haze period on January 20th，2013 in Changsha

長(zhǎng)沙市區(qū)地面平均風(fēng)速為1.97m/s，春季平均風(fēng)速1.98m/s，夏季平均風(fēng)速2.33m/s，秋冬季平均風(fēng)速1.68m/s。其中春季靜風(fēng)或小風(fēng) (0m/s＜風(fēng)速 ＜1.5m/s)的 頻 率 為 36.1%，夏 季 為11.9%，秋冬季為46.3%。選取連續(xù)出現(xiàn)灰霾的10月4日～10月30日為例，這一時(shí)期沒有降水，風(fēng)速就就決定了污染物的擴(kuò)散能力，10月4日～10月14日，日平均風(fēng)速在0.8～2.5m/s之間，10月15日、16日兩天平均風(fēng)速達(dá)到3.5m/s，16日的空氣質(zhì)量才從連續(xù)12天的超標(biāo)污染轉(zhuǎn)為良。10月17日 ～10月30日，日平均風(fēng)速又在0.7～2.7m/s之間，空氣質(zhì)量又連續(xù)16天污染。

PM2.5濃度變化與風(fēng)向風(fēng)速有明顯的相關(guān)性。長(zhǎng)沙市區(qū)的灰霾日以西北風(fēng)向?yàn)橹?。PM2.5濃度與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)速越小越不利于大氣污染物的輸送，特別是靜風(fēng)時(shí)非常不利于大氣污染物的擴(kuò)散，容易造成當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量污染，進(jìn)而形成霾，風(fēng)速大和湍流強(qiáng)時(shí)稀釋擴(kuò)散速度快，污染物濃度就低。在沒有降水的情況下，風(fēng)速達(dá)到3.5m/s以上，空氣質(zhì)量才有好轉(zhuǎn)。

3.2 PM2.5濃度變化與降水量的關(guān)系研究

表2為長(zhǎng)沙市2013年各月分級(jí)降水日統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)沙市2013年降水天數(shù)為122天，其中降水量在0.1～1.0mm之間的降水天數(shù)占總降水天數(shù)的27.9%，在 1.0 ～ 5.0mm 之 間 的 降 水 天 數(shù) 占30.3%，在5～10mm之間的降水天數(shù)占13.1%，在10mm以上的降水天數(shù)占28.7%。

一般研究表明降水對(duì)清除大氣中的污染物質(zhì)起著重要的作用，有些污染氣體能溶解在水中，同時(shí)降水過程還可以起到清除顆粒物的作用。PM2.5濃度變化與降水量有明顯的相關(guān)性。長(zhǎng)沙市PM2.5濃度與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。2013年灰霾天氣嚴(yán)重10月、11月、12月降水天數(shù)分別為2天、9天、4天，2013年9月29日～10月30日連續(xù)32天沒有降水，整個(gè)10月有29天空氣污染達(dá)到輕度污染以上，且10月29日、30日出現(xiàn)Ⅵ級(jí)嚴(yán)重污染天氣。而污染嚴(yán)重的1月降水天數(shù)有11天，但其中10天降水是在5mm以下，說明降水量在5mm以下時(shí)，污染物的濃度不會(huì)有明顯的下降。2013年11月11日、12日，降水分別達(dá)到 27.7mm、59.1mm，空氣質(zhì)量從前幾天的中、重度污染迅速變?yōu)閮?yōu)，說明強(qiáng)降水對(duì)空氣有凈化作用，能改善空氣質(zhì)量，污染物濃度迅速下降。同樣在空氣質(zhì)量很好的7月、8月降水天數(shù)分別僅有1天和3天，可見降水對(duì)污染物濃度的影響比較復(fù)雜，不同季節(jié)、不同時(shí)段、不同天氣形勢(shì)下的降水的稀釋作用不同。

表2 長(zhǎng)沙市2013年分級(jí)降水日統(tǒng)計(jì)Tab.2 The grading precipitation of Changsha in 2013 (d)

3.3 PM2.5濃度變化與低空逆 (等)溫的關(guān)系研究

大氣穩(wěn)定度是影響空氣污染的氣象因素之一，它代表大氣垂直擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱。不穩(wěn)定類天氣有利于大氣污染物垂直擴(kuò)散，而大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定則不利于低層污染物的擴(kuò)散，對(duì)城區(qū)空氣質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。逆溫層越厚，逆溫強(qiáng)度越大，大氣穩(wěn)定度越強(qiáng)。

長(zhǎng)沙市市冬季逆溫有明顯的日變化特征，一般在傍晚19時(shí)形成，平均厚度100 m左右，強(qiáng)度較小。隨著時(shí)間的增加，逆溫層的厚度增大，強(qiáng)度加強(qiáng)，到次日5～7時(shí)厚度達(dá)到500多m，強(qiáng)度可達(dá)2℃ /100 m。9時(shí)以后逆溫層的厚度逐漸變薄，強(qiáng)度減弱，大約在11時(shí)左右消失。穩(wěn)定層結(jié)一般出現(xiàn)在19:00到次日9:00，該時(shí)段正是空氣污染高峰時(shí)段，與空氣污染日變化相吻合。

對(duì)長(zhǎng)沙市區(qū)2013年灰霾日期間8時(shí)/20時(shí)出現(xiàn)低空逆溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明 (表3)，在出現(xiàn)霾日的112 d中，共有94 d 08時(shí)/20時(shí)出現(xiàn)逆溫，占霾日的83.9%。霾日時(shí)低空逆溫層的月平均厚度介于201～762 m之間，平均為380m，1月的平均厚度最大，逆溫層月平均強(qiáng)度介于0.58～1.94℃/100 m，平均為1.22℃/100 m，3月的平均逆溫強(qiáng)度最大。對(duì)比分析2013年08時(shí)與20時(shí)霾日期間的低空逆溫情況，可以看出，全年低空逆溫發(fā)生頻率在50%以上，1月～4月和9月～12月出現(xiàn)低空逆溫頻率高達(dá)80%，明顯比其他月份較高，7月、8月很少出現(xiàn)低空逆溫情況。

表3 長(zhǎng)沙市區(qū)全年08時(shí)/20時(shí)出現(xiàn)低空 (0～3km)逆溫情況統(tǒng)計(jì)Tab.3 The statistics of low-level temperature inversion(0 to 3 km)between 8 am to 8 pm in Changsha

圖6 長(zhǎng)沙市逐月空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)、灰霾天數(shù)及低空逆溫天數(shù)對(duì)比Fig.6 The comparison diagram of number of days that the air quality exceeding standard，haze appears and low-level temperature inversion

從圖6可以看出，長(zhǎng)沙市每月的低空逆溫天數(shù)與灰霾天數(shù)有很大的相關(guān)性，近地面逆溫的變化對(duì)大氣污染有著直接的影響。

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)長(zhǎng)沙市2013全年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，灰霾日主要出現(xiàn)在1月 ～3月以及10月 ～12月，PM2.5日平均濃度與相對(duì)濕度、大氣壓、平均氣溫相關(guān)不明顯。

4.2 PM2.5濃度變化與風(fēng)向風(fēng)速有明顯的相關(guān)性。長(zhǎng)沙市區(qū)的灰霾日以西北風(fēng)向?yàn)橹鳎琍M2.5濃度與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)速越小越不利于大氣污染物的輸送，特別是靜風(fēng)時(shí)非常不利于大氣污染物的擴(kuò)散，容易造成當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量污染，進(jìn)而形成霾，風(fēng)速大和湍流強(qiáng)時(shí)稀釋擴(kuò)散速度快，污染物濃度就低。統(tǒng)計(jì)2013年長(zhǎng)沙市空氣質(zhì)量與風(fēng)速相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，在沒有降水的情況下，風(fēng)速達(dá)到3.5m/s以上，空氣質(zhì)量才有好轉(zhuǎn)。

4.3 PM2.5濃度變化與降水量有明顯的相關(guān)性。PM2.5濃度與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。在秋冬季最長(zhǎng)連續(xù)無雨期間，易出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，降水量在5mm以下時(shí)，污染物的濃度不會(huì)有明顯的下降。但強(qiáng)降水對(duì)空氣有凈化作用，能改善空氣質(zhì)量，降水對(duì)污染物濃度的影響比較復(fù)雜，不同季節(jié)，不同時(shí)段，不同天氣形勢(shì)下的降水的稀釋作用不同。

4.4 灰霾天氣發(fā)生與低空逆溫密切相關(guān)，近地面逆溫的變化對(duì)大氣污染有著直接的影響。長(zhǎng)沙市區(qū)全年邊界層穩(wěn)定的幾率占了50%，尤其是秋冬季穩(wěn)定性幾率高達(dá)80%以上。這種穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)沙市區(qū)各種大氣污染源不易擴(kuò)散的重要因素之一。

［1］ Wu D，Tie X X，Li C C，et al.An extremely low visibility event over the Guangzhou region:A case study［J］.Atmospheric Environment，2005，39(35):6568-6577.

［2］ 白志鵬，蔡斌彬，董海燕，等.灰霾的健康效應(yīng)［J］.環(huán)境污染與防治，2006，28(3):198-201.

［3］ 孟燕軍，王淑英，趙習(xí)方.北京地區(qū)大霧日大氣污染狀況及氣象條件分析［J］.氣象，2000，26(3):40-43.

［4］ 趙慶云，張 武，王式功.空氣污染與能見度及環(huán)流特征的研究［J］.高原氣象，2003，22(4):393-396.

［5］ 張夏琨，王春玲，王寶鑒.氣象條件對(duì)石家莊市空氣質(zhì)量的影響［J］.干旱氣象，2011，29(1):42-47.

［6］ 鄭慶鋒，史 軍.上海霾天氣發(fā)生的影響因素分析［J］.干旱氣象，2012，30(3):367-373.

［7］ 孫銀川，繆啟龍，李艷春，等.銀川市空氣質(zhì)量動(dòng)力預(yù)測(cè)系統(tǒng)及預(yù)測(cè)結(jié)果分析［J］.干旱氣象，2006，24(2):89-94.

［8］ 中央氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范［M］.北京:氣象出版社，2003.21-27.

［9］ 朱 奕，傅 鵬，龍加洪，等.長(zhǎng)沙城區(qū)PM10和PM2.5的污染特征及氣象因素溯源［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38(11):57-62.

［10］ Air Resources Laboratory-HYSPLIT-Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory model［EB/OL］.http://www.arl.noaa.gov/HYSPLIT_info.php.