劉宇飛,段 琳,蓋曉東

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150028；2.依蘭縣氣象局，黑龍江 依蘭 154800；3.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

近年來，隨著我國經濟的飛速發(fā)展，各種程度的空氣污染事件在全國各地頻繁發(fā)生。哈爾濱作為我國緯度最高的省會城市，屬中溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長、寒冷、干燥，加之近年來城市規(guī)模迅速擴張、人類活動密集，造成空氣質量急劇惡化。污染天氣對人類的健康和安全構成極大威脅，已引起社會各界的極大關注，近年來國內學者在空氣污染成因及其與氣象條件的關系方面，開展了大量研究，研究的方法主要有兩個方面：一是利用長時間序列的資料、基于統計學方法，對產生空氣污染的大氣環(huán)流進行分類總結；二是基于相關性分析等方法，研究邊界層內各種氣象要素與空氣污染發(fā)生發(fā)展的關系。王淑英等指出在穩(wěn)定天氣條件下，北京地區(qū)PM10的濃度與相對濕度呈正相關，與能見度、風速和氣壓負相關[1]；姚青等分析了天津地區(qū)PM2.5濃度的垂直分布特征，并指出采暖可造成污染物濃度升高，低風速，高相對濕度有助于 PM2.5質量濃度增大[2]；鐘幼軍、袁美英等對歷史上出現在哈爾濱的污染天氣過程進行了總結，給出了易引發(fā)哈爾濱冬季污染天氣的常見天氣形勢[3-4]，但此前的研究并沒有揭示空氣質量與氣象要素的定量關系。本文對哈爾濱市空氣質量與大氣邊界層的風、降水、逆溫等氣象要素的關系，以及與霧、霾天氣的關系開展研究，這對于當地今后開展污染天氣預報預警具有重要意義。

2 資料與方法

空氣質量監(jiān)測數據由哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測總站提供，包含2013-2016年逐日全市AQI指數；空氣質量的級別劃分依據《環(huán)境空氣質量指數（AQI）技術規(guī)定（試行）》（環(huán)保部標準 HJ 633—2012）， 共分 6個等級，AQI值為0-50為優(yōu)秀，51-100為良好，101-150為輕度污染，151-200為中度污染，201-300為重度污染，301及以上為嚴重污染。氣象數據由黑龍江省氣象臺觀測站提供，風、降水、霧和霾天氣現象由地面觀測報表得到，逆溫層資料來自探空數據。本文主要采用相關分析和統計相結合的方法。

3 污染日的時間分布特征

統計2013-2016年逐日AQI資料，剔除資料缺失的45 d，共1416 d，2013-2016年每年污染總日數分別為 125、121、133、82 d。 圖 1給出了每個級別污染日數占當年污染總日數的比例。發(fā)現重度污染和嚴重污染日數的百分比逐年迅速下降，而輕度污染日數的百分比在2014年以后明顯升高，2016年達到64.6%。由此可知，哈爾濱市的空氣污染程度逐年減輕，在2016年緩解最明顯，且污染日數在2016年明顯減少。

統計2013-2016年污染日在各月的分布情況（圖2），發(fā)現所有級別的空氣污染，都集中發(fā)生在1-3月及10-12月；中度和重度以上污染日數的月分布表現出明顯的“階梯狀”，即從10月開始驟增，往后逐月遞增，在1月達到最多；4-9月幾乎沒有中度和重度以上污染天氣出現；輕度污染日在10-12月也表現出逐月遞增，12月份達到峰值，1-2月略有減少，3月明顯減少，但4月又明顯增多，5-9月則迅速減少。

圖1 2013-2016年各等級污染日數占全年總污染日數百分比

圖2 2013-2016年污染日數月變化

總體而言，1-3月及10-12月是哈爾濱污染天氣的集中發(fā)生期，其中又以12月和1月最為集中。污染日的集中爆發(fā)期與采暖期基本是吻合的，12-1月是氣溫最低的隆冬時節(jié)，采暖耗煤量最大，此時重污染日數也達到峰值，污染程度最嚴重，可見采暖直接影響到空氣質量。

4 空氣質量與氣象要素的關系

4.1 空氣質量與風速的關系

表1 各級別AQI對應的風速出現頻率

計算2013-2016年逐日的平均風速，并根據AQI的不同取值范圍，對風速進行分級統計（表1），剔除AQI缺失的45 d，共1416 d，風速的分級依照蒲福風力等級。當AQI高于200，即空氣質量達到重度和嚴重污染時，1級風和2級風的出現頻率均高于40%，對于重度無污染和嚴重污染，2級以下風的累計頻率高達90%以上，即90%以上的重污染都發(fā)生在2級以下風速條件下，說明地面風小于2級時，最容易引發(fā)重污染；而從3級風開始，頻率迅速下降，重度污染出現3級以上風的頻率為0，說明風速增大后有利于污染程度緩解。需要注意的是，輕度、中度和嚴重污染時，都有一定頻率的4級風出現，分析相應日期的天氣形勢（統計表略），發(fā)現絕大多數哈爾濱處于地面低壓和高空槽前的形勢，出現西南大風，大多數日子首要污染物為PM10，而出現的時間集中于4、5月，對應著哈爾濱的春季大風盛行時期，可知春季的西南大風天氣，容易將較大顆粒物吹起，引發(fā)輕、中度污染。

計算每個月的平均風速與AQI的相關系數，結果如圖3?？梢钥闯?，除4、5、6三個月以外，其他月份風速與AQI都表現為負相關，1月、2月、12月相關程度最高，相關系數分別達到-0.378、-0.54、-0.672；3月和11月相關性則未通過0.05的信度檢驗。

圖3 各月平均風速與AQI的相關系數

統計各月平均風速（圖略），發(fā)現一年中4月、5月的平均風速明顯高于其他月份，均超過3.7 m/s，3月、11月次之，在3 m/s上下；1月、2月和12月平均風速均低于2.5 m/s。由此可知，當風速較小時（＜2.5 m/s），風速與AQI有顯著負相關性；當風速增大達到3 m/s，與AQI的負相關性不明顯；當風速繼續(xù)增大超過3.5 m/s，可出現正相關?？梢哉J為是由于較大的風速一方面有利于細污染物顆粒擴散，但另一方面也會將較大顆粒物吹起，使空氣質量下降，這與上文的分析是一致的。

4.2 空氣質量與降水的關系

對秋冬季降水與空氣質量的關系進行分析，選取1-3月和10-12月的資料；降水量的累加時段與AQI的計算時段一致，即每日的01-24時；剔除AQI數據缺失以及無法確定夜間降水量的日子 （2014-2015年無夜間觀測）后，共選出620 d樣本，有68 d出現有效降水 （降水量≥0.1 mm），48 d出現微量降水（降水量＜0.1），504 d無降水。統計各級降水條件下空氣質量的分布情況，結果如表2。降水量超過5 mm時，空氣質量優(yōu)良的出現頻率為63.6%（7 d），沒有重污染日出現，嚴重污染的出現頻率只有9.1%（1 d）；降水量在1-5 mm時，空氣質量優(yōu)良的出現頻率為78.9%（15 d），重污染日的頻率只有 5.3%（1 d），沒有嚴重污染日出現；當降水量少于1 mm或出現微量降水時，空氣質量優(yōu)良的頻率迅速降低，而重度和嚴重污染日的出現頻率則明顯升高。由此可知隨著降水量的減少，空氣質量優(yōu)良的出現頻率迅速降低，出現重度以上污染的頻率迅速升高。

表2 各級降水在不同AQI范圍內的出現頻率

在有降水的116 d中，共有21 d AQI達到200以上，其中13 d有微量降水，6 d降水量為0.1-1 mm，1 mm以下降水日的占比達90.4%，即在有降水的天氣背景下，90%以上的重度以上污染都發(fā)生在1 mm以下的弱降水條件下。由以上分析可知，1 mm以上的明顯降水對空氣質量有顯著清潔作用，幾乎不會出現重污染；而1 mm以下的弱降水清潔作用不明顯，甚至可以使污染加重，可以認為弱降水中降水的沉降作用不明顯，而濕度增大導致污染物更加不易擴散。

4.3 空氣質量與逆溫的關系

對2013-2016年秋冬季的逆溫情況與AQI的關系進行分析，選取的月份為1-3月和10-12月，剔除AQI數據缺失的9 d，共720 d。采用早上07時的探空資料，1500 m以下出現逆溫時，判定為一個逆溫日。720 d中，存在逆溫的共有634 d，86 d沒有逆溫。

表3 各季節(jié)AQI與逆溫層底高、厚度相關性分析

分季節(jié)統計逆溫層底高和厚度的平均值，并計算與AQI的相關系數，結果如表3。在春季、冬季和秋季，逆溫層底高與AQI都表現出顯著的負相關，厚度與AQI表現出顯著的正相關，即逆溫層越低、越厚，AQI越大，空氣污染越嚴重。在沒有逆溫的86 d中，有74 d空氣質量都達到優(yōu)良水平。

計算了各月的平均逆溫層底高和厚度 （圖略），發(fā)現1月和12月逆溫層厚度明顯大于其他月份，分別達到514 m和569 m，而1月逆溫層底最低，僅為54 m，12月份略升高，但仍在100 m以下，即1月和12月逆溫層最厚、最低。而3節(jié)中指出，1月和12月各級別污染日數都達到峰值，可見污染日的月分布規(guī)律與逆溫層特征的變化是相一致的，逆溫層特征的變化可對污染日的月分布起到直接作用。

5 空氣質量與霧、霾和大風天氣的概率特征

哈爾濱的污染天氣經常與霧、霾以及大風等天氣相伴隨出現，為明確這3類天氣對空氣污染的貢獻，分析各種天氣條件下，各級空氣污染的出現頻率（表 4）。

表4 不同天氣條件下各等級空氣質量的分布頻率

當發(fā)生霾天氣時，出現重度污染的頻率最高，為31.3%，而出現嚴重污染的頻率并不高，只有19.3%，可見單純的霾天氣，不易造成特別嚴重的空氣污染，以中度到重度污染居多。當發(fā)生霧天氣時，出現重度污染的頻率達42.9%，其次為嚴重污染，頻率為21.4%，二者合計達64.3%，而出現中度及以下污染的頻率則明顯降低；霧天氣條件下出現重度污染和嚴重污染的頻率都高于霾天氣，可見霧天氣更易引發(fā)較嚴重的空氣污染。當發(fā)生霧霾混合天氣時，出現嚴重污染的頻率高達62.5%，出現重度污染的頻率為37.5%，無中度以下污染，因此霧霾混合天氣出現重度以上污染的概率是100%。當發(fā)生大風天氣時，空氣質量為優(yōu)良的頻率最高，為61.5%，有一定比例的輕度和中度污染出現；環(huán)境監(jiān)測資料顯示，出現輕度和中度污染的5 d中，首要污染物全部為PM10，說明大風天氣一方面有利于細微污染物擴散，但也容易吹起大顆粒物，引發(fā)輕度到中度污染的結論是一致的。

6 結論

（1）哈爾濱的污染天氣集中發(fā)生在1-3月和10-12月，其中1月和12月重污染天氣最多；2013-2016年，污染程度逐年減輕。

（2）弱的地面風更容易引發(fā)空氣污染，超過90%的重污染是在1-2級風的情況下發(fā)生的。

（3）當風速較小時（＜2.5 m/s），風速與 AQI有顯著的負相關性，風速增大到3.5 m/s以上時，與AQI表現出正相關；較大的風力一方面有利于污染物擴散，另一方面可將PM10等大的顆粒物吹起；春季的西南大風天氣形勢，容易造成輕度到中度污染。

（4）1 mm以上的明顯降水對空氣清潔作用明顯；1 mm以下的弱降水和微量降水清潔作用不明顯，甚至可以使污染加重.

（5）春季、秋季和冬季，逆溫層底的高度與AQI負相關，逆溫層厚度與AQI正相關，即逆溫層越厚、越低，空氣污染越嚴重；污染日的月分布規(guī)律與逆溫層特征變化相關。

（6）霧霾混合天氣里100%會發(fā)生重度以上污染；霧天氣條件下有60%以上的概率發(fā)生重度以上污染；單純的霾天氣中發(fā)生重度以上污染的概率約50%

[1]王淑英，張小玲.北京地區(qū)PM10污染的氣象特征[J].應用氣象學報，2002，13：177-184.

[2]姚青，張長春，孫玫玲，等.采暖對天津近地層PM2.5污染特征的影響 [J].生態(tài)環(huán)境，2008，17(4)：1433-1437.

[3]鐘幼軍，國世友.哈爾濱冬季重污染日氣象特征[J].氣象與環(huán)境學報，2013，29(1)：23-27.

[4]袁美英.天氣形勢變化對哈爾濱市空氣質量影響的初步研究[C].中國氣象學會2003年年會“城市氣象與科技奧運”分會場論文集.