降雨對(duì)PM2.5濃度的影響及人工降雨降低PM2.5濃度的探討

湯天然，陳建楠，李廣前，朱 彬

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

1 引言

大氣顆粒物(particulate matter，PM)是大氣中主要的空氣污染物之一，也是目前對(duì)我國(guó)大多數(shù)城市空氣質(zhì)量造成影響的主要污染物，而其中我們將大氣顆粒物中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于等于2.5μm的細(xì)顆粒物(fine particulate matter)，稱為PM2.5。其易導(dǎo)致霧霾天氣造成能見(jiàn)度下降，并且其攜帶大量有毒有害物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體健康造成不良影響。同時(shí)，有研究表明空氣中通過(guò)呼吸進(jìn)入人體內(nèi)的微量污染物，潛在危害要比飲用含有等量污染物的水和食物更大［1］。大氣中PM2.5濃度不但與污染源有關(guān)，氣象條件也對(duì)PM2.5濃度變化有重要的影響［2－6］。研究表明當(dāng)污染源相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，氣象條件是影響PM2.5的重要因素［7］，不利于顆粒物擴(kuò)散和沉降的氣象條件則會(huì)導(dǎo)致PM2.5濃度升高［8］，而有利的氣象條件則會(huì)降低PM2.5濃度。在大氣污染物中，水溶性有機(jī)物約占PM2.5有機(jī)物總量的20% ～80%［9］。并且，相對(duì)濕度高的空氣導(dǎo)致顆粒物表面對(duì)氣態(tài)污染物更容易吸附，使得NH3、NOx、HNO3等污染氣體易于吸收或吸附在顆粒表面［10］。而水溶性有機(jī)物以及NH3、NOx、HNO3都有易溶于水的特性，所以它們與空氣中不可溶的懸浮的細(xì)顆粒物，都會(huì)在降雨時(shí)隨雨滴沉降到地面，即濕沉降現(xiàn)象。但是一些觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)，并非所有下雨當(dāng)天的PM2.5濃度必然會(huì)降低。這是因?yàn)榇髿夥€(wěn)定度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降雨等等氣象條件相互影響，并對(duì)PM2.5的污染物的擴(kuò)散、輸送和積聚的影響機(jī)理不同所致［11］。本文根據(jù)2013年6月份南京市逐日的PM2.5濃度觀測(cè)資料，以及同期的氣象數(shù)據(jù)，分析了PM2.5與降雨、風(fēng)速和相對(duì)濕度之間的關(guān)系。對(duì)如何科學(xué)的選擇適宜天氣條件，利用人工降雨方法來(lái)降低PM2.5濃度進(jìn)行探討。

2 資料

本文應(yīng)用了2013年6月份南京逐日PM2.5觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)于南京市的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同期的氣象觀測(cè)資料來(lái)自于南京市氣象站。

3 結(jié)果與分析

3.1 PM2.5日變化與氣象條件關(guān)系

通過(guò)分析南京市區(qū)2013年6月9個(gè)站環(huán)境監(jiān)測(cè)站的PM2.5日平均變化規(guī)律(圖1)，發(fā)現(xiàn)這9個(gè)站的日變化總體規(guī)律相近，僅僅是在站與站之間的存在極小的差值，于是將其平均后，以平均值的變化規(guī)律代表南京市該年6月的PM2.5的變化規(guī)律。并且，引入南京市6月份逐日的風(fēng)速、降雨以及相對(duì)濕度的變化，與同期PM2.5濃度變化進(jìn)行比較分析。

圖1 南京市區(qū)九個(gè)站6月份逐日PM2.5監(jiān)測(cè)值的變化

根據(jù)圖2、圖3、圖4，我們發(fā)現(xiàn)，在無(wú)降雨、低風(fēng)速時(shí)，南京的PM2.5濃度較高;在6月7—9日3 d的降水過(guò)程中，降雨量與PM2.5的變化呈負(fù)相關(guān).但在6月23—25日這3 d，卻發(fā)現(xiàn)雖然也出現(xiàn)降水，南京的PM2.5觀測(cè)值在23、24日并沒(méi)有因?yàn)榻涤甓鴾p少，反而在24日有一個(gè)升高的趨勢(shì)。反查6月23—24日的能見(jiàn)度情況發(fā)現(xiàn)了24日有霧霾天氣(見(jiàn)表1)。這是在高濕、靜風(fēng)的天氣條件下容易使空氣中水汽出現(xiàn)過(guò)飽和而凝結(jié)成霧。因此，雖然23日的降雨對(duì)減緩PM2.5的升高有一定作用，但是降雨也導(dǎo)致了近地面濕度增加，在較高的相對(duì)濕度和靜風(fēng)的氣象條件下形成了霧霾天氣;另一方面，這種天氣條件下細(xì)顆粒污染物不易擴(kuò)散稀釋，顆粒物不斷累積，形成霾污染［12］。

根據(jù)圖2、圖3、圖4及表1、表2的風(fēng)速、降雨、相對(duì)濕度可見(jiàn)，24日由于降雨量低(2.1 mm)，夏季氣溫較高以及當(dāng)日與前日的水汽蒸發(fā)，導(dǎo)致相對(duì)濕度較高(約90%)，且較小的風(fēng)速(約1～3 m/s)不利于顆粒物擴(kuò)散。而且由于南京工廠、車輛較多，排放較大，所以空氣中的細(xì)微顆粒排放較多，導(dǎo)致了當(dāng)時(shí)的霧霾天氣及較高PM2.5濃度。而隨著25日的降雨量增加(54.3 mm)，溫度下降，風(fēng)速加大(2～7 m/s)，不利于霧霾的生成以及PM2.5指數(shù)的降低。回溯到6月6—9日，也能發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律。隨著7、8日的降水，氣溫降低，每天的風(fēng)速較大，這幾天天氣條件不利于霾的產(chǎn)生，PM2.5明顯下降。

表1 南京站2013年6月23、24日氣象觀測(cè)資料

表2 南京站2013年6月25日氣象觀測(cè)資料

而隨著9日氣溫回升，風(fēng)速降低，PM2.5又有上升趨勢(shì)。通過(guò)分析可知，在風(fēng)速較大、氣溫不高的情況下，降雨可以對(duì)降低PM2.5濃度能夠起到很大的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論與討論

綜上所述，降雨雖然能依靠其濕沉降作用使PM2.5減少，但在風(fēng)速較小、濕度較大的時(shí)候，降雨對(duì)PM2.5濃度的影響并不顯著。一般在風(fēng)速較大的時(shí)候，有利于PM2.5等污染物稀釋擴(kuò)散，如果在這種條件下再有降雨，即使降水過(guò)后水汽蒸發(fā)導(dǎo)致近地面濕度增加，較大的風(fēng)速和降雨的共同作用可以對(duì)當(dāng)日PM2.5濃度降低起很大的促進(jìn)作用。

如果應(yīng)用人工增雨方法達(dá)到減少某地區(qū)PM2.5的目的，需要根據(jù)作業(yè)區(qū)的條件制定方案。夏季在風(fēng)速小、溫濕度大的天氣條件下，用人工增雨的作用僅僅能在降水區(qū)域短時(shí)間內(nèi)降低PM2.5濃度，而隨著時(shí)間推移，當(dāng)日的PM2.5平均濃度不僅不一定會(huì)降低，反而有可能因?yàn)榇罅康孛嫠畾獾恼舭l(fā)，氣溶膠難以擴(kuò)散可能導(dǎo)致PM2.5數(shù)值升高。如果在風(fēng)速較大的時(shí)候開(kāi)展人工降雨，特別有助于降低當(dāng)日的PM2.5濃度，所以，如果在氣溫、風(fēng)速條件好的情況下進(jìn)行人工降雨或增雨作業(yè)，在風(fēng)力促進(jìn)擴(kuò)散污染物的同時(shí)，污染物也因降雨得到沉降，因此可以對(duì)當(dāng)日甚至未來(lái)幾天的PM2.5濃度減少起到積極促進(jìn)作用。

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