北京的風(fēng)與霾

■文、圖/陸兆華 吳佳興

北京的風(fēng)與霾

Wind and haze in Beijing

■文、圖/陸兆華 吳佳興

近年來(lái)北京市霧霾天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響到市民正常的生產(chǎn)與生活。霾是主要由人類(lèi)不合理的社會(huì)活動(dòng)造成的細(xì)粒子氣溶膠污染（主要指PM2.5），霧霾天氣除主要受區(qū)域大氣污染物排放量的影響外，同時(shí)亦受眾多氣象因子的影響，包括溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)等等。當(dāng)源排放達(dá)到最不利擴(kuò)散氣象條件的容量限值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)霾天氣；當(dāng)源排放達(dá)到一般擴(kuò)散氣象條件的容量限值時(shí)，霾天氣頻發(fā)；源排放達(dá)到最有利擴(kuò)散氣象條件的容量上限時(shí)，每天都會(huì)出現(xiàn)霾天氣。

在影響灰霾天氣的氣象因子中，風(fēng)因子是人們?nèi)粘Ｉ钪懈惺茏顬橹庇^和明顯的，而且也是對(duì)北京市大氣質(zhì)量的影響極為顯著的一個(gè)因素，其主要分兩方面影響，一是風(fēng)速指征了污染物的輸送強(qiáng)度；二是風(fēng)向影響污染的方位。大氣污染物隨風(fēng)輸送過(guò)程中不斷混入當(dāng)?shù)乜諝?，如果?dāng)?shù)乜諝獗冗^(guò)境空氣更差，則過(guò)境混入的空氣則會(huì)稀釋當(dāng)?shù)匚廴?，反之則會(huì)加劇當(dāng)?shù)匚廴緺顩r。本文將從這兩方面來(lái)分析風(fēng)因子對(duì)北京市空氣質(zhì)量的影響。

自2013年起空氣質(zhì)量指數(shù)AQI取代了原有的空氣污染指數(shù)API，AQI列入了PM2.5指標(biāo)，該指標(biāo)反映了細(xì)粒子污染程度，而這正是形成霧霾的主要因素。所以本文統(tǒng)計(jì)了北京市2013-2015年三年間符合研究條件的819天內(nèi)的風(fēng)向數(shù)據(jù)。AQI數(shù)據(jù)來(lái)源于環(huán)保部官網(wǎng)發(fā)布的全國(guó)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于全球天氣精準(zhǔn)預(yù)報(bào)網(wǎng)。本文將AQI級(jí)別為“優(yōu)”和“良”的天氣統(tǒng)稱(chēng)為清潔天（0〈AQI〈101）；而將有PM2.5污染的天氣統(tǒng)稱(chēng)為污染天，即AQI級(jí)別在三級(jí)及以上時(shí)(100〈AQI〈500)。清潔天共計(jì)346天，污染天共計(jì)473天。本文所研究的首要污染物均為PM2.5。

圖1.清潔天轉(zhuǎn)化至污染天時(shí)平均風(fēng)速盈虧圖

一、 風(fēng)速與霾

空氣的水平運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)，空氣中的污染物會(huì)隨著風(fēng)的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生遷移和擴(kuò)散。本文統(tǒng)計(jì)了北京市2013-2015年間，所有風(fēng)向（共16個(gè)風(fēng)向）平均風(fēng)速的大小，并區(qū)分為清潔天和污染天加以分析（圖1）。

圖1中空心柱代表的是該變化過(guò)程是一個(gè)增長(zhǎng)過(guò)程，而實(shí)心柱代表該過(guò)程是一個(gè)衰減過(guò)程。研究表明：2013-2015年期間，北京市由清潔天轉(zhuǎn)化至污染天過(guò)程中，南、東南偏南、東南、東南偏東、東這5個(gè)東南類(lèi)風(fēng)向的平均風(fēng)速有明顯的增大，增幅在18%之上；而其余11個(gè)風(fēng)向則全部衰減，尤其是北、西北偏北、西北、西北偏西、西、西南偏西這6個(gè)西北類(lèi)風(fēng)向的衰減程度達(dá)30%以上，風(fēng)力衰減顯著。初步表明5個(gè)東南類(lèi)風(fēng)向平均風(fēng)速的變化與6個(gè)西北類(lèi)風(fēng)向平均風(fēng)速的變化會(huì)顯著影響北京市的空氣質(zhì)量，而且影響相反。另外，研究表明北京市2013-2015年期間全年日平均風(fēng)速2.12m/s，清潔天內(nèi)平均風(fēng)速為2.39m/s，污染天內(nèi)平均風(fēng)速為1.93m/s，清潔天內(nèi)空氣流動(dòng)性較污染天強(qiáng)。

二、風(fēng)向與霾

圖2表明：2013-2015兩年內(nèi)北京刮北風(fēng)的頻率最高，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)；在清潔天內(nèi)，除了盛行風(fēng)向北風(fēng)（N）外，西（W）、西北偏西(WNW)、西北(NW)、西北偏北(NNW)、東北偏北（NNE）這5個(gè)風(fēng)向占主導(dǎo)地位，這些風(fēng)的總頻率約占總起風(fēng)頻率的44%，表明這些風(fēng)可能使空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好；在污染天內(nèi)，除了盛行風(fēng)向北風(fēng)（N）外，東北偏東(ENE)、東(E)、東南偏東(ESE)、東南(SE)、東南偏南(SSE)、南(S)這6個(gè)風(fēng)向占主導(dǎo)地位，起這些風(fēng)的總頻率約占總起風(fēng)頻率的61%，表明這些風(fēng)向頻繁出現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差。

圖2.北 京 市2013-2015年風(fēng)向玫瑰圖

三、風(fēng)與霾

結(jié)合風(fēng)向平均風(fēng)速和風(fēng)向頻率的分析，能顯著影響北京空氣質(zhì)量的風(fēng)大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是可能利于空氣質(zhì)量改善的西北部風(fēng)向，包括北風(fēng)、西北偏北風(fēng)、西北風(fēng)、西北偏西風(fēng)、西風(fēng)；另一類(lèi)是可能使空氣質(zhì)量惡化東南部風(fēng)向，包括南風(fēng)、東南偏南風(fēng)、東南風(fēng)、東南偏東風(fēng)、東風(fēng)。

研究表明：由表1第三行所有風(fēng)向的平均風(fēng)速對(duì)比可知，在一定范圍內(nèi)，所有風(fēng)向的平均風(fēng)速越大，越利于空氣質(zhì)量改善；而由西北部風(fēng)和東南部風(fēng)的變化得知，在一定范圍內(nèi)，西北部風(fēng)對(duì)北京市空氣質(zhì)量具有正效應(yīng)，也就是說(shuō)西北部風(fēng)能改善空氣質(zhì)量；相反在一定范圍內(nèi)東南部風(fēng)具有負(fù)效應(yīng)，能使空氣質(zhì)量惡化。因此本研究認(rèn)為2013-2015年期間，北京市清潔天惡化至污染天的主要原因是由于東南部平均風(fēng)速和風(fēng)頻的升高（平均風(fēng)速由1.63升至2.08，風(fēng)頻由21%升至53%），且伴隨西北部平均風(fēng)速和風(fēng)頻的驟降（平均風(fēng)速由3.47降至2.11，風(fēng)頻由53%降至26%）；而污染天改善至清潔天是個(gè)相反的過(guò)程。研究表明：當(dāng)東南部平均風(fēng)速小于1.63m/s且西北部平均風(fēng)速大于3.47m/s時(shí)，北京空氣質(zhì)量會(huì)逐漸轉(zhuǎn)好；而當(dāng)東南部平均風(fēng)速大于2.08m/s時(shí)且西北部平均風(fēng)速小于2.11m/s，空氣質(zhì)量會(huì)逐步惡化。

一定程度上北京特殊的風(fēng)變化特征引起了北京特色的空氣質(zhì)量變化特征，但治霾仍需要標(biāo)本兼治，京津冀地區(qū)霧霾頻發(fā)，污染排放是內(nèi)因、氣象是外因。排污企業(yè)、單位和個(gè)人必須嚴(yán)格按照環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)評(píng)要求等排污，這才是治霾根本，削減污染負(fù)荷、改善環(huán)境容量才有助于治本。

表1.風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

表2.風(fēng)力等級(jí)范圍

作者單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境學(xué)院