天津市濱海新區(qū)霧霾及臭氧對(duì)大氣污染成因分析

趙金霞，高 穎，靳振華，邢 蕊

(天津?yàn)I海新區(qū)氣象局 天津300457)

0 引 言

進(jìn)入 20世紀(jì)以來(lái)京津地區(qū)霧霾頻繁出現(xiàn)，不僅降低了能見度，也加重了大氣污染，這些現(xiàn)象早已引起社會(huì)廣泛關(guān)注。天津市濱海新區(qū)雖然緊鄰渤海灣，同樣也會(huì)出現(xiàn)霧霾和大氣污染問題。已有研究表明，霧霾天氣的發(fā)生與人為污染物排放和天氣形勢(shì)有密切的關(guān)系[1-2]；重度污染基本表現(xiàn)為污染物濃度高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特征[3]。近2年夏季光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的臭氧，導(dǎo)致大氣重度污染也時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)生臭氧的氮氧化物和碳?xì)浠镏饕獊?lái)自汽車尾氣以及石油、燃煤排放的廢氣，還有大量使用的揮發(fā)性有機(jī)溶劑等，它們?cè)谔?yáng)紫外線的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧和醛類等二次污染物。日光輻射強(qiáng)度是形成光化學(xué)煙霧的重要條件，因此在一年中，夏季是發(fā)生光化學(xué)煙霧的季節(jié)，臭氧是主要產(chǎn)物。此次研究主要分析霧霾及臭氧產(chǎn)生的條件，為重污染天氣的識(shí)別和預(yù)報(bào)提供更多的科學(xué)依據(jù)。

1 污染日數(shù)年際變化

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》，空氣污染指數(shù) AQI等級(jí)劃分如表 1所示。AQI指數(shù)越大，級(jí)別越高，說(shuō)明污染越嚴(yán)重，對(duì)人體健康的危害也越大。統(tǒng)計(jì)濱海新區(qū)第四大街環(huán)保局空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由霧霾、臭氧引起的每年平均污染指數(shù) AQI可知(表2)，150＜AQI≤200的中度污染 2015年、2016年和2018年均為27次，2017年和2019年均為30次，中度污在 2019年增加明顯；200＜AQI≤300的重度污染 2015年、2016年均為 20次，2017年15次，2018年14次，2019年截止到9月份為8次，重度污染呈逐年降低趨勢(shì)。AQI＞300的嚴(yán)重污染2015年 7次，2016年和 2017年均為 2次，2018年1次，嚴(yán)重污染迅速減少。2019年 1～9月的中度污染高于平均值為 30次，主要是 1～3月霾污染在增加；重度污染低于平均值為 8次，嚴(yán)重污染沒有發(fā)生。臭氧引起的污染主要出現(xiàn)在每年的 5～9月，白天 8h最大平均污染指數(shù)在 150＜AQI≤200的中度污染， 2016年5次，2017年18次，2018年17次，2019年 18次，臭氧引起的中度污染在快速增加；200＜AQI≤300的重度污染在2015、2016年和2017年均為 0次，2018年 3次，2019年 2次；到目前為止沒有臭氧嚴(yán)重污染。

由分析可以看出，霧霾污染日數(shù)明顯減少，霧霾嚴(yán)重污染日數(shù)顯著減少。2018年和 2019年 5～9月出現(xiàn)的重度污染，主要是臭氧污染造成的，臭氧引起的中度污染從2015年5～9月0次到2019年的5～9月18次，增加迅速(表3)；重度污染近2年也在增加，這種看不見的污染是今后亟待解決的問題。

表1 空氣污染指數(shù)AQI等級(jí)劃分Tab.1 Air pollution index AQI classification

表2 霧霾引起的AQI不同級(jí)別污染日數(shù)Tab.2 Number of pollution days caused by haze in different levels of AQI

表3 臭氧O3引起的AQI不同級(jí)別污染日數(shù)Tab.3 Number of pollution days caused by ozone in different levels of AQI

2 持續(xù)霧霾天氣的環(huán)流特征

春、秋、冬季的大氣污染是引起霧霾主要的因素，它發(fā)生在特定大尺度環(huán)流背景下。京津冀發(fā)生霧霾天氣的環(huán)流特征主要有以下 3種：中高維度阻塞型、南支槽型和緯向型[4]。這 3種形勢(shì)都不利于北部冷空氣南下等特點(diǎn)。在地面風(fēng)場(chǎng)上，京津地區(qū)至遼東灣西部有1條偏北風(fēng)和偏南風(fēng)的切變線，長(zhǎng)時(shí)間的偏南風(fēng)將污染物、水汽匯聚在切變線以南不斷積累，當(dāng)大氣層結(jié)逆溫增強(qiáng)時(shí)就會(huì)發(fā)生霧霾，導(dǎo)致大氣重度污染。

由濱海新區(qū)塘沽觀測(cè)站 2015年 12月 20日20:00～25日20:00的連續(xù)霧霾日可知，高、低空環(huán)流形勢(shì)為緯向型，天津?yàn)I海新區(qū)受偏西氣流控制(圖1)；20日 08:00～25日 20:00地面氣壓場(chǎng)較弱(圖2a)，這段時(shí)間大氣層結(jié)穩(wěn)定、地面風(fēng)速偏小，不利于污染物擴(kuò)散和稀釋，出現(xiàn)最小能見度低于 0.1km 霧霾；25日夜間內(nèi)蒙古東部地區(qū)有冷空氣配合高空橫槽南下，地面處在冷鋒前的低壓區(qū)里(圖2b)，由于鋒前逆溫及鋒前輻合加強(qiáng)，導(dǎo)致 25日夜間出現(xiàn)能見度為 65m 的濃霧；隨著系統(tǒng)演變 21～25日出現(xiàn)連續(xù)5d AQI＞200重度污染，其中有 3d(21～23日)AQI＞300的嚴(yán)重污染(圖3)。

圖1 500hpa氣壓場(chǎng)(實(shí)線)和溫度場(chǎng)(紅虛線)Fig.1 500hpa pressure field and temperature field

圖2 海平面氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)Figure 2 Sea level pressure field and wind field

圖3 2015年 12月 20日—27日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI日平均值)Fig.3 Air quality index(daily average of AQI)from December 20 to 27, 2015

3 持續(xù)霧霾的形成條件

3.1 風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、逆溫層對(duì)霧霾的影響

綜合分析濱海新區(qū)塘沽觀測(cè)站重度霧霾期間的風(fēng)向、風(fēng)速，相對(duì)濕度及逆溫發(fā)現(xiàn)，20日 20:00～26日07:00日平均風(fēng)速均在 1.8m/s以下(10min平均風(fēng)速在 0～2.5m/s 內(nèi)波動(dòng))，加之濕度較大，日平均相對(duì)濕度在 75%以上、逆溫層強(qiáng)度大(除每日的正午時(shí)段外，其余大部分時(shí)間均存在近地逆溫層)，邊界層內(nèi)污染物的水平和垂直擴(kuò)散能力差，靜穩(wěn)的氣象條件相互配合，導(dǎo)致污染物在切變線以南持續(xù)積累。如圖4所示，20日白天到21日17:00持續(xù)的西南風(fēng)使 PM2.5、PM10迅速增大，分別達(dá)到 436、614μg/m3，能見度減小到 1km 以下，出現(xiàn)重度霧霾，發(fā)生嚴(yán)重污染；之后22日、24日風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，23日、25日為偏西風(fēng)至西南風(fēng)，平均風(fēng)速均小于 2.5m/s，這種海陸風(fēng)的轉(zhuǎn)換為陸地提供了充分的水汽，產(chǎn)生持續(xù)霧霾；26日清晨風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，塘沽站處在冷鋒前，相對(duì)濕度達(dá)到 97%，最小能見度降到 65m，到 08:00 PM2.5逐漸減小到 114μg/m3，說(shuō)明在濕度接近飽和的條件下，水汽對(duì)霧霾有清洗作用，26日 09:00東風(fēng)增大到 6.3m/s，污染物迅速減小到 100μg/m3以下，持續(xù)重度霧霾結(jié)束。

圖4 2015年 12月 20日 08時(shí)—26日 08時(shí)能見度與PM2.5、PM10演變圖Fig.4 Visibility and PM2.5 and PM10 evolution chart from December 20 to 26, 2015

3.2 近地層逆溫對(duì)霧霾的影響

垂直方向的逆溫是持續(xù)性霧霾形成的必要條件。天津鐵塔(高度 250m)，由城市邊界層觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，20日 08:00～26日 08:00 PM2.5變化曲線出現(xiàn)4次增加，4次減小的波動(dòng)，PM2.5每次增加都是逆溫差值增大，逆溫層接地(5m，下同)引起的，PM2.5每次減小是由逆溫層抬高或消失地造成的。21日20:00逆溫層接地并逐漸加強(qiáng)，最大逆溫差達(dá)3℃，PM2.5迅速增大到 430μg/m3的嚴(yán)重污染，之后在高位振蕩。24日白天逆溫層逐漸減弱，中午前后逆溫層消失，PM2.5迅速下降到112μg/m3的中度污染；25日隨著逆溫層接地PM2.5又迅速增加，26日09:00隨著風(fēng)速加大逆溫層消失，PM2.5迅速下降到 100μg/m3以下，持續(xù)霧霾結(jié)束(圖5)。

圖5 20日 08:00～26日 08:00逆溫(差值)、最低逆溫層高度和PM2.5演變Fig.5 Inverse temperature(difference),minimum inversion layer height and PM2.5 change from 20th to 26th

由分析可以看出，污染物的濃度與近地面逆溫層強(qiáng)度和接地有關(guān)，當(dāng)逆溫層接地時(shí)逆溫差值越大，污染指數(shù)就越大，能見度越低。這表明污染物濃度與能見度負(fù)相關(guān)。

4 臭氧對(duì)大氣的污染

由濱海新區(qū)四大街環(huán)保局空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，每年 5～9月在晴朗、高溫、小風(fēng)的白天，氮氧化物和碳?xì)浠镌诠庹諚l件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；近年來(lái)產(chǎn)生臭氧大于 200μg/m3且污染指數(shù) 150＜AQI≤200的中度污染明顯增加，由2015年的0次增加到 2019年的 18次，其中 2018年3次和2019年2次重度污染。2019年5至9月出現(xiàn)18次中度、2次重度污染；如 2019年 6月 24日 08:00～23:00天空晴朗，能見度大于 20km，偏南風(fēng)小于 3.1m/s，下午13時(shí)氣溫 33℃，臭氧濃度為 365μg/m3，光化學(xué)污染達(dá)到峰值(圖6)，污染指數(shù)AQI平均值為207達(dá)到重度污染，20:00以后污染指數(shù)AQI和臭氧濃度迅速降到 200以下。由分析可以看出，光照越強(qiáng)、溫度越高臭氧污染就越重，對(duì)呼吸道的危害也越大。

圖6 2019年 6月 24日 08:00～23:00臭氧和溫度逐時(shí)變化曲線Fig.6 Ozone and temperature hourly curve from 08:00 to 23:00 on June 24，2019

5 結(jié) 論

①高空緯向型環(huán)流，地面弱氣壓場(chǎng)，在冬季很容易形成逆溫層產(chǎn)生霧霾；渤海西北部沿岸至京津地區(qū)風(fēng)切變的維持，導(dǎo)致連續(xù)霧霾產(chǎn)生，形成持續(xù)重度污染。近幾年由于全方位治理，冬半年霧霾日數(shù)明顯減少，連續(xù)霧霾日數(shù)也在下降，重度污染日數(shù)下降顯著。

②濱海新區(qū)污染程度與風(fēng)向有很大關(guān)系，連續(xù)出現(xiàn)南風(fēng)、西南風(fēng)到偏西風(fēng)時(shí)都會(huì)使污染物迅速增加，當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)(海風(fēng))時(shí)，由于濕度增加會(huì)產(chǎn)生重度霧霾，造成嚴(yán)重污染。這種現(xiàn)象與污染源的分布有關(guān)，因此污染源的增加與排放是重度霧霾產(chǎn)生的根本原因。

③近幾年夏季前后，在晴朗、高溫、小風(fēng)的白天，氮氧化物和碳?xì)浠镌诠庹諚l件下，會(huì)產(chǎn)生污染指數(shù)AQI＞200、臭氧濃度大于 300μg/m3的重度污染，且中度污染次數(shù)增加明顯。這種光化學(xué)煙霧污染與汽車擁有量增加、污染物排放有很大關(guān)系，應(yīng)引起重視并需要實(shí)施綜合性治理，如制定法規(guī)監(jiān)測(cè)廢氣排放，改良汽車排氣系統(tǒng)和提高汽油質(zhì)量，減少揮發(fā)性有機(jī)物油漆、涂料的使用等。