人為排放水汽對北京地區(qū)冬季氣候的影響分析研究

李崇興

（水利部政策法規(guī)司，100053，北京）

一、研究背景

京津冀地區(qū)發(fā)生的霧霾重污染事件，引發(fā)全社會高度關(guān)注。北京市不斷加大大氣污染防治工作力度，通過采取壓減燃煤、治污減排、煤改電、煤改氣等綜合防治措施，大氣污染物排放持續(xù)減少，環(huán)境質(zhì)量明顯改善，但仍然連續(xù)出現(xiàn)重污染天氣。研究發(fā)現(xiàn)，對比治理前后能源燃燒排放物成分，SO2和NO2等大氣污染物排放量減少，而PM2.5和水汽的排放量增多。特別是冶金工業(yè)和燃煤電廠的濕法脫硫脫硝除塵、燃?xì)鉄犭姀S、垃圾焚燒發(fā)電廠等向大氣中排放了大量的水汽。北京地區(qū)燃?xì)忮仩t和熱電廠以及液化天然氣汽車產(chǎn)生的煙氣中含有20%（體積）水蒸氣，在低空排放時(shí)對局部區(qū)域大氣中的水汽含量產(chǎn)生了一定的影響。北京每天用于采暖的天然氣量超過1億m3，向大氣中釋放的水汽量超過16萬t。在霧霾氣象條件時(shí)，北京近地層大氣中存在逆溫層，高度在200 m左右。這些水汽釋放到北京市城市主城區(qū)1 000 km2、高度200 m范圍內(nèi)的大氣中，每立方米空氣中每天將增加水汽0.75 g，如不能及時(shí)擴(kuò)散會對北京地區(qū)空氣的相對濕度產(chǎn)生較大影響。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對空氣相對濕度與霧霾天氣的關(guān)系進(jìn)行了深入研究和探討。結(jié)論是：氣象條件是霧霾形成的外因，比如高濕、小風(fēng)、逆溫等，在污染物排放基本相同的前提下會導(dǎo)致更嚴(yán)重的污染；空氣中的水汽通過促進(jìn)SO2、NOX被氧化成SOA（二次污染顆粒）而加劇霧霾天氣；霧霾污染過程中，二次生成顆粒物可占PM2.5的60%～70%；不同時(shí)刻大氣液態(tài)水含量的廓線圖對霧霾天氣的預(yù)報(bào)有指導(dǎo)意義。有學(xué)者認(rèn)為，大量人類活動排放的大氣氣溶膠粒子加重了霧霾；導(dǎo)致北京嚴(yán)重空氣污染的氣溶膠源地以北京當(dāng)?shù)丶捌渲苓呧徑貐^(qū)的污染源為主；氣態(tài)污染物的非均相反應(yīng)會導(dǎo)致顆粒物吸濕性顯著增強(qiáng)，從而對強(qiáng)霾污染形成起到促進(jìn)作用。專家學(xué)者的研究結(jié)果表明，空氣中的水汽與霧霾天氣的形成有著十分密切的關(guān)系。

大氣中的水汽主要來源于自然界和人為產(chǎn)生兩方面，但目前學(xué)者對霧霾成因的研究中，并未考慮人為排放水汽的影響。隨著煤改氣措施的推行，天然氣燃燒釋放的水汽對北京地區(qū)大氣的負(fù)面影響也在增大。本文對北京天然氣燃燒釋放水汽對大氣的影響進(jìn)行了深入研究，利用氣象實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)從整體和局部的角度分析霧霾氣候條件下北京地區(qū)冬季大氣中水汽變化，通過對2016年12月和2017年12月兩次霧霾天氣過程的分析，得到了定量的分析結(jié)果。

二、資料與方法

1.資料來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于各氣象站以及環(huán)保監(jiān)測站，包括氣溫、相對濕度、降雨量和風(fēng)力風(fēng)速等實(shí)測數(shù)據(jù)，采用“點(diǎn)”和“線”相結(jié)合方式論證天然氣燃燒排放水汽對霧霾天氣的影響。建立地理參照系，從河北省南端的邯鄲市通過邢臺、石家莊、保定到北京市區(qū)及其北部延慶區(qū)劃一條直線，選取這條線上10～12個(gè)市縣的氣象站作為樣本，收集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。

2.研究方法

本文通過計(jì)算采暖期燃?xì)忮仩t釋放的水汽占空氣中全部水汽的比例分析和判斷其影響程度。采取“有無對比”的方法，根據(jù)采暖季和非采暖季兩種情況下收集到的空氣相對濕度和溫度等實(shí)測氣象數(shù)據(jù)計(jì)算空氣絕對濕度（空氣含水量），繪制空氣含水量曲線，分析其變化規(guī)律。根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)，得出地理參照系上空氣含水量的趨勢線，并據(jù)此嘗試提出水汽本底值的計(jì)算方法，根據(jù)曲線的走向、平滑度、傾角等數(shù)據(jù)，可以判斷北京城區(qū)站在沒有人為影響時(shí)的水汽本底值，進(jìn)一步計(jì)算人為排放水汽的影響比例和程度。同時(shí)在北京市內(nèi)選取了典型站氣象數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了天然氣燃燒釋放水汽的影響。

三、人為排放水汽對北京地區(qū)近地空氣層水汽量的影響

1.利用氣象觀測數(shù)據(jù)分析天然氣釋放水汽對北京地區(qū)的影響

時(shí)間：選取人類活動產(chǎn)生的水汽影響最低的時(shí)間段，凌晨0—7時(shí)。

數(shù)據(jù)樣本：選用不同季節(jié)和氣候條件具有代表性的數(shù)據(jù)為樣本，見表1。

氣象站點(diǎn)：位于一條直線上的磁縣、雞澤、隆堯、辛集、高陽、涿州、大興、北京城區(qū)、昌平、延慶等氣象站。

曲線：記錄數(shù)據(jù)包括溫度、相對濕度、風(fēng)力風(fēng)向。根據(jù)氣溫和相對濕度計(jì)算出整點(diǎn)的空氣絕對濕度平均值，取其0—7時(shí)的絕對濕度繪制空氣含水量曲線。

（1）非采暖期（本底值）實(shí)測氣象數(shù)據(jù)分析

非采暖季節(jié)空氣含水量曲線特征如表2所示。以2017年10月13日的曲線為例，空氣絕對濕度曲線傾角稍大（10°左右），基本平順，北京城區(qū)有小凸起，如圖1所示。

綜上所述：

①非采暖季節(jié)選取的10個(gè)氣象站的0—7時(shí)整點(diǎn)空氣含水量的連線是一條有一定斜率傾角的直線，其傾角取決于空氣溫度和相對濕度變化。線形的凹凸受空氣質(zhì)量影響較小，而受局部地區(qū)大風(fēng)造成的污染物和水汽的擴(kuò)散程度影響較大。北京地區(qū)大風(fēng)時(shí)，線形向下凹陷。

表1 數(shù)據(jù)樣本

表2 非采暖期空氣含水量曲線特征

圖1 2017年10月13日0—7時(shí)非采暖期空氣含水量

②在參照系中，非采暖期的空氣絕對濕度曲線較為平滑，受區(qū)域霧霾和空氣質(zhì)量指數(shù)的影響很小，北京城區(qū)站的數(shù)值可作為北京地區(qū)的水汽本底值作為參考。

（2）采暖期實(shí)測氣象數(shù)據(jù)分析

采暖季節(jié)空氣含水量曲線特征如表3所示。以2016年12月18日的曲線為例，空氣絕對濕度線傾角小（6°左右），河北地區(qū)平順，北京地區(qū)有凸起，北京地區(qū)空氣絕對濕度明顯高于本底值。如圖2所示。

對于學(xué)科期刊資源，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)會協(xié)會出版資源，采取學(xué)科包或單電子刊訂購模式，實(shí)現(xiàn)期刊資源的全面服務(wù)。同時(shí)需要積極拓展文獻(xiàn)共享與獲取途徑，推動通過文獻(xiàn)傳遞或館際互借等方式解決一般學(xué)科用戶的各類文獻(xiàn)使用需求，重在提升資源獲取服務(wù)能力。

綜上所述：

①采暖季節(jié)北京地區(qū)的空氣絕對濕度值在霧霾天氣時(shí)均明顯高于水汽本底值，絕對濕度曲線均出現(xiàn)明顯凸起。北京地區(qū)大風(fēng)時(shí)，線形向下凹陷。

②通過采暖期北京地區(qū)空氣絕對濕度與非采暖期參照系的對比，可以得出如下結(jié)論：采暖期北京地區(qū)霧霾天氣的絕對濕度高于參照系的部分是人為釋放的水汽。

③考慮到采集的氣象數(shù)據(jù)時(shí)間段為0—7時(shí)，此時(shí)段內(nèi)人類活動、機(jī)動車運(yùn)行，以及自然界中水體、土壤和植物的蒸發(fā)等諸多因素均已降到最低，只有用于采暖的燃?xì)忮仩t在不間斷地運(yùn)行，向大氣中釋放水汽，因此，可以得到以下初步結(jié)論：霧霾氣候條件下，北京地區(qū)空氣的絕對濕度高出水汽本底值的部分是采暖的燃?xì)忮仩t釋放的水汽，具體數(shù)值需要進(jìn)一步論證。

（3）天然氣燃燒排放水汽對北京地區(qū)大氣中水汽量影響的量化分析

為了進(jìn)一步量化天然氣燃燒排放水汽對北京地區(qū)大氣中水汽量影響，選取2017年12月29日的實(shí)測資料作為樣本分析。

①本底值的計(jì)算。本底值是按照正常天氣狀況下，空氣絕對濕度曲線顯示的北京地區(qū)的空氣絕對濕度值，所表示的是自然因素形成的空氣含水量，當(dāng)人為因素造成空氣含水量增加時(shí)，實(shí)測的數(shù)據(jù)會高于本底值而使絕對濕度曲線產(chǎn)生凸起。可以通過高出本底值的部分計(jì)算出人為因素所增加的水汽量。

②2017年12月29日的空氣絕對濕度曲線中，北京大興和北京城區(qū)部分高出平均值，以河北涿州和北京延慶為參照值可以計(jì)算出北京地區(qū)的本底值，然后與實(shí)測值比較，即可計(jì)算出當(dāng)日霧霾過程中由天然氣釋放的水汽給北京地區(qū)空氣中增加的水汽量。計(jì)算過程見表4、圖3。

表3 采暖期空氣含水量曲線特征

圖2 2016年12月18日采暖期空氣含水量

表4 人為排放水汽給北京地區(qū)空氣中增加的水汽量 （單位：g/m3）

圖3 2017年12月29日0—7時(shí)空氣絕對濕度及人為增加水汽量計(jì)算示意圖

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果，在霧霾氣候條件下，北京城區(qū)的空氣絕對濕度平均值，比計(jì)算的水汽本底值要高出0.78g/m3，即這部分水汽是人為排放的。北京城區(qū)實(shí)測空氣絕對濕度為3.2g/m3，高出部分占空氣含水量的24.4%。

2.采暖鍋爐排煙釋放水汽對局部空氣質(zhì)量指數(shù)影響的分析

為了進(jìn)一步證實(shí)采暖鍋爐排煙釋放水汽對局部空氣質(zhì)量指數(shù)的影響，選擇北京門頭溝區(qū)黑山供熱公司和海淀區(qū)上莊熱電廠附近的環(huán)保自動監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2018年3月19日20時(shí)左右，停止采暖的前一天，北京地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)均在65～99之間，市區(qū)平均為70，空氣質(zhì)量為良。但是，遠(yuǎn)離市區(qū)的海淀北部新區(qū)環(huán)保自動監(jiān)測站顯示空氣質(zhì)量指數(shù)為151，為中度污染，門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)環(huán)保自動監(jiān)測站顯示空氣質(zhì)量指數(shù)144，為輕微污染（接近中度污染），兩站空氣質(zhì)量指數(shù)均超過市區(qū)平均數(shù)的一倍。分析研究認(rèn)為是采暖的燃?xì)忮仩t排放煙氣造成。

四、空氣含水量是影響空氣質(zhì)量不可忽視的重要因素

目前，環(huán)保部門公布的空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)和實(shí)測數(shù)據(jù)是采用各檢測站 點(diǎn) 實(shí) 測 的 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3數(shù)據(jù)按照一定的計(jì)算公式計(jì)算得出的空氣質(zhì)量指數(shù)。在研究中發(fā)現(xiàn)，采用實(shí)測的空氣溫度和相對濕度計(jì)算出來的空氣絕對濕度（空氣含水量）形成的曲線和實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)的曲線有高度的相似性，而且，空氣含水量越高，相似程度越高，特別是在空氣質(zhì)量指數(shù)急劇變化時(shí)，顯現(xiàn)出更高的吻合度?，F(xiàn)選擇2017年1月6日的空氣質(zhì)量指數(shù)和空氣絕對濕度兩種曲線進(jìn)行對比，具體如圖4、圖5所示?？梢钥吹剑諝赓|(zhì)量指數(shù)和空氣絕對濕度曲線的走向和趨勢是高度吻合的。雖然質(zhì)量指數(shù)曲線的構(gòu)成和計(jì)算方法與空氣含水量沒有聯(lián)系，但是產(chǎn)生的結(jié)果卻給出一個(gè)重要提示：空氣含水量是影響空氣質(zhì)量的不可忽視的重要因素。

表5 人為排放水汽給北京地區(qū)空氣中增加的水汽量 （單位：g/m3）

圖4 2017年1月6日空氣絕對濕度

圖5 2017年1月6日空氣質(zhì)量指數(shù)

五、結(jié)論與展望

1.結(jié)論

通過上述分析和論證可以得到以下結(jié)論：

（1）空氣中水汽的增加能促進(jìn)二次顆粒的生成，從而提高了PM2.5的濃度，惡化了空氣質(zhì)量。人為排放的水汽與北京地區(qū)霧霾天氣形成和加劇有著密切的關(guān)系。研究人為排放水汽的影響，將有助于北京地區(qū)冬季霧霾天氣成因解析和采取治理措施。

（2）北京地區(qū)大氣中人為排放水汽來自本區(qū)域及周邊相鄰地區(qū)冶金工業(yè)和燃煤電廠的濕法脫硫脫硝除塵、燃?xì)鉄犭姀S、垃圾焚燒發(fā)電廠等。特別是燃?xì)忮仩t和熱電廠以及液化天然氣汽車，在低空排放時(shí)對局部區(qū)域大氣中的水汽含量產(chǎn)生了一定的影響。

（3）在采暖期北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，建立參照系，確定了采暖期北京地區(qū)空氣濕度的絕對值，量化了人為排放水汽的增量值。選取重霧霾天氣數(shù)據(jù)為樣本，分析結(jié)果表明：北京地區(qū)實(shí)測空氣絕對濕度（空氣含水量）為3.2 g/m3，人為排放水汽的增量為0.78 g/m3，增加部分占總含水量的24.4%。

（4）研究中發(fā)現(xiàn)，采用實(shí)測的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算出來的空氣絕對濕度（空氣含水量）形成的曲線和實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量指數(shù)的曲線有高度的相似性，特別是在空氣質(zhì)量指數(shù)急劇變化時(shí)，顯現(xiàn)出更高的吻合度。給出一個(gè)重要提示：空氣含水量是影響空氣質(zhì)量不可忽視的重要因素。

2.展望

筆者從現(xiàn)象層面對人為排放的水汽與北京地區(qū)冬季氣候改變關(guān)系的研究是一次初步的嘗試，存在一定的局限性，希望得到環(huán)保、氣象專家學(xué)者的指教，以進(jìn)一步研究、揭示北京地區(qū)霧霾天氣的深層次原因，為科學(xué)決策和精準(zhǔn)施策治理霧霾提供理論支撐和技術(shù)支持。