人為排放水汽對北京地區(qū)霧霾天氣的影響分析

李崇興 趙榮 王海東

摘要：根據(jù)國家氣象局中國天氣網(wǎng)站公布的北京和河北部分城市整點天氣實況以及環(huán)保部公布的空氣質(zhì)量指數(shù)等資料分析了北京地區(qū)空氣含水量的本底值和霧霾氣候條件下的增量。結(jié)果表明，采暖季節(jié)，人為釋放的水氣量導(dǎo)致北京地區(qū)空氣含水量產(chǎn)生較大幅度的增加，對北京地區(qū)的霧霾天氣加重起著不可忽視的作用。經(jīng)過對2016年12月和2017年12月兩次霧霾天氣過程的分析，發(fā)現(xiàn)其平均空氣含水量高出本底值0.78g/m3，北京城區(qū)站2017年12月29日0～7時空氣含水量增幅為24.4%。

關(guān)鍵詞：人為排放；水汽；霧霾；影響分析；北京

中圖分類號：X513文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2020.02.009

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0引言

2013年采暖季華北地區(qū)發(fā)生強霧霾重污染事件，引起了全社會的高度重視。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2018年2月底至3月初，北京市連續(xù)出現(xiàn)了多次重污染天氣。對采取環(huán)境治理措施前后的能源燃燒排放物成分對比分析發(fā)現(xiàn)，SO2和氮氧化物等大氣污染物排放量減少，而水汽的排放量增多。如工業(yè)生產(chǎn)過程中，燃煤電廠的濕法脫硫脫硝、燃煤采暖鍋爐的濕法除塵、焦化廠的濕法息焦、天然氣鍋爐、液化氣（天然氣、石油氣）汽車、燃氣熱電廠、生物質(zhì)發(fā)電廠、垃圾焚燒發(fā)電廠等均向大氣環(huán)境中排放了大量的水汽。特別是燃氣鍋爐和熱電廠以及液化天然氣的汽車燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有20%（體積）水蒸氣，在低空排放時對局部區(qū)域的大氣中的水汽含量產(chǎn)生了一定的影響。北京冬季每天用于采暖的天然氣量已超過1億立方米，每天向大氣中釋放的水汽量已超過16萬噸。根據(jù)氣象專家對北京冬季不同類型霧中邊界層的結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律研究結(jié)果，北京冬季霧氣過程低層大氣中存在逆溫層，逆溫層高度在100米～ 200米之間。這些水汽釋放到北京市城市主城區(qū)1000平方公里高度200米范圍內(nèi)的大氣中，每立方米空氣中每天將增加0.75克水汽，如不能及時擴散將對北京地區(qū)空氣的相對濕度產(chǎn)生較大的影響。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對空氣相對濕度與霧霾天氣的關(guān)系進行了深入的研究和探討。相關(guān)研究表明：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)致更嚴重的污染[1-2]；空氣中的水汽通過促進二氧化硫、氮氧化物被氧化成SOA（二次污染顆粒）而加劇霧霾天氣[3]；霧霾污染過程中，二次生成顆粒物可占PM2.5的60～70%[4]；不同時刻大氣液態(tài)水含量的廓線圖對霧、霾天氣的預(yù)報有指導(dǎo)意義[5]。對于霧霾的成因，學(xué)者表明并非完全的自然現(xiàn)象，大量人類活動排放的大氣氣溶膠粒子加重了霧霾[6]；導(dǎo)致北京嚴重空氣污染的氣溶膠源地以北京當?shù)丶捌渲苓呧徑貐^(qū)的污染源為主[7]；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，從而對強霾污染形成起到促進作用[8]。綜上所述，各位專家學(xué)者的研究結(jié)果有一個共同的指向，就是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，在工程設(shè)計的環(huán)境影響評價中也沒有考慮人為大量排放水汽產(chǎn)生的負面影響。煤改氣是改善北京大氣環(huán)境的一項重要措施，隨著天然氣消耗量的劇增，天然氣燃燒釋放的水汽對北京地區(qū)大氣的負面影響也在增大。本文對北京的天然氣燃燒釋放的水汽對大氣的影響進行了深入的研究，利用氣象實時觀測數(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)大氣中水汽的變化，特別是對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。

1資料與方法

1.1資料來源

本文收集的數(shù)據(jù)主要來源于各氣象站以及環(huán)保監(jiān)測站，分別在采暖季和非采暖季兩種情況下收集正常氣候條件、霧霾氣候條件和大風(fēng)氣候條件三種天氣下的相應(yīng)數(shù)據(jù)，主要包括氣溫、相對濕度、降雨量和風(fēng)力風(fēng)速等實測數(shù)據(jù)。本文采用“點”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。首先，建立如圖1所示的地理參照系，從河北省南端的邯鄲市通過邢臺、石家莊、保定、北京市區(qū)及北部的延慶區(qū)劃一條直線，選取這條線上的10個市縣的氣象站作為樣本，收集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。其次，選取北京門頭溝區(qū)黑山供熱公司和海淀區(qū)上莊熱電廠為研究對象，收集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)進行分析。

1.2研究方法

研究天然氣釋放水汽產(chǎn)生的影響，首先要分析這部分水汽占空氣中全部水汽的比例，特別是采暖期燃氣鍋爐煙氣釋放的水汽的比例，才能對其影響程度作出分析和判斷。因此，本文采取“有無對比”的方法，對比分析采暖季和非采暖季兩種情況下的氣象情況，分別根據(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測氣象數(shù)據(jù)計算空氣絕對濕度，繪制空氣含水量曲線，分析不同氣候條件下的變化規(guī)律。本文根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)，通過對比分析，得出地理參照系上空氣含水量的趨勢線，并據(jù)此嘗試提出了水汽本底值的計算方法，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的本底值，進一步計算人為排放水汽的影響比例和程度。并在北京市內(nèi)選取了供熱廠進行周圍氣象數(shù)據(jù)分析，進而驗證了天然氣燃燒釋放水汽的影響。

2人為排放水汽對北京地區(qū)近地空氣層水汽量的影響分析

2.1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

（1）時間：選取人類活動產(chǎn)生的水汽影響最低的時間段，凌晨0～7時。非采暖季選取10月最有代表的4天，8日（中度污染）、13日（空氣質(zhì)量良）、21日（輕度污染）29日（空氣質(zhì)量優(yōu)）。采暖季節(jié)選取2016年12月18日（重度污染）、26日（空氣質(zhì)量良）、2017年12月3日（中度污染轉(zhuǎn)輕度污染）、28日（輕度污染）29日（重度污染）。

（2）氣象站點：位于一條直線的磁縣、雞澤、隆堯、辛集、高陽、涿州、大興、北京城區(qū)、昌平、延慶十個氣象站（圖1）。

（3）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)氣溫和相對濕度計算出整點的空氣絕對濕度平均值，取其0～7時的絕對濕度繪制空氣含水量曲線。

2.1.1非采暖期（本底值）實測氣象數(shù)據(jù)分析

非采暖季節(jié)含水量曲線特征表如表1所示。

2017年10月8日，各站空氣相對濕度高于90%，北京西風(fēng)1級，中度霾，空氣質(zhì)量指數(shù)186，中度污染?？諝饨^對濕度線的傾角小（7度左右），平順，無凸起。如圖2所示。

2017年10月13日，各站空氣相對濕度高于90%，白天西南風(fēng)3級，空氣質(zhì)量指數(shù)52，PM2.5指數(shù)25，空氣質(zhì)量良?？諝饨^對濕度線傾角稍大（10度左右），基本平順，北京城區(qū)有小凸起。如圖3所示。

2017年10月21日，早晚有霧，京津冀地區(qū)大霧，各站空氣相對濕度高于95%，北京靜風(fēng)，空氣質(zhì)量指數(shù) 103，PM2.5，75，輕度污染?？諝饨^對濕度線傾角小（5度左右），平順，北京城區(qū)無凸起。如圖4所示。

2017年10月29日，各站空氣相對濕度較低，25～ 55%，北京北風(fēng)3～4級/西北風(fēng)2～3級，空氣質(zhì)量指數(shù)27，PM2.5指數(shù)7，空氣質(zhì)量優(yōu)，空氣絕對濕度線傾角較大（13度以上），有凸起，北京地區(qū)大風(fēng)，擴散條件好，空氣絕對濕度低于平均值。如圖5所示。

綜上所述：（1）非采暖季節(jié)選取的10個氣象站的0～7時整點空氣含水量的連線是一條有一定斜率傾角直線，其傾角取決于空氣溫度和相對濕度的變化。線形的凹凸受空氣質(zhì)量的影響較小，而受局部地區(qū)大風(fēng)造成的污染物和水汽的擴散程度影響較大。北京地區(qū)大風(fēng)時，線形向下凹陷。（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)的本底值作為參考。

2.1.2采暖期實測氣象數(shù)據(jù)分析

采暖季節(jié)空氣含水量曲線特征表如表2所示。

2016年12月18日，各站空氣相對濕度較高，北京89%，北京東/東北風(fēng)1級，濕度高，風(fēng)速低，擴散不好，重度霾，空氣質(zhì)量指數(shù)270，PM2.5指數(shù)219，重度污染?？諝饨^對濕度線傾角?。?度左右），河北地區(qū)平順，北京地區(qū)有凸起，北京地區(qū)空氣相對濕度明顯高于本底值。如圖6所示。

2017年12月28日，各站空氣相對濕度偏高，高于70%，北京靜風(fēng)，東風(fēng)1～2級，輕度霾，空氣質(zhì)量指數(shù)140，PM2.5指數(shù)105，輕度污染。空氣絕對濕度線傾角稍大（10度以上），不平順，北京地區(qū)有大凸起，北京地區(qū)空氣絕對濕度明顯高于本底值。如圖7所示。

2017年12月29日，各站空氣相對濕度較高，高于80%，北京靜風(fēng)，西南1 ～ 2級，重度霾?？諝赓|(zhì)量指數(shù)221，PM2.5，172，重度污染?？諝饨^對濕度線傾角稍大（12度以上），河北平順，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8所示。

2016年12月26日，北京濕度較低（65 ～ 45），東北風(fēng)1 ～ 2級，晴，無霾。空氣質(zhì)量指數(shù)64，PM2.5指數(shù)45，空氣質(zhì)量良。空氣絕對濕度線傾角稍大（12度左右），平順，北京無凸起，北京地區(qū)空氣絕對濕度與本底值相同。如圖9所示。

2017年12月3日，各站空氣相對濕度60～80%，北京東北風(fēng)1 ～ 3級。相對濕度77/44%，空氣質(zhì)量指數(shù)250 ～ 50，2日/3日（中度污染/輕度污染）空氣絕對濕度線傾角較大（12度以上），平順，北京稍有凸起。北京地區(qū)由于風(fēng)大，擴散好空氣絕對濕度比本底值稍高。如圖10所示。

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均明顯高于本底值，絕對濕度曲線均出現(xiàn)明顯凸起。北京地區(qū)大風(fēng)時，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的參照系的對比，可以得出定性的結(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)的時間段為夜間0時至7時，此時段內(nèi)人類的活動以及機動車的運行，自然界中的水體、土壤和植物的蒸發(fā)等諸多因素均已降到最低，只有采暖的燃氣鍋爐在不間斷地運行，向大氣中釋放水汽，因此，可以得到以下結(jié)論：霧霾氣候條件下，北京地區(qū)空氣中的絕對濕度高出本底值的部分是采暖的燃氣鍋爐釋放的水汽，具體數(shù)值需要進一步論證。

2.1.3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日的實測資料作為樣本分析。

（1）本底值的計算。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，當人為因素造成空氣含水量增加時，實測的數(shù)據(jù)會高于本底值而使絕對濕度曲線產(chǎn)生凸起?？梢酝ㄟ^高出本底值的部分計算出人為因素所增加的水汽量。

（2）2017年12月29日的空氣絕對濕度曲線中，北京地區(qū)的大興和北京城區(qū)部分高出平均值，以河北的涿州和北京的延慶為參照值可以計算出北京地區(qū)的本底值，然后與實測值比較，即可計算出北京地區(qū)在12月29日的霧霾過程中，由天然氣釋放的水汽給北京地區(qū)的空氣中增加的水汽量。計算過程見表3、圖11。

（3）依照上述方法，對2016年12月18、19、20日和2017年12月27、28、29、30日的本底值及人為增加的水汽量進行計算，結(jié)果如表4。

根據(jù)以上計算結(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，比計算的本底值要高出0.78克/立方米，即這部分水汽是人為排放的。北京城區(qū)實測空氣絕對濕度為3.2克/立方米，高出部分占空氣含水量的24.4%。

2.2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

為了進一步證實采暖鍋爐排煙釋放水汽對局部空氣質(zhì)量指數(shù)的影響，筆者選擇北京門頭溝區(qū)黑山供熱公司和海淀區(qū)上莊熱電廠附近的環(huán)保自動檢測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本進行了分析如下。

2018年3月19日晚20∶00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（見圖12）。但是，遠離市區(qū)的海淀區(qū)的海淀北部新區(qū)自動監(jiān)測站顯示151，為中度污染，門頭溝區(qū)的龍泉鎮(zhèn)自動監(jiān)測站顯示144，為輕微污染（已接近中度污染），兩站的空氣質(zhì)量指數(shù)均超過了市區(qū)平均數(shù)的一倍。經(jīng)過分析研究，確認是由于采暖的燃氣鍋爐排放的煙氣造成的。

經(jīng)現(xiàn)場考察，海淀上莊熱電廠供熱的燃氣熱水鍋爐為58MW，供熱面積100萬平米以上，距離海淀北部新區(qū)自動監(jiān)測站的距離為1.2公里。門頭溝區(qū)的黑山供熱站安裝3臺46MW的燃氣熱水鍋爐，供熱面積100萬平米以上，距離龍泉鎮(zhèn)自動監(jiān)測站1.1公里。雖然采暖期即將結(jié)束，鍋爐為低負荷運行，但是其排放的煙氣仍然造成了該地區(qū)的空氣中度污染。

3人為排放水汽對北京地區(qū)近地空氣層水汽量的驗證分析

3.1關(guān)于人為排放的水汽擴散高度和總量問題

研究人為排放的水汽對北京地區(qū)近地空氣層水汽量的影響，必然要涉及到水汽擴散的高度問題，不同計算高度的水汽總量差別較大，影響程度也有差異。已有學(xué)者對不同季節(jié)和不同氣候條件下大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和特征以及變化規(guī)律進行了相關(guān)研究，并指出北京市地區(qū)在秋、冬、春三個季節(jié)時的逆溫層高度基本維持在100米～200米左右[9-11]。因此，在計算采暖期人為排放的水汽對北京地區(qū)近地空氣層水汽量的高度時選定200米為計算條件，當人為排放水汽量的增量為0.78克/立方米時，每天排放到北京六環(huán)以內(nèi)的城市規(guī)劃主城區(qū)1000平方公里地區(qū)空氣中的水汽量為15.6萬噸，與北京每天消耗1億立方米天然氣所產(chǎn)生的水汽量基本吻合。

3.2關(guān)于空氣絕對濕度與空氣質(zhì)量指數(shù)曲線的關(guān)系問題

4結(jié)論與展望

4.1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二次顆粒的生成，從而提高了PM2.5的濃度，惡化空氣質(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)霧霾天氣的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)燃煤電廠的濕法脫硫脫硝、燃煤采暖鍋爐的濕法除塵、焦化廠的濕法息焦、天然氣鍋爐、液化氣（天然氣、石油氣）汽車、燃氣熱電廠、生物質(zhì)發(fā)電廠、垃圾焚燒發(fā)電廠等。特別是燃氣鍋爐和熱電廠以及液化天然氣的汽車，在低空排放時對局部區(qū)域的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)的分析的基礎(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。根據(jù)2016年12月18、19、20日和2017年12月27、28、29、30日的數(shù)據(jù)為樣本分析結(jié)果：北京地區(qū)實測空氣絕對濕度（含水量）為3.2克/立方米，人為排放水汽的增量為0.78克/立方米，增加部分占總含水量的24.4%。

（4）研究中發(fā)現(xiàn)，采用實測的空氣溫度和相對濕度計算出來的空氣絕對濕度（空氣含水量）形成的曲線和實時的空氣質(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，顯現(xiàn)出更高的吻合度。給我們一個重要的提示：空氣含水量是影響空氣質(zhì)量指數(shù)的不可忽視的重要因素。

4.2展望

由于資料和數(shù)據(jù)來源渠道的限制以及專業(yè)知識的不足，筆者對人為排放的水汽與北京地區(qū)霧霾天氣的關(guān)系的研究僅從現(xiàn)象層面進行發(fā)掘分析，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，有助于進一步研究、揭示北京地區(qū)霧霾天氣的深層次原因，為科學(xué)決策和精準施策治理霧霾提供理論支撐和技術(shù)支持。

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Analysis of the Influence of Artificially Discharged Water Vapor on Haze Weather in Beijing Area

LI Chongxing1，ZHAO Rong2，WANG Haidong3

（1.Ministry of Water Resources of Peoples Republic of China， Beijing 100053， China；2.School of Economics and Management Beijing Jiaotong University， Beijing 100053， China；3.Beijing Jiaotong University Energy Management Office， Beijing 100053， China）

Abstract： According to the weather conditions of Beijing and some cities in Hebei published by the China Meteorological Administrations website and the air quality indexes published by the Ministry of Environmental Protection， this paper analyzes that the background value of air moisture and the incremental value in haze weather conditions of Beijing. The results show that during the heating season， artificially released water volume caused a large increase in air moisture in Beijing， which aggravated the haze in Beijing. After an analysis of the two haze weather processes in December 2016 and December 2017， the average air moisture content was higher than the background value of 0.78 g/m3. Beijing Urban Station increased air moisture content by 24.4%.

Keywords： artificially release；water vapor；haze；impact analysis；Beijing