2014年北京地區(qū)一次嚴(yán)重霧霾過程的氣象要素變化特征分析

韓晨超

(呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著工業(yè)化步伐和城市化進(jìn)程的加快、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，對(duì)人類的生存環(huán)境產(chǎn)生越來越不利的影響。霧霾天氣對(duì)氣候、自然環(huán)境、交通、經(jīng)濟(jì)等方面均有很大影響。此外，霧霾中的可吸入顆粒物能夠長期懸浮在空氣中，成為大量有害物質(zhì)的載體，對(duì)人類健康所帶來的危害往往高于單一污染物[1]。筆者以2014年北京地區(qū)一次嚴(yán)重霧霾天氣過程為研究對(duì)象，對(duì)其地面PM10和PM2.5變化特征和氣象要素變化特征進(jìn)行了分析研究，以期為更好地理解霧霾天氣過程的特征和形成機(jī)制提供依據(jù)。

1 地面PM10和PM2.5變化特征

PM10指空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的顆粒物，而PM2.5是直徑小于等于2.5 μm的顆粒物[2]。這些粒子能較長時(shí)間懸浮于空氣中，也被稱為可吸入顆粒物，吸入后對(duì)人體產(chǎn)生極大危害，在大氣中濃度越高，就表示空氣污染越嚴(yán)重。

為了對(duì)此次嚴(yán)重霧霾事件的污染程度有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識(shí)，筆者分析了北京10月和11月的1日—15日的PM2.5與PM10的變化情況。如圖1所示，從圖中可以明顯地看出10月7日—11日北京地區(qū)的PM2.5和PM10有明顯的增大，為期五天，正是筆者所研究的2014年10月北京地區(qū)一次嚴(yán)重霧霾過程。從10月7日起PM2.5和PM10均呈上升趨勢(shì)，9日達(dá)到最大值后逐漸下降。在此過程中最大值出現(xiàn)在10月9日，PM2.5為330 μg/m3，PM10為353 μg/m3；PM2.5最小值出現(xiàn)在7日為139 μg/m3，PM10最小值出現(xiàn)在11日為126 μg/ m3。嚴(yán)重霧霾期間PM2.5超出10月PM2.5月均值2.7倍多，PM10超出10月月均值2.3倍多。圖中顯示APEC期間11月5日—12日北京地區(qū)PM2.5和PM10最大值出現(xiàn)在11月5日，分別為76 μg/m3和98 μg/m3，PM2.5最小值出現(xiàn)在11月12日為5 μg/m3，PM10最小值出現(xiàn)在11月6日為20 μg/m3。APEC期間北京地區(qū)PM2.5最大值比11月PM2.5月均值小1倍多，最小值比11月月均值小17倍多，PM10最大值比11月月均值小近1.3倍，最小值比11月月均值小6倍，可以看出APEC期間北京地區(qū)空氣質(zhì)量較好。對(duì)比10月、11月空氣質(zhì)量可以明顯看出北京嚴(yán)重霧霾期間和APEC期間空氣質(zhì)量有明顯的差異，嚴(yán)重霧霾期間比APEC期間PM2.5最高值大4.3倍，PM10最高值大3.6倍。APEC期間實(shí)施的交通管制和重點(diǎn)控制區(qū)域停止施工等措施控制了北京及其附近地區(qū)的污染源，使北京地區(qū)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了短暫的“APEC藍(lán)”。高健[3]等研究的《北京2011年10月連續(xù)灰霾過程的特征與成因初探》顯示，2011年10月PM2.5月平均值為103.5 μg/m3，PM10月平均值為207.1 μg/m3，4日—13日有一次嚴(yán)重灰霾過程，其中PM2.5最低值為60 μg/m3。筆者研究的2014年10月7日—11日嚴(yán)重霧霾期間PM2.5最低值為139 μg/m3，10月PM2.5平均值為119 μg/m3，PM10平均值為149 μg/m3。兩者相比較2014年10月PM2.5月均值高于同期2011年的月均值兩倍多，2014年嚴(yán)重霧霾期間的空氣質(zhì)量更差。

圖1 北京地區(qū)2014年10月和11月的1日—15日的PM2.5與PM10變化特征

2 氣象要素變化特征

霧霾的產(chǎn)生與氣象要素有一定關(guān)系，筆者選取了北京10月嚴(yán)重霧霾期間污染最嚴(yán)重的9日作為霧霾日代表，APEC期間北京空氣質(zhì)量狀況良好且較穩(wěn)定，選取11月9日作為非霧霾日代表，對(duì)比分析北京10月、11月的1日—15日溫度和相對(duì)濕度資料，10月9日和11月9日位勢(shì)高度和風(fēng)速資料，研究了霧霾日與非霧霾日的氣溶膠光學(xué)特性。

2.1 溫度與相對(duì)濕度

大氣污染程度與溫度存在一定的線性關(guān)系，即溫度越高污染物的濃度也越高。溫度升高，不僅加速了空氣擾動(dòng)從而有助于各種粒子的擴(kuò)散，還增加了大氣中污染物的活性并有利于二次粒子的生成。此外，溫度升高，空氣中的粒子布朗運(yùn)動(dòng)加劇，粒子間相互碰撞的概率加大，有利于愛根核模態(tài)粒子轉(zhuǎn)化為積聚核模態(tài)[4]。從而改變氣溶膠粒子的散射特性，使其對(duì)大氣能見度有一定影響。相對(duì)濕度增大時(shí)，氣溶膠粒子會(huì)吸收水汽，粒子的粒徑增大，使氣溶膠的散射系數(shù)增加，從而降低大氣能見度。

圖2為北京2014年10月和11月的1日—15日氣溫和相對(duì)濕度折線圖。從圖中可以看出，北京地區(qū)10月1日-15日最低溫度出現(xiàn)在10月1日和10月13日為11℃ ，最高溫度出現(xiàn)在10月10日為17℃。嚴(yán)重霧霾期間，氣溫從10月7日起開始上升，9日為16℃，10日達(dá)到峰值后開始下降，13日達(dá)到最低溫，與嚴(yán)重霧霾期間PM2.5和PM10的趨勢(shì)相同，此次污染過程溫度與污染程度呈正相關(guān)。11月北京氣溫與10月相比較低，最低溫度出現(xiàn)在13日為4℃，最高溫度出現(xiàn)在11月5日為13℃，APEC期間北京溫度均低于13℃，9日為7℃，6日—12日圍繞7℃上下震蕩。可以看出，北京10月嚴(yán)重霧霾期間溫度較高，有利于二次粒子的形成，同時(shí)加速氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)，改變氣溶膠粒子的光學(xué)特性。圖2中顯示2014年10月1日—15日相對(duì)濕度最高值出現(xiàn)在10月4日為89%，最低值為26%出現(xiàn)在10月13日，嚴(yán)重霧霾期間相對(duì)濕度從6日起開始上升，峰值出現(xiàn)在10月9日為84%，之后開始下降，到13日降到最低。嚴(yán)重霧霾期間相對(duì)濕度較高。相對(duì)濕度與污染狀況呈正相關(guān)，嚴(yán)重霧霾期間氣溶膠吸濕性使粒子粒徑變大，散射系數(shù)增大，大氣能見度降低，與劉瑞婷[5]等的研究結(jié)果一致。11月1日—15日北京地區(qū)的相對(duì)濕度最大值為68%出現(xiàn)在11月8日，最小值為15%出現(xiàn)在11月12日，11月9日相對(duì)濕度為57%，APEC期間北京地區(qū)的相對(duì)濕度較低，大氣能見度較高，空氣質(zhì)量良好。

圖2 北京2014年10月和11月的1日—15日氣溫、相對(duì)濕度折線

2.2 位勢(shì)高度與風(fēng)速

圖3(a)和圖3(b)分別為10月9日和11月9日70°～140°E，5°～55°N 850 hPa位勢(shì)高度圖，從圖中可以看出10月9日70°～95°E，30°～55°N為蒙古高壓的局部地區(qū)，我國除東部地區(qū)外其他地區(qū)均受低壓控制，北京地區(qū)氣壓較高,平均位勢(shì)高度為1 540 gpm～1 560 gpm。11月9日我國西北地區(qū)仍受蒙古高壓控制，東北地區(qū)受低壓控制，我國中部和東南地區(qū)氣壓略高，北京的東北方有低壓中心，氣壓較低，平均位勢(shì)高度為1 520 gpm～1 540 gpm。高壓控制時(shí)常伴有下沉運(yùn)動(dòng)，易形成下沉逆溫，抑制湍流向上發(fā)展，不利于污染物的擴(kuò)散，氣溶膠濃度較高，散射和反射較強(qiáng)，造成視程障礙，大氣能見度低。低壓控制時(shí)，易產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，為中性或不穩(wěn)定狀態(tài)，利于擴(kuò)散，污染程度低。

圖3 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa平均位勢(shì)高度

大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)霧霾的影響主要有兩個(gè)：①風(fēng)對(duì)霧霾的輸送，②湍流對(duì)霧霾的擴(kuò)散稀釋。風(fēng)速的大小決定了霧霾擴(kuò)散稀釋的程度，風(fēng)速越大，大氣中粒子擾動(dòng)和流動(dòng)的速率也越大，有助于污染物的擴(kuò)散稀釋和運(yùn)輸，使污染物的濃度減小。 圖4(a)、(b)分別為2014年10月9日和11月9日平均水平風(fēng)速分布圖，10月9日北京地區(qū)的平均水平風(fēng)速為0～2 m/s,風(fēng)速較小，11月9日北京地區(qū)平均水平風(fēng)速為3 m/s～5 m/s，風(fēng)速較大。圖5(a)、(b)分別為2013年10月9日和11月9日Omega(垂直速度)分布圖，10月9日為-0.02 pascal/m～0.0075 pascal/m，11月9日為0.10 pascal/m～0.12 pascal/m，霧霾日水平風(fēng)速和Omega均較小，非霧霾日風(fēng)速較大。與李新妹[6]研究結(jié)果相同，高相對(duì)濕度和低風(fēng)速有助于二次氣溶膠的形成，如SO2在空氣中氧化成硫酸鹽氣溶膠，多數(shù)無機(jī)鹽具有吸濕性，使氣溶膠粒子增大，散射能力增強(qiáng)，使大氣能度降低。

圖4 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa平均水平風(fēng)速

圖5 北京2014年10月9日、11月9日850 hPa Omega(垂直速度)分布

3 結(jié)論

2014年10月7日—11日嚴(yán)重霧霾期間PM2.5和PM10質(zhì)量濃度明顯升高，最高值分別為330 μg/m3和353 μg/m3，APEC期間11月5日—12日北京地區(qū)PM2.5和PM10較低，最大值分別為76 μg/m3和98 μg/m3，嚴(yán)重霧霾期間比APEC期間PM2.5最高值大4.3倍，PM10最高值大3.6倍，嚴(yán)重霧霾期間北京空氣質(zhì)量狀況極差，霧霾嚴(yán)重。

霧霾日即10月9日北京溫度為16℃，相對(duì)濕度84%，平均位勢(shì)高度為1 540 gpm～1 560 gpm，平均水平風(fēng)速1 m/s～2 m/s，Omega(垂直速度)為-0.25 pascal/m～0 pascal/m；非霧霾日即11月9日北京溫度為7℃，相對(duì)濕度57%，平均位勢(shì)高度為1 520 gmp～1 540 gmp，平均水平風(fēng)速2 m/s～4 m/s，Omega(垂直速度)為0.1 pascal/m～0.125 pascal/m。高溫、高壓、高相對(duì)濕度和低風(fēng)速有助于二次氣溶膠的形成，吸濕性使氣溶膠粒子增大，散射能力增強(qiáng)，大氣能度降低，霧霾嚴(yán)重。