潘本鋒 汪 巍 李 亮 李健軍 王瑞斌

(中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012)

1 前 言

霧和霾是一種自然天氣現(xiàn)象，在氣象科學(xué)領(lǐng)域，主要依據(jù)水平能見(jiàn)度和環(huán)境相對(duì)濕度，對(duì)霧和霾進(jìn)行定義和區(qū)分，《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中對(duì)霧的描述為“大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，有霧時(shí)水平能見(jiàn)度小于1.0 千米”［1］，《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》中對(duì)霾的定義為“大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10km 的空氣普遍渾濁現(xiàn)象”［2］。目前國(guó)內(nèi)外多用相對(duì)濕度來(lái)界定霧與霾，相對(duì)濕度大于90%是霧，低于90%是霾［3］。每年秋冬季節(jié)是我國(guó)北方地區(qū)和中東部地區(qū)霧、霾天氣頻發(fā)的季節(jié)，霧霾天氣期間，能見(jiàn)度較差，空氣質(zhì)量明顯下降，給人們的交通出行、生產(chǎn)生活、以及身體健康造成嚴(yán)重的不良影響。研究發(fā)現(xiàn)，霧霾天氣的頻發(fā)除了與氣象因素有關(guān)外，還與大氣污染等因素有關(guān)，本文以北京市2011年秋季一次典型霧霾天氣現(xiàn)象為例，研究了霧霾天氣期間，大氣中顆粒物濃度、氣象參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)的特征和變化規(guī)律，分析了我國(guó)大中型城市霧霾天氣的成因。

2 霧霾天氣期間氣象要素與環(huán)境要素特征分析

2.1 典型霧霾天氣事件回顧

2011年國(guó)慶節(jié)后第一天，我國(guó)中東部大部分地區(qū)被秋霧圍困，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)了能見(jiàn)度不足200 米的濃霧，中央氣象臺(tái)于10月8日18 時(shí)發(fā)布了當(dāng)年秋季首個(gè)大霧藍(lán)色預(yù)警(見(jiàn)圖1)。此次大霧天氣從10月8日開(kāi)始一直持續(xù)到10月12日，給人們的交通出行造成嚴(yán)重影響。

2.2 霧霾天氣期間氣象要素變化特征分析

圖1 2011年10月8日大霧落區(qū)預(yù)報(bào)圖(源自中央氣象臺(tái)網(wǎng)站)

在氣象科學(xué)領(lǐng)域主要用能見(jiàn)度來(lái)辨識(shí)霧霾天氣，因此本文同樣以能見(jiàn)度的變化來(lái)表征霧霾天氣的產(chǎn)生和消退，對(duì)北京市此次霧霾天氣發(fā)生過(guò)程中，大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣溫等氣象要素的變化特征進(jìn)行分析。

2.2.1 霧霾天氣期間大氣相對(duì)濕度變化特征分析

位于北京市朝陽(yáng)區(qū)立水橋附近的中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站大氣監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，此次霧霾天氣發(fā)生過(guò)程中，能見(jiàn)度從10月6日0 時(shí)的11976m 逐步下降至10月8日23 時(shí)的1452m，在能見(jiàn)度下降過(guò)程中，大氣相對(duì)濕度呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，從10月6日的34.7%逐步上升到10月8日的80.5%。大氣相對(duì)濕度隨能見(jiàn)度變化情況見(jiàn)圖2。將能見(jiàn)度與相對(duì)濕度進(jìn)行相關(guān)回歸分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.7367，能見(jiàn)度與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，能見(jiàn)度隨相對(duì)濕度的增大而下降?；貧w分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 能見(jiàn)度隨相對(duì)濕度變化情況

圖3 能見(jiàn)度與相對(duì)濕度回歸分析結(jié)果

2.2.2 霧霾天氣期間風(fēng)速變化特征分析

此次霧霾天氣發(fā)生過(guò)程中，能見(jiàn)度從10月6日0時(shí)的11976m 逐步下降至10月8日23 時(shí)的1452m，在能見(jiàn)度下降過(guò)程中，風(fēng)速總體上呈顯著下降趨勢(shì)，從10月6日0 時(shí) 的3.4m/s 下 降 到10月8日23 時(shí) 的0.9m/s。風(fēng)速隨能見(jiàn)度變化情況見(jiàn)圖4。將能見(jiàn)度與風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)回歸分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.2787，能見(jiàn)度與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，能見(jiàn)度隨風(fēng)速的下降而下降，回歸分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

2.2.3 霧霾天氣期間氣溫變化特征分析

此次霧霾天氣發(fā)生過(guò)程中，10月6日平均能見(jiàn)度為10291m，隨后逐步開(kāi)始下降，至10月9日平均能見(jiàn)度下降至1848m，隨后又逐步上升，至10月14日平均能見(jiàn)度回升至12767m，標(biāo)志著此次霧霾天氣過(guò)程結(jié)束。同期氣溫觀測(cè)結(jié)果顯示，在此次霧霾天氣過(guò)程中，每日溫差變化與能見(jiàn)度基本呈相反的變化趨勢(shì)。溫差隨能見(jiàn)度變化情況見(jiàn)圖6。將日平均能見(jiàn)度與溫差進(jìn)行相關(guān)回歸分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.1176，能見(jiàn)度與溫差呈負(fù)相關(guān)，能見(jiàn)度隨溫差的增大而下降，回歸分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

2.3 霧霾天氣期間PM2.5 質(zhì)量濃度變化特征分析

此次霧霾天氣發(fā)生過(guò)程中，能見(jiàn)度從10月6日0時(shí)的11976m 逐步下降至10月8日23 時(shí)的1452m，在能見(jiàn)度下降過(guò)程中，大氣中PM2.5 質(zhì)量濃度則呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，從10月6日0 時(shí)的16mg/m3逐步上升到10月8日23 時(shí)的293mg/m3。PM2.5 質(zhì)量濃度隨能見(jiàn)度變化情況見(jiàn)圖8。將能見(jiàn)度與PM2.5 質(zhì)量濃度進(jìn)行相關(guān)回歸分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.6969，能見(jiàn)度與PM2.5 質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，能見(jiàn)度隨PM2.5 質(zhì)量濃度的增加而明顯下降，回歸分析結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖4 能見(jiàn)度隨風(fēng)速變化情況

圖5 能見(jiàn)度與風(fēng)速回歸分析結(jié)果

圖6 能見(jiàn)度隨溫差變化情況

圖7 能見(jiàn)度與溫差回歸分析結(jié)果

圖8 能見(jiàn)度隨PM2.5 質(zhì)量濃度變化情況

圖9 能見(jiàn)度與PM2.5 質(zhì)量濃度回歸分析結(jié)果

3 霧霾天氣成因分析

在氣象科學(xué)領(lǐng)域?qū)F、霾天氣現(xiàn)象的判識(shí)主要根據(jù)水平能見(jiàn)度的大小，水平能見(jiàn)度是指視力正常的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大水平距離，是一個(gè)綜合性的感官指標(biāo)，雖可以用來(lái)判斷霧霾天氣的產(chǎn)生與否，但不能夠反映霧霾天氣形成時(shí)大氣成分的變化和霧霾天氣的形成原因。

對(duì)北京市典型霧霾天氣期間大氣中各種環(huán)境要素和氣象要素的變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明霧霾天氣形成過(guò)程中大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、溫差等氣象要素，以及大氣中PM2.5 質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化特征，說(shuō)明霧霾天氣的形成與上述氣象要素和環(huán)境要素密切相關(guān)。

影響大氣能見(jiàn)度的最重要的因素是大氣中的氣溶膠粒子，能見(jiàn)度與氣溶膠粒子的散射、吸收能力和氣體分子的散射、吸收能力有關(guān)，主要與大氣氣溶膠粒子的散射能力密切相關(guān)，能見(jiàn)度的惡化主要與細(xì)粒子關(guān)系比較大，尤其是出現(xiàn)較重氣溶膠污染導(dǎo)致低能見(jiàn)度事件發(fā)生時(shí)，細(xì)粒子的比重會(huì)更大［4］。大氣中的氣溶膠粒子必須達(dá)到一定的濃度才能夠造成能見(jiàn)度的下降，通過(guò)對(duì)霧霾天氣期間大氣中PM2.5 質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，PM2.5 質(zhì)量濃度與能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明大氣中細(xì)顆粒物濃度上升是造成能見(jiàn)度下降，形成霧霾天氣的主要原因。

城市細(xì)顆粒物主要來(lái)自于火力發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車(chē)尾氣、生物質(zhì)燃燒、二次生成、道路揚(yáng)塵等過(guò)程，在污染源排放逐步得到有效監(jiān)管，排放量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，細(xì)顆粒物濃度的上升或下降則主要取決于氣象擴(kuò)散條件的優(yōu)劣，通過(guò)對(duì)霧霾天氣期間氣象因素變化特征分析發(fā)現(xiàn)，能見(jiàn)度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)，能見(jiàn)度惡化時(shí)往往伴隨著高濕度、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的氣象條件，此類(lèi)條件均為不利于顆粒物稀釋和擴(kuò)散的氣象條件，因而容易造成顆粒物濃度迅速累積，由于迅速增加的顆粒物對(duì)可見(jiàn)光的散射消光作用，使得能見(jiàn)度下降，形成了霧霾天氣。

單純的霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物。但是霧的形成需要足夠的濕度、靜風(fēng)或微風(fēng)，以及大氣層穩(wěn)定等基本條件，在我國(guó)中東部地區(qū)進(jìn)入秋冬季節(jié)后，由于晝夜溫差加大，而且出現(xiàn)無(wú)云風(fēng)小的機(jī)會(huì)較多，地面散熱較夏天更迅速，以致使地面溫度急劇下降，在清晨氣溫降至最低時(shí)，就容易使得近地面空氣中的水汽達(dá)到飽和而凝結(jié)形成霧。雖然霧是一種自然天氣現(xiàn)象，但形成霧的氣象條件不利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，在此條件下大氣中顆粒物等污染物能夠迅速得以累積，進(jìn)而造成空氣污染，因此當(dāng)前我國(guó)大中型城市的霧霾天氣已經(jīng)不僅僅是一種單純的自然天氣現(xiàn)象，出現(xiàn)霧或霾時(shí)往往都伴隨著嚴(yán)重的空氣污染。

4 研究結(jié)論及展望

霧霾天氣是我國(guó)中東部地區(qū)秋冬季節(jié)的常見(jiàn)天氣現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)霧霾天氣發(fā)生時(shí)大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣溫等氣象要素以及PM2.5 濃度等環(huán)境要素的變化特征分析，表明霧霾天氣是由氣象要素和環(huán)境要素共同作用形成的。在我國(guó)北方及中東部地區(qū)秋冬季節(jié)晝夜溫差較大，在相對(duì)濕度較大且靜風(fēng)或微風(fēng)的情況下，容易使空氣中水汽出現(xiàn)過(guò)飽和而凝結(jié)成霧;另一方面此種氣象條件下，非常不利于大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散，容易使大氣中顆粒污染物迅速累積而導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染，大量的顆粒物尤其是細(xì)粒子懸浮于空中，對(duì)可見(jiàn)光有較強(qiáng)的散射消光作用，造成了能見(jiàn)度下降，則形成霾。

尤其2013年新年伊始全國(guó)多地霧霾籠罩，污染由最嚴(yán)重的京津冀地區(qū)擴(kuò)散至沿海地區(qū)，給公眾交通出行和健康都帶來(lái)了嚴(yán)重影響。中央氣象臺(tái)專(zhuān)家分析，此次霧霾天氣出現(xiàn)是由于冷空氣勢(shì)力弱，形成大霧天氣后使空氣中的污染物很難擴(kuò)散，加重了空氣污染。這一場(chǎng)十面“霾”伏，確實(shí)讓國(guó)務(wù)院、各地方政府、專(zhuān)家學(xué)者以及全體公眾更加關(guān)注大氣環(huán)境質(zhì)量。尤其目前我國(guó)大氣區(qū)域性復(fù)合污染形勢(shì)嚴(yán)峻并成為我國(guó)“十二五”以及未來(lái)大氣污染防治的巨大挑戰(zhàn)。分析導(dǎo)致區(qū)域性大氣復(fù)合污染的原因，與我國(guó)一些地方長(zhǎng)期以來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式粗放、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理密切相關(guān)。同時(shí)，因大氣環(huán)流造成城市間污染物相互影響，僅僅依靠各個(gè)城市“各自為戰(zhàn)”，沒(méi)有形成區(qū)域性治污合力，也是目前酸雨、灰霾和光化學(xué)煙霧污染嚴(yán)重的重要原因。

黨中央、國(guó)務(wù)院對(duì)區(qū)域大氣污染防治高度重視，作出了一系列重要部署。國(guó)務(wù)院辦公廳于2010年5月11日轉(zhuǎn)發(fā)了環(huán)境保護(hù)部《關(guān)于推進(jìn)大氣聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見(jiàn)》。這是國(guó)務(wù)院第一次專(zhuān)門(mén)針對(duì)大氣污染防治的綜合性政策文件，明確提出了推進(jìn)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控工作的指導(dǎo)思想和工作目標(biāo)。按照貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)生態(tài)文明的要求，區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的指導(dǎo)思想是，以改善空氣質(zhì)量為目的，以全面削減污染排放為手段，充分體現(xiàn)了“質(zhì)量改善與總量控制并重”的工作思路，以便讓人民群眾實(shí)實(shí)在在享受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境效益。同時(shí)，《意見(jiàn)》將“增強(qiáng)區(qū)域環(huán)境保護(hù)合力”作為著力點(diǎn)，構(gòu)建統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一監(jiān)管、統(tǒng)一評(píng)估、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作機(jī)制。

2012年12月由環(huán)境保護(hù)部、發(fā)改委和財(cái)政部制定的《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》正式發(fā)布，這是我國(guó)第一部綜合性大氣污染防治規(guī)劃，針對(duì)二氧化硫、PM10、PM2．5 等多項(xiàng)污染物實(shí)施綜合控制，首提將聯(lián)防聯(lián)控與屬地管理相結(jié)合，推進(jìn)區(qū)域各城市間的聯(lián)防聯(lián)控。針對(duì)公眾最關(guān)心的PM2.5，《規(guī)劃》提出“十二五”期間各區(qū)域的治理目標(biāo):到2015年，重點(diǎn)區(qū)域PM2.5年均濃度下降5%，而京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角這三個(gè)區(qū)域的要求更高，要求年均濃度下降6%。

黨中央、國(guó)務(wù)院對(duì)區(qū)域大氣污染防治高度重視，并作出了一系列重要部署，這對(duì)于改善人民群眾生活環(huán)境質(zhì)量，必將發(fā)揮十分重要的作用。中共中央政治局常委、國(guó)務(wù)院副總理李克強(qiáng)于2013年1月15日談及空氣污染治理問(wèn)題時(shí)指出，我們及時(shí)并如實(shí)向公眾公開(kāi)了PM2.5 的數(shù)據(jù)。積累問(wèn)題是個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，解決問(wèn)題也需要一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，但是我們必須有所作為!同時(shí)強(qiáng)調(diào)，我們一方面要加大環(huán)保執(zhí)法和其他相關(guān)方面的工作力度，另一方提醒公眾加強(qiáng)自我防護(hù)。這件事需要樹(shù)立全民意識(shí)，需要全民參與，共同治理。

［1］中國(guó)氣象局，地面氣象觀測(cè)規(guī)范［M］．北京:氣象出版社，2003，23－24．

［2］QX/T113－2010，霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)［S］．

［3］吳兌．霾與霧的識(shí)別和資料分析處理［J］．氣象學(xué)報(bào)，2008，27(3):327－330．

［4］吳兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等．珠江三角洲大氣灰霾導(dǎo)致能見(jiàn)度下降問(wèn)題研究［J］．氣象學(xué)報(bào)，2006，64(4):510－517．

［5］劉炳江．“十二五”主要大氣污染物總量減排對(duì)策措施［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，37(4):5－7．

［6］柴發(fā)合等．我國(guó)城市空氣質(zhì)量分級(jí)管理戰(zhàn)略探討［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2011，36(5):9－12．

［7］李培等．我國(guó)城市大氣污染控制綜合管理對(duì)策［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2011，36(5):5－8．