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我国大中型城市秋冬季节雾霾天气污染特征与成因分析


环境与持续发展
2013 年第 1 期
ENVIRONMENT AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT

No. 1 ,2013

我国大中型城市秋冬季节雾霾天气污染特征与 成因分析
潘本锋 汪 巍 李 亮 李健军 王瑞斌
( 中国环境监测总站,北京 100012 )
【摘要】 雾霾天气是我国中东部地区秋冬季节的常见天气现象,通过对雾霾天气发生时大气相对湿度、风速、气温等

气象要素以及 PM2. 5 质量浓度等环境要 素 的 变 化 特征 分 析, 表 明 雾霾天气 是 由气 象 要 素 和环境要 素共同 作 用形 成 的。较高的相对湿度和静风是雾霾天气 形 成 的基本 气 象 条件,在 此 条件 下 容 易使 空气 中 水汽 出 现 过 饱 和 而 凝 结成 雾; 另一方面容易使颗粒物迅速累积,由于颗粒物对可见光的散射消光作用,造成能见度下降,则形成霾污染。
【关键词】雾; 霾; 气象要素; PM2. 5 ; 成因

中图分类号: X831

文献标识码: A

文章编号: 1673 - 288X( 2013 ) 01 - 0033 - 04

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雾和霾是一种自然天气现象,在气象科学领域,主 要依据水平能见度和环境相对湿度,对雾和霾进行定义 ,《地面气象观测规范 》 中对雾的描述为 “大量 和区分 微小水滴浮游空中,常呈乳白色,有雾时水平能见度小
[1 ] 于 1. 0 千米” , 《霾的观测和预报等级 》 中对霾的定

义为 “大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水
[2 ] 平能见度小于 10km 的空气普遍浑浊现象 ” 。 目前国

内外多用相对湿度来界定雾与霾,相对湿度大于 90% 是雾,低于 90% 是霾
[3 ]

。 每年秋冬季节是我国北方地

区和中东部地区雾、 霾天气频发的季节,雾霾天气期 间,能见度较差,空气质量明显下降,给人们的交通出 行、生产生活、以及身体健康造成严重的不良影响 。 研 究发现,雾霾天气的频发除了与气象因素有关外,还与 大气污染等因素有关,本文以北京市 2011 年秋季一次 典型雾霾天气现象为例,研究了雾霾天气期间,大气中 颗粒物浓度、气象参数等关键指标的特征和变化规律, 分析了我国大中型城市雾霾天气的成因 。 图1 2011 年 10 月 8 日大雾落区预报图 ( 源自中央气象台网站) 此本文同样以能见度的变化来表征雾霾天气的产生和消 退,对北京市此次雾霾天气发生过程中,大气相对湿 度、风速、气温等气象要素的变化特征进行分析 。 2. 2. 1 雾霾天气期间大气相对湿度变化特征分析 位于北京市朝阳区立水桥附近的中国环境监测总站 大气监测实验室监测结果显示,此次雾霾天气发生过程 中,能见度从 10 月 6 日 0 时的 11976m 逐步下降至 10 月 8 日 23 时的 1452m,在能见度下降过程中,大气相 对湿度呈现出显著上升趋势,从 10 月 6 日的 34. 7% 逐 步上升到 10 月 8 日的 80. 5% 。 大气相对湿度随能见度 变化情况见图 2 。将能见度与相对湿度进行相关回归分 析,相关系数 R 为 0. 7367 ,能见度与相对湿度呈显著 负相关,能见度随相对湿度的增大而下降 。 回归分析结 果见图 3 。
2

2
2. 1

雾霾天气期间气象要素与环境要素特征分析
典型雾霾天气事件回顾 2011 年国庆节后第一天,我国中东部大部分地区

被秋雾围困,局部地区甚至出现了能见度不足 200 米的 浓雾,中央气象台于 10 月 8 日 18 时发布了当年秋季首 个大雾蓝色预警( 见图 1 ) 。 此次大雾天气从 10 月 8 日 开始一直持续到 10 月 12 日,给人们的交通出行造成严 重影响。 2. 2 雾霾天气期间气象要素变化特征分析 在气象科学领域主要用能见度来辨识雾霾天气,因
作者简介: 潘本锋,硕士,高级工程师,研究方向为环境监测与管理

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环境与可持续发展

2013 年第 1 期

图2

能见度随相对湿度变化情况

图4

能见度随风速变化情况

图3 2. 2. 2

能见度与相对湿度回归分析结果 图5 能见度与风速回归分析结果

雾霾天气期间风速变化特征分析

此次雾霾天气发生过程中,能见度从 10 月 6 日 0 时的 11976m 逐步下降至 10 月 8 日 23 时的 1452m,在 能见度下降过程中,风速总体上呈显著下降趋势,从 10 月 6 日 0 时 的 3. 4m / s 下 降 到 10 月 8 日 23 时 的 0. 9m / s。风速随能见度变化情况见图 4 。 将能见度与风
2 速进行相关回归分析,相关系数 R 为 0. 2787 ,能见度

与风速呈显著正相关,能见度随风速的下降而下降,回 归分析结果见图 5 。 2. 2. 3 雾霾天气期间气温变化特征分析 此次雾霾天气发生过程中,10 月 6 日平均能见度为 10291m,随后逐步开始下降,至 10 月 9 日平均能见度下 降至 1848m,随后又逐步上升,至 10 月 14 日平均能见度 回升至 12767m,标志着此次雾霾天气过程结束。同期气 温观测结果显示,在此次雾霾天气过程中,每日温差变 化与能见度基本呈相反的变化趋势。温差随能见度变化 情况见图 6。将日平均能见度与温差进行相关回归分析, 相关系数 R 为 0. 1176,能见度与温差呈负相关,能见度 随温差的增大而下降,回归分析结果见图 7。 2. 3 雾霾天气期间 PM2. 5 质量浓度变化特征分析 此次雾霾天气发生过程中,能见度从 10 月 6 日 0 时的 11976m 逐步下降至 10 月 8 日 23 时的 1452m,在
2

图6

能见度随温差变化情况

能见度下降过程中,大气中 PM2. 5 质量浓度则呈现出 显著上升趋势,从 10 月 6 日 0 时的 16mg / m 逐步上升
3 到 10 月 8 日 23 时的 293mg / m 。 PM2. 5 质量浓度随能 3

见度变化情况见图 8 。将能见度与 PM2. 5 质量浓度进行
2 相关 回 归 分 析,相 关 系 数 R 为 0. 6969 ,能 见 度 与

PM2. 5 质量浓度呈显著负相关,能见度随 PM2. 5 质量 浓度的增加而明显下降,回归分析结果见图 9 。

潘本锋

等: 我国大中型城市秋冬季节雾霾天气污染特征与成因分析

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明雾霾天气的形成与上述气象要素和环境要素密切相 关。 影响大气能见度的最重要的因素是大气中的气溶胶 粒子,能见度与气溶胶粒子的散射 、吸收能力和气体分 子的散射、吸收能力有关,主要与大气气溶胶粒子的散 射能力密切相关,能见度的恶化主要与细粒子关系比较 大,尤其是出现较重气溶胶污染导致低能见度事件发生 时,细粒子的比重会更大
[4 ]

。大气中的气溶胶粒子必须

达到一定的浓度才能够造成能见度的下降,通过对雾霾 图 7 能见度与温差回归分析结果 天气期间大气中 PM2. 5 质 量 浓 度 变 化 趋 势 分 析 发 现, PM2. 5 质量浓度与能见度呈显著负相关,表明大气中细 颗粒物浓度上升是造成能见度下降,形成雾霾天气的主 要原因。 城市细颗粒物主要来自于火力发电 、 工业生产、 汽 车尾气、生物质燃烧、二次生成、 道路扬尘等过程,在 污染源排放逐步得到有效监管,排放量相对稳定的情况 下,细颗粒物浓度的上升或下降则主要取决于气象扩散 条件的优劣,通过对雾霾天气期间气象因素变化特征分 析发现,能见度与相对湿度呈负相关,与风速呈正相 关,能见度恶化时往往伴随着高湿度 、 无风或微风的气 象条件,此类条件均为不利于颗粒物稀释和扩散的气象 条件,因而容易造成颗粒物浓度迅速累积,由于迅速增 图8 能见度随 PM2. 5 质量浓度变化情况 加的颗粒物对可见光的散射消光作用,使得能见度下 降,形成了雾霾天气。 单纯的雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴 或冰晶组成的气溶胶系统,是近地面层空气中水汽凝结 ( 或凝华) 的产物。但是雾的形成需要足够的湿度 、静风 或微风,以及大气层稳定等基本条件,在我国中东部地 区进入秋冬季节后,由于昼夜温差加大,而且出现无云 风小的机会较多,地面散热较夏天更迅速,以致使地面 温度急剧下降,在清晨气温降至最低时,就容易使得近 地面空气中的水汽达到饱和而凝结形成雾 。 虽然雾是一 种自然天气现象,但形成雾的气象条件不利于污染物的 图9 能见度与 PM2. 5 质量浓度回归分析结果 稀释和扩散,在此条件下大气中颗粒物等污染物能够迅 速得以累积,进而造成空气污染,因此当前我国大中型 城市的雾霾天气已经不仅仅是一种单纯的自然天气现 象,出现雾或霾时往往都伴随着严重的空气污染 。

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雾霾天气成因分析
在气象科学领域对雾、霾天气现象的判识主要根据

水平能见度的大小,水平能见度是指视力正常的人在当 时的天气条件下,能够从天空背景中看到和辨认出目标 物的最大水平距离,是一个综合性的感官指标,虽可以 用来判断雾霾天气的产生与否,但不能够反映雾霾天气 形成时大气成分的变化和雾霾天气的形成原因 。 对北京市典型雾霾天气期间大气中各种环境要素和 气象要素的变化特征进行分析,结果表明雾霾天气形成 过程中大气相对湿度、风速、温差等气象要素,以及大 气中 PM2. 5 质量浓度均呈现出规律性的变化特征,说

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研究结论及展望
雾霾天气是我国中东部地区秋冬季节的常见天气现

象,通过对雾霾天气发生时大气相对湿度 、 风速、 气温 等气象要素以及 PM2. 5 浓度等环境要素的变化特征分 析,表明雾霾天气是由气象要素和环境要素共同作用形 成的。在我国北方及中东部地区秋冬季节昼夜温差较 大,在相对湿度较大且静风或微风的情况下,容易使空 气中水汽出现过饱和而凝结成雾; 另一方面此种气象条 件下,非常不利于大气污染物的稀释和扩散,容易使大

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环境与可持续发展

2013 年第 1 期

气中颗粒污染物迅速累积而导致严重的空气污染,大量 的颗粒物尤其是细粒子悬浮于空中,对可见光有较强的 散射消光作用,造成了能见度下降,则形成霾。 尤其 2013 年新年伊始全国多地雾霾笼罩,污染由 最严重的京津冀地区扩散至沿海地区,给公众交通出行 和健康都带来了严重影响 。中央气象台专家分析,此次 雾霾天气出现是由于冷空气势力弱,形成大雾天气后使 空气中的污染物很难扩散,加重了空气污染。 这一场十 面 “霾” 伏,确实让国务院、各地方政府、专家学者以 及全体公众更加关注大气环境质量 。尤其目前我国大气 区域性复合污染形势严峻并成为我国 “十二五 ” 以及 未来大气污染防治的巨大挑战 。分析导致区域性大气复 合污染的原因,与我国一些地方长期以来经济发展方式 粗放、产业结构不合理密切相关 。 同时,因大气环流造 成城市间污染物相互影响,仅仅依靠各个城市 “各自为 ,没有形成区域性治污合力,也是目前酸雨、 灰霾 战” 和光化学烟雾污染严重的重要原因 。 党中央、国务院对区域大气污染防治高度重视,作 出了一系列重要部署。 国务院办公厅于 2010 年 5 月 11 日转发了环境保护部 《关于推进大气联防联控工作改善 。 这是国务院第一次专门针 区域空气质量的指导意见 》 对大气污染防治的综合性政策文件,明确提出了推进区 域联防联控工作的指导思想和工作目标 。 按照贯彻落实 科学发展观、建设生态文明的要求,区域联防联控的指 导思想是,以改善空气质量为目的,以全面削减污染排 放为手段,充分体现了 “质量改善与总量控制并重 ” 的 工作思路,以便让人民群众实实在在享受到经济发展带 , 《意见 》 将 “增强区域环境保护 来的环境效益。同时 合力” 作为着力点,构建统一规划、统一监测、 统一监 管、统一评估、统一协调的区域大气污染联防联控工作 机制。

2012 年 12 月由环境保护部、 发改委和财政部制定 的 《重点区域大气污染防治 “十二五 ” 规划 》 正式发 布,这是我国第一部综合性大气污染防治规划,针对二 氧化硫、PM10 、 PM2. 5 等多项污染物实施综合控制, 首提将联防联控与属地管理相结合,推进区域各城市间 , 《规划 》 提出 的联防联控。针对公众最关心的 PM2. 5 “十二五” 期间各区域的治理目标: 到 2015 年,重点区 域 PM2. 5 年均浓度下降 5% ,而京津冀、 长三角、 珠三 角这三个区域的要求更高,要求年均浓度下降 6% 。 党中央、国务院对区域大气污染防治高度重视,并 作出了一系列重要部署,这对于改善人民群众生活环境 质量,必将发挥十分重要的作用 。 中共中央政治局常 委、国务院副总理李克强于 2013 年 1 月 15 日谈及空气 污染治理问题时指出,我们及时并如实向公众公开了 PM2. 5 的数据。积累问题是个长期过程,解决问题也需 要一个长期过程,但是我们必须有所作为! 同时强调, 我们一方面要加大环保执法和其他相关方面的工作力 度,另一方提醒公众加强自我防护 。这件事需要树立全 民意识,需要全民参与,共同治理。 参考文献:
[1 ] 中国气象局,地面气象观测规范 [M ]. 北京: 气象出版社,2003 ,23 - 24. [2 ] QX / T113 - 2010 ,霾的观测和预报等级 [S ]. [3 ] 吴兑. 霾与雾的识别和资料分析处理 [J ]. 气象学报,2008 ,27 ( 3 ) : 327 - 330. [4 ] 吴兑,毕雪岩,邓雪娇,等. 珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究 [J ]. 气象学报,2006 ,64 ( 4 ) : 510 - 517. [ 5 ] 刘炳江. “十二五” 主要大气污染物总量减排对策措施 [J ]. 环境与可持续发 展,2012 ,37 ( 4 ) : 5 - 7. [6 ] 柴发合等. 我国城市空气质量分级管理战略探讨 [J]. 环境与可持续发展, 2011 ,36 ( 5 ) : 9 - 12. [7 ] 李培等. 我国城市 大 气 污 染 控 制 综 合 管 理 对 策 [J]. 环 境 与 可 持 续 发 展, 2011 ,36 ( 5 ) : 5 - 8.

Analysis of the Reason of Formation and the Characteristic of Pollutionabout Fog or Haze at Key Cities in Autumn and Winterin China
PAN Benfeng WANG Wei LI Liang LI Jianjun WANG Ruibin

( China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012 ,China )

Abstract: Fog and haze are very common at key cities in center and east of China in autumn and winter. Analyses thecharacteristic of the relative humidity,wind speed,air temperature,andPM2. 5 concentration in the fog occurring process, result shows that bothmeteorological factors and environmental factors cause the fog or haze. Motionless wind and high relative humidity arethebasic conditions,in this case vapor could get saturated and be condensed, moreover the particle matter could accumulate and scatter the visible light,then the visibilitydeteriorates and the haze occurs. Keywords: fog; haze; meteorological factor; PM2. 5 ; reason of formation


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