哈爾濱一次灰霾天氣污染物濃度變化及氣象條件分析

牛忠清,張苗苗,張惠君，王恒宇

（1.黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江 哈爾濱150030；2.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150030）

1 引言

灰霾是指大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中， 使水平能見(jiàn)度小于10 km 的空氣普遍渾濁現(xiàn)象，霾使遠(yuǎn)處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍(lán)色。 由于能見(jiàn)度的降低和大氣中顆粒物的增加，對(duì)交通運(yùn)輸和人體健康造成了很大影響。

哈爾濱作為省會(huì)城市，近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，空氣污染日益嚴(yán)重。 2014年10月22日開始， 哈爾濱遭遇一次持續(xù)性灰霾天氣，當(dāng)日部分區(qū)域的空氣質(zhì)量指數(shù)峰值逼近“爆表”，給人們的工作和生活帶來(lái)嚴(yán)重影響。 哈爾濱市主城區(qū)幾乎全部籠罩在灰霾中，城市空氣中伴有嗆人的氣味。本文對(duì)本次過(guò)程的污染物變化特征進(jìn)行分析， 同時(shí)結(jié)合天氣形勢(shì)及常規(guī)氣象資料分析了此次過(guò)程產(chǎn)生的可能影響因素。

2 資料

本文使用哈爾濱站地面逐時(shí)氣象觀測(cè)資料， 主要包括能見(jiàn)度、 氣溫、 風(fēng)向、 風(fēng)速； L 波段探空觀測(cè)數(shù)據(jù)每天2 次(08時(shí)和20時(shí)； 北京時(shí)間)； 大氣污染物資料來(lái)源于青悅空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)庫(kù)（http://air.epmap.org/）。

3 結(jié)果與討論

3.1 灰霾天氣過(guò)程概述

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633—2012）規(guī)定：空氣污染指數(shù)分為6 檔，劃分為0－50、51－100、101－150、151－200、201－300 和大于300 六檔，對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量的六個(gè)級(jí)別，從一級(jí)優(yōu)，二級(jí)良，三級(jí)輕度污染，四級(jí)中度污染，直至五級(jí)重度污染，六級(jí)嚴(yán)重污染。 指數(shù)越大，級(jí)別越高，說(shuō)明污染越嚴(yán)重， 對(duì)人體健康的影響也越明顯。 2014年10月22-24日， 黑龍江省哈爾濱地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)的灰霾天氣。 21-24日哈爾濱AQI 指數(shù)的時(shí)間變化特征顯示，21日白天哈爾濱地區(qū)空氣質(zhì)量狀況均為良好，21日晚19:00 開始AQI 指數(shù)出現(xiàn)上升，出現(xiàn)輕度污染，之后AQI 指數(shù)持續(xù)上升，其中22日08時(shí)-23日05時(shí)、23日23時(shí)-24日21時(shí)這兩段時(shí)間API 指數(shù)達(dá)300 以上，為嚴(yán)重污染，首要污染物為可吸入顆粒物，25日高空槽線劃過(guò)，有降水生成，指數(shù)下降到100 以下，空氣恢復(fù)優(yōu)良狀況。 而22日19時(shí)-23日02時(shí)、24日12時(shí)-24日20時(shí)AQI 指數(shù)為500， 呈現(xiàn)持續(xù)“爆表”狀態(tài)，可見(jiàn)這兩段時(shí)間為此次空氣污染過(guò)程最嚴(yán)重的時(shí)間段， 這與大氣成分站測(cè)得顆粒物高峰時(shí)段相符。

3.2 污染物濃度變化特征（PM2.5,PM10）

此次灰霾過(guò)程， 可吸入顆粒物質(zhì)量濃度有很大變化。 灰霾持續(xù)期間出現(xiàn)污染嚴(yán)重的兩個(gè)時(shí)間段，分別為22日19時(shí)-23日02時(shí)和24日12時(shí)-24日20時(shí)， 這兩個(gè)時(shí)間段PM10、PM2.5質(zhì)量濃度均超過(guò)500 ug/m3， 且在空氣污染過(guò)程最嚴(yán)重的兩個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)了兩次峰值，一次出現(xiàn)在22日20時(shí)，PM10 和PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到了888 ug/m3和804 ug/m3，另一峰值出現(xiàn)在24日19時(shí)， 大小分別為816 ug/m3和727 ug/m3。

可吸入顆粒物的來(lái)源主要有供暖燃煤、 冶金排放、垃圾焚燒、汽車機(jī)電工業(yè)排放源、機(jī)動(dòng)車尾氣等。每年10月20日哈爾濱市開始冬季供暖， 燃煤量大大增加，由此產(chǎn)生的煤煙污染也開始向空氣中排放，與此同時(shí)， 從環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的2014年10月13日-10月19日全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)情況顯示，黑龍江省火點(diǎn)個(gè)數(shù)較前一周增加262 個(gè)，處于上游的內(nèi)蒙古地區(qū)較上周增加42 個(gè)。 這些都可能增加空氣中污染物的濃度， 而灰霾形成的決定性控制因素就是氣象條件， 因此下面從天氣形勢(shì)、 水汽條件、 溫度層結(jié)等方面對(duì)此次持續(xù)的灰霾天氣進(jìn)行分析。

3.3 灰霾持續(xù)期間氣象要素特征分析

3.3.1 灰霾天氣過(guò)程期間天氣形勢(shì)

大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力取決于高低空環(huán)流形勢(shì)配置。 從10月21日08時(shí)灰霾發(fā)生前500 hPa 高空形勢(shì)(圖略)上可看出，歐亞中高緯環(huán)流呈兩槽一脊緯向型，隨著系統(tǒng)的東移，到22日08時(shí)，哈爾濱地區(qū)位槽后脊前，距中心較遠(yuǎn)，到20時(shí)隨著系統(tǒng)繼續(xù)東移，哈爾濱地區(qū)處于較平直的偏西氣流控制下，盛行下沉氣流，這種形勢(shì)一直維持到24日20時(shí)，沒(méi)有明顯的槽脊活動(dòng)， 冷空氣主體偏北， 冷空氣活動(dòng)較弱。 且700 hPa 也以偏西風(fēng)氣流為主，污染物水平擴(kuò)散條件并未改善。 研究表明，地面氣壓場(chǎng)中的高壓均壓或低壓均壓均有利于灰霾天氣的形成與維持。 此次過(guò)程前期地面受高壓后部影響，隨著其東移，23日06時(shí)-22時(shí)這一期間地面風(fēng)速有所加大， 空氣質(zhì)量指數(shù)有所降低，后期地面低壓逐漸移入，哈爾濱市位于地面低壓的前部，24日14時(shí)地面有T 量降水生成，20時(shí)哈爾濱市位于低壓中心，哈爾濱市周邊均出現(xiàn)降水，空氣狀況逐漸好轉(zhuǎn)。

3.3.2 地面要素特征分析

在這次灰霾過(guò)程中， 近地面多數(shù)時(shí)間維持西南風(fēng)向，風(fēng)速大都維持在4 m/s 以下，風(fēng)速較小。大氣的水平擴(kuò)散能力弱，不利于污染物向外輸送，大量污染物在原地堆集便形成了霾。

從相對(duì)濕度和溫度露點(diǎn)差的變化來(lái)看， 霾的相對(duì)濕度≤70%， 普遍較低， 溫度露點(diǎn)差則較大,22日08時(shí)-23日20時(shí)地面溫度露點(diǎn)差一直保持在7 ℃以上,由此可見(jiàn)，霾由干塵粒構(gòu)成，其要求的空氣濕度條件較低，而地面空氣干燥，空氣中的污染物難以擴(kuò)散，利于灰霾產(chǎn)生。

3.3.3 大氣層結(jié)特征分析

大氣污染主要取決于大氣本身的擴(kuò)散稀釋能力， 大氣的稀釋能力的強(qiáng)弱直接與當(dāng)時(shí)大氣的穩(wěn)定狀況有關(guān)。 研究表明，穩(wěn)定的大氣層結(jié)對(duì)湍流有抑制作用，減弱大氣的擴(kuò)散能力，利于灰霾的產(chǎn)生，尤其在出現(xiàn)逆溫時(shí)，各種污染物難以擴(kuò)散，導(dǎo)致灰霾形成加重。 2014年10月22日08時(shí)-24日20時(shí)探空溫度廓線在近地層雖然沒(méi)有出現(xiàn)逆溫， 但氣溫垂直遞減率較小，大氣層結(jié)較穩(wěn)定。 這種比較穩(wěn)定的大氣垂直結(jié)構(gòu)，減弱了大氣湍流交換和熱力對(duì)流，阻礙了污染物質(zhì)向上擴(kuò)散稀釋，導(dǎo)致低空污染物不斷積累，造成污染物濃度的持續(xù)升高。

綜合以上分析， 推斷此次灰霾過(guò)程可能主要是由于穩(wěn)定天氣下本地污染物疊加外來(lái)輸送污染物逐步積聚而形成。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)2014年10月22日-24日哈爾濱市區(qū)持續(xù)性灰霾天氣進(jìn)行了研究分析，得出以下一些結(jié)論:

（1）灰霾過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，絕大部分時(shí)間能見(jiàn)度低于10 km，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）最大時(shí)達(dá)到500，首要污染物為可吸入顆粒物；

（2）此次過(guò)程主要受偏西氣流控制的環(huán)流形勢(shì)下，環(huán)流較平直，過(guò)程前期地面受高壓場(chǎng)控制，后期位于低壓前部，灰霾期間風(fēng)力較小，空氣濕度條件較低，地面空氣干燥。

（3）灰霾時(shí)近地層雖然沒(méi)有出現(xiàn)逆溫，但氣溫垂直遞減率較小，大氣層結(jié)較穩(wěn)定。