劉端陽,濮梅娟,嚴(yán)文蓮,謝真珍(.江蘇省無錫市氣象局,江蘇 無錫 40；.江蘇省氣象臺(tái),江蘇 南京0008；.江蘇省淮安市氣象局,江蘇 淮安 00)

淮河下游連續(xù)霧-霾及轉(zhuǎn)換成因分析

劉端陽1,濮梅娟2*,嚴(yán)文蓮2,謝真珍3(1.江蘇省無錫市氣象局,江蘇 無錫 214101；2.江蘇省氣象臺(tái),江蘇 南京210008；3.江蘇省淮安市氣象局,江蘇 淮安 223001)

利用邊界層探空資料、地面氣象要素及污染物資料,研究了2012年6月中上旬淮河下游一次連續(xù)多日大范圍霧-霾天氣的霧-霾轉(zhuǎn)換過程及成因.結(jié)果表明:近地面靜小風(fēng)為霧-霾長時(shí)間維持提供良好動(dòng)力條件,邊界層中低層維持的近中性層結(jié)或逆溫層結(jié)創(chuàng)造良好熱力條件,秸稈燃燒提供凝結(jié)核條件;霧和霾過程中風(fēng)速下降伴隨著能見度降低,風(fēng)速增大則伴隨著能見度升高.中度以上霾的形成和發(fā)展都伴隨著空氣比濕增大,霾向霧轉(zhuǎn)換過程中比濕下降.比濕越大霧-霾持續(xù)時(shí)間越長,霧前比濕越高霧中最低能見度越低.能見度與 SO2濃度呈正相關(guān)( Pearson相關(guān)系數(shù)為0.42)、與PM2.5和PM10濃度呈反相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.49和-0.56);霧-霾過程中上風(fēng)向SO2、NO2濃度高于下風(fēng)向2倍左右,下風(fēng)向NO和PM10濃度高于上風(fēng)向1.5倍左右,出現(xiàn)污染物轉(zhuǎn)化.

濃霧；霧-霾轉(zhuǎn)換；秸稈燃燒；逆溫；污染物

霾也稱灰霾,在中國氣象局《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》(2010)規(guī)范中[1],霾的天氣定義是:“大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中,使水平能見度小于 10km的空氣普遍混濁現(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.”而霧是懸浮在近地層空氣中的水滴或冰晶使水平能見距離低于1000m的天氣現(xiàn)象[2].由于經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快,大氣氣溶膠污染日趨嚴(yán)重,由氣溶膠造成的低能見度事件越來越多.另外,由于生物質(zhì)燃燒所造成的大氣污染事件發(fā)生頻次也日趨增加.作為全球重要的大氣微痕量成分排放源,生物質(zhì)燃燒排放及二次形成的氣溶膠顆粒物(PM10、PM2.5等)、污染氣體(CO、SO2、NOχ等)對(duì)區(qū)域和局地空氣質(zhì)量、大氣化學(xué)過程乃至氣候變化產(chǎn)生重要影響[3-4].

國內(nèi)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)灰霾特征進(jìn)行了研究

[5-9],孫霞等[10]分析了石家莊地區(qū)霾過程中氣溶膠物理化學(xué)特征,童堯青等[11]對(duì)南京地區(qū)灰霾氣候特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,楊衛(wèi)芬等[12]、魏玉香等[13-14]則分析了南京灰霾天氣條件下不同污染物,并討論了污染物來源.吳兌等[15-19]也對(duì)珠江三角洲地區(qū)氣溶膠顆粒物輸送及由此造成的能見度下降進(jìn)行了研究,許多學(xué)者還通過天氣學(xué)方法對(duì)持續(xù)性霧、霾天氣過程[20-23]的成因進(jìn)行了分析,而對(duì)于秸稈焚燒造成的霧、霾天氣[24-27]更多的則是考慮了生物質(zhì)燃燒所引起的空氣質(zhì)量惡化.另外,國內(nèi)外的一些學(xué)者對(duì)氣溶膠在灰霾形成中的作用[28-31]及霧霾過程中氣溶膠特性[32-33]進(jìn)行了相關(guān)研究,也有的學(xué)者對(duì)霧霾天氣過程中氣溶膠對(duì)能見度影響機(jī)理進(jìn)行了分析[34-35],但霧-霾轉(zhuǎn)換過程中的影響因素研究較少.

本文對(duì)淮安2012年6月中上旬秸稈燃燒影響下一次連續(xù) 9d霧-霾過程的污染物變化特征進(jìn)行分析,主要分析連續(xù)霧-霾的形成原因以及霧-霾的轉(zhuǎn)換機(jī)制.

1 資料與方法

大氣污染資料來自于中國環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)[36].本研究主要分析了江蘇省淮安環(huán)境監(jiān)測(cè)站和缽池山測(cè)點(diǎn)污染氣體(SO2、NOχ、CO)和污染顆粒物(PM10、PM2.5)的逐小時(shí)資料,儀器主要包括M100E熒光SO2分析儀、M200E化學(xué)發(fā)光NOx分析儀、M300E紅外光譜法 CO分析儀和BAM1020型PM10和PM2.5顆粒物監(jiān)測(cè)儀.兩測(cè)點(diǎn)分別位于淮安市西北和東南部(圖1),相距約6km,鑒于缽池山位于環(huán)境監(jiān)測(cè)站上風(fēng)向,可以用來對(duì)比兩站點(diǎn)污染物濃度的差異.

采用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的全球同化系統(tǒng)(GDAS)數(shù)據(jù)[37](ftp://arlftp.arlhq. noaa.gov/pub/archives/gdas1/)計(jì)算污染物氣團(tuán)軌跡.軌跡計(jì)算采用美國 NOAA研制的軌跡模式HYSPLIT4.8 (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated)[38],它是具有處理多種氣象輸入場(chǎng)、多種物理過程和不同類型排放源的較完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式,該模式被廣泛應(yīng)用于大氣污染輸送研究[24-25].本文計(jì)算了污染濃度最高時(shí)段72h后向軌跡,軌跡終點(diǎn)設(shè)為淮安環(huán)境監(jiān)測(cè)站,設(shè)10、50、100和500m四個(gè)終點(diǎn)高度來代表邊界層低層氣團(tuán)的走向,時(shí)間終點(diǎn)分別選在幾次霧-霾過程中能見度較低、污染物濃度最高的時(shí)刻.

圖1 江蘇省淮安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站及缽池山測(cè)點(diǎn)Fig.1 Locations of the observational sites of the Environmental Monitoring Station and Bochi Hill Station in Hu’an, Jiangsu Province

火點(diǎn)資料來源于環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站(http://www.zhb.gov.cn/)[39].常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來源于江蘇省淮安市氣象局國家基準(zhǔn)觀測(cè)站,主要包括能見度、氣溫、草面溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速.邊界層探空資料取自江蘇省射陽高空站每天2次(08:00和20:00)的探空資料.

文中霧和霾的判定采取器測(cè)能見度觀測(cè)值,根據(jù)霾天不同能見度將其分為 4個(gè)等級(jí)(中國氣象局,2010[1]),當(dāng) 5km≤VIS<10km 定為輕微霾,當(dāng)3km≤VIS<5km為輕度霾,當(dāng)2km≤VIS<3km為中度霾,當(dāng)1km≤VIS<2km以下為重度霾;當(dāng)VIS<1km以下為霧,當(dāng)VIS<0.5km以下為濃霧[2].能見度與污染物濃度相關(guān)性采用Pearson相關(guān)性分析方法求算.

2 結(jié)果與討論

11:00,能見度低于3000m的時(shí)間持續(xù)了130h,低于2000m時(shí)間持續(xù)了111h,而低于1000m的霧維持了 61h,其中能見度低于 500m的濃霧過程則29.6h(表1).在連續(xù)9d霧-霾天氣過程中,出現(xiàn)了中度霾-重度霾-霧-重度霾-中度霾的轉(zhuǎn)換過程,本研究根據(jù)能見度變化將這次連續(xù)霧-霾天氣分為7個(gè)子過程,第1、2、3、5、7個(gè)過程持續(xù)時(shí)間都在24h以內(nèi),基本都是傍晚或夜里形成,正午前減弱,有明顯日變化特征.而第4、6次過程持續(xù)時(shí)間都超過30h,第4、6、7次過程霧維持時(shí)間超過10h,7次過程中出現(xiàn)能見度低于500m霧的過程為第3、4、6、7次,最小能見度為20m,其他幾次過程最小能見度都在100m以上(表1).

2.1 連續(xù)霧-霾過程概況

2012年6月中上旬,江蘇中部淮河下游地區(qū)經(jīng)歷了一次連續(xù)多日的大范圍霧-霾天氣過程,淮河下游地區(qū)能見度幾乎都在5000m以下,淮安作為淮河下游中心城市,2012年 6月 4～12日

表1 7次霧-霾過程中能見度的分布Table 1 The visibility during the 7fog-haze processes

2.2 連續(xù)霧-霾的成因分析

2.2.1 天氣形勢(shì) 從2012年6月1～15日天氣形勢(shì)看,500hPa形勢(shì)場(chǎng)基本為西北氣流:在6日、8日、10日夜里為偏西氣流,江蘇省部分地區(qū)出現(xiàn)降雨過程,而850hPa形勢(shì)場(chǎng)上幾天的風(fēng)場(chǎng)形勢(shì)略有差異,3～7日為東南或偏東風(fēng)場(chǎng)(冷平流),8～9日為西北風(fēng)場(chǎng)(暖平流),10～11日為西南風(fēng)場(chǎng)(暖平流),12日以后又轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)場(chǎng)(冷平流).

分析連續(xù)霧-霾出現(xiàn)前后江蘇省地面氣壓場(chǎng)(圖略),3～6日淮河下游處在入海高壓后部,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),7～9日則在華北延伸下來的大陸均壓場(chǎng)內(nèi),風(fēng)速較小,基本為低于3m/s的靜小風(fēng),近地層層結(jié)穩(wěn)定,不利于污染物擴(kuò)散,有利于水汽凝結(jié),而 10～12日淮河下游處在地面低壓倒槽上部,水汽條件較好,也有利于霧-霾形成.

2.2.2 大氣層結(jié) 為討論連續(xù)霧-霾天氣過程中大氣穩(wěn)定度情況,選取淮河下游射陽站高空觀測(cè)資料(圖2),從6月3～12日08:00和20:00氣溫探空曲線可以看出,在霧-霾天氣過程中,中低層一直維持中性或近中性層結(jié),大部分時(shí)段為逆溫層結(jié),這種穩(wěn)定的大氣垂直結(jié)構(gòu)不利于大氣湍流、水汽垂直交換及污染物垂直擴(kuò)散,為霧-霾長時(shí)間維持創(chuàng)造了良好的熱力條件.

圖2 2012年6月3～12日射陽站氣溫隨高度變化曲線Fig.2 The temperature profiles of Sheyang during June 3th and 12th2012

表2 7次霧-霾過程中不同類型污染物濃度的統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical measures of the air pollutants concentration in Huaian during 7fog-haze processes

2.2.3 污染物變化特征 表2為7次霧-霾過程不同類型污染物濃度統(tǒng)計(jì)特征,從表2可見,7次霧-霾過程SO2平均值都在0.018～0.021mg/m3間,最小值為 0.014mg/m3,最大值則為 0.068mg/m3,出現(xiàn)在第7次過程中.第7次過程SO2變化最大,質(zhì)量濃度在0.016～0.068mg/m3.連續(xù)7次霧-霾過程SO2基本與能見度呈正相關(guān)關(guān)系(Pearson相關(guān)系數(shù)為 0.42),隨著能見度下降而逐漸減少,隨著霧的消散濃度逐漸增大,且基本都在前后兩次過程的間隙達(dá)到極值.

NOχ平均值在 0.040～0.067mg/m3,最小值出現(xiàn)在第4次過程為0.026mg/m3,最大出現(xiàn)在第6次過程為0.113mg/m3.除第7次過程外,其他幾次過程N(yùn)O2濃度明顯高于NO,NOχ中NO所占比例較大.NOχ在連續(xù)霧-霾過程中與能見度呈正相關(guān)關(guān)系,但略有滯后性,且基本都在能見度最低后的0.5～3h后濃度達(dá)到極值.

7次霧-霾過程中 CO質(zhì)量濃度平均在0.951～2.437mg/m3間,最大值出現(xiàn)在第6次過程,為 4.355mg/m3,最小出現(xiàn)在第 4次過程,為0.591mg/m3,同樣 CO質(zhì)量濃度起伏最大的仍在第6次霧-霾過程,第5次過程起伏也比較大,質(zhì)量濃度在1.007～2.901mg/m3.

對(duì)于7次霧-霾過程中顆粒物質(zhì)量濃度特征差異也比較大,PM10的平均值在 0.190～0.635mg/m3,最大值出現(xiàn)在第 6次過程為1.001mg/m3,最小值出現(xiàn)在第 4次過程為0.063mg/m3.PM2.5分布與 PM10類似,平均值在0.092～0.685mg/m3,最大值同樣出現(xiàn)在第 6次過程為1.391mg/m3,最小值則出現(xiàn)在第4次過程為0.003mg/m3.

在連續(xù)7次霧-霾過程中,第4次過程與其他幾次過程差異較明顯,各類污染物都未出現(xiàn)顯著極值,而這一霧-霾過程的能見距離基本都在2000m以下.

2.3.4 污染物來源分析 連續(xù)霧-霾過程中污染物的來源非常值得關(guān)注,圖 3為應(yīng)用美國NOAA的軌跡模型HYSPLIT4.8后向軌跡模擬的這次連續(xù)霧-霾過程污染物輸送特征,分別選取了第1、2、3、5、6、7次過程中污染物濃度最高時(shí)刻進(jìn)行后向軌跡分析,以討論在每次過程中污染物濃度最高時(shí) 72h內(nèi)氣團(tuán)移動(dòng)的來向.六幅圖中軌跡a(紅色)、b(淺藍(lán)色)、c(藍(lán)色)、d(綠色)分別為10m、50m、100m和500m高度空氣團(tuán)軌跡.

從圖3可以看出,前3次霧-霾過程72h氣團(tuán)軌跡都是來自于東南方向的蘇中和蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),而這3次霧-霾過程中,100m和500m高度氣團(tuán)都是由高空下沉而來,下沉氣團(tuán)形成的下沉逆溫也有利于污染物堆積.這3次霧-霾過程地面形勢(shì)場(chǎng)屬于入海高壓后部型,四層氣團(tuán)均來自于海上,這3次過程污染物濃度也有差異,其中第1次過程污染物濃度最小,而第3次霧-霾過程濃度最大,從這 3次霧-霾過程軌跡圖也可以看出,第3次過程500m和100m氣團(tuán)在72h前分別從2500m和1000m高空下沉,且在抵達(dá)淮安前在陸地上的時(shí)間更長,達(dá)24h,而前2次過程500m和100m氣團(tuán)下沉的較第3次早,且在陸地上的時(shí)間僅16h左右,所以受陸地污染物影響相對(duì)較小,污染物濃度也就較低.另外從射陽站氣溫廓線圖可以看出,霧-霾過程前 1d溫度層結(jié)中 5日20:00的逆溫明顯,3、4日20:00逆溫不明顯,也導(dǎo)致6日污染物濃度較前2d高.

第5次霧-霾過程地面形勢(shì)場(chǎng)屬于大陸均壓場(chǎng)型,雖然72h氣團(tuán)也來自于海上,但各層氣團(tuán)在60h前就已到達(dá)陸地,之后在淮河下游地區(qū)維持了 60h后到達(dá)淮安.在這次霧-霾過程中,沒有出現(xiàn)前面3次的空氣團(tuán)下沉現(xiàn)象,雖然氣團(tuán)在陸地維持時(shí)間較長,污染物濃度沒有第3次過程高.

以上4個(gè)霧-霾過程四層氣團(tuán)來向基本一致,第6、7次過程四層氣團(tuán)來源則各不相同,第6次過程中500m高度氣團(tuán)72h前來自于華北平原,經(jīng)海岸線轉(zhuǎn)至淮河下游,且由于 500m高度氣團(tuán)為下沉氣流,100m高度氣團(tuán)來自于杭州灣,60h前到達(dá)陸地后在淮河以南地區(qū)緩慢移動(dòng),而50m和10m氣團(tuán)則來自于海上,這種不同層結(jié)氣團(tuán)來自不同方向的結(jié)構(gòu)使得逆溫層結(jié)更穩(wěn)定,由于氣團(tuán)在陸地上維持時(shí)間較長,污染物濃度也較高.第 6次過程結(jié)束后出現(xiàn)降雨,污染物被清除,所以較前幾次略有下降.

圖3 幾次霧-霾過程中污染物濃度最高時(shí)到達(dá)淮安的72h后向軌跡模擬Fig.3 Distributions of 72-h backward trajectories at the time maximum pollutants concentration during the fog-haze process

圖4 2012年6月8～10日我國東部地區(qū)火點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)分布(數(shù)據(jù)來源于環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站[43])Fig.4 Distribution of satellite monitored fire spots in eastern China during 8th-10thJune 2012 (Data from Ministry of Environmental Protection of China)[43]

6月中上旬正是我國東部地區(qū)夏收時(shí)節(jié),產(chǎn)生了大量作物秸稈,利用環(huán)保部公布的火點(diǎn)圖(圖4)可以發(fā)現(xiàn),六月中上旬我國東部地區(qū)出現(xiàn)了大量秸稈燃燒火點(diǎn),其中淮安上風(fēng)向的鹽城、射陽等地火點(diǎn)也較為密集,從表2可以看出,CO等污染物濃度增加較為顯著,而這7次霧-霾過程氣團(tuán)后向軌跡都經(jīng)過這些區(qū)域,朱佳雷等[24]、尹聰?shù)萚25]在分析重度霾污染天氣時(shí),也已驗(yàn)證在夏收夏種期間秸稈燃燒可以產(chǎn)生 CO,NOχ,顆粒物等大量污染.因此,天氣形勢(shì)、大氣層結(jié)及氣團(tuán)長時(shí)間在陸地維持,使得空氣中污染物高濃度長時(shí)間維持,形成了淮河下游連續(xù)霧-霾過程.

2.3 霧-霾轉(zhuǎn)換的影響因子分析

2.3.1 風(fēng)向風(fēng)速的影響 前3次霧-霾過程的地面形勢(shì)場(chǎng)為入海高壓后部型,從表3中7次霧-霾過程風(fēng)向風(fēng)速變化特征及圖 5風(fēng)向風(fēng)速時(shí)間變化曲線可以看出,前3次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東風(fēng),風(fēng)速 1.1～3.5m/s,由于風(fēng)速較大,這 3次過程能見度低于1000m時(shí)間都較短,只有第3次過程霧過程時(shí)間較長6.8h,且出現(xiàn)2.2h濃霧過程,但最低能見度也僅340m,這次霧過程風(fēng)速均在3m/s以下.

第 4次霧-霾過程風(fēng)速較小,僅在開始階段風(fēng)速較大,之后重度霾時(shí)在 2m/s或以下,且在出現(xiàn)風(fēng)向從東南逐漸轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)向時(shí)重度霾轉(zhuǎn)變?yōu)殪F,霧過程中隨著偏北風(fēng)速從2m/s逐漸減弱到1m/s,霧強(qiáng)度加強(qiáng),當(dāng)偏北風(fēng)逐漸增強(qiáng)到 2m/s以后,霧逐漸消散并轉(zhuǎn)變?yōu)轹?而后霾消散.對(duì)于第5次霧-霾過程,大部分時(shí)間風(fēng)向都為偏東風(fēng),風(fēng)速都在 2～3m/s,過程中隨著風(fēng)速下降能見度從2000m降到550m,風(fēng)速再次從2m/s增大后霧轉(zhuǎn)為霾.在第6次過程大部分時(shí)間內(nèi)風(fēng)向都為偏東風(fēng),風(fēng)速也都在 2m/s以上,且第2個(gè)階段又轉(zhuǎn)為東北風(fēng).整個(gè)過程也出現(xiàn)了風(fēng)速下降霾轉(zhuǎn)為霧,風(fēng)速增大霧轉(zhuǎn)為霾的過程.第7次過程中同樣維持偏東風(fēng)或東南風(fēng),且風(fēng)速基本低于2m/s,在風(fēng)速快速從2m/s下降到0.5m/s后,霾向霧快速轉(zhuǎn)換,時(shí)間較短.

圖5 幾次霧-霾過程中霧、重度霾、中度霾時(shí)段及氣象要素變化Fig.5 Episodes of fog, extreme haze, moderate haze and variations of meteorological parameters during the fog-haze processes from June 4th and 12th 2012 in Huaian

表3 7次霧-霾過程風(fēng)向風(fēng)速變化特征Table 3 Variations of the wind direction and wind speed during 7 fog-haze processes

總體來講,在幾次霧-霾過程中,風(fēng)速下降都伴隨著能見度降低,風(fēng)速增大則伴隨著能見度升高.風(fēng)速降低有利于污染物幅合、氣溶膠粒子核化凝結(jié)及水汽凝結(jié)增長,從而能見度減低,反之則有利于污染物擴(kuò)散,不利于霧滴凝結(jié)核的核化和凝結(jié)增長.

2.3.2 水汽條件的變化 水汽條件是霧-霾形成的必要條件,充分的水汽有利于云霧凝結(jié)核核化凝結(jié)增長,7次霧-霾過程中,中度以上霾的形成和發(fā)展都伴隨著空氣比濕的增大,從圖 5可以看出,7次過程總體上都是水汽先增大后減小.而在由霾向霧轉(zhuǎn)換過程中,都出現(xiàn)了比濕下降,這是由于霧滴凝結(jié)增長吸收水汽造成.

對(duì)比7次霧-霾過程,第4次和第6次過程比濕較大,其中第 4次最大,且兩者維持時(shí)間都在30h左右,霧維持時(shí)間也都10多個(gè)小時(shí),但最低能見度卻分別在370m和130m,第7次過程雖然維持時(shí)間只有 14h,霧維持了 10h,且最低能見度為20m,但其比濕卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第4個(gè)和第6個(gè)過程,這主要是因?yàn)榈?次過程霧前比濕遠(yuǎn)高于另外2次過程.

2.3.3 污染氣體輸送以及顆粒物的轉(zhuǎn)化 在詳細(xì)分析 7次霧-霾過程污染物變化時(shí)可以發(fā)現(xiàn),不同類型污染物在每個(gè)霧-霾過程中都出現(xiàn)了不同程度的增加或者減少.如7次過程SO2在霧-霾過程開始前質(zhì)量濃度較高,隨著能見度下降 SO2濃度也下降,在能見度好轉(zhuǎn)后,SO2濃度隨之增大(圖6).

圖6 6次霧-霾過程中污染物質(zhì)量濃度以及能見度的變化特征Fig.6 Variations of the concentration of air pollutants and visibility in Huaian during 6fog-haze processes

PM2.5和 PM10濃度與能見度呈反相關(guān)變化(Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.49和-0.56),且PM10濃度變化約比PM2.5變化遲1h.霧-霾加強(qiáng)過程中其質(zhì)量濃度都隨著能見度減小而迅速增大,且 7次霧-霾過程中顆粒物濃度卻出現(xiàn)了3種不同類型的變化.第1種情況是在第1、2次過程中(圖6a,b)能見度低于 1000m左右后,PM2.5濃度開始減小,PM10繼續(xù)增大,1h后,隨著能見度好轉(zhuǎn)PM10質(zhì)量濃度也開始下降.這2次過程最小能見度在800m左右.水汽條件較差,凝結(jié)過程不明顯.

第2種情況是第3、4、5過程(圖6c,d,e)中,出現(xiàn)霧以后 PM2.5濃度沒有下降反而繼續(xù)增大,說明霧過程有利于顆粒物的形成;隨著能見度的惡化,PM10與 PM2.5間濃度差越來越大,說明粗核顆粒物質(zhì)量濃度越來越大.在出現(xiàn)濃霧時(shí)(能見度低于500m)PM2.5開始下降,PM10在之后1h也隨之下降.這3次過程最低能見度在300m以上.從前文分析可知,這 3次過程水汽條件較好,霧滴凝結(jié)增長顯著,顆粒物增長較快,且清除作用明顯.

圖7 上風(fēng)向與下風(fēng)向污染物濃度的變化Fig.7 Variations of air pollutant concentration at upwind and the downwind sites a:觀測(cè)點(diǎn);b:上風(fēng)向測(cè)點(diǎn)

第3種情況則是,在第6次過程中,即使出現(xiàn)了能見度低于200m的濃霧后,PM2.5和PM10質(zhì)量濃度仍繼續(xù)增加,這在前面5個(gè)過程沒有出現(xiàn).這次過程中包括PM2.5和PM10在內(nèi)的其他污染物濃度也都是 7次過程中最大.加上充分的水汽條件,有利于水汽在顆粒物上凝結(jié),也有利于霧滴吸收空氣中的氣體而促使霧滴繼續(xù)增長,同時(shí)也給多相化學(xué)反應(yīng)提供了充分的條件.

而對(duì)于污染物來源的變化,則更能說明霧-霾過程中污染物的增減.圖 7為環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)(下風(fēng)點(diǎn))與缽池山觀測(cè)點(diǎn)(上風(fēng)點(diǎn))污染物濃度對(duì)比圖,兩測(cè)站分別位于淮安市西北和東南部的城區(qū)內(nèi),相距約6km(圖1).從圖7可以看出,所有污染物濃度在上風(fēng)向和下風(fēng)向的起伏和峰值趨勢(shì)基本一致,且上風(fēng)向變化早于下風(fēng)向 1-3h(與風(fēng)速有關(guān)).

除CO濃度變化較小外,SO2、NO2基本是上風(fēng)向高于下風(fēng)向濃度,且相差2倍左右.而NO和PM10濃度則呈相反,下風(fēng)向高于上風(fēng)向,且下風(fēng)向NO濃度約為上風(fēng)向1.5倍左右.劉潔等[40]在分析北京城市和郊區(qū)污染氣體和污染顆粒物濃度差異時(shí)顯示,燃煤是 SO2的主要排放源,NOχ主要來源于機(jī)動(dòng)車及燃煤的共同排放,而SO2和NO2易溶于水,NO則難溶于水,所以空氣團(tuán)在經(jīng)過城市時(shí),NO濃度增大.楊軍等[41]曾分析了霧-霾過程中污染氣體與污染顆粒物相互轉(zhuǎn)換,在霧-霾過程中SO2、NO2逐漸減小,大顆粒物數(shù)濃度隨著能見度減小而增大,顆粒物的譜寬增寬,并認(rèn)為SO2、NO2在霧過程通過多相化學(xué)反應(yīng)形成大顆粒物氣溶膠.而我們?cè)诒狙芯恐袆t發(fā)現(xiàn),霧-霾過程中SO2、NO2逐漸減小,PM10逐漸增加,且 PM2.5的變化提前于 PM10的變化,也是顆粒物譜寬增寬的表現(xiàn),SO2、NO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和硝酸鹽的緣故.

3 結(jié)論

3.1 在連續(xù)9d的霧-霾天氣過程中,出現(xiàn)了中度霾-重度霾-霧-重度霾-中度霾相互轉(zhuǎn)換的過程,霧和霾基本都是傍晚或夜里形成,正午前減弱,有明顯的日變化特征.

3.2 近地面靜小風(fēng)為霧-霾長時(shí)間維持提供了良好的動(dòng)力條件,邊界層中低層維持的近中性或逆溫層為霧-霾長時(shí)間維持創(chuàng)造了良好的熱力條件,秸稈燃燒提供了良好的凝結(jié)核條件.

3.4 SO2質(zhì)量濃度與能見度呈正相關(guān)關(guān)系( Pearson相關(guān)系數(shù)為0.42),PM2.5和PM10濃度與能見度呈反相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.49和-0.56),且PM10比PM2.5變化約遲了1h,霧-霾加強(qiáng)過程中質(zhì)量濃度都隨能見度減小迅速增大.且出現(xiàn)了 3種不同類型變化:一是在能見度低于1000m左右后,PM2.5濃度開始減小,PM10繼續(xù)增大,在1h后隨著能見度好轉(zhuǎn)PM10質(zhì)量濃度也開始下降;二是霧出現(xiàn)后PM2.5濃度未降反增,PM10與 PM2.5濃度差隨能見度降低越來越大.出現(xiàn)濃霧后,PM2.5下降,1h后 PM10隨之下降.三是即使出現(xiàn)能見度低于200m的濃霧,PM2.5和PM10質(zhì)量濃度仍繼續(xù)增加.

3.5 所有污染物濃度上風(fēng)向和下風(fēng)向起伏和峰值趨勢(shì)一致,且上風(fēng)向變化早于下風(fēng)向 1～3h.除CO濃度變化較小外,SO2、NO2基本都是上風(fēng)向濃度高于下風(fēng)向,且濃度基本都在 2倍左右.NO和PM10濃度下風(fēng)向高于上風(fēng)向,且下風(fēng)向NO濃度約為上風(fēng)向的1.5倍左右.

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青櫻心中有氣，出了殿門連軟轎都不坐，腳下越走越快，直走到了長街深處。終于，惢心亦忍不住，喚道：“小主，小主歇歇腳吧?！?/p>

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致謝：感謝環(huán)境保護(hù)部提供監(jiān)測(cè)資料.

Study on the formation and the cause of the fog-haze transformation in the lover reaches of Huaihe River.

LIU

Duan-yang1, PU Mei-juan2*, YAN Wen-lian2, XIE Zhen-zhen3(1.Wuxi Meteorological Observatory of Jiangsu Province, Wuxi 214101, China；2.Observatory of Jiangsu Province, Nanjing 210008, China；3.Huai’an Meteorological Observatory of Jiangsu Province, Huai’an 223001, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1673～1683

Based on the soundings of temperature, surface meteorological parameters, air pollutants concentration, the multi-day widespread fog-haze processes and the transformation between fog and haze during June 2012 at the downstream of the Huai River were investigated. Surface layer breeze provided nice dynamic conditions for the longtime maintain fog-haze; the neutrosphere or the inversion layer near the surface supplied a thermodynamic conditions; the large-scale crop residue burning provided enough condensation nucleus. During the haze-fog process, the visibility reduced with the wind speed decrease, and lifted with the wind speed increase. The formation and development of moderate and severe haze were accompanied with increasing specific humidity, while the haze-fog conversion processes were accompanied with decreasing specific humidity. The higher the specific humidity, the longer the fog-haze duration. The higher the specific humidity before the fog, the lower the minimum visibility during the fog. Visibility was positively correlated with the concentration of SO2(Pearson correlation coefficients is 0.42), but was inversely correlated with PM2.5and PM10concentrations (Pearson correlation coefficients are -0.49and -0.56, respectively). During the fog-haze processes, the upwind SO2, NO2concentrations were higher than about 2times those of downwind. However, the downwind NO and PM10concentrations were about 1.5 times higher than those of the upwind. Pollutants conversions occurred during the fog-haze processes.

dense fog；fog-haze transformation；crop residue burning；inversion；pollution

X513,X16

A

1000-6923(2014)07-1673-11

劉端陽(1981-),男,江蘇豐縣人,博士,主要從事霧霾物理化學(xué)特征研究.發(fā)表論文近20篇.

2013-10-30

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130111);江蘇省氣象局重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ201405);江蘇省科技支撐計(jì)劃社會(huì)發(fā)展重大研究(BE2012771);國家自然科學(xué)基金(41340042,41275151),無錫市科技發(fā)展資金社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(CSE11N1301);

* 責(zé)任作者, 正研級(jí)高工, pumeijuan@126.com