北京的风与霾

■文、图/陆兆华 吴佳兴

北京的风与霾

Wind and haze in Beijing

■文、图/陆兆华 吴佳兴

近年来北京市雾霾天气频发，严重影响到市民正常的生产与生活。霾是主要由人类不合理的社会活动造成的细粒子气溶胶污染（主要指PM2.5），雾霾天气除主要受区域大气污染物排放量的影响外，同时亦受众多气象因子的影响，包括温度、相对湿度、气压、风等等。当源排放达到最不利扩散气象条件的容量限值时，开始出现霾天气；当源排放达到一般扩散气象条件的容量限值时，霾天气频发；源排放达到最有利扩散气象条件的容量上限时，每天都会出现霾天气。

在影响灰霾天气的气象因子中，风因子是人们日常生活中感受最为直观和明显的，而且也是对北京市大气质量的影响极为显著的一个因素，其主要分两方面影响，一是风速指征了污染物的输送强度；二是风向影响污染的方位。大气污染物随风输送过程中不断混入当地空气，如果当地空气比过境空气更差，则过境混入的空气则会稀释当地污染，反之则会加剧当地污染状况。本文将从这两方面来分析风因子对北京市空气质量的影响。

自2013年起空气质量指数AQI取代了原有的空气污染指数API，AQI列入了PM2.5指标，该指标反映了细粒子污染程度，而这正是形成雾霾的主要因素。所以本文统计了北京市2013-2015年三年间符合研究条件的819天内的风向数据。AQI数据来源于环保部官网发布的全国城市空气质量日报，气象数据来源于全球天气精准预报网。本文将AQI级别为“优”和“良”的天气统称为清洁天（0〈AQI〈101）；而将有PM2.5污染的天气统称为污染天，即AQI级别在三级及以上时(100〈AQI〈500)。清洁天共计346天，污染天共计473天。本文所研究的首要污染物均为PM2.5。

图1.清洁天转化至污染天时平均风速盈亏图

一、 风速与霾

空气的水平运动形成风，空气中的污染物会随着风的运动而发生迁移和扩散。本文统计了北京市2013-2015年间，所有风向（共16个风向）平均风速的大小，并区分为清洁天和污染天加以分析（图1）。

图1中空心柱代表的是该变化过程是一个增长过程，而实心柱代表该过程是一个衰减过程。研究表明：2013-2015年期间，北京市由清洁天转化至污染天过程中，南、东南偏南、东南、东南偏东、东这5个东南类风向的平均风速有明显的增大，增幅在18%之上；而其余11个风向则全部衰减，尤其是北、西北偏北、西北、西北偏西、西、西南偏西这6个西北类风向的衰减程度达30%以上，风力衰减显著。初步表明5个东南类风向平均风速的变化与6个西北类风向平均风速的变化会显著影响北京市的空气质量，而且影响相反。另外，研究表明北京市2013-2015年期间全年日平均风速2.12m/s，清洁天内平均风速为2.39m/s，污染天内平均风速为1.93m/s，清洁天内空气流动性较污染天强。

二、风向与霾

图2表明：2013-2015两年内北京刮北风的频率最高，主导风向为北风；在清洁天内，除了盛行风向北风（N）外，西（W）、西北偏西(WNW)、西北(NW)、西北偏北(NNW)、东北偏北（NNE）这5个风向占主导地位，这些风的总频率约占总起风频率的44%，表明这些风可能使空气质量转好；在污染天内，除了盛行风向北风（N）外，东北偏东(ENE)、东(E)、东南偏东(ESE)、东南(SE)、东南偏南(SSE)、南(S)这6个风向占主导地位，起这些风的总频率约占总起风频率的61%，表明这些风向频繁出现可能会导致空气质量变差。

图2.北 京 市2013-2015年风向玫瑰图

三、风与霾

结合风向平均风速和风向频率的分析，能显著影响北京空气质量的风大致分为两类，一类是可能利于空气质量改善的西北部风向，包括北风、西北偏北风、西北风、西北偏西风、西风；另一类是可能使空气质量恶化东南部风向，包括南风、东南偏南风、东南风、东南偏东风、东风。

研究表明：由表1第三行所有风向的平均风速对比可知，在一定范围内，所有风向的平均风速越大，越利于空气质量改善；而由西北部风和东南部风的变化得知，在一定范围内，西北部风对北京市空气质量具有正效应，也就是说西北部风能改善空气质量；相反在一定范围内东南部风具有负效应，能使空气质量恶化。因此本研究认为2013-2015年期间，北京市清洁天恶化至污染天的主要原因是由于东南部平均风速和风频的升高（平均风速由1.63升至2.08，风频由21%升至53%），且伴随西北部平均风速和风频的骤降（平均风速由3.47降至2.11，风频由53%降至26%）；而污染天改善至清洁天是个相反的过程。研究表明：当东南部平均风速小于1.63m/s且西北部平均风速大于3.47m/s时，北京空气质量会逐渐转好；而当东南部平均风速大于2.08m/s时且西北部平均风速小于2.11m/s，空气质量会逐步恶化。

一定程度上北京特殊的风变化特征引起了北京特色的空气质量变化特征，但治霾仍需要标本兼治，京津冀地区雾霾频发，污染排放是内因、气象是外因。排污企业、单位和个人必须严格按照环境标准和环评要求等排污，这才是治霾根本，削减污染负荷、改善环境容量才有助于治本。

表1.风速统计表

表2.风力等级范围

作者单位：中国矿业大学（北京）化学与环境学院