湖州市降水对颗粒物浓度的影响分析

邱 杰 胡景波 吴 彬 陈峰云

（湖州市气象局 浙江湖州 313000）

引言

大气颗粒物是大气中存在的各种固态和液态颗粒的总称。通常所指的大气颗粒物为可吸入颗粒物，分为PM10、PM2.5和PM1。虽然大气气溶胶颗粒只是地球大气成分中含量很少的部分，但它对空气质量和人体健康有重要影响，而且颗粒物越小对人体健康的危害越大，除对人体健康的影响外，颗粒物还会对能见度、太阳辐射、云和降水等造成重要影响。大气中的颗粒物浓度不但与污染源排放有关，也受气象条件影响。唐家翔[1]、孙蓉花[2]、孙欢欢[3]、吕丽莉[4]分别研究了海口、乌鲁木齐、成都和兰州地区颗粒物浓度的变化趋势以及与气象因素的相关性。研究发现，在污染源相对稳定的前提下，气象要素如降水、相对湿度、风速和气温等是影响大气污染物浓度变化的重要因子，其中降水是最主要的因素之一，同时也是大气污染物去除的重要途径。

近年来如何有效降低气溶胶浓度已是当今社会关注的热点之一。很多部门希望通过人工降雨来减少颗粒物浓度，达到降低污染的目的。但是降水过程本身对气溶胶具体清除作用有多大，对哪些粒径的气溶胶有明显清除作用，目前还缺乏系统的分析和普遍共识。吴进[5]、韩力慧[6]、苏正军[7]分析了北京地区降水对气溶胶粒子的影响.刘静[8]、李芳[9]、王妮[10]、周彬[11]分别分析了阜新、西安、重庆、无锡降水对大气污染物的清除效果。董群[12]分析了降雨对不同粒径气溶胶粒子碰撞清除能力。

湖州位于浙江北部，太湖南岸，与苏州、无锡隔太湖相望。湖州东部为水乡平原，湖州西部以山地、丘陵地形为主，旅游资源丰富。本地政府对人影作业改善空气质量期望值很高，作为人影作业的具体操作者，很有必要研究湖州地区的降水对颗粒物浓度的降低效果及净化过程的影响因素，将研究结论应用到实际的操作中，这样有利于人影作业时间和用弹量的选择。本文利用湖州站的大气成分数据，结合常规气象观测数据，通过降雨前后气溶胶浓度的变化情况，分析降雨过程中气象要素对气溶胶清除作用的影响。

1 观测数据

1.1 观测地点和观测仪器

湖州国家基本气象站建于1956年1月，位于东经120度03分、北纬30度52分，站内除常规观测要素以外，2008年开始酸雨观测，观测仪器为上海仪电科学仪器股份有限公司的雷磁牌PH计和电导率仪，本站每年参加国家局组织的酸雨考核，从未出现不合格的情况。2014年3月开始观测大气成分，观测地点距离观测场50米，仪器型号为Grimm180，主要上传PM10、PM2.5、PM1数据，探测环境良好，数据稳定可靠。

1.2 数据来源和完整性

由于国家级台站月报表里20时至次日08时不记录降水的具体时间，因此无法准确统计降水的起止时间。本文统计的降水起止时间来自酸雨月报表，酸雨月报表里的夜间降水起止时间是值班员根据当天夜间的气象要素变化情况、降水自动观测结果等多方面因素判断得出，与实际情况比较接近。风向、风速和降水量均取自对应时段的国家站数据。湖州站的大气成分数据采集时间间隔为5分钟，本文中把降水起止时间最接近的大气成分数据作为颗粒物浓度开始和结束的数据。

2 结果与分析

2.1 近4年降水过程前后颗粒物浓度变化情况

本文分析的时间段为2014年4月至2018年3月，在这期间湖州站一共观测到273次降水过程，再结合降水起止时段的颗粒物浓度数据分析，其中PM10上升了73次，PM2.5上升了82次，PM1上升了85次，至少一种颗粒物浓度指标上升的过程共有88次。

2.2 初始浓度对颗粒物浓度影响效果

将 PM10、PM2.5、PM1 的初始浓度以 50μg/m3和 100μg/m3为界限分成三个区域分别分析上升和下降情况，分析结果如表1所示，三者在不同初始浓度下上升的比例有明显差异，但总体变化趋势一致，均是初始浓度越大，降水之后上升的比例越小，说明降水在高颗粒物浓度情况下“去污”作用越明显。

表1 不同初始浓度下颗粒物浓度上升情况

2.3 降水强度对颗粒物浓度影响效果

将每次降水过程的总降水量除以降水的持续小时数，求得这次过程的小时平均降水量，这个指标有利于分析一次降水过程的平均强度。统计所有颗粒物浓度上升的降水过程，发现有68次平均小时降水量不超过1.0mm，超过1.0mm的只有20次，说明较小的平均小时雨量会增大颗粒物浓度上升的概率。

2.4 风向风速对颗粒物浓度影响效果

图1 颗粒物浓度上升的降水过程平均风向玫瑰图

利用湖州站记录的风向风速数据，将降水时段内的风向取平均，在求平均过程中考虑了风向“过零”的情况，求得的平均风向是真实的。如图1，夏半年，颗粒物浓度上升的最多的是西南风，冬半年中西北风情况下浓度上升情况出现较多，这也可能与北方的污染物随风南移有关。平均风速的分析结果与风向类似，在夏半年，降水过程中的平均风速越大，浓度降低越明显，在冬半年西北风的情况下，风速与颗粒物浓度下降程度的正比关系不明显，较大的风速本身“去污”能力较强，但带来的污染物可能也较多。

2.5 固态降水对颗粒物浓度影响效果分析

近4年中湖州站一共有6次固态降水过程，颗粒物最终浓度上升的有3个，在降水过程中浓度有过上升变化的有5个。

图2 2018年24日至28日降雪过程中颗粒物浓度变化曲线

如图2为2018年24日至28日降雪过程的变化曲线。24日14时05分开始降中到大雪，颗粒物浓度有个短暂的上升，随后开始下降，到26号凌晨降雪停止，26号晚上降雪天气恢复，但强度稍弱。颗粒物浓度降雪停止时在低值区波动，恢复降雪后开始大幅上升，然后持续在高位波动，直至降雪停止。上述例子说明降水过程中颗粒物浓度上升与降水形态有很大关系。

2.6 近4年人工增雨效果分析

2014年4 月至2018年3月湖州共进行了20次人工增雨作业，其中6次颗粒物浓度不降反升。具体分析这6次降水过程，有5次是在12-2月，1次在3月，基本都发生在冬半年。还有共同点就是起始颗粒物浓度均在50左右，平均小时降水量都小于0.5mm。综合以上分析，在湖州地区人工增雨的效果最好的是春夏两季，秋冬季节效果较差。

近几年湖州及周边地区大型活动要求的人影保障工作基本都集中在秋季，结合以上分析，为了更好的控制颗粒物浓度，要求人影作业在规模上要扩大，要增加作业队伍和用弹量，甚至要升级作业设备，比如大批量使用“燃气炮”设备，增强对低空云系的作业效果，才能达到有效降低颗粒物浓度的目的。

结语

（1）以50μg/m3和100μg/m3为界限分成三个区域分别分析上升和下降情况，颗粒物浓度初始值越大、降水强度越大的降水过程“去污”效果越明显。

（2）风向风速与颗粒物浓度变化也有一定关系。冬半年的降水过程还要考虑北方污染物的输送强弱，当有固态降水时，颗粒物浓度的变化与降水相态的变化有一定关系。

（3）我们在选择人工影响天气作业时机的时候应该参考上述结论，选择出适合作业的天气过程，制定相应的作业计划，重点需要考虑作业规模与用弹量，这样才能将人影作业在净化空气方面的效果最大化。