天津市滨海新区雾霾及臭氧对大气污染成因分析

赵金霞，高 颖，靳振华，邢 蕊

(天津滨海新区气象局 天津300457)

0 引 言

进入 20世纪以来京津地区雾霾频繁出现，不仅降低了能见度，也加重了大气污染，这些现象早已引起社会广泛关注。天津市滨海新区虽然紧邻渤海湾，同样也会出现雾霾和大气污染问题。已有研究表明，雾霾天气的发生与人为污染物排放和天气形势有密切的关系[1-2]；重度污染基本表现为污染物浓度高，持续时间长等特征[3]。近2年夏季光化学反应产生的臭氧，导致大气重度污染也时有发生，产生臭氧的氮氧化物和碳氢化物主要来自汽车尾气以及石油、燃煤排放的废气，还有大量使用的挥发性有机溶剂等，它们在太阳紫外线的作用下发生化学反应，生成臭氧和醛类等二次污染物。日光辐射强度是形成光化学烟雾的重要条件，因此在一年中，夏季是发生光化学烟雾的季节，臭氧是主要产物。此次研究主要分析雾霾及臭氧产生的条件，为重污染天气的识别和预报提供更多的科学依据。

1 污染日数年际变化

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》，空气污染指数 AQI等级划分如表 1所示。AQI指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的危害也越大。统计滨海新区第四大街环保局空气质量监测数据，由雾霾、臭氧引起的每年平均污染指数 AQI可知(表2)，150＜AQI≤200的中度污染 2015年、2016年和2018年均为27次，2017年和2019年均为30次，中度污在 2019年增加明显；200＜AQI≤300的重度污染 2015年、2016年均为 20次，2017年15次，2018年14次，2019年截止到9月份为8次，重度污染呈逐年降低趋势。AQI＞300的严重污染2015年 7次，2016年和 2017年均为 2次，2018年1次，严重污染迅速减少。2019年 1～9月的中度污染高于平均值为 30次，主要是 1～3月霾污染在增加；重度污染低于平均值为 8次，严重污染没有发生。臭氧引起的污染主要出现在每年的 5～9月，白天 8h最大平均污染指数在 150＜AQI≤200的中度污染， 2016年5次，2017年18次，2018年17次，2019年 18次，臭氧引起的中度污染在快速增加；200＜AQI≤300的重度污染在2015、2016年和2017年均为 0次，2018年 3次，2019年 2次；到目前为止没有臭氧严重污染。

由分析可以看出，雾霾污染日数明显减少，雾霾严重污染日数显著减少。2018年和 2019年 5～9月出现的重度污染，主要是臭氧污染造成的，臭氧引起的中度污染从2015年5～9月0次到2019年的5～9月18次，增加迅速(表3)；重度污染近2年也在增加，这种看不见的污染是今后亟待解决的问题。

表1 空气污染指数AQI等级划分Tab.1 Air pollution index AQI classification

表2 雾霾引起的AQI不同级别污染日数Tab.2 Number of pollution days caused by haze in different levels of AQI

表3 臭氧O3引起的AQI不同级别污染日数Tab.3 Number of pollution days caused by ozone in different levels of AQI

2 持续雾霾天气的环流特征

春、秋、冬季的大气污染是引起雾霾主要的因素，它发生在特定大尺度环流背景下。京津冀发生雾霾天气的环流特征主要有以下 3种：中高维度阻塞型、南支槽型和纬向型[4]。这 3种形势都不利于北部冷空气南下等特点。在地面风场上，京津地区至辽东湾西部有1条偏北风和偏南风的切变线，长时间的偏南风将污染物、水汽汇聚在切变线以南不断积累，当大气层结逆温增强时就会发生雾霾，导致大气重度污染。

由滨海新区塘沽观测站 2015年 12月 20日20:00～25日20:00的连续雾霾日可知，高、低空环流形势为纬向型，天津滨海新区受偏西气流控制(图1)；20日 08:00～25日 20:00地面气压场较弱(图2a)，这段时间大气层结稳定、地面风速偏小，不利于污染物扩散和稀释，出现最小能见度低于 0.1km 雾霾；25日夜间内蒙古东部地区有冷空气配合高空横槽南下，地面处在冷锋前的低压区里(图2b)，由于锋前逆温及锋前辐合加强，导致 25日夜间出现能见度为 65m 的浓雾；随着系统演变 21～25日出现连续5d AQI＞200重度污染，其中有 3d(21～23日)AQI＞300的严重污染(图3)。

图1 500hpa气压场(实线)和温度场(红虚线)Fig.1 500hpa pressure field and temperature field

图2 海平面气压场和风场Figure 2 Sea level pressure field and wind field

图3 2015年 12月 20日—27日空气质量指数(AQI日平均值)Fig.3 Air quality index(daily average of AQI)from December 20 to 27, 2015

3 持续雾霾的形成条件

3.1 风向、风速、湿度、逆温层对雾霾的影响

综合分析滨海新区塘沽观测站重度雾霾期间的风向、风速，相对湿度及逆温发现，20日 20:00～26日07:00日平均风速均在 1.8m/s以下(10min平均风速在 0～2.5m/s 内波动)，加之湿度较大，日平均相对湿度在 75%以上、逆温层强度大(除每日的正午时段外，其余大部分时间均存在近地逆温层)，边界层内污染物的水平和垂直扩散能力差，静稳的气象条件相互配合，导致污染物在切变线以南持续积累。如图4所示，20日白天到21日17:00持续的西南风使 PM2.5、PM10迅速增大，分别达到 436、614µg/m³，能见度减小到 1km 以下，出现重度雾霾，发生严重污染；之后22日、24日风向转为偏东风，23日、25日为偏西风至西南风，平均风速均小于 2.5m/s，这种海陆风的转换为陆地提供了充分的水汽，产生持续雾霾；26日清晨风向转为东北风，塘沽站处在冷锋前，相对湿度达到 97%，最小能见度降到 65m，到 08:00 PM2.5逐渐减小到 114µg/m³，说明在湿度接近饱和的条件下，水汽对雾霾有清洗作用，26日 09:00东风增大到 6.3m/s，污染物迅速减小到 100µg/m³以下，持续重度雾霾结束。

图4 2015年 12月 20日 08时—26日 08时能见度与PM2.5、PM10演变图Fig.4 Visibility and PM2.5 and PM10 evolution chart from December 20 to 26, 2015

3.2 近地层逆温对雾霾的影响

垂直方向的逆温是持续性雾霾形成的必要条件。天津铁塔(高度 250m)，由城市边界层观测数据分析，20日 08:00～26日 08:00 PM2.5变化曲线出现4次增加，4次减小的波动，PM2.5每次增加都是逆温差值增大，逆温层接地(5m，下同)引起的，PM2.5每次减小是由逆温层抬高或消失地造成的。21日20:00逆温层接地并逐渐加强，最大逆温差达3℃，PM2.5迅速增大到 430µg/m³的严重污染，之后在高位振荡。24日白天逆温层逐渐减弱，中午前后逆温层消失，PM2.5迅速下降到112µg/m³的中度污染；25日随着逆温层接地PM2.5又迅速增加，26日09:00随着风速加大逆温层消失，PM2.5迅速下降到 100µg/m³以下，持续雾霾结束(图5)。

图5 20日 08:00～26日 08:00逆温(差值)、最低逆温层高度和PM2.5演变Fig.5 Inverse temperature(difference),minimum inversion layer height and PM2.5 change from 20th to 26th

由分析可以看出，污染物的浓度与近地面逆温层强度和接地有关，当逆温层接地时逆温差值越大，污染指数就越大，能见度越低。这表明污染物浓度与能见度负相关。

4 臭氧对大气的污染

由滨海新区四大街环保局空气质量监测数据统计可知，每年 5～9月在晴朗、高温、小风的白天，氮氧化物和碳氢化物在光照条件下发生化学反应；近年来产生臭氧大于 200µg/m³且污染指数 150＜AQI≤200的中度污染明显增加，由2015年的0次增加到 2019年的 18次，其中 2018年3次和2019年2次重度污染。2019年5至9月出现18次中度、2次重度污染；如 2019年 6月 24日 08:00～23:00天空晴朗，能见度大于 20km，偏南风小于 3.1m/s，下午13时气温 33℃，臭氧浓度为 365µg/m³，光化学污染达到峰值(图6)，污染指数AQI平均值为207达到重度污染，20:00以后污染指数AQI和臭氧浓度迅速降到 200以下。由分析可以看出，光照越强、温度越高臭氧污染就越重，对呼吸道的危害也越大。

图6 2019年 6月 24日 08:00～23:00臭氧和温度逐时变化曲线Fig.6 Ozone and temperature hourly curve from 08:00 to 23:00 on June 24，2019

5 结 论

①高空纬向型环流，地面弱气压场，在冬季很容易形成逆温层产生雾霾；渤海西北部沿岸至京津地区风切变的维持，导致连续雾霾产生，形成持续重度污染。近几年由于全方位治理，冬半年雾霾日数明显减少，连续雾霾日数也在下降，重度污染日数下降显著。

②滨海新区污染程度与风向有很大关系，连续出现南风、西南风到偏西风时都会使污染物迅速增加，当风向转为偏东风(海风)时，由于湿度增加会产生重度雾霾，造成严重污染。这种现象与污染源的分布有关，因此污染源的增加与排放是重度雾霾产生的根本原因。

③近几年夏季前后，在晴朗、高温、小风的白天，氮氧化物和碳氢化物在光照条件下，会产生污染指数AQI＞200、臭氧浓度大于 300µg/m³的重度污染，且中度污染次数增加明显。这种光化学烟雾污染与汽车拥有量增加、污染物排放有很大关系，应引起重视并需要实施综合性治理，如制定法规监测废气排放，改良汽车排气系统和提高汽油质量，减少挥发性有机物油漆、涂料的使用等。