（大气物理学与大气环境专业论文）南京地区霾天气及其污染特征分析.pdf

摘要 本文利用南京站和江浦、六合、溧水、江宁、高淳等5 个南京郊区气象观 测站1 9 6 1 2 0 0 6 年地面气象观测资料，对南京地区霾天气的气候特征、气象要 素特征及其成因进行了分析，结果表明，南京站4 6 年来年霾日数呈明显上升趋 势，6 站霾天气均是冬季最多、夏季最少。静小风、较高相对湿度有利于霾天出 现。霾天气的增加可能是由总悬浮颗粒物( t s p ) ，尤其是细颗粒物的增加导致的。 又利用南京市2 0 0 2 2 0 0 6 年大气环境监测资料，分析了南京市大气中s 0 2 、n 0 2 、 p m l o 变化规律。结果表明：5 年来，s 0 2 浓度呈显著上升趋势，n 0 2 浓度缓慢上 升，p m l o 浓度明显下降，p m l o 是南京市的首要污染物。3 种污染物浓度均以夏 季最低。污染物浓度与风速反相关，且东南风下浓度最高；降水对污染物有清 除作用；雾、霾等天气下污染加剧。气象能见度与p m l o 、n 0 2 的质量浓度呈反 相关。污染物浓度值周末较低，有明显的“周末效应 。 为进一步了解南京大气细粒子的污染水平和污染特征，在南京市中心南大 校区和北郊南京信息工程大学校内进行了连续1 年、每季度5 天的同步采样。 用称重法、离子色谱法和电感耦合等离子色谱法分别测得细颗粒物的质量浓度、 水溶性离子和元素组成。结果表明南京地区p m 2 1 污染比较严重，水溶性离子是 细粒子的重要的组分，所测6 种离子质量浓度总和分别占市区和北郊p m 2 1 质量 的4 6 9 9 、4 2 3 2 。p m 2 1 中的阴离子最高浓度都出现在冬季。n h 4 + 与s 0 4 玉 的相关性好，可能主要以( n h 4 ) 2 s 0 4 形式存在。温度对s o r ( s 0 2 转化率) 和 n o r ( n o 。的转化率) 的影响显著，温度升高s o r 值增大而n o r 显著减小。 通过得n 0 3 8 0 4 2 的质量比 s p r i n g a u t u m n s u m m e r t h ea n n u a lo c c u r r e n c eo f h a z yd a y sh a db e e ni n c r e a s i n gd u r i n gt h el a s tf o r t y - s i xy e a r s ，a n dt h a tan e g a t i v e c o r r e l a t i o ne x i s t sb e t w e e nv i s i b i l i t ya n dr e l a t i v eh u m i d i t yd u r i n gh a z yp e r i o d s m e t e o r o l o g i c a l f a c t o r sh a v ea s i g n i f i c a n t e f f e c to nt h eo c c u r r e n c eo fh a z y p h e n o m e n a f o re x a m p l e ，h a z yp h e n o m e n ao f t e no c c u rw h e nt h ew i n ds p e e dw a s s m a l la n dt h er e l a t i v eh u m i d i t yw a sh i g h t h ei n c r e a s i n gt r e n do fh a z yd a y sm i g h t b er e s u l t e df r o mt h ei n c r e a s i n gn u m b e rc o n c e n t r a t i o no ft o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ( t s p ) i n t h ea t m o s p h e r e ，e s p e c i a l l yt h ef i n e m o d ep a r t i c l e s t h ea n n u a lt e n d e n c y ， m o n t h l ya n ds e a s o n a ld i s t r i b u t i o no fm a i na i rp o l l u t a n t s8 0 2 ，n 0 2a n dp m l oa n d t h eq u a l i t yo ft h ea t m o s p h e r ei nn a n ji n gh a v e b e e na n a l y z e db a s e do nt h e a t m o s p h e r i cm o n i t o r i n gd a t af r o m2 0 0 2t o2 0 0 6 t h er e s u l t ss h o wt h a t ，d u r i n gt h e l a s tf i v ey e a r s ，t h e r eh a v eb e e nac o n s i d e r a b l ei n c r e a s ei ns 0 2 ，ar e m a r k a b l e d e c r e a s ei np m l o ，a n das l i g h ti n c r e a s ei nn 0 2c o n c e n t r a t i o n s p m l0w a st h e d o m i n a n tp o l l u t a n t sw h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fs 0 2a n dn 0 2w e r er e l a t i v e l yl o w a l lo ft h et h r e ep o l l u t a n t sp r e s e n t e dm i n i m u mc o n c e n t r a t i o n si ns u m m e r a c o m p a r i s o n o ft h ec o n c e n t r a t i o n so ft h et h r e e p o l l u t a n t s u n d e rd i f f e r e n t m e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sh a sr e v e a l e dt h a tan e g a t i v ec o r r e l a t i o ne x i s t e db e t w e e n t h ec o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t sa n dw i n ds p e e da n dt h em a x i m u mc o n c e n t r a t i o n s o fp o l l u t a n t sw e r eg e n e r a l l yo b s e r v e dw h e nt h ew i n dw a sb l o w i n gf r o mt h e s o u t h e a s t p r e c i p i t a t i o nh a da ni m p o r t a n tc l e a n u pe f f e c to np o l l u t a n t s ，w h i l e a i v w o r s es i t u a t i o no c c u r e dd u r i n gh a z eo rf o gd a y s an e g a t i v ec o r r e l a t i o na l s o e x i s t e db e t w e e nt h ev i s i b i l i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fp m l oo rn 0 2 t h ea i r p o l l u t a n t ss h o w e da w e e k e n de f f e c t t h a tt h e i rc o n c e n t r a t i o n sw e r eo b v i o u s l y l o wd u r i n gt h ew e e k e n d s t w os a m p l i n gp o s i t i o nw e r es e tu pt oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i n e p a r t i c l e si nn a n j i n g o n ew a si nn a n j i n gu n i v e r s i t y ( r e p r e s e n t i n gt h eu r b a na r e a ) t h eo t h e ro n ew a so nt h ec a m p u so fn a n j i n gu n i v e r s i t yo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ( r e p r e s e n t i n gt h es u b u r br e g i o n ) t h es a m p l i n gw a so p e r a t e df o r5d a y s i ne a c hs e a s o ni n2 0 0 7t op e r f o r ma e r o s o ls a m p l i n g t h em a s sc o n c e n t r a t i o n ， w a t e r - s o l u b l ei o na n de l e m e n t a lc o m p o s i t i o no ff i n ep a r t i c l e sw e r ed e t e c t e db y w e i g h i n gm e t h o d ，i o nc h r o m a t o g r a p h ，i n d u c t i v e l y c o u p l e dp l a s m ac h r o m a t o g r a p h s e p a r a t e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e rs o l u b l ea n i o n sw e r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t s o fp m 2 1w h o s ew e i g h tp e r c e n t sw e r e4 6 9 9 ( u r b a n ) a n d4 2 3 2 ( s u b u r b ) t h e c o n c e n t r a t i o no fa l lt h ea n i o n si np m 2 1w a st h em i n i m u mi nw i n t e r ah i g h c o r r e l a t i o nl a yb e t w e e nn h 4 + a n ds 0 4 2 ，w h i c hm e a n tt h a tt h e ym i g h te x i s ti nt h e f o r mo f ( n h 4 ) 2 s 0 4 t h es o r ( c o n v e r s i o nr a t i oo fs 0 2 ) a n dn o r ( c o n v e r s i o nr a t i o o f n o x ) w e r ed e t e r m i n e dl a r g e l yb yt e m p e r a t u r e ：s o ri n c r e a s e da n dn o r d e c r e a s e d m a r k e d l yw h e nt h et e m p e r a t u r ew a sh i g h d u et ot h en 0 3 。s 0 4 2 。m a s sr a t i o 1 ， s t a t i o n a r ys o u r c es u c ha sc o a lb u r n i n gw e r et h em a j o rs o u r c e so fs 0 2a n dn o x t h e m a s sc o n c e n t r a t i o na n de n r i c h m e n tf a c t o ro f e l e m e n t ss u g g e s t e dt h a tp b ，a s ，z n ，h g ， c u c ra n dn iw e r ea n t h r o p o g e n i cp o l l u t a n t s t h e i rp o l l u t i o nw a sm u c hh e a v i e ri n t h eu r b a nt h a nt h a t i nt h es u b u r ba r e a t h ew a t e rs o l u b l ei o n s8 0 4 z ，n h 4 十a n dt h e e l e m e n t sp b ，z nh a ds u p e r i o r i t yi np m 2 1 ，w h i l ef 。，c 1 - ，n 0 2 。，n 0 3 。a n dc a ，m g ，n a w e r ee n r i c h e di nc o a r s em o d ep a r t i c l e s k e yw o r d s ：n a n j i n g ；h a z e ；a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n ；c h e m i c a lc o m p o s i t i o n v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 j 作者签名：盔殇 日 期：2 型星磊盆旦 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：二盟 日期：丝盗笸旦! 目 第一章引言 1 1 研究意义 第一章引言 霾是大量极细微的干性尘埃、烟粒、盐粒等均匀地悬浮在空气中，使水平能见度 l o “m 的颗粒物由于惯性的作用，被鼻和呼吸道黏液排除，l o i t m 以下的颗粒 物可进入鼻腔，7 t r n 以下的颗粒物可进入咽喉， 2 5 r t r n 的颗粒物( 且 i p m 2 5 ) 则可深达肺泡 并沉积，进而进入血液循环，导致与心和肺的功能障碍有关的疾病，诱发鼻炎、支气管炎 等呼吸道疾病【5 1 。同时霾粒子通过对太阳光的吸收、散射和折射使大气混浊、视野模糊并 导致地面能见度恶化，影响公路、水路和机场运输安全，增加交通事故次数。 随着我国工业化和城市建设的加快，霾现象有逐年增多的趋势。目前，我国存在四大 霾严重地区：北部的黄淮海地区、四川盆地、珠江三角洲和东部的长江三角洲。形成霾的 颗粒来源于自然和人类活动排放。自然界产生的颗粒物主要包括灰尘、矿物、硫酸盐、硝 酸盐等气溶胶物质：人类活动排放的颗粒物主要包括燃烧化石燃料( 煤和石油等) 和生物质 燃烧( 植物秸秆、动物尸体和生活垃圾等) 、工业生产和生活活动等过程中，产生大量含有 很多有毒和有害水溶性粒子的气溶胶。严重的城市空气污染会加大霾发生的频率，南京作 为长江下游城市群的中心城市，改革开放以来城市化、工业化发展迅猛，机动车拥有量、 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 建筑工地扬尘量和工业耗煤量、工业废气排放量都在不断增加，使南京成为我国主要霾污 染区之一。 ，霾的气候效应和环境效应研究是当今国内外学术界的热门话题。从控制污染的角度而 言，在化学成分分析基础上研究霾，分析区域与城市群的空气污染物质传输，可以更好地 为污染控制提供依据。对解决我国经济高速发展、城市化加剧与环境恶化的矛盾以及实现 经济社会的可持续发展有着重要意义。在我国，霾问题已经引起了广泛的社会关注，但是 有关霾的研究还处于起步阶段，目前的研究仍主要建立在统计基础之上，并未对霾的形成 机制作较深入的分析。本研究将着重分析南京地区霾天气的气候特征、南京大气污染特点 及其与气象因子的关系，最后对南京市中心南大和北郊南京信息工程大学校内这2 个采样 点进行了连续1 年、每季度5 d 的大气颗粒物采样，分析了南京地区大气颗粒物化学成分。 本研究将有助于了解南京地区霾天气的物理机制和化学特征，为控制和减少霾天气的发生 提供科学依据。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 早在上世纪7 0 年代，美国、澳大利亚、加拿大、韩国、日本等一些国家就相继开展了 一些大气气溶胶引起能见度下降方面的研究嘲。国外研究一般按照以下五大源类考察不同 化学成分对能见度贡献7 1 ：硫酸盐、硝酸盐、元素碳、有机碳和地壳物质。s i s l e r 和m a i m 对 细粒子成分进行了研究，提出高湿伴生的高浓度硫酸盐是影响能见度的最大因素，硝酸盐 和有机物是第二大因剥剐。1 9 4 9 1 9 7 6 年间，对美m p h o e n i x 和t u c s o n 两地的统计资料表明， s 0 2 与能见度的相关系数分别为o 8 l 和o 8 8 1 【7 】oa p p e l 等则认为，细粒子硝酸盐颗粒对光的 散射效应比硫酸盐更强【9 】o 国际上对霾天气的广泛重视始于1 9 9 5 1 9 9 9 年间进行的i n d o e x 观测计划。美国、欧 2 第一章引言 洲和印度等国的2 0 0 多位科学家在印度和印度洋开展了该观测计划。他们通过飞机、船舶、 地面站和卫星的观测资料发现每年的1 2 月来年的4 月间，印度洋、南亚和东亚上空都会存 在一厚约3 k m 、面积约9 0 0 万k m 2 的棕色污染尘霾，简称为a b c ( a s i ab r o w nc l o u d s 亚洲棕 色云团，后改为大气棕色- 云n a t m o s p h e r i cb r o w nc l o u d s ) 。云团中含有大量含碳颗粒物、 有机颗粒物、硫酸盐、硝酸盐和铵盐等【1 0 】。通过卫星资料反演、外场观测和数值模拟， r a m a n a t h a n 等2 ，3 1 研究- y a b c 对区域性和全球气候可能产生的的影响。他们的结果显示a b c 中的吸收性气溶胶使喜马拉雅山南侧广大区域的地表太阳辐射量减少2 0 ，其后果是增强 了此地区的大气逆温层和边界层稳定度，并由此导致蒸发减少和对流层更干燥，从而对气 候造成影响。另一方面，大气逆温层和边界层稳定度的增强有利于气溶胶等大气污染物的 长时间维持，后果是造成更为严重的环境污染。霾范围的扩大和长时间维持会减少地表的 紫外线辐射量，降低植物叶面的光合作用，不利于植物生长，对农作物产品质量和产量造 成影响【4 】。s a t h e e s h 等则对印度洋上观测到的霾粒子的微物理和辐射特性进行了讨论。有 关a b c 方面的研究目前受到国际科学界甚至政府部门的普遍重视，一个受到联合国资助、 包括我国在内多国参加的国际合作a b c 研究计划正在从南亚、印度洋到西太平洋的广大区 域内实施【1 2 】。 1 2 2 国内研究现状 中国气象局广州热带海洋气象研究所的学者在霾研究上做了不少工作。吴兑等 1 3 , 1 4 深 入研究了珠江三角洲地区的霾情况及雾霾区分问题。对于大气混浊导致的能见度恶化的天 气现象，他建议若相对湿度 9 0 时确定为雾，相对湿度介于 8 0 9 0 之间时，认为是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分应该是霾。他认为珠 江三角洲f 1 2 0 世纪8 0 年代起，能见度急剧恶化，霾天气也显著增加。霾增加过程中有3 次大 的波动，分别代表与珠江三角洲经济发展相伴随的气溶胶污染、硫酸盐加气溶胶污染以及 光化学过程的细粒子加硫酸盐加粉尘污染等三个复合污染时期。 3 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 国内还有很多学者还对各个地区的霾天气做了气候学统计分析。刘爱君等通过多年 观测资料分析了广州霾天气的气候特征。他们的结果表明，广州市霾日数1 2 月最多，6 月最 少，秋冬两季占全年霾日总数的7 0 以上。年霾日数总体呈上升趋势，年霾日数变化可分 为5 个阶段，其中7 0 年代末期8 0 年代中期、8 0 年末期9 0 年代中后期是霾的两个急剧上 升阶段。霾日数年际变化规律多与大气中的污染物浓度有关，而月、季的分布规律多受天 气形势和气象条件所控制。他们的结果也显示霾能够降低到达地面的太阳总辐射，减少日 照时数。江盎和曹春燕1 6 1 则对深圳的霾天气进行了类似的分析，总结出了深圳市出现霾的 季、日变化特征、主要影响因素和形成条件。徐梅等利用2 0 0 1 2 0 0 4 年天津市( 市区) 、 蓟县( 山区) 和塘沽( 海滨) 三个具有代表性站点的气候观测资料，并且结合了市区主要 污染物排放资料和温风探空资料分析天津地区霾特征，发现天津市霾日污染普遍重于非霾 日，霾日污染物检测浓度普遍高于污染物检测浓度的月平均值。高湿、弱气压场、小风、 近地逆温层均有利于霾天气形成。徐梅等对霾日温度、风廓线等气象场的研究因样本少而 存在有规律的不确定性问题，但其作为典型个例仍具备一定的代表性。 董雪玲的研究发现尽管颗粒物只在大气中占很少的一部分，但对城市大气光学性质的 影响却起了相当重要的作用。颗粒物的散射效应主要同细粒子有关，p m 2 5 与大气能见度线 性相关系数更高达0 9 6 t 1 8 】。宋宇、唐孝炎等对北京市能见度下降与颗粒物污染的关系进 行了分析，也认为能见度的改善和恶化与细粒子质量浓度密切相关。但这些工作偏重于颗 粒物与能见度的回归分析上，成分分析与能见度的关系研究还有待深入研究。 霾的主要污染成分是大气颗粒物和气体污染物。南京大学的黄鹂鸣等【2 0 1 在2 0 0 1 年春、 秋、冬3 季在南京市的5 个典型功能区的研究表明，冬春2 季各采样点颗粒物浓度均明显高于 秋季。吴国平等口1 1 研究了我国广州、武汉、兰州、重庆4 城市空气中颗粒物污染的季节性变 化特征，发现在大多数情况下，均是冬春污染最重，秋季次之，而夏季最轻，与霾的季节 分布特征相一致。我国在1 9 9 6 年颁布了p m l o 新标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 2 2 】，规定p m l o 二级标 准为：日均值 春季 冬季，降雨量与霾季节分布恰好相反。这是因为形成霾的粒 子依靠自身重力作用降落到地面的过程非常缓慢。在不稳定大气状态下，形成霾的细粒子 会在风或对流作用下向远处和高空输送，在光化作用或遇到合适的水汽条件时，作为云、 雾的凝结核，形成云、雾和雨滴，最终降落到地面。而大气中的粗颗粒主要靠湿沉降去除 2 7 1 ，清除空气中较粗悬浮粒子最直接有效的自然过程是降水冲刷。夏季南京充沛的雨水对 空气中悬浮的灰尘和粉尘等粗粒子起冲刷作用，不利于霾的形成。另外，夏季对流活动较 旺盛，容易使近地层污染物( 尤其是细颗粒污染物) 扩散稀释，霾较少发生。冬季，冷空气 活动频繁，空气干燥，气压稳定，风力微弱，地面附近的灰尘、汽车尾气难以扩散或稀释。 南京市多处于东亚大槽的后部，地面为更迭的冷高压或变性冷高压控制，下沉气流使低层 8 第二章南京市地区霾天气特征分析 大气生成稳定层结2 6 1 ，随气流上传的颗粒物累积在稳定层下层形成霾层，并可持续数日。 这些因素综合作用使得南京地区霾表现出夏季少、冬季多的分布特征。 1 0 9 8 7 1234567891 0 1 l 1 2 月份 图2 1 南京地区6 站各月平均霾日数 f i g 2 1m o n t h l y - m e a nn u m b e ro f h a z yd a y sa ts i xs t a t i o n si nn a n j i n ga r e a 表2 1 南京地区6 站各季节平均霾同数占全年的百分比( ) t a b l e2 1t h er a t i oo fs e a s o n a l - m e a nn u m b e ro fh a z yd a y st ot h ea n n u a l m e a nv a l u e sa ts i xs t a t i o n si nn a n j i n g a r e a ( ) 9 6 5 4 3 2 1 0 一p)鞋皿谋叹霉湃 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 2 2 2 霾的年际变化及成因 2 2 2 1 南京站霾的年际变化及成因 已 籁 皿 嘲 磐 j 喂 匪 年份 图2 21 9 6 1 2 0 0 6 年南京站逐年霾日数和5 年平均值平滑曲线图 f i g 2 2a n n u a lh a z yd a y sa tn a n j i n gs t a t i o nf r o m1 9 6 1t o2 0 0 6a n d5 - y e a r - s m o o t h i n g c u r v e 表2 21 9 6 1 2 0 0 6 年南京站各阶段年霾日数的倾向值 t a b l e2 2t e n d e n c yv a l u ei ne v e r ys t a g ef r o m1 9 6 1t o2 0 0 6a tn a n j i n gs t a t i o n 时段倾向值( d a ) 1 9 6 1 2 0 0 6 矩 1 9 6 1 1 9 7 3 年 1 9 7 4 1 9 9 4 仨 1 9 9 4 2 0 0 0 焦 2 0 0 1 2 0 0 6 正 5 4 o 1 6 o 2 5 5 7 1 0 第二章南京市地区霾天气特征分析 表2 3 南京站与广州站1 1 习各年代霾出现日数比较( d ) t a b l e2 3h a z ed a y sc o m p a r i s o nb e t w e e nn a n j i n ga n dg u a n g z h o uo b s e r v a t o r i e si ne v e r yd e c a d e ( d ) 图2 2 是南京站及5 个周边站1 9 6 1 一2 0 0 5 逐年霾日数的分布情况。南京站霾日数序列采 用5 年滑动平均方法滤去年际间随机变化，并用线性倾向估计的方法分时段求出倾向值( 见 表2 2 ) 。由图2 2 可见，南京站1 9 6 1 2 0 0 6 年霾日数总体呈上升趋势。根据滑动平均曲线可以 把南京站霾日的逐年变化大致可分为4 个阶段。 ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代初期7 0 年代初，日数少而缓慢上升的阶段：此阶段工业、交通运输业 尚未得到全面发展，人类活动对环境的影响较小，此阶段霾日数处于历史最低阶段，霾很 少，每年仅有几次。霾目数最低值为0 d ，分别出现在1 9 6 1 、1 9 6 5 、1 9 6 7 、1 9 6 8 、1 9 6 9 、1 9 7 2 和1 9 7 4 年。霾日上升趋势也很缓慢，年霾日数倾向值为0 1 d a 。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代中期曲o 年代中期为第一个急剧上升阶段。此时工业、能源、交通的 需求迅速增长，给环境带来了日趋严重的危害，南京市区的霾日数也进入了第一个急剧增 长阶段。其中1 9 7 8 年首次超过3 0 d ，1 9 9 1 年首次超过1 0 0 d ，1 9 9 4 出现历史最大值1 5 8 d ，霾日 数倾向值高达6 1 d a 。 ( 3 ) 1 9 9 4 年后2 0 0 0 年为下降阶段，霾出现频率略有下降，倾向值为- 2 5 d a 。这说明2 0 世纪9 0 年代中后期南京的环境保护措施得力，经强化监督管理和大力综合致力，有效控制 了污染物浓度，环境质量明显改善。 ( 4 ) 2 0 0 1 年起进入第二个急剧上升阶段，该阶段的霾天气又明显增多。 由于城区交通 繁忙，机动车大量增加，机动车尾气污染严重，大气中总悬浮颗粒物浓度增加。随着城市 建设的迅速发展，大楼越建越高，增大了地面摩擦系数，使风流经城区时明显减弱。静风 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 现象增多，不利于大气污染物向城区外围扩展稀释，并容易在城区内积累高浓度污染。霾 日数又开始增加，2 0 0 0 年年底南京地铁一号线开始动工，十运会大型场馆建设等都对霾天 气形成有很大的影响，这一阶段霾日数的倾向值为5 7 d a 。表3 2 是南京站与广州站各年代 霾出现日数，从中我们可以比较两个城市各个年代的霾情况。可以看出，南京站霾出现日 数2 0 世纪6 0 年代只有8 天，7 0 年代虽有所增加，到9 0 年代霾出现日数显著上升，年平均日 数已经超过1 2 0 天，接近全年的1 3 。广州站和南京站霾日数总体上都在上升，但自上世纪 7 0 年代起，南京站各年代霾日数就远远高于广州站。如前所述，南京站霾日数1 9 9 4 年达到 最高值1 5 8 d ，而同年广州的霾日数也达到最大值，广州的最大值为9 9 d t l 5 】，比南京少5 9 d 。 南京站1 9 6 1 2 0 0 5 年平均霾日数倾向值3 9 d a ，明显高于广州站1 9 9 1 - 2 0 0 2 年的平均倾向值 2 0 d a t l5 1 。可见南京1 9 世纪7 0 、8 0 和9 0 年代的霾日数多于广州，增长速度也快于广州。从这 些角度来看，南京的霾情况比广州还要严峻。 2 2 2 2 南京地区6 站霾的年际变化的比较 由图2 3 可见，2 0 世纪8 0 年代起南京站的霾日基本上高于周边5 站，说明南京的城市化 进程加重了市区环境恶化。f 1 2 0 世纪9 0 年代末期起，除高淳站外，江宁、六合、江浦、溧 水等4 站的霾发生次数虽不及南京站，但也呈上升趋势，尤以江宁站近几年来最为突出，2 0 0 6 年的霾日已达1 0 6 次，是同期六合、江浦和溧水站的2 倍左右。南京是季风盛行区，霾最频 繁的冬季多偏北风【2 6 1 ，紧靠南京市区南面的江宁正好处于下风方，霾日数增加得最快。其 他3 站，北面紧靠南京的六合、西面紧靠南京的江浦、以及位于冬季下风向但距离市区较远 的溧水等地，霾都呈增长趋势，但次数远不及江宁。高淳站位于南京地区的最南端，与南 京市区隔着江宁县、溧水县，远离南京市区，因而基本上不受南京市区霾天的影响，近1 0 年来霾天气很少发生。图2 2 ( b ) 中江浦站2 0 世纪6 0 年代初8 0 年代初的2 0 年，霾次数一直高 于其他站( 包括南京站) ，到7 0 年代末期达到将近1 5 0 d 。但是8 0 年代后期至今，江浦霾日数 又远低于南京，与其他郊区4 站保持在同等水平上。这可能与当时江浦的工业结构、空气污 1 2 第二章南京市地区霾天气特征分析 染状况有关，需要进一步深入研究。 舍 籁 口 翊 糕 按 1 5 5 r n s 时不大可能出现霾天气。反之，静小风则 不利于污染物的扩散稀释，易成霾，9 6 7 的霾日均风速都在o - 4 m s 间。如图2 4 所示，其 它5 站的分析结果与此类似。 1 4 第二章南京市地区霾天气特征分析 零 、 鼯 ，、 毫 - ， 站 臻 燕 嚣 风速k 间( m s 1 ) 图2 4 南京站霾天气下风速的概率直方图 f i g 2 4w i n ds p e e dp r o b a b i l i t i e sh i s t o g r a mi nh a z ed a y sa tn a n j i n go b s e r v a t o r y 3 3 2 相对湿度对霾的影响 3 3 2 1 相对湿度对霾日能见度的影响 分析4 6 年来南京站霾日最小( 指2 ：0 0 、8 ：0 0 、1 4 ：0 0 、2 0 ：0 0 中最小) 能见度与当日平均相 对湿度相关性，得出其相关系数为0 4 8 。霾日能见度年平均值与相对湿度年平均值也呈负 相关关系( 图2 5 ) 。相对湿度对能见度的影响通过气溶胶粒子的吸湿增大而产生。当气溶胶 粒子中含有水溶性成分时，相对湿度大使得可溶性气溶胶更容易吸收水汽而长大，使消光 15 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 作用( 主要是散射作用) 增加，能见度减小。另外图2 5 中南京站霾天气下相对湿度的年平均 也出现下降趋势。这可能是城市化建设过程中，水泥路面面积加大使降水流失，这种特殊 的下垫面使得城区相对湿度减小产生的“干岛效应”导致。 1 9 6 11 9 6 61 9 7 11 9 7 61 9 8 11 9 8 61 9 9 】1 9 9 62 0 0 1 2 0 0 6 年份 霎 毯 赠 靛 罂 图2 5 南京站霾天气下年均能见度和年均相对湿度的逐年变化 f i g 2 5a n n u a lm e a nv i s i b i l i t ya n dr e l a t i v eh u m i d i t yd u r i n gh a z yd a y so b s e r v e da tn a n j i n gs t a t i o n 3 3 2 2 相对湿度对霾月日数的影响 考虑相对湿度对霾影响较大，把4 6 年来6 站各月的霾日按照相对湿度 9 0 和 7 0 分别 统计仿照徐梅等采用的方法，用( 相对湿度 9 0 的霾月日数一相对湿度 7 0 的霾月日数) 相对于相对湿度 9 0 的霾月日数得出的百分率来分析湿度对霾月日数的影响。 1 6 第二章南京市地区霾天气特征分析 l234567891 0l l1 2 月份 图2 6 六站高湿度霾天所占比例图 f i g 2 6h a z yd a y sw i t hh i g hr e l a t i v eh u m i d i t ya s ap e r c e n t a g eo f t h et o t a ln u m b e ra ts i xs t a t i o n si nn a n j i n ga g e a 图2 6 可见，相对湿度对6 站霾日的逐月变化的影响很大，较高相对湿度( 7 0 一9 0 ) 的霾 日占总霾日的比重通常在4 0 以上。可见适当的相对湿度是产生霾的有利条件。其中降水 相对集中的7 、8 、9 月受影响最大，而春季3 、4 、5 月受影响较小，与徐梅等【”1 统计结论相 一致。南京站与郊区五站相比，月变化受相对湿度影响处于中等偏下水平( 仅高于江宁站) 。 这个现象与前面提及的城市“千岛效应”有关，南京城区的相对湿度小于郊区，所以较高 湿度的霾天气出现频率普遍小于周边站点。 2 4 南京地区霾的细颗粒物污染本质 霾是一种由气溶胶和气体污染造成的城市和区域性污染现象，使大气混浊，视野模糊 并导致气象能见度恶化【1 4 】。分析前面( 图2 5 ) 可知，南京地区霾天气形势严峻，不仅霾日 数的逐年增加，霾日下气象能见度也呈下降趋势。能见度是由大气颗粒物和气体分子对光 1 7 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 的散射和吸收决定，其中颗粒物的散射能造成6 0 毋5 的能见度减弱【2 9 1 。宋宇等19 1 对北京 市能见度下降与颗粒物污染的关系进行了分析，发现能见度的改善和恶化与细粒子质量浓 度密切相关。董雪玲等【1 8 1 也认为散射效应主要同细粒子有关，p m 2 5 与大气能见度线性相关 系数高达0 9 6 。因而大气颗粒物( 尤其是p m 2 5 ) 污染水平与霾的形成直接相关。根据黄鹂鸣 掣2 0 1 在2 0 0 1 年春、秋、冬3 季在南京市的5 个典型功能区的研究，p m l o 、p m 2 5 的平均浓度分 别为0 2 8 0 、o 1 9 6 m g m 3 。以我国1 9 9 6 年颁布的p m l o 二级标准【2 2 】( 日均值 秋季 夏季的季节特 征。 ( 2 ) 南京站4 6 年来年霾日数总体呈上升趋势。从2 0 世纪7 0 年代中期, - - 9 0 年代中期，霾天 数呈直线上升趋势。1 9 9 4 年后略有下降，但最近5 年来霾天气又明显增多。2 0 世纪8 0 年代起 南京站的霾日基本上多于周边5 站，郊区各站的霾变化趋势与其相对南京市区的地理位置有 关。 ( 3 ) 随着霾发生频率的增加，霾持续多目的几率也增大。霾天经常伴有轻雾的出现，有 1 8 第二章南京市地区霾天气特征分析 时还会出现雾。 ( 4 ) 霾天气受气象要素的影响，静小风、较高相对湿度有利于霾的出现。能见度和相对 湿度反相关。相对湿度对南京地区降水集中的7 、8 、9 月影响较大。 ( 5 ) 霾天气不仅出现的频率增加，霾天气下气象能见度也下降。这可能是由总悬浮颗粒 物( 尤其是细颗粒物) 增加导致的。 1 9 南京信息工程大学硕士学位论文：南京地区霾天气及其污染特征分析 第三章南京地区空气污染物浓度变化及其与气象 条件的关系分析 环境空气质量的优劣与人体健康密切相关。硫氧化物和氮氧化物具有腐蚀性和生理刺 激作用，主要损伤和危害呼吸系统，严重时则会导致呼吸衰竭，引起过早死亡【3 0 1 。可吸入 颗粒物( p m l o ) 也能够引起一系列严重的心血管及呼吸道疾病【3 1 1 。同时二氧化硫( s 0 2 ) 、二氧 化氮( n 0 2 ) 为酸雨和光化学烟雾的主要前体物，是造成区域大气复合型污染的重要因素 2 7 , 3 2 1 。大气颗粒物则对气候变化、云的形成、能见度的变化均有重要影响。因此城市大气 环境质量的评价日益受到人们的重视 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 3 7 1 。 本章统计分析了2 0 0 2 - 2 0 0 6 年南京市大气中s 0 2 、n 0 2 及p m l o 污染状况，初步讨论了不 同气象因素对污染物浓度的影响，同时分析了大气污染对能见度的影响，旨在更深入地了 解和掌握南京市大气环境质量状况，从而为改善南京大气环境质量和污染防治等提供科学 依据。 3 1 资料来源 本文资料包括2 0 0 2 2 0 0 6 年南京市环境监测站6 个监测点的s 0 2 、n 0 2 、p m l o 日均浓度资 料( 取6 站平均值代表南京市市区) ；2 0 0 2 - 2 0 0 6 年南京地面气象站霾、雾天气现象的气象记 录；2 0 0 6 年南京大校场逐日气象资料( 风速、风向、降雨量等) 。 3 2 南京市市区污染物的年、月变化及环境空气质量状况 3