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宝山地区雾霾天气特征及其影响下的空气主要污染物分析

2016-05-19 8:49:30 来源: admin

 摘  要:雾霾是一种严重影响人们生活和健康的天气,随着工业进程的发展,城市中出现雾霾天气的概率正在逐渐增加。结合宝山区的地理条件、工业分布、气象要素、空气质量等因素,分析了宝山区形成雾霾天气特有的条件,以及就本地区的雾霾进行深层的分析与研究。

关键词:雾霾;秋冬;层结稳定;颗粒物 

 

本课题组基于宝山气象局20年气象观测资料、宝山环境局的污染物分析数据等着手,利用surf、micaps等软件分析数据,对雾霾天气下的风速,平均温度,相对湿度,大气层结、高空温度进行分析,利用颗粒物分析法进一步分析造成宝山区特大雾霾的成分,发现宝山地区雾霾颗粒物贡献率中冶金化工钢铁、制药占了大比重。所以在给出治理建议的时候,我们充分考虑到了这些因素的改善上。本课题的目的在于希望可以通过本次的观察分析得出本地区特有的环境治理方式,给予广大市民和相关部门提出我们自己的治理见解,做一个可爱的宝山人!

1  引  言

    近年来,随着上海城市向国际化大都市的迈进,城市工业发展,人口增加,绿地萎缩,楼群簇拥使得雾霾这种低能见度天气发生频率大幅增加。城市的环境状况日渐担忧,并且也从简单的数据变成了人们口中津津乐道的话题,引起了大众广泛的关注,特别是2013年冬季上海城市雾霾严重影响了人们的日常生活,不仅阻碍了交通运输,而且使得大气质量严重恶化,影响了人类的健康。

从上海市气象局和上海环境监测中心的官方网站(http://www.semc.com.cn/home/index.aspx)可以查阅到上海及周边地区的雾霾天气状况和空气质量的监测和预报信息,这对于人们了解空间污染情况和指导各类社会活动具有积极的意义。但是网站中却缺省了宝山区雾霾的一个检测情况。而宝山作为整个上海城区工业相对集中、人口密度大的地区,其雾霾天气及其空气污染影响物有其地区差异特点。例如杜建飞等人研究了宝山区雾霾的日数变化(8),但是研究仅仅对宝山地区2010年前的雾霾天数进行分析汇总,缺少对本地区雾霾形成原因的分析,而且缺省了2010年之后的分析资料,而杨琳等人(5)关于雾霾空气主要污染物的分析也仅仅是分析上海地区大气边界层的颗粒物,不能有效地说明宝山地区特有的状况。   

综上引证,本课题组基于宝山气象局气象观测资料、宝山环境局的污染物分析数据等着手,对宝山区严重雾霾天气下污染物进行分析,并给出初步的治理建议。这对于加深有关宝山区雾霾天气影响污染物状况的认识,并制定有效的空气环境治理对策有着积极的现实意义。

2  宝山地区雾霾形成条件分析

2.1  资料选取

本文的资料都是来源于上海市宝山气象局以及环境局,并且在www.google.hk上收集了宝山区的工厂分布空间图。利用了micaps分析了大气层结的情况。利用了surf软件绘制了风速、温度等图。并且搜集了大气空气样本,利用颗粒物分析法分析了空气污染粒子成分,与市区相关数据作对比。

2.2  地理条件

宝山区是上海市的一个市辖区,毗邻长江与黄浦江,人口190.48万人。宝山是重要的钢铁生产基地、港口集装箱生产和出口基地及能源、水源、副食品生产、供应基地,所以宝山区是一个工业发展迅速、人口密度大的区域,空气污染问题尤其需要关注。

区境内有中国最大的钢铁联合生产企业——宝山钢铁集团公司及石洞口发电厂等大型企业,同时还拥有了不同产业职能的经济区:月浦工业区、盛桥工业区、顾村工业区、杨行工业区、罗店工业区、罗泾工业区、宝钢工业区等一系列大型工业区。

           

                      

 

 

 

 

 

 

              

 

 

 

 

 

图1  宝山工业区空间分布

 

图1是宝山区工业区分布图,图上的各种图形代表了在不同区域的厂区类型,在表2中有详细的说明。

从图中可以发现,宝山区的工业主要分布主要位于北部。北部是长江入海口,水汽条件很充分,这些都是良好的雾霾形成条件。

表1  秋冬雾霾日区域分布

站点区域

样本总数/天

能见度≤10km/天

雾霾出现几率

盛桥

717

435

61%

月浦

134

68

51%

杨行

134

66

49%

罗店

702

313

45%

通过观察比较可知,宝山区雾霾程度北部高于中部,中部高于南部。原因在于地理位置、海陆分布、气象条件、经济活动以及北部所处的工业区于江苏等地周边区域扩散和相互影响的差异。宝山区地形西北东南狭长,北部地区连接长江入海口,钢铁制造业、加上石洞口区域的发电厂,金属加工业,货运以及港口运输发达。而中部则是小型轻工业聚集地,人口密度大,交通发达,这些因素造成区域雾霾差别。

2.3  雾霾日数分析

雾霾,的统称(6)。空气中的灰尘硫酸硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。当水汽凝结加剧、空气湿度增大时,霾就会转化为。霾与雾的区别在于发生霾时相对湿度不大,而雾中的相对湿度是饱和的(5)。

本课题首先查阅了宝山区1980-2010年近30年的气象资料(8)进行分析,根据对气象资料的分析,表明宝山区年雾日数在上世纪80-90年代仅仅有80天左右,从上世纪90年代到21世纪10年代中期日数大幅度增加,近10几年总体趋势趋于平稳,基本保持在200天上下。分析认为,雾日数增加中,有些实际上是低能见度天气增加、工业排放、汽车尾气、飞机起降、北方污染物扩散等,增加了空气中悬浮颗粒物,使得能见度降低,而在这些天气中很多都是霾。

本课题组提取了20年观测数据逐年数据,以能见度低于10km为标准,统计了近1993年-2013年,20年的雾霾出现的频数。

图2  宝山区近20年以及近10年雾霾天气出现频数以及日数月分布图

 

图2中紫色柱状表示近20年逐月平均,蓝色柱状表示近10年逐月平均。

红色折线表示近20年逐日平均,蓝色柱状均高于紫色柱状,所以雾霾天数逐渐增加,通过红色折线,我们发现雾霾天数在11月,12月,1月发生頻率较高由近20与近10年雾霾出现天数进行对比,发现整体呈上升趋势,由近20年雾霾日逐日平均发现,近20年雾霾整体趋势为秋冬多,春夏少。秋冬季节,尤其是冬季雾霾出现的频率最高,夏季出现频率最低,其次是春季。霾的季节分布差异是由于宝山区所处的季风交替影响本地的天气系统密切相关,冬季上海受到北方冷空气的南下,北风强劲之外,本地系统常常会受到强冷高压的控制,大部分时间处于干冷的下沉气流稳定控制下。此时,大气层结稳定,雨水稀少,是雾霾天气多发季节。宝山区因基于上海市北部所以会受到北方污染的影响,且它东北濒长江,东临黄浦江,会使下游干流南北两岸相对湿度接近80%,水汽会十分充足。夏季雨水充沛,加上地表温度高,对流很强,大气层结不稳定,所以雾霾最少出现。根据此分析,我们研究下组主要选取了一年中秋冬季节进行研究。

2.4  雾霾形成气象条件分析

2.4.1  风速

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3  2013年1月、11、12月平均风速

    图3选取了宝山区2013年1月、11月、12月的风力进行绘图,发现在雾霾形成概率比较高的这三个月中风力都是在2级左右,而静风是产生雾霾的良好条件之一。在静风条件下,雾霾不易扩散,更有利于雾霾中颗粒物以及气体的沉降。

2.4.2  平均温度

黄色折线表示1月平均温度,紫色折线表示12月平均温度,蓝色折线表示11月平均温度从温度上来看,11月到1月温度可以发现,12月是形成雾霾相对较好的气温条件,平均温度都普遍高于5℃,这样的温度可以使得空气中的水汽蒸发减少,并且有利于高空逆温层的形成。而本身12月的早晚温差较小,并且相对温度比较高。

 

图4   2013年11月、12月、1月的平均温度

2.4.3  相对湿度

    为了能更准确的分析高空湿度,我们特别选取了实际雾霾天气下的天气状况进行分析,以12月3日-12月6日发生的雾霾天气为主,3日20时 底层湿度随高度升高逐渐降低  925hPa至700hPa湿度 为上湿下干,说明上层的水汽条件好,具备了形成雾霾的基本条件,并且从4日开始空气中的水汽条件发展旺盛,并且随着海拔高度降低湿度加强,说明底层的水汽条件发展逐渐旺盛,到了5日20时空气湿度以及接近100%,说明此时空气条件是下湿上干。我们再次结合对数压力图以及高空温度图来判断是否有逆温层的出现。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4  2013年12月3日-12月6日大气层结图

 

从12月5日晚8:00的高空温度图中可以发现,宝山区的高空已经形成了一个很稳定的逆温层,温度曲线明显右倾,代表温度随着高度的升高在升高,弱逆温层逐渐形成稳定。结合探空数据以及高空温度对数压力图,表明了此次雾霾在3000m高度以下。并且从高空温度图上发现,逆温层内的风速小于8m/s;陆地上形成大雾时,近地面高度的风速很小,这样更加不利于空气中污染物的扩散。

 

图5  大气层结图及高空温度图

 

一般情况下,能够形成平流雾的逆温层较厚,太阳辐射很难彻底破坏其逆温层结构;在6日早08:00探空上可以看到相对浅薄的逆温层,随着太阳辐射增强,逆温层将逐渐减弱,甚至消失。并且此时大气层结很稳定,风力在近地面层很小,不利于污染物的扩散。到了7日早上8点,逆温层消失,雾霾天气好转。

3  雾霾颗粒物分析

3.1  雾霾成分采样整体分析

为了深入分析此次雾霾天气中污染情况,我们采样了在2013年12月4日至6日的空气,通过颗粒法分析发现,从12月4日夜间起,污染物浓度就呈上升趋势。6日13时,从中度污染升至重度污染。从17时开始,PM2.5浓度直线上升,至6日22时,PM2.5小时浓度高达556.3微克/立方米。

 

 

 

 

 

图7  污染物浓度分析

图7是污染物浓度分析图,深色柱状表示PM2.5浓度,浅色柱状表示二氧化碳,二氧化氯,随着时间的变化,三者的浓度渐渐,变高。大面积的雾霾不仅对道路交通造成重大影响,而且还对人体视觉和嗅觉不适,严重影响了人们的正常生活。据有关报道,在12月6日特大雾霾造成的交通事故高架道路高达25起。

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 图8 12月5日-12月7日相对湿度和能见度逐时变化

 

图8a,b绘制了由12月5日至7日的相对湿度和能见度逐时变化,8a中曲线是相对湿度浓度变化,8b图中曲线是能见度变化。

由图8a可以得出12月6日特大雾霾为霾而非雾。由表8b可以发现随着温度的升高,霾的能见度并没有上升,反而逐渐下降,由此可以得出12.6特大雾霾,为重度的霾。说明在霾天气中,NO2,SO2,以及PM2.5颗粒物成分居多。

从此次所测的数据表明,5日的能见度较低,为2.5 km,相对湿度93%,此时是雾,之后能见度迅速上升,但是仍然低于16km,所以从7点开始都是霾,相对湿度在25%-42%,能见度在4-9km,6日开始能见度就下降到3 km以下,在6日18点至7日02点能见度均在1 km以下,说明雾霾值达到峰值。

3.2  雾霾中颗粒成份分析

我们走访了宝山区四个工业集中地区的将近91个工厂进行调查研究,发现了在这四个工业区中,都是以金属制造业和化工业为主,并且以盛桥地区和月浦地区工业分布最为集中。而通过查阅文献可得,霾是指原因不明的因大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象。霾的核心物质是空气中悬浮的灰尘颗粒或化学尘埃,气象学上称为气溶胶颗粒。霾的空间分布与城市化进程、工业结构、地形分布等有密切关系。空气中的灰尘、硫氧化物、氮氧化物、有机碳氢化合物等粒子能使大气混浊,结合水汽条件能大量的形成霾,而宝山区重工业生产是则会产生大量的尘埃和颗粒物。

表2  宝山典型工业区分布

区域

工厂总数

典型产业

盛桥

27

1.钢铁制造2.发电3.水泥制造4.钢渣处理5.金属制品

罗店

17

1.五金加工2.食品制造3.机械装配4.电气工业

杨行

26

1.集装箱运输2.集装箱3.金属制造

月浦

21

1.钢铁制造2.机械装配3.化工

在这些工厂分布中,我们可以发现,金属制造业、钢铁工业、制药业以及运输业都会产生大量的尘埃,并且根据空间分布可知,结合上海季风气候的特点,这些工厂集中分布在宝山的西部以及北部地区,由于上海受到夏季风、大气环流特点,盛行着东南风以及大气环流交换的速度很快,所以这些污染物不易扩散到宝山区中心城区,大多稀释在对流层中,而冬季盛行西北风,并且大气层结稳定、逆温显著,使得污染物很难扩散,就沉降在对流层底部以及近地面。

表3  雾霾天气下污染物成分对比

 

因子1

因子2

因子3

因子4

因子5

因子6

因子7

 

冶金化工钢铁、制药

汽车尾气

土壤

煤油燃烧

垃圾燃烧

建筑扬尘

其他

上海城区(徐汇)

贡献率

14.4%

31%

2.3%

4.3%

12%

27%

9%

宝山区

贡献率

31.3%

29.1%

1.9%

20.3%

9.8%

6.1%

1.5%

结合宝山区工业区的分布,以及宝山区环境局2013年测站的数据统计,对比参考文献(1)可得表3。在表中,可以发现,相对于上海中心城区的雾霾中的成分因子贡献率,宝山区的雾霾颗粒物中冶金化工的比例是最高的,其次才是汽车尾气的排放。而且通过对于空气中PM2.5的分析进行归类可得表4,污染物中锰、铁、铅、铬等重金属排放来源大多来源于冶金化工,少量的来自于汽车的尾气。而这些颗粒物由于分子质量较大,结合空气中的水分悬浮在近地面的区域,被人类直接吸入肺部会导致呼吸困难,长期严重吸入会导致肺功能的衰竭和退化。这些是雾霾天气给我们带来的最严重的后果。

 

表4  PM2.5 成分分析

来源

PM2.5成分

比例%

总比例%

汽车尾气

10.1

29.1

5.7

2.3

6.6

3.7

其他

3.7

冶金化工

钢铁

制药

3.1

31.3

19.7

3.8

3.6

0.7

其他

0.4

煤油燃烧

一氧化碳

7.7

20.3

二氧化碳

4.3

硫化物

5.1

2.8

其他

0.4

 4  整改意见

为了能从根本上缓解宝山地区雾霾天气,基于以上雾霾天气特征及其影响下的空气主要污染物的分析,我们提出以下整改意见:

    (1)建议工厂废气错峰排放在排放废气、废水前先进行预处理,如可以把重金属以沉淀的形式先过滤。

    (2)区政府加大整改力度,对部分排放严重超标的企业予以重罚或是关闭整顿。

    (3)建议在秋冬季节晨运市民推迟晨运时间,在人口集中区域如学校、医院、居民区等安装空气质量检测仪器,让市民及时了解空气质量,私车车主优先选择小排量、环保型的车,尽量乘坐公共交通工具不开车或少开车。

5  总  结

雾霾天气本身并不像台风、雷暴等灾害性天气那么来势汹汹,但是对于我们的生活来说它的影响是深远的。没有人能保证雾霾影响下的环境20年或者30年会怎么样,本文着重围绕着我们息息相关的宝山地区的雾霾成因进行了气象以及空气污染物成分分析,得出的主要结论有:

(1)雾霾形成的天气条件

1)秋冬季节宝山区风力小,静风天气出现概率高。

2)平均温度和湿度条件是形成雾霾的良好的条件。

3)秋冬季节高空层结稳定更加不利于污染物排放。

4)宝山区工业区较集中,并且以钢铁冶炼和化工厂居多,粉尘排放很大,底层污染物扩散不易减轻。

    (2)雾霾颗粒物

在得出了“12.6”典型特大型雾霾天气下的有效污染物的成分之后,我们可以发现,其实看似灰色的雾霾其实里面含有大量的重金属颗粒物,并且以工厂排放污染物因子占主要,这些颗粒正慢慢的危害着我们的健康。

 

参考文献

〔1〕张光智,徐祥德,王继志,杨元琴.上海及周边地区城市尺度雾霾特征及其演变,应用气象学报,2001,43-50,13(增刊).

〔2〕于霞. 雾霾天气的影响因素分析及防治. 环境保护前沿. 2013,3,34-37,4.

〔3〕孙燕,张备,严文莲,陈曲,赵凯. 南京及周边地区一次严重烟霾天气的分析. 高原气象,2010,29-3,6.

〔4〕徐怀刚,邓北胜,周小刚,王强. 雾对城市边界层和城市环境的影响. 应用气象报,2002,13(特刊),6。

〔5〕杨琳,杨红龙,徐嘉晔,林楚雄. 上海地区灰霾分布特征及预警、预报方法探讨. 环境科学学报,2012,32-12,6.

〔6〕朱乾根. 天气学原理和方法(第四版). 气象出版社,2007.

〔7〕伍荣生,王元. 面向21世纪课程教材——现代天气学原理. 高等教育出版社,2011.

〔8〕杜建飞,周厚荣,陈建民. 上海地区雾霾天气日数的气候分析特征. 第六届全国环境化学大会,2010,7.

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