摘要：统计分析湘潭市2013年连续四年逐日气象资料及空气质量数据，了解到湘潭市空气质量的变化特征，找出影响湘潭市空气质量变化的主要气象因素及出现重污染天气的天气形势，并从人工影响天气角度提出治理重污染空气的思路。

关键词：空气质量；变化特征；气象要素；相关分析；人工影响天气

引言

湘潭市位于长沙南部、株洲西部，同为国家长株潭城市群“两型社会”综合配套改革试验区中心城市，在湘中偏东，整个湖南东南西三面环山（主要是罗霄山脉和雪峰山脉），是开口向北的马蹄状，是北下气流交汇地区，同时也易受到长沙、株洲形成3城市间大气污染的相互叠加，导致区域性空气重污染区。2016年空气质量连续排名倒数第一。近年来为改善空气质量，长株潭城市群向国家申请大气污染联防联控重点防控试验区。本工作利用近四年（即2013～2016年）湘潭市空气质量数据及同期气象资料对近年来的空气质量变化特征进行研究，分析探讨湘潭市空气质量的变化特征与气象条件的相互关系，提出可行的人工消雾霾思路，为今后大气污染的研究和治理提供支持。（图略）

1 资料与方法

本文所用2013年连续四年湘潭市逐日的空气质量指数（AQI）、首要污染物、空气质量级别和空气质量状况等空气质量监测数据来源于湘潭市环保局和湘潭市空气质量实时发布系统网站；湘潭市气象资料数据来自于湘潭市气象观测站和长沙高空站探测站。统计分析湘潭市空气质量和首要污染物的情况及随月份和季节的变化特征；选取8个地面气象要素，即气温（日平均、日最高、日最低）、平均风速、24h降水量、相对湿度、气压、日照时数为影响因子，按季节对逐日的主要污染物（PM2.5和PM10）浓度数据进行统计相关分析，得到其相关系数，将通过显著性检验（α=0.1）的气象因子作为影响主要污染物的关键因子，分析其对湘潭市空气污染扩散条件的影响程度；统计分析重污染天气发生时的天气形势，因此提出针对性的人工影响天气缓解或治理重污染状况的思路。分析时采用了统计分析、最小二乘法拟合、t检验等方法。

2 湘潭市空气质量情况

2.1空气质量等级分布特征

根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）及《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012），2013～2016年四年中优良天数984天，达标天数比例68.3%。如图1所示，空气质量为良的天数最多，为742天（占51.5%），其次是轻度污染296天（占20.6%），优为242天（占16.8%），而中度污染只有85天（占5.9%）， 重度污染66天（占4.6%），严重污染9天（占0.6%）（图略）。

2.2 空气质量等级的月、季变化

湘潭市的空气质量等级月变化特征明显，空气质量最好的是在8月，其次是9月、7月、4-5月；最差的是1月，由差往好方向依次为10月、12月、11月、2月。（图表略）

从上述图表可以看出，湘潭市的AQI指数的季节变化曲线看呈“V”字形，夏季空气质量最好，秋冬较差。湘潭的夏季以晴好天气为主，降水以对流性降水为主，垂直和水平扩散条件均比较好，且盛行偏南风，污染物外来传输少，空气质量变化相对稳定；同时，夏季也是森林植被最为繁茂的时候，有助于抑制本地自然扬尘。湘潭秋冬季节大气层结稳定，常有逆温存在，不利于污染物的扩散；且秋、冬季盛行偏北风，偏北气流将北方的大气污染物（秸秆燃烧和采暖期燃煤排放的大气污染物）输送至本地，加上本地降水日数少，缺乏湿沉降作用，导致秋、冬季空气质量较差。

3湘潭市主要污染物特征

3.1 首要污染物及季分布

分析了2013年连续四年观测的6种污染物出现情况，做出不同首要污染物出现天数的百分比情况见图3，出现天数见表2，从中可以看出：出现天数最多的首要污染物为细颗粒物PM2.5，一年四季都出现了，总天数754天，占六项污染物的63.3%；其次为可吸入颗粒物PM10，四季出现，天数为244天，占19.4%；第三为臭氧（O3_8h），天数158天，占13.1%，出现在夏季、秋季和春季。NO2、SO2、CO出现天数较少，所占比例总共才占4.2%。从3种主要污染物出现天数的季节变化（图4）看出，细颗粒物PM2.5呈现出冬秋多夏季少的特点，可吸入颗粒物PM10呈现出春季偏多的特点，而臭氧（O3_8h）却是夏季达峰值。（图表略）

3.2 主要污染物浓度的变化特征

从主要污染物细颗粒物PM2.5、可吸入颗粒物PM10浓度的月变化（图5）来看，1月份浓度最大，12月、10月、2月、11月依次减小，基本呈现冬季高、夏季低的特点。臭氧（O3_8h）浓度是5-10月较大，特别是9-10月更明显。

反查不同首要污染物影响时的空气质量情况发现，当首要污染物为臭氧（O3_8h）和可吸入颗粒物PM10时，空气质量一般为优良，即使达到污染等级，也是以轻度污染为主。在污染天气中，首要污染物为细颗粒物PM2.5的情况占空气质量轻度污染等级的81.8％（244/298）、占中度污染等级的97.6％（83/85）、占重度及以上污染等级的98.7％（74/75）。分析污染天气中细颗粒物PM2.5的浓度变化情况得出，当首要污染物为臭氧（O3—8h）时，细颗粒物PM2.5的平均浓度为59μg/m3；当首要污染物为颗粒物PM10时，细颗粒物PM2.5的平均浓度为102μg/m3，这说明首要污染物为颗粒物PM10时，细颗粒物PM2.5的贡献值也较大。细颗粒物PM2.5在污染天气中占的比重如此之大，为影响空气质量的主要污染物，如果能控制好PM2.5的浓度，就可以大幅度提高空气质量。（图略）

4气象条件对主要污染物PM2.5的影响

研究表明[8]，空气质量不仅取决于污染物的排放，也与当地的气象条件密切相关。在污染物的排放强度大致稳定的情况下，大气污染物浓度的大小主要取决于气象条件。许多学者对大气污染物与气象要素的关系进行了深入的研究，研究表明，气温、降水、气压、相对湿度、云、风、辐射、能见度等气象要素与大气污染相关。我们选取气温（日平均、日最高、日最低）、平均风速、24h降水量、相对湿度、气压、日照时数为影响因子，通过对这几个气象因子与PM2.5的空气质量分指数（AQI）进行相关性分析，来研究气象要素对湘潭空气污染扩散条件的影响。

对2013年连续四年逐日PM2.5AQI分指数与对应不同气象要素分别按照月份和季节进行相关分析，得到其相关系数。PM2.5AQI与大部分气象要素在α=0.1水平下显著相关，但不同气象要素对PM2.5AQI的影响存在季节差异。在所分析的气象要素中，AQI与气温、降水量、风速、相对湿度和气压相关性最显著，分别对各因子挑选出显著性水平最高的季节用最小二乘法拟合作出其与AQI的相互关系图。（图表略）

4.1气温

夏季，湘潭市气温与AQI在α=0.01水平下呈显著负相关，这与气温高时大气多处于中性或不稳定状态有利于大气污染物的扩散有关。但春季、秋季和冬季，气温与AQI之间的关系，不存在明显的相关性，与孙俊玲等研究结果相似[7]。（图略）

4.2降水量

AQI与降水量在春、秋和冬三个季节呈显著的负相关，其中秋季和冬季在α=0.1水平下显著相关，这说明降水可以冲刷大气中的污染物，起到净化空气的作用。且降水时段越长，雨强越大时，清洁作用越明显。但夏季AQI与降水量呈正相关，这可能是由于夏季空气质量较好，数据总体标准差较小，造成评估会存在偏差。而且降水为不连续观测项，所以统计降水量与空气质量的关系会存在较大偏差。

4.3风速

AQI与风速在各个季节均呈现显著负相关，其中冬季在α=0.001水平下显著相关。这表明风力条件是大气污染物稀释扩散的最主要动力源，风速越大，越有利于大气颗粒物的扩散，AQI值小；反之，AQI值大。（图略）

4.4相对湿度

一般干燥的空气条件比较有利于颗粒物的输送扩散，而高湿的空气比较有利于颗粒物凝聚沉降。本研究中，AQI与相对湿度在春、秋和冬三个季节呈显著的负相关，其中春季（见图6）和秋季在α=0.001水平下显著相关，这说明春季和秋季的高湿空气对颗粒物的凝聚沉降作用显著，特别是强降水和长时间降水之后，颗粒物浓度明显降低。

而在空气湿度较大而未发生沉降的情况下，大气颗粒物附着在水汽中，悬浮在低空不易扩散，反而造成颗粒物高浓度污染[9]。湘潭市夏季受偏南暖湿气流影响，大气相对湿度平均高达78%，高湿度气候导致颗粒物吸湿涨化不宜扩散，在进入盛夏期（7月中旬到8月）降水减少，在未发生湿沉降的情况下，反而导致AQI浓度与相对湿度在呈正相关。（图略）

4.5气压

春季和秋季，AQI值与平均气压在α=0.1水平下呈显著正相关，这主要受过程性天气影响，具体表现为冷空气过境后地面高压控制的过程，一般AQI值与气压保持相同的趋势，有一个先升后降的过程。

5浅谈重污染天气下的人工影响天气措施

人工消雾霾工作只能治标不治本工作，要治本必须从污染源头治理，是最有效的办法，是从源头解决污染源，严格控制重污染源的排放量。

近几年来多省相继开展了人工消霾工作，特别我省开展多地区上下游联合作业机制，通过人工影响天气增大雨量来减少空气中霾的含量；目前作业方式有如下几种：

1是飞机增雨作业，飞机增雨作业好处是作业范围大，降雨效果好，适应中低云系，缺点是成本较高，机动性差，容易受天气限制；

2是地面高炮火箭增雨作业，各地区普遍开展，好处是不受天气气候影响，机动灵活，缺点是作业范围小，要达到目的需要采取多地区联合作业，容易受空管影响。

3是正在兴起的无人机增雨作业，好处是范围大，不受气候影响，受空管影响小，适应中低空域作业，操作简单。

6.作业效果：

2016年9月9日在衡阳邵阳一带开展了飞机盘旋型播撒增雨作业（图11）。从云体垂直结构分析显示9月9日14时600hPa以上有一定的水凝物，有弱的上升运动，13时至18时飞机作业播撒催化剂后将催化剂带入云层，对比作业前后影响区域雷达参数变化可以看出：作业时影响区北部雷达回波强度增强，作业效果明显，作业后半个小时雷达回波强度仍然较强，作业后1h雷达回波减弱，作业后2h雷达回波不明显。根据高空的风向风速，当时为偏西风，风速13m/s作业几次，累计作业影响面积约为1.23万平方公里。（图略）

7结论

利用2013～2016年湘潭市空气质量数据并结合同期气象资料，对湘潭市空气质量变化特征及气象因素对AQI的影响进行了分析，得出以下结论：

（1）近两年来湘潭市环境空气中主要污染物为细颗粒物和可吸入颗粒物，空气质量以良为主，占49%，其次是轻度污染，占23%，再次是优，占11%。

（2）湘潭市的AQI月、季变化特征明显，季变化总体呈一个“V”型，秋冬污染严重，夏季空气质量最好。其中，AQI月均值在1月份最高，7月份最低。

（3）湘潭市污染物浓度（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO）基本呈现冬季高、夏季低的特点，而O3的浓度与其它污染物的季节变化规律相反。

（4）AQI与大部分气象要素显著相关，但不同气象要素对AQI的影响存在季节差异。其中风速与AQI在各个季节均呈显著负相关；相对湿度（降水量）与AQI在春、秋和冬三个季节呈负相关，在夏季呈显著正相关；气温与AQI在夏季呈显著负相关；气压在春季和秋季与AQI呈显著正相关。

（5）相对湿度、风速、降水量、气温和气压是影响湘潭市AQI的主要气象因子，通过改变湘潭市湿度、温度、气压和风场条件，可能会对湘潭市环境的改善有一定作用。

参考文献

[1] 吴兑， 廖碧婷， 吴蒙， 等. 环首都圈霾和雾的长期变化特征与典型个例的近地层输送条件[J]. 环境科学学报， 2014， 34（1） ：  1-11.

[2] 陈雷华，余晔，陈晋北，等. 2001-2007 年兰州市主要大气污染物污染特征分析[ J] .高原气象， 2010， 29（ 6） ： 1627- 1633

[3] 于大江，吴艳玲，王鹏，等.2001—2012 年哈尔滨市空气质量长期变化特征[ J] .环境化学， 2014， 33（ 2） ： 306- 312

作者简介：曹江沅（1965-02-17）男，本科，工程师，湘潭市人工影响天气领导小组办公室常务副主任（正科）职务，主要从事人工影响天气管理方面工作。