環(huán)境化學 案例 楊寬(1)

1、 河北科技師范學院霧霾天氣的分析院（系、部）名 稱 ： 化學工程學院 專 業(yè) 名 稱： 應用化學 學 生 姓 名： 楊 寬 學 生 學 號： 1011120117 指 導 教 師： 宋士濤 2015年 5 月7日河北科技師范學院教務處制 中國東部持續(xù)性強霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析近幾年，在中國東部地區(qū)發(fā)生了強度強、持續(xù)時間長、發(fā)生范圍廣的霧霾天氣.本文利用資料診斷, 從大氣環(huán)流背景場和霧霾天氣演變過程兩個方面, 分析了氣象條件在這次持續(xù)性強霧霾天氣發(fā)生中的作用. 結果表明, 2013 年 1 月東亞冬季風異常偏弱, 在中國東部區(qū)域, 對流層中低層的異常南風有利于水汽向中國東部地區(qū)輸送, 500

2、 hPa的高壓異常抑制了對流的發(fā)展, 而表面風速的減弱不利于近地面附近的霧霾向區(qū)域外輸送, 水平風垂直梯度的減小減弱了天氣尺度擾動的發(fā)展和大氣的垂直混合, 對流層低層異常逆溫層的存在使得大氣近地層變得更加穩(wěn)定. 這些氣象背景場為霧霾天氣的維持和發(fā)展提供了有利的氣象條件. 對霧霾天氣演變過程的分析表明, 霧霾天氣區(qū)域內(nèi)的表面風速及其上空對流層中低層的水平風垂直切變對霧霾天氣過程具有動力影響, 二者偏小(大)時霧霾天氣偏強(弱); 對流層中低層的層結不穩(wěn)定性以及近地面層的逆溫狀況和溫度露點差對霧霾天氣的演變可以產(chǎn)生熱力影響, 層結不穩(wěn)定性和逆溫偏大(小)以及溫度露點差偏小(大)時霧霾天氣偏強(弱)

3、. 多元線性回歸分析的結果表明, 熱力和動力因子對這次霧霾天氣過程具有大致相同的作用, 氣象因子可以解釋超過 2/3 的霧霾天氣逐日變化的方差, 方差貢獻達到 0.68. 霧霾是發(fā)生在大氣近地面層中的一種災害天氣,由于霧霾天氣發(fā)生時大氣能見度降低, 可以對社會經(jīng)濟以及人民生活產(chǎn)生重要的影響; 同時, 霧霾天氣發(fā)生時大氣氣溶膠聚集在大氣近地層, 使得大氣污染增強, 空氣質(zhì)量下降, 會對人體健康造成重要危害(李子華等, 2008). 研究表明, 霧和霾的長期變化趨勢與人類活動和氣候變化具有密切的聯(lián)系. 城市的擴張以及與其相關聯(lián)的熱島效應的增強, 可以使霧的發(fā)生頻次在城區(qū)呈減少趨勢, 而在郊區(qū)呈增加

4、趨勢(Sachweh 和 Koepke, 1997). 城區(qū)濃霧發(fā)生頻次的減少趨勢除了與城市加熱的增強趨勢有關外, 也與懸浮顆粒物的減少趨勢有關(Witiw 和 LaDochy,282008). 19801995 年 , 美國霾的減少趨勢伴隨著PM2.5濃度的減少, 并且與硫化物排放的減少趨勢一致(Schichtel 等, 2001). 中國霧日數(shù)有明顯的季節(jié)和年代際變化, 冬季最多, 春季最少; 在 20 世紀 7090年代較多, 20 世紀 90 年代以后減少; 而霾日數(shù)自2001 年以來急劇增長(孫彧等, 2013). 中國霧日數(shù)減少趨勢的產(chǎn)生, 與冬季日最低溫度的升高以及相對濕度的減小

5、趨勢有關(劉小寧等, 2005), 霾日數(shù)的增加與人類活動導致的大氣污染物排放量的增加趨勢以及平均風速減少趨勢有密切的聯(lián)系(高歌, 2008).另外, 中國霾的變化趨勢與經(jīng)濟活動的區(qū)域分布密切相關, 在經(jīng)濟比較發(fā)達的中國東部和南部, 霾日具有增加的趨勢, 而在經(jīng)濟相對滯后的東北和西北地區(qū), 霾日出現(xiàn)減少趨勢(吳兌等, 2010).關于中國霧霾天氣的發(fā)生與氣象因子之間的聯(lián)系, 已有的研究一方面集中在如前所述的霧霾長期變化趨勢與氣象因子變化趨勢之間的關系, 另一方面集中在局地氣象條件與霧生消演變過程(Niu 等2010)以及與霾天氣的聯(lián)系(童堯青等, 2007). 一些研究分析了霧霾天氣與大氣環(huán)流

6、的聯(lián)系. 按照地面天氣形勢, 可以把中國大范圍的大霧分為均壓型和鋒前型兩大類, 其中前者主要與輻射霧相聯(lián)系, 而后者則主要跟平流霧相聯(lián)系(林建等, 2008); 大氣低層暖平流、大氣層結相對穩(wěn)定和充沛的水汽條件, 對中國東部大范圍大霧的產(chǎn)生具有重要的作用(張新榮,2006). 在珠江三角洲地區(qū), 當大氣對流層中層出現(xiàn)較強的緯向環(huán)流、對流層低層在弱高壓脊控制下并且出現(xiàn)較弱的表面風時, 有利于重霾天氣的發(fā)生(吳兌等, 2008).2013 年 1 月, 中國東部地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性強霧霾天氣, 江蘇、北京、浙江、安徽和山東霧霾日數(shù)為當?shù)?1961 年以來同期最多(楊琨等, 2013). 雖然霧和霾分別

7、屬于不同的天氣現(xiàn)象, 但霧和霾之間存在著相互轉(zhuǎn)化(吳兌,2006; 楊軍等, 2010). 在中國氣象觀測站的實際觀測中, 對霧和霾的區(qū)分也存在著較大的不確定性(吳兌,2006). 從嚴格意義上來說, 當霧和霾天氣同時發(fā)生時, 在它們之間難以確定明確的界限. 霧和霾經(jīng)?；旌显谝黄? 形成霧和霾混合的霧霾天氣現(xiàn)象(王潤清,2012). 由于霧和霾都與能見度的降低相聯(lián)系, 因此能見度實際上是霧和霾的一個綜合度量. 中國多地出現(xiàn)大風降溫天氣(楊琨, 2013). 1 月5 日以后的整個時段內(nèi)能見度持續(xù)偏低, 均小于氣候平均值, 說明這次霧霾天氣具有顯著的持續(xù)性特征.同時, 在霧霾天氣持續(xù)期間, 其強

8、度表現(xiàn)出明顯的天氣時間尺度變化, 其中在 15, 23 和 31 日能加度分出現(xiàn)最低值, 比當日的氣候平均值降低了大約 3 km左右. 霧霾天氣的主要化學成分及其危害霧霾天氣的主要化學成分霧霾天氣是氣溶膠系統(tǒng)。學界的氣溶膠定義是 “氣體介質(zhì)中加入固態(tài)或液態(tài)粒子而形成的分散體系稱為氣溶膠”。大氣氣溶膠分類方法有多種，其中按照組分可以分為無機成分和有機成分。無機成分包括礦物粉塵 （土壤塵、沙塵、火山灰）、海鹽、黑碳、硫酸鹽、硝酸鹽等；有機成分包括有機碳氫化合物、其他有機物 （如優(yōu)控苯并芘 （）、持久性有機污染物 （）等和有生命的生物氣溶膠（如花 粉、孢 子、病 毒、細 菌 和 動 植 物 蛋 白

9、碎 屑等）有機碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等；其他的常見的成分包括各種金屬元素，既有鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等地殼中含量豐富的元素，也有鉛、鋅、砷、鎘、銅等主要源自人類污染的重金屬元素。由于污染源種類、地區(qū)不同以及季節(jié)差異，霧霾天氣中細顆粒的組分會有差異。例如，年年底，深圳大氣氣溶膠中以硝酸根、硫酸根、銨根離子為主，占離子總數(shù)的。在對北京冬季空氣污染物中細顆粒物的化學成分進行分析后發(fā)現(xiàn)，有機物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳的濃度比較高，有機物大概在左右、硫酸鹽占、硝酸鹽占。具體而言，硫酸鹽主要是燃煤和一些工業(yè)源所致，取暖的 “貢獻”比較大；硝酸鹽，則來自機動車尾氣排放。機動車尾氣等排放的光化學反應氣

10、態(tài)前體物 （氮氧化物、一氧化碳、揮發(fā)性有機化合物）通過紫外線驅(qū)動光化學過程，最終形成了有機硝酸鹽等細粒子亦是光化學反應過程的重要成分。 霧霾天氣的危害霧霾天氣不僅對交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很大的危害，而且對人體健康有很的危害，其中對人體健康的危害尤其大。（）霧霾天氣對交通出行的危害大范圍霧霾天氣給人們的出行帶來了困難。霧霾天氣由于能見度低，造成高速公路汽車追尾相撞，航班延誤甚至發(fā)生空難，海上輪渡停航甚至相撞，導致巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如，年月日的早上點到下午點的個小時內(nèi)，京港澳高速公路長沙湘潭路段上，因霧霾天氣連續(xù)發(fā)生多起交事故；當天，廣西全州縣境內(nèi)衡陽昆明高速公路全州湘桂收費站附近，也因霧霾

11、天氣發(fā)生車追尾相撞事故，導致人死亡人受傷。（）霧霾天氣對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害霧霾天氣中各種污染物含量高，農(nóng)作物、水果、蔬菜生長過程中粘附上有害霧滴，不僅會使果實蔬菜長斑點，而且能促進霉菌的生長，導致植物病蟲害的發(fā)生、發(fā)展與擴散；某些農(nóng)作物在揚花或生長期時，遇到持續(xù)的霧天，會致使作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。霧滴中含有的二氧化硫、硫化氫等物質(zhì)金屬的腐蝕性較大，使外露金屬物件的壽命縮短，據(jù)統(tǒng)計顯示，全球每年被酸霧銹蝕的鋼鐵有上千萬噸。（）霧霾天氣對人體健康的危害霧霾天氣與空氣質(zhì)量下降密切相關，這使得中國不少城市居民頻發(fā)上呼吸道感染、呼吸過敏等疾病。例如，年月上旬我國發(fā)生的大范圍霧霾天氣，北京、濟南、石家莊、南寧

12、等城市各大醫(yī)院里，呼吸內(nèi)科、過敏源測試科等接診人數(shù)在短短幾天時間里飆升了倍5。霧霾中含有各種對人體有害的細顆粒，有毒物質(zhì)達多種，包括了酸、堿、鹽、胺、酚等，以及塵埃、花粉、螨蟲、流感病毒、結核桿菌、肺炎球菌等，其含量是普通大氣水滴的幾十倍6。專家認為，由細顆粒物造成的霧霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在以下的細顆粒物，不易被阻擋。研究表明，可 影 響 人 體 的 呼 吸、心 血 管、免疫、生育、神經(jīng)和遺傳系統(tǒng)等；可進入人

13、67的鼻腔及氣管，而除了能進入肺部，還能進入肺泡甚至血液，干擾肺部的氣體交換，引起哮喘、支氣管炎和全身炎癥，增加動脈硬化、血脂升高的風險，導致心律不齊，血壓升高等。研究發(fā)現(xiàn)，每年由于大氣污染而早亡的人數(shù)約萬，其中最重要的原因就是顆粒物污染。如果濃度能降低，由肺病導致早亡的人數(shù)將減少，肺癌人數(shù)將少。長期暴露在這種霧霾天氣環(huán)境中，這些細顆粒物吸附的重金屬物或多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)可能導致肺部腫瘤出現(xiàn)。老人、小孩、心 肺 疾 病 患 者 以 及 體 質(zhì) 較 差 的 人，都 是污染的敏感人群?？梢姡F霾天氣中的對人體健康的危害更大。霧霾天氣防治（）改變能源結構，減少燃煤量，增加清潔能源量。燃煤排放仍是造成

14、大氣污染的最主要原因（排放的二氧化硫和苯類物質(zhì)有焦油味）。長期以來，煤炭在我國能源消費中的比重為左右，清潔能源比重偏低。年我國煤炭消耗量超億噸，產(chǎn)生的大量污染物對大氣環(huán)境造成巨大壓力。因此，相關部門要采取改變能源結構，降低生產(chǎn)負荷，提高脫硫、脫硝、除塵設施運行效率等措施，進一步低污染排放。（）控制機動車污染排放，淘汰老舊車，提升油品質(zhì)量。機動車尾氣是氮氧化物、細顆粒物產(chǎn)生的重要原因 （排放的油氣、氮氧化物和氨氣有腐臭味）。截至年月，全 國 機 動 車 保 有 量 達億輛，汽車保有量達億輛，許多城市已進入汽車社會。機動車污染排放，不僅是造成城市灰霾和光化學煙霧污染的重要原因，低空排放的細顆粒物還

15、多為有毒有害物質(zhì)，對人體健康危害極大。另外，提升油品質(zhì)量是直接的減少污染的方式，有統(tǒng)計顯示，油品標準每提升一個臺階，各項污染物排放能降低左右。因此，國家要嚴控機動車污染排放，促進油品升級。（）多部門齊抓共管，加大揚塵污染控制力度。造成空氣污染指數(shù)攀升的原因，除了燃煤和汽車尾氣排放之外，工地揚塵污染也是重要因素。在市區(qū)建設中，建筑施工、拆遷、渣土清運以及道路清掃中，造成的次揚塵，對市區(qū)空氣質(zhì)量濃度影響很大。對施工現(xiàn)場的土堆、粉狀物料、裸露地面相關部門要監(jiān)督施工單位采取灑水、覆蓋等措施，減少揚塵污染。（）建立區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控機制，發(fā)布大氣霧霾預警信號。國家與各省市的氣象部門、環(huán)保部門聯(lián)合起來，建立區(qū)域

16、聯(lián)防聯(lián)控，制定大氣霧霾預警機制，進一步提高氣象預報水平，加強能見度實時監(jiān)控和預報，嚴格控制各省市的污染排放總量。參考文獻1Wolfgang Asseblborn usw. Chmie heute 2010：96-1192王祖浩，王磊主編義務教育化學教科書上海：上海教育出版社，2012： 113-1363中華人民共和國教育部制定義務教育化學課程標準 （2011年版）.4于忠榮化學教育，2013,34(5)：27-28 5倪娟，楊玉琴化學教育，2012 , 33(12):3-56倪娟，沈健高等理科教育，2012 , (2)：102-1067白麗麗，郭燕文，余從煊等當代化工，2002，31(1)：17-198Semmelhack M F , Schmid CR , Corte Lett , Lett. 1986，27(10)：1119-1122)9徐鳳杰，楊永忠，李濤等河北工業(yè)科技，2010，27(64).435-44010吳兌環(huán)境科學與技術，2011 ,