人为排放水汽对北京地区冬季气候的影响分析研究

2020-04-18李崇兴

中国水利 2020年7期

李崇兴

（水利部政策法规司，100053，北京）

一、研究背景

京津冀地区发生的雾霾重污染事件，引发全社会高度关注。北京市不断加大大气污染防治工作力度，通过采取压减燃煤、治污减排、煤改电、煤改气等综合防治措施，大气污染物排放持续减少，环境质量明显改善，但仍然连续出现重污染天气。研究发现，对比治理前后能源燃烧排放物成分，SO2和NO2等大气污染物排放量减少，而PM2.5和水汽的排放量增多。特别是冶金工业和燃煤电厂的湿法脱硫脱硝除尘、燃气热电厂、垃圾焚烧发电厂等向大气中排放了大量的水汽。北京地区燃气锅炉和热电厂以及液化天然气汽车产生的烟气中含有20%（体积）水蒸气，在低空排放时对局部区域大气中的水汽含量产生了一定的影响。北京每天用于采暖的天然气量超过1亿m3，向大气中释放的水汽量超过16万t。在雾霾气象条件时，北京近地层大气中存在逆温层，高度在200 m左右。这些水汽释放到北京市城市主城区1 000 km2、高度200 m范围内的大气中，每立方米空气中每天将增加水汽0.75 g，如不能及时扩散会对北京地区空气的相对湿度产生较大影响。

近年来，国内学者对空气相对湿度与雾霾天气的关系进行了深入研究和探讨。结论是：气象条件是雾霾形成的外因，比如高湿、小风、逆温等，在污染物排放基本相同的前提下会导致更严重的污染；空气中的水汽通过促进SO2、NOX被氧化成SOA（二次污染颗粒）而加剧雾霾天气；雾霾污染过程中，二次生成颗粒物可占PM2.5的60%～70%；不同时刻大气液态水含量的廓线图对雾霾天气的预报有指导意义。有学者认为，大量人类活动排放的大气气溶胶粒子加重了雾霾；导致北京严重空气污染的气溶胶源地以北京当地及其周边邻近地区的污染源为主；气态污染物的非均相反应会导致颗粒物吸湿性显著增强，从而对强霾污染形成起到促进作用。专家学者的研究结果表明，空气中的水汽与雾霾天气的形成有着十分密切的关系。

大气中的水汽主要来源于自然界和人为产生两方面，但目前学者对雾霾成因的研究中，并未考虑人为排放水汽的影响。随着煤改气措施的推行，天然气燃烧释放的水汽对北京地区大气的负面影响也在增大。本文对北京天然气燃烧释放水汽对大气的影响进行了深入研究，利用气象实时观测数据从整体和局部的角度分析雾霾气候条件下北京地区冬季大气中水汽变化，通过对2016年12月和2017年12月两次雾霾天气过程的分析，得到了定量的分析结果。

二、资料与方法

1.资料来源

本文数据主要来源于各气象站以及环保监测站，包括气温、相对湿度、降雨量和风力风速等实测数据，采用“点”和“线”相结合方式论证天然气燃烧排放水汽对雾霾天气的影响。建立地理参照系，从河北省南端的邯郸市通过邢台、石家庄、保定到北京市区及其北部延庆区划一条直线，选取这条线上10～12个市县的气象站作为样本，收集相关气象数据。

2.研究方法

本文通过计算采暖期燃气锅炉释放的水汽占空气中全部水汽的比例分析和判断其影响程度。采取“有无对比”的方法，根据采暖季和非采暖季两种情况下收集到的空气相对湿度和温度等实测气象数据计算空气绝对湿度（空气含水量），绘制空气含水量曲线，分析其变化规律。根据大量实测数据，得出地理参照系上空气含水量的趋势线，并据此尝试提出水汽本底值的计算方法，根据曲线的走向、平滑度、倾角等数据，可以判断北京城区站在没有人为影响时的水汽本底值，进一步计算人为排放水汽的影响比例和程度。同时在北京市内选取了典型站气象数据分析，进一步验证了天然气燃烧释放水汽的影响。

三、人为排放水汽对北京地区近地空气层水汽量的影响

1.利用气象观测数据分析天然气释放水汽对北京地区的影响

时间：选取人类活动产生的水汽影响最低的时间段，凌晨0—7时。

数据样本：选用不同季节和气候条件具有代表性的数据为样本，见表1。

气象站点：位于一条直线上的磁县、鸡泽、隆尧、辛集、高阳、涿州、大兴、北京城区、昌平、延庆等气象站。

曲线：记录数据包括温度、相对湿度、风力风向。根据气温和相对湿度计算出整点的空气绝对湿度平均值，取其0—7时的绝对湿度绘制空气含水量曲线。

（1）非采暖期（本底值）实测气象数据分析

非采暖季节空气含水量曲线特征如表2所示。以2017年10月13日的曲线为例，空气绝对湿度曲线倾角稍大（10°左右），基本平顺，北京城区有小凸起，如图1所示。

综上所述：

①非采暖季节选取的10个气象站的0—7时整点空气含水量的连线是一条有一定斜率倾角的直线，其倾角取决于空气温度和相对湿度变化。线形的凹凸受空气质量影响较小，而受局部地区大风造成的污染物和水汽的扩散程度影响较大。北京地区大风时，线形向下凹陷。

表1 数据样本

表2 非采暖期空气含水量曲线特征

图1 2017年10月13日0—7时非采暖期空气含水量

②在参照系中，非采暖期的空气绝对湿度曲线较为平滑，受区域雾霾和空气质量指数的影响很小，北京城区站的数值可作为北京地区的水汽本底值作为参考。

（2）采暖期实测气象数据分析

采暖季节空气含水量曲线特征如表3所示。以2016年12月18日的曲线为例，空气绝对湿度线倾角小（6°左右），河北地区平顺，北京地区有凸起，北京地区空气绝对湿度明显高于本底值。如图2所示。

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综上所述：

①采暖季节北京地区的空气绝对湿度值在雾霾天气时均明显高于水汽本底值，绝对湿度曲线均出现明显凸起。北京地区大风时，线形向下凹陷。

②通过采暖期北京地区空气绝对湿度与非采暖期参照系的对比，可以得出如下结论：采暖期北京地区雾霾天气的绝对湿度高于参照系的部分是人为释放的水汽。

③考虑到采集的气象数据时间段为0—7时，此时段内人类活动、机动车运行，以及自然界中水体、土壤和植物的蒸发等诸多因素均已降到最低，只有用于采暖的燃气锅炉在不间断地运行，向大气中释放水汽，因此，可以得到以下初步结论：雾霾气候条件下，北京地区空气的绝对湿度高出水汽本底值的部分是采暖的燃气锅炉释放的水汽，具体数值需要进一步论证。

（3）天然气燃烧排放水汽对北京地区大气中水汽量影响的量化分析

为了进一步量化天然气燃烧排放水汽对北京地区大气中水汽量影响，选取2017年12月29日的实测资料作为样本分析。

①本底值的计算。本底值是按照正常天气状况下，空气绝对湿度曲线显示的北京地区的空气绝对湿度值，所表示的是自然因素形成的空气含水量，当人为因素造成空气含水量增加时，实测的数据会高于本底值而使绝对湿度曲线产生凸起。可以通过高出本底值的部分计算出人为因素所增加的水汽量。

②2017年12月29日的空气绝对湿度曲线中，北京大兴和北京城区部分高出平均值，以河北涿州和北京延庆为参照值可以计算出北京地区的本底值，然后与实测值比较，即可计算出当日雾霾过程中由天然气释放的水汽给北京地区空气中增加的水汽量。计算过程见表4、图3。

表3 采暖期空气含水量曲线特征

图2 2016年12月18日采暖期空气含水量

表4 人为排放水汽给北京地区空气中增加的水汽量（单位：g/m3）

图3 2017年12月29日0—7时空气绝对湿度及人为增加水汽量计算示意图

根据表5计算结果，在雾霾气候条件下，北京城区的空气绝对湿度平均值，比计算的水汽本底值要高出0.78g/m3，即这部分水汽是人为排放的。北京城区实测空气绝对湿度为3.2g/m3，高出部分占空气含水量的24.4%。

2.采暖锅炉排烟释放水汽对局部空气质量指数影响的分析

为了进一步证实采暖锅炉排烟释放水汽对局部空气质量指数的影响，选择北京门头沟区黑山供热公司和海淀区上庄热电厂附近的环保自动监测站的监测数据进行分析。

2018年3月19日20时左右，停止采暖的前一天，北京地区空气质量指数均在65～99之间，市区平均为70，空气质量为良。但是，远离市区的海淀北部新区环保自动监测站显示空气质量指数为151，为中度污染，门头沟区龙泉镇环保自动监测站显示空气质量指数144，为轻微污染（接近中度污染），两站空气质量指数均超过市区平均数的一倍。分析研究认为是采暖的燃气锅炉排放烟气造成。

四、空气含水量是影响空气质量不可忽视的重要因素

目前，环保部门公布的空气质量指数预报和实测数据是采用各检测站点实测的 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3数据按照一定的计算公式计算得出的空气质量指数。在研究中发现，采用实测的空气温度和相对湿度计算出来的空气绝对湿度（空气含水量）形成的曲线和实时空气质量指数的曲线有高度的相似性，而且，空气含水量越高，相似程度越高，特别是在空气质量指数急剧变化时，显现出更高的吻合度。现选择2017年1月6日的空气质量指数和空气绝对湿度两种曲线进行对比，具体如图4、图5所示。可以看到，空气质量指数和空气绝对湿度曲线的走向和趋势是高度吻合的。虽然质量指数曲线的构成和计算方法与空气含水量没有联系，但是产生的结果却给出一个重要提示：空气含水量是影响空气质量的不可忽视的重要因素。