霾天氣條件下不同室內(nèi)環(huán)境中PM2.5理化特征的研究

我國霾天頻發(fā)，大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）污染嚴(yán)重，然而霾天氣條件下室內(nèi)PM2.5污染特征的研究還鮮有報(bào)道。本項(xiàng)目擬以霾重污染區(qū)濟(jì)南為研究對(duì)象，在濟(jì)南市不同室內(nèi)（教室、辦公樓、住宅）和室外環(huán)境采集PM2.5樣品，對(duì)PM2.5中水溶性離子、有機(jī)碳/元素碳和元素進(jìn)行離線分析。對(duì)霾天氣條件下室內(nèi)外PM2.5理化特征進(jìn)行分析，解析和區(qū)別霾天氣條件下室內(nèi)外PM2.5污染水平和化學(xué)組分的異同，進(jìn)而深入研究室外源對(duì)室內(nèi)PM2.5污染的貢獻(xiàn)；測(cè)試不同通風(fēng)條件下（包括不同通風(fēng)模式和通風(fēng)換氣頻率）室內(nèi)PM2.5的污染特征，探討不同通風(fēng)條件對(duì)室內(nèi)PM2.5污染的影響；對(duì)室內(nèi)PM2.5中重金屬進(jìn)行分析，估算人體室內(nèi)PM2.5暴露劑量，對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。本研究致力于當(dāng)前我國霾天氣條件下室內(nèi)PM2.5污染特征的研究，相應(yīng)研究成果為顆粒物流行病學(xué)研究、室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定及室內(nèi)空氣污染防控提供重要的理論依據(jù)。

大氣水汽是人工影響天氣基礎(chǔ)條件之一，整層大氣水汽總量及其動(dòng)態(tài)變化是云水資源考察的關(guān)鍵性因素之一，一些研究利用地基微波輻射計(jì)對(duì)云天水汽含量和云液態(tài)水含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究人工增雨的最佳作業(yè)區(qū)。也有利用GPS監(jiān)測(cè)水汽的結(jié)果，但針對(duì)不同云天條件下的水汽含量特征分析則未見。人工影響天氣主要作業(yè)對(duì)象是云，云的研究最近年來一直受到高度重視，研究利用2002年6月18日～28日安徽屯溪站(58531)GPS水汽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了該站出現(xiàn)不同云天條件時(shí)的水汽含量及其變化，希望能對(duì)人工影響天氣最佳作業(yè)時(shí)機(jī)及作業(yè)云的選擇提供幫助。

水汽含量GPS水汽監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)述

地基GPS接收機(jī)的相位信號(hào)可用于計(jì)算整層大氣的水汽含量，其時(shí)間精度可達(dá)到15分鐘，而且，GPS測(cè)量大氣水汽含量的監(jiān)測(cè)方法是一種絕對(duì)測(cè)量，不需要校準(zhǔn)，并可以全天候自動(dòng)進(jìn)行。所以，GPS測(cè)量大氣水汽含量將會(huì)越來越多地應(yīng)用到天氣、氣候、人工影響天氣等諸多領(lǐng)域。

水汽含量空中水汽含量分析

我們選取2002年6月18日08時(shí)～28日08時(shí)每整點(diǎn)的GPS水汽探測(cè)資料，共有整點(diǎn)觀測(cè)時(shí)次241個(gè)，和該時(shí)段內(nèi)屯溪站整點(diǎn)的云狀觀測(cè)資料(包括晴空)，統(tǒng)計(jì)了各類云天條件下或晴空時(shí)的空中水汽含量平均值、極值，見表1(在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，共觀測(cè)到卷積云2例，積云性層積云2例，層云2例，碎層云1例，碎雨云3例，雨層云3例，因樣本數(shù)較少，故在統(tǒng)計(jì)時(shí)舍去)。對(duì)于同一時(shí)次出現(xiàn)兩種或以上云狀時(shí)，則分別記入不同云狀樣本。

從表1中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時(shí)，平均的空中水汽含量最大，分別是蔽光層積云64.7mm、鬃積雨云69.3mm，晴空時(shí)或出現(xiàn)其它云時(shí)，空中的平均水汽含量與這兩種云天條件相差較大。而除出現(xiàn)鬃積雨云外，其它情況下空中的水汽含量變化范圍則非常大，從30～40mm，一直到60～70mm都有可能出現(xiàn);出現(xiàn)鬃積雨云時(shí)，水汽含量變化范圍相對(duì)較小，在62.7～72.7mm之間。

當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時(shí)，產(chǎn)生降水的可能性最大，出現(xiàn)鬃積雨云的30個(gè)樣本中，有29次產(chǎn)生降水，占96.7%，出現(xiàn)蔽光層積云的106次樣本中，有73次產(chǎn)生降水，占68.9%。另外，出現(xiàn)透光層積云、蔽光高積云、碎積云時(shí)，也可能產(chǎn)生降水，產(chǎn)生降水的比例分別為:5.9%、5.3%和3.0%。而其它云天條件下在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)均未產(chǎn)生降水。

不論對(duì)于晴空還是不同的云天條件，水汽含量都有可能出現(xiàn)較大值，達(dá)到60mm以上，而且對(duì)于出現(xiàn)低云(淡積云、碎積云、濃積云、透光層積云、蔽光層積云、鬃積雨云)和中云中的蔽光高積云時(shí)，空中水汽含量達(dá)到60mm以上的比例均大于50%，尤其是出現(xiàn)蔽光層積云和鬃積雨云時(shí)，空中水汽含量達(dá)到60mm以上的比例則高達(dá)90%以上。說明出現(xiàn)低云或蔽光高積云時(shí)，空中的水汽含量大多數(shù)情況下可能會(huì)達(dá)到較大的值。

水汽含量降水效率分析

上面我們分析了晴空和不同云天條件時(shí)的空中水汽含量一些特征，下面，我們?cè)俜治鲆幌虏煌铺鞐l件下的降水效率的情況。

我們選取GPS探測(cè)期間，屯溪站每小時(shí)的降水資料，以整點(diǎn)前1h雨量和該整點(diǎn)后1h雨量的平均值，作為該時(shí)次所觀測(cè)到云的降水量，例如:6月27日19～20時(shí)雨量為7.5mm，20～21時(shí)雨量為25.9mm，20時(shí)觀測(cè)到的云為Cbcap，則該時(shí)次Cbcap雨量以(7.5 25.9)/2=16.7mm計(jì)算。不同云天條件下的降水量統(tǒng)計(jì)見表2(舍去了樣本數(shù)少的云)。

表2中，對(duì)于不同的云天條件，產(chǎn)生的降水量不同，每小時(shí)的平均降水量以鬃積雨云最多，達(dá)到4.75mm，蔽光層積云次之，為1.66mm，其它云天條件時(shí)降水量則非常小或沒有降水。

我們以不同云天條件下的平均降水量與此時(shí)的平均水汽含量的比值作為該云天條件下的降水效率，鬃積雨云和蔽光層積云是兩種降水效率最高的云，但都不到10%，其它云的降水效率僅為0.1%左右或不會(huì)產(chǎn)生降水?？梢?，即便是降水效率最高的鬃積雨云，其降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中云水資源的開發(fā)潛力將是巨大的。

水汽含量水汽含量變化特征

從2002年6月18日08時(shí)～28日08時(shí)，共有整點(diǎn)時(shí)次241次，也即觀測(cè)樣本241個(gè)，其中整點(diǎn)前一小時(shí)或整點(diǎn)后一小時(shí)內(nèi)發(fā)生降水的樣本共有85個(gè)，在這些發(fā)生降水的時(shí)次里，除6月25日07時(shí)和08時(shí)，空中水汽含量分別為58.2和57.7mm外，其余各時(shí)次的空中水汽含量均大于60mm，可見只有空中水汽含量達(dá)到一定的數(shù)值后，才可能發(fā)生降水，這個(gè)數(shù)值一般為60mm。

圖1是觀測(cè)期間空中水汽含量和降水量時(shí)間序列圖，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是水汽含量V(單位mm)或降水量R(單位0.1mm)，V是水汽含量變化曲線，R是降水量變化曲線。

在水汽含量變化序列曲線圖上，每次降水發(fā)生前水汽含量值都有一個(gè)躍變，如圖中A、B、C、D、E時(shí)段，F(xiàn)是一個(gè)連續(xù)發(fā)生降水的過程，此時(shí)水汽含量維持在一個(gè)較高的量值上，降水前躍變不明顯，降水發(fā)生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢(shì)。G是降水結(jié)束后，水汽含量迅速下降的過程，時(shí)間在6月25日07～11時(shí)期間，水汽含量值低于60mm而發(fā)生降水的特除情況就在該時(shí)段07:00和08:00兩個(gè)時(shí)次。

水汽含量研究結(jié)論

對(duì)2002年6月18日08時(shí)到6月28日08時(shí)，GPS測(cè)得的水汽含量及降水量分析認(rèn)為：

(1)晴空或不同云天條件下，空中水汽含量是不同的，當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云和鬃積雨云兩種云時(shí)，平均的空中水汽含量最大，而且此時(shí)，產(chǎn)生降水的可能性也最大，這兩種云應(yīng)是人工增雨作業(yè)的最佳作業(yè)對(duì)象。

(2)出現(xiàn)低云和中云中的蔽光高積云時(shí)，空中水汽含量也較大，50%以上情況下水汽含量可以達(dá)到降水的水汽含量要求，這些云也可以作為作業(yè)對(duì)象。

(3)降水效率是自然降水量與空中水汽含量的比值，即便是降水效率最高的鬃積雨云，其自然降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中云水資源的開發(fā)潛力將是巨大的。

(4)當(dāng)水汽含量達(dá)到60mm時(shí)，可能產(chǎn)生降水，產(chǎn)生降水的可能性和降水效率因不同云天條件而不同，這可能與當(dāng)時(shí)的動(dòng)力條件及云中凝結(jié)核有關(guān)，適當(dāng)改變動(dòng)力條件和凝結(jié)核，應(yīng)可以增加降水的發(fā)生。

(5)降水發(fā)生前，空中水汽含量將會(huì)有一個(gè)躍變，這既可以作為短時(shí)降水預(yù)報(bào)的參考，也是實(shí)施人工增雨作業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。發(fā)生連續(xù)性降水后，空中仍有大量的水汽，此時(shí)仍可以實(shí)施人工增雨作業(yè)來增加地面降水。