北京夏末秋初不同天氣形勢對大氣污染物濃度的影響

王莉莉,王躍思*,王迎紅,孫 揚(yáng),吉東生,任玉芬 (.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 0009；.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 00085)

污染物濃度由排放源和天氣過程共同決定[1],但城市環(huán)境下重污染事件的發(fā)生卻主要?dú)w結(jié)為不利于擴(kuò)散的天氣條件,而并非突然增加的排放源[2].天氣形勢及氣象要素與污染物的排放、傳輸、擴(kuò)散、(光)化學(xué)反應(yīng)、以及干濕沉降等方面密切相關(guān),例如,溫度和地表濕度對局地沙塵排放的影響,(光)化學(xué)反應(yīng)對氣溫、濕度、太陽輻射以及云量的依賴[3],降水過程對污染物的清除[4],風(fēng)對污染物的顯著影響[5],區(qū)域污染物傳輸對大氣環(huán)流形勢的依賴.因此利用天氣氣候?qū)W方法分類出不同天氣型,研究對應(yīng)天氣型下大氣污染物濃度,將為評估空氣質(zhì)量和天氣過程的關(guān)系提供有效手段[6].其方法主要為兩大類:一是基于天氣圖(地面氣壓場或 500hPa高度場)即環(huán)流形勢的主觀(人為)分類,二是利用統(tǒng)計(jì)方法對各氣象要素聚類的客觀分類,這 2種方法在環(huán)境分析領(lǐng)域都有較強(qiáng)的實(shí)用性,并已在全球許多地區(qū)得到成功應(yīng)用[6-7].

目前,北京地區(qū)污染物濃度與天氣形勢或氣象要素的關(guān)系已有一些研究[8-12],結(jié)果指出夏秋季副高或者高壓系統(tǒng)帶來的下沉氣流及偏南風(fēng)輸送是造成污染物累積的主要天氣系統(tǒng),而高空槽前或槽過境后的降水或西北大風(fēng)則使污染物迅速清除.但這些研究主要集中在冬春季節(jié)且主要是對PM10重污染過程的分析,針對夏秋季的研究也僅是典型環(huán)境個(gè)例分析,缺乏長時(shí)間系統(tǒng)分析不同天氣型與各污染物的關(guān)系及利用天氣氣候?qū)W方法綜合分析北京地區(qū)夏秋季節(jié)天氣型與各污染物濃度的關(guān)系,不利于認(rèn)知不同年份污染物濃度均值差異的天氣原因.本研究基于天氣背景形勢和天氣變化的關(guān)系[13],利用主觀天氣分型方法,綜合分析高空天氣系統(tǒng)和地面氣壓場,同時(shí)引入影響污染物分布的主要?dú)庀笠?對影響北京地區(qū)夏末秋初季節(jié)的天氣型進(jìn)行分類,并討論不同天氣型和對應(yīng)污染物濃度的關(guān)系,考察2007和2008年奧運(yùn)會(huì)時(shí)段污染物濃度與天氣型的關(guān)系,以期為預(yù)測和預(yù)警重污染事件提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 站點(diǎn)和數(shù)據(jù)

北京地區(qū)環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)(圖1)包括中國科學(xué)院大氣物理研究所北京325m鐵塔(BJT)、陽坊(YF)、奧運(yùn)村(AYC)、和龍?zhí)逗?LTH),4個(gè)站分別代表高流動(dòng)源站、城郊、科技園區(qū)和公園.本研究環(huán)境數(shù)據(jù)選取4個(gè)站2007年8月11日～9月20日和2008年8月1日～9月20日對應(yīng)時(shí)間段的NOx、O3、PM2.5和PM10數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)選取對應(yīng)時(shí)段國家氣象局南郊觀象臺地面和高空資料,同時(shí)為綜合考慮北京區(qū)域降水選用了國家氣象局非常規(guī)觀測站降水?dāng)?shù)據(jù);天氣圖(地面氣壓場和850hPa、500hPa高度場)由國家氣象局提供,并利用氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)處理.

圖1 北京地區(qū)大氣環(huán)境和氣象要素監(jiān)測網(wǎng)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of monitoring network for atmospheric environment and meteorology in Beijing

1.2 監(jiān)測儀器

4個(gè)站點(diǎn)氣體監(jiān)測儀器均采用美國賽默飛世爾(TE)環(huán)境設(shè)備公司氣體分析儀: NOx濃度觀測采用42i型化學(xué)發(fā)光法NO-NO2-NOx分析儀,其最低檢測限:0.05×10-9(體積分?jǐn)?shù));零漂:＜0.025×10-9(24h);跨漂:±1%(24h,滿度值);O3采用49i紫外光度法 O3分析儀,其最低檢測限:2×10-9(體積分?jǐn)?shù));精度:1×10-9(體積分?jǐn)?shù));零漂:0.4%(24h);跨漂:±1%(24h),±2%(7d).按照 US EPA認(rèn)證的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),O3分析儀常規(guī)校準(zhǔn)使用TECO 49C PS校準(zhǔn)儀,每年溯源到美國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所(USA NIST)一級標(biāo)準(zhǔn);NOx分析儀常規(guī)校準(zhǔn)使用美國賽默飛世爾公司出品的146i型動(dòng)態(tài)稀釋校準(zhǔn)儀,配備 USEPA認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)氣體(Scott-Marrin.inc生產(chǎn)), NOx濃度為51.1×10-9(體積分?jǐn)?shù)).

顆粒物監(jiān)測采用環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀(RP1400a,美國 R&P公司),采集頻率為每10min采1個(gè)數(shù)據(jù),測量范圍 0～5g/m3;分辨率0.1μg/m3;精密度±1.5μg/m3(1h 濃度平均值)、±0.5μg/m3(24h濃度平均值);準(zhǔn)確度±0.75%;最低檢測限0.06μg/m3(1h濃度平均值).

觀測前對所有儀器進(jìn)行了標(biāo)定,相關(guān)系數(shù)在0.98以上,以減少儀器造成的系統(tǒng)誤差.

1.3 方法

考慮到北京地區(qū)污染與天氣型關(guān)系的具體情況,對2007和2008年8月和9月每日 08:00500hPa、850hPa高度場和地面氣壓場,輔以20:00500hPa、850hPa高度場和地面氣壓場,以及每日區(qū)域降水量和風(fēng)場,進(jìn)行天氣綜合圖實(shí)況分析,確定每日影響北京地區(qū)的主要天氣系統(tǒng).此方法以主觀天氣分型方法為基礎(chǔ),除考慮天氣形勢和天氣系統(tǒng)外,同時(shí)引入影響北京夏末秋初污染物濃度的主要?dú)庀笠?降水量和風(fēng)場)進(jìn)行天氣分型,以便更好地分析天氣型和污染物濃度的關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 天氣分型

將影響北京地區(qū)天氣型分為2大類6種,即積累天氣型4種:積累Ⅰ-槽前無降水型、積累Ⅱ-槽后脊前型、積累Ⅲ-脊型、積累Ⅳ-副高型;清除天氣型2種:清除Ⅰ-槽或槽前有降水型、清除Ⅱ-槽后有降水或偏北風(fēng)型.

積累Ⅰ-槽前無降水型(圖 2a):北京地區(qū)在500hPa位于槽前,低空850hPa以偏南風(fēng)為主,地面多為均壓場或鞍型場,區(qū)域無降水.此天氣型發(fā)生在晴朗天氣型之后,以多云到陰天為主,空氣濕度較大.在此天氣型控制下,整層大氣較不穩(wěn)定,但低層的偏南風(fēng)輸送,結(jié)合區(qū)域北部和西部山體阻擋的特殊地形,容易造成污染物的累積高值, 2007、2008年此天氣型所占比例分別為7%和8%.

積累Ⅱ-槽后脊前型(圖2b):北京地區(qū)在500hPa主要位于槽后脊前(少數(shù)位于槽后,但低層有偏南風(fēng)輸送),低空850hPa多處于槽后、脊、高壓或偏南氣流控制中,地面氣壓場多為均壓場和高壓后部或底部.此天氣型時(shí)以晴朗、中等云量的天氣為主.下沉氣流和相對穩(wěn)定的垂直結(jié)構(gòu)使污染物在此天氣型時(shí)以累積上升為主.2007、2008年此天氣型所占比例均為22%.

積累Ⅲ-脊型(圖2c):北京地區(qū)500hPa為脊區(qū)控制,低空850hPa多為偏南氣流、脊或高壓場控制,地面為高壓和均勻場.此天氣型控制時(shí)多晴朗、少云天氣,近地層風(fēng)速較小,低層偏南風(fēng)輸送,整層大氣穩(wěn)定,區(qū)域整體處于靜穩(wěn)狀態(tài).此天氣型不利于污染物擴(kuò)散,且多發(fā)生在積累Ⅱ型之后,污染物濃度多在此天氣型時(shí)達(dá)到峰值;尤其夏季與西進(jìn)北抬的西太平洋副熱帶高壓相結(jié)合,常形成持續(xù)多天的重污染過程.2007、2008年此天氣型所占比例分別為17%和16%.

積累Ⅳ-副高或高壓控制型(圖2d):北京地區(qū)夏季為西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)控制,500hPa天氣圖上表現(xiàn)為5880gpm等高線的脊線在40°N左右,低層850hPa為偏南氣流或高壓控制,地面為均勻或高壓場.此天氣型時(shí)天氣晴朗、少云、炎熱、潮濕、微風(fēng)或靜風(fēng), 低層盛行偏南風(fēng),大氣整層穩(wěn)定,且普遍形成較厚、較低的逆溫層,大氣靜穩(wěn)特征顯著.污染物經(jīng)過多天累積增長后,常在此天氣型和積累Ⅲ的共同作用下達(dá)到峰值[11],是夏季華北地區(qū)區(qū)域污染物累積的典型天氣型[11-12].2007、2008年此天氣型所占比例分別為15%和6%.

清除Ⅰ-槽或槽前有降水型(圖2e):北京地區(qū)在500hPa天氣圖上受槽、倒槽或槽前西南氣流控制,低層850hPa多為低壓、槽前、倒槽或偏南氣流控制,地面氣壓場為均壓場或低壓場.大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài),由于低層偏南水汽輸送使得大氣水汽充足,加上氣團(tuán)的上升運(yùn)動(dòng),或與副高配合,常形成區(qū)域大范圍降水,從而對污染物進(jìn)行有效地濕清除,使區(qū)域環(huán)境質(zhì)量達(dá)到谷值.2007、2008年此天氣型所占比例分別為32%和35%.

清除Ⅱ-槽后有降水或偏北風(fēng)型(圖2f):北京地區(qū)在500hPa位于槽后,且中緯地區(qū)等高線較平直,低層850hPa為倒槽、槽前、低壓控制時(shí)多形成大范圍降水,為槽后或高壓前部控制時(shí)有較大偏北風(fēng),地面為低壓或均勻場控制.此天氣型相關(guān)的降水或低層偏北大風(fēng)能有效清除區(qū)域污染物.2007、2008年此天氣型所占比例分別為7%和14%.

圖2 6種天氣型對應(yīng)的8:00500hpa天氣Fig.2 500hPa level synoptic maps at 8:00 LST for six synoptic patterns

不同年份各天氣型所占比例略有不同;2008年積累型天氣型所占比例為51%,而2007年則為61%;總體上看8、9月份控制北京地區(qū)主要天氣型為積累Ⅱ、積累Ⅲ和清除Ⅰ,約占72%.

2.2 北京地區(qū)夏末秋初污染狀況

北京地區(qū)4站2007年和2008年夏末秋初NOx、PM2.5、PM10日均值以及O3日小時(shí)均值最大值變化見圖3.由圖3可見,北京地區(qū)污染具有明顯的一致性和區(qū)域性特點(diǎn),統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明各站濃度值相關(guān)性顯著;污染物從波峰到波谷的變化較為一致,周期性和過程性特點(diǎn)顯著;顆粒物的每個(gè)周期變化體現(xiàn)為慢積累和快清除的特點(diǎn);盡管各站二次污染物的前體物濃度值差異較大(如O3的前體物之一 NOx,各站濃度值差異較大),但區(qū)域O3和PM2.5仍表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性,說明區(qū)域光化學(xué)污染與天氣形勢和氣象要素密切相關(guān).

2007年各污染物濃度值較高,其中O3日小時(shí)均值最大值區(qū)域平均值超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)(日小時(shí)均值最大值為100×10-9體積分?jǐn)?shù))的比例為46%;中國沒有PM2.5標(biāo)準(zhǔn),以世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定的PM2.5過渡期的標(biāo)準(zhǔn)(日均值50μg/m3)計(jì)算,超標(biāo)天數(shù)比例為66%;PM10超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)(日均值 150μg/m3)的比例為63%;說明 2007年北京夏秋季空氣污染形勢嚴(yán)峻.2008年相比2007年各站各污染物濃度都有顯著下降,與施行了北京奧運(yùn)會(huì)空氣質(zhì)量保障措施(7月20日～9月20日嚴(yán)格的源減排措施包括機(jī)動(dòng)車單雙號限行、周邊鋼鐵廠、化工廠停工、城區(qū)內(nèi)建筑工地停止作業(yè)等)密切相關(guān),同時(shí)與這期間有利擴(kuò)散的天氣型較 2007年多有關(guān)(2008年有利天氣型占49%,而2007年僅為39%).奧運(yùn)會(huì)召開期間(8月 8～24日)北京空氣質(zhì)量良好,各污染物濃度值較低,但整個(gè)時(shí)段(8月1日～9月20日)仍有個(gè)別天O3和PM10濃度超過國家二級標(biāo)準(zhǔn), 45%的天數(shù)PM2.5濃度值超過WHO(50μg/m3)標(biāo)準(zhǔn),這些重污染事件與不利于擴(kuò)散的天氣型密切相關(guān).因此整體看,北京地區(qū)夏末秋初污染仍較重,尤其是光化學(xué)污染(O3和PM2.5)非常嚴(yán)重.

2.3 不同天氣型和污染物的關(guān)系

由表1可見,除NOx外,O3、PM2.5和PM10在不同天氣型下濃度值差別顯著;不同天氣型 NOx差異不顯著可能由于高濃度NOx局地排放導(dǎo)致天氣和氣象對其影響不顯著,同時(shí)夏季大氣光化學(xué)反應(yīng)對NOx濃度水平影響較大,使得NOx濃度水平變化復(fù)雜; O3、PM2.5和PM10在不同天氣型控制下濃度均值差別較大,單因素方差分析結(jié)果也顯示不同天氣型對污染物濃度平均值有顯著影響(P＜0.0001).2007年O3、PM2.5和PM10在6種天氣型的濃度分別從61.6×10-9(體積分?jǐn)?shù)),31.9,124.3μg/m3增加到127.6×10-9(體積分?jǐn)?shù)),118.7,262.1μg/m3;2008年則分別從59.1×10-9(體積分?jǐn)?shù)),22.2,43.2μg/m3增加到96.9×10-9(體積分?jǐn)?shù)),113.2,150.2μg/m3.為考慮不同天氣型對污染事件的捕捉能力,分別計(jì)算O3、PM2.5和PM10每年污染物濃度值最高的10d在每種天氣型中所占的天數(shù)(表1),結(jié)果表明 2007年全集中在積累型天氣控制時(shí),而2008年則有少數(shù)天在清除天氣型控制時(shí)出現(xiàn),但這時(shí)污染物濃度值較低,未超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)(此時(shí)O3濃度值均為98 ×10-9(體積分?jǐn)?shù))、PM2.5為81,83μg/m3、PM10為123,118μg/m3),說明此天氣分型能較好的把握污染物濃度的高值.

表1 不同天氣型下北京地區(qū)各污染物濃度均值Table 1 Mean concentrations of pollutants for the synoptic categories

圖4 觀測時(shí)段積累和清除天氣型控制時(shí)北京各污染物區(qū)域均值逐時(shí)變化Fig.4 Mean hourly concentrations of pollutants associated with accumulating and dispersing synoptic patterns

由圖4可見,NOx、O3、PM2.5和PM10在積累天氣型控制時(shí)一般都顯著高于清除天氣型控制時(shí)的濃度均值,但不同物質(zhì)又有差別.NOx在2類天氣型控制時(shí)早晨和晚上污染物濃度值較高,并且0:00～16:00積累型控制時(shí)高于清除型控制時(shí),而17:00～23:00則相反.O3在下午15:00達(dá)到最大值,積累天氣型控制時(shí)O3小時(shí)最大值和日變化幅度都遠(yuǎn)大于清除天氣型;積累天氣型控制時(shí)O3小時(shí)最大值較高與此天氣型控制時(shí)天氣晴朗、少云、太陽輻射較強(qiáng)密切聯(lián)系,而清除天氣型控制時(shí)濃度較低與此類型多陰雨天密切相關(guān).PM2.5和PM10日變化趨勢基本一致,但2008年積累天氣型控制時(shí)日變化與其他不同,同時(shí)2008年在2類天氣型控制時(shí)PM10日變化不明顯.

2007年和2008年4種污染物在積累和清除天氣型的濃度均值在相同時(shí)段(8月11日～9月20日)都有不同程度下降(圖5),并且在積累天氣型控制時(shí)污染物濃度下降均比清除型天氣型控制時(shí)下降幅度大;同類型天氣型控制時(shí)NOx較 O3下降多,PM10較PM2.5下降多,顯示出2008北京奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障措施的執(zhí)行對于汽車尾氣等產(chǎn)生的NOx和道路以及建筑工地?fù)P塵等產(chǎn)生的PM10等一次污染物的有效消減,同時(shí)由于前體物的減低,O3和PM2.5在積累天氣型控制時(shí)也有效降低,但由于區(qū)域輸送的影響,二次污染物消減程度相對較弱.季施行了奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障措施,但在積累天氣型控制下,個(gè)別天O3和PM2.5/10仍超標(biāo).

圖5 2007和2008年8月11日～9月20日積累和清除天氣型控制下污染物濃度均值Fig.5 Mean concentrations of pollutions averaged under accumulating and dispersing synoptic patterns from August 11 to September 20 for 2007 and 2008

3 結(jié)論

3.1 北京地區(qū)夏季和秋初基于500hPa、850hPa高度場和地面氣壓場以及每日區(qū)域降水量和風(fēng)場的天氣分型方法能較好地劃分出不同類型的天氣型,并有效地應(yīng)用于污染物變化的研究.

3.2 6種天氣型分別為槽前無降水、槽后脊前、脊、副高以及槽或槽前有降水、槽后有降水或偏北風(fēng),其中前4種與高濃度污染事件相關(guān),為積累天氣型,后2種與污染物濃度低值相關(guān),為清除天氣型;天氣分型結(jié)果顯示天氣形勢和氣象要素對大氣污染物匯聚和清除的重要作用.

3.3 北京地區(qū)污染呈現(xiàn)區(qū)域復(fù)合型特征,夏季光化學(xué)污染嚴(yán)重,形勢不容樂觀;盡管 2008年夏

[1]Giorgi F, Meleux F. Modeling the regional effects of climate change on air quality [J]. Comptes Rendus Geosciences, 2007,339(11/12):721-733.

[2]Ziomas I C, Melas D, Zerefos C S, et al. Forecasting peak pollutant levels from meteorological variables [J]. Atmospheric Environment, 1995,29(24):3703-3711.

[3]Greene J S, Kalkstein L S, Ye H, et al. Relationships between synoptic climatology and atmospheric pollution at 4 US cities [J].Theor. Appl. Climatol., 1999,62(3):163-174.

[4]胡 敏,劉 尚,吳志軍,等.北京夏季高溫高濕和降水過程對大氣顆粒物譜分布的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2006,27(11):2293-2298.

[5]Cheng S, Lam K C. Synoptic typing and its application to the assessment of climatic impact on concerntrations of sulfur dioxide and nitrogen oxides in Hong Kong [J]. Atmospheric Environment, 2000,34:585-594.

[6]Yarnal B. Synoptic slimatology in environmental analysis: a primer [M]. London: Belhaven Press, 1994.

[7]Keim B D, Meeker L D, Slater J F. Manual synoptic climate classification for the east coast of New England (USA) with an application to PM2.5concentration [J]. Climate Res., 2005,28(2):143-153.

[8]孟燕軍,程叢蘭.影響北京大氣污染物變化的地面天氣形勢分析[J]. 氣象, 2002,28(4):42-47.

[9]隋珂珂,王自發(fā),楊 軍,等.北京PM10持續(xù)污染及與常規(guī)氣象要素的關(guān)系 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2007,20(6):77-82.

[10]蘇福慶,高慶先,張志剛,等,北京邊界層外來污染物輸送通道[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2004,17(1):26-29.

[11]任陣海,蘇福慶,陳朝暉,等.夏秋季節(jié)天氣系統(tǒng)對邊界層內(nèi)大氣中PM10濃度分布和演變過程的影響 [J]. 大氣科學(xué), 2008,32(4):741-751.

[12]范 清,程水源,蘇福慶,等.北京夏季典型環(huán)境污染過程個(gè)例分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2007,20(5):12-19.

[13]朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學(xué)原理和方法 [M]. 北京:氣象出版社, 2007:249.

致謝：感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所胡波、于文鵬博士及課題組成員的大量實(shí)驗(yàn)工作;感謝王萬筠在天氣實(shí)況分析方面給予的幫助.