福州和廈門大氣污染物突變特征與氣象條件的關(guān)系

林長(zhǎng)城，王 宏，陳彬彬，陳曉秋，林 文，余永江，隋 平(.福建省氣象科學(xué)研究所，福建福州35000;.福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建福州350003)

大氣的嚴(yán)重污染不僅造成環(huán)境惡化，而且給人類健康帶來重大影響［1－2］.研究［3］發(fā)現(xiàn)，北京所發(fā)生的大氣重污染事件既呈現(xiàn)區(qū)域共性，也受局部地域環(huán)境影響.近年來，隨著海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的發(fā)展，能源消耗和城市化的擴(kuò)張速度逐步加快，又因受氣候極端事件的影響，福建省沿海城市灰霾現(xiàn)象有所加重，沿海城市空氣質(zhì)量受到明顯影響.根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，目前影響福建省大氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子為塵類，福州和廈門2個(gè)沿海城市的首要污染物都為PM10［4－5］.研究［4－6］表明:福建省主要大氣污染物PM10的濃度總體呈下降趨勢(shì);影響城市空氣質(zhì)量的主要因子除了污染源排放和輸送外，氣象條件的變化對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響也相當(dāng)明顯.為了進(jìn)一步探索氣象條件對(duì)城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響，本文利用2006－2010年福州和廈門2個(gè)沿海城市的環(huán)境監(jiān)測(cè)資料、氣象資料對(duì)造成城市空氣質(zhì)量在濃度等級(jí)上出現(xiàn)突變的現(xiàn)象進(jìn)行分析，旨在探討影響福州和廈門大氣污染的主要成因與氣象條件的關(guān)聯(lián)機(jī)制，也為開展城市大氣污染的控制與防治提供依據(jù).

1 資料收集與處理

城市空氣質(zhì)量資料取自2006－2010年福州和廈門環(huán)境監(jiān)測(cè)站的大氣污染物資料，主要分析對(duì)象為PM10、SO2和NO2.城市空氣質(zhì)量的每日監(jiān)測(cè)結(jié)果取自每日對(duì)應(yīng)城市所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值.

氣象資料取自2006－2010年福州和廈門每日氣象要素的觀測(cè)結(jié)果，影響城市空氣質(zhì)量的氣象因子主要有風(fēng)場(chǎng)和降水;2006－2010年影響福州和廈門的主要天氣系統(tǒng)分為變性冷高壓、低渦切變、暖區(qū)輻合、高空槽、大陸冷高壓、臺(tái)風(fēng)或熱帶輻合帶邊緣、副熱帶高壓及邊緣和臺(tái)風(fēng)或熱帶輻合帶等8類.

風(fēng)場(chǎng)取地面觀測(cè)的風(fēng)向風(fēng)速，風(fēng)向以觀測(cè)日內(nèi)地面主導(dǎo)風(fēng)向(分16個(gè)風(fēng)向方位)來表征，風(fēng)速則取觀測(cè)日內(nèi)24 h的風(fēng)速平均值;降水按日雨量大小劃分為無雨、小雨(0.1≤R≤9.9 mm)、中雨(10≤R≤24.9 mm)、大雨(25≤R≤49.9 mm)和暴雨(R≥50 mm)5個(gè)等級(jí) .

PM10濃度等級(jí)分為優(yōu)、良和輕度污染3個(gè)級(jí)別.當(dāng)天PM10濃度比前一天上升或下降一個(gè)級(jí)別的事件稱為等級(jí)正突變或負(fù)突變.

2 結(jié)果與分析

2.1 城市空氣質(zhì)量分布特征

福州和廈門的地理結(jié)構(gòu)有明顯差異.福州雖然臨近沿海，但四周環(huán)山，不利于大氣污染物的擴(kuò)散;廈門為海島城市，十分有利于大氣污染物擴(kuò)散.由表1可見，福州和廈門2個(gè)城市的3種大氣污染物中PM10和NO2在濃度分布上基本相同，分別為0.069 和 0.046 mg·m－3，廈門 SO2濃度為0.024 mg·m－3，略高于福州的0.019 mg·m－3.從2010年福州和廈門兩地的人口密度和GDP總量上來看，福州中心城區(qū)的人口密度和GDP總量分別為2919人·km－2和1534.6億元，廈門中心城區(qū)則分別為2078人·km－2和1122.3億元.相比之下，這2個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r雖有點(diǎn)差異但仍屬同一規(guī)模，因而決定了這2個(gè)城市大氣污染狀況的相似性.廈門的大氣水平、垂直擴(kuò)散能力比福州強(qiáng)，而福州的盆地結(jié)構(gòu)對(duì)局地逆溫現(xiàn)象的形成更加有利，因此福州比廈門更易出現(xiàn)輕度污染現(xiàn)象.而目前廈門出現(xiàn)輕度污染事件已達(dá)到1.92%，說明目前廈門的大氣污染狀況也不容樂觀.

表1 2006－2010年福州和廈門大氣污染物濃度年均值及PM10不同等級(jí)年平均出現(xiàn)率Table 1 The average annual value of pollutan concentration and average annual occurrence rates of different classes for PM10in Fuzhou and Xiamen from 2006 to 2010

2.2 城市空氣質(zhì)量的年際和月際分布特征

城市空氣質(zhì)量的優(yōu)劣間接反映出城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?jié)摿?，越來越受到?dāng)?shù)卣闹匾?表2為2006－2010年福州和廈門空氣質(zhì)量年際的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

表2 2006－2010年福州和廈門空氣質(zhì)量年際分布結(jié)果Table 2 Interannual distribution results of air quality in Fuzhou and Xiamen from 2006 to 2010

從表2可見，2006－2010年福州空氣中PM10濃度每年基本維持在0.07 mg·m－3左右，SO2和NO2濃度則呈逐年下降趨勢(shì);廈門PM10濃度和SO2濃度的年際變化基本也是逐年下降，NO2濃度則呈上下波動(dòng)的趨勢(shì).從這2個(gè)城市首要污染物逐年變化的情況來看，廈門每年的空氣質(zhì)量均優(yōu)于福州，出現(xiàn)輕度污染事件的次數(shù)比福州少.

圖1、2分別為福州和廈門3種大氣污染物濃度和首要污染物PM10不同等級(jí)出現(xiàn)率的月際變化結(jié)果.

圖1 福州和廈門3種大氣污染物濃度的月際變化Fig.1 The inter monthly variation of pollutants concentration in Fuzhou and Xiamen

圖2 福州和廈門PM10不同等級(jí)出現(xiàn)率的月際變化Fig.2 The inter monthly variation of occurrence rates of different classes for PM10in Fuzhou and Xiamen

從圖1可知:福州和廈門3種大氣污染物的月際變化趨勢(shì)基本相同，11月－翌年3月份的大氣污染物濃度相對(duì)較高，6－10月份則較低，表明這2個(gè)城市的大氣污染狀況有區(qū)域一致性特征;廈門SO2濃度的月平均值均比福州大，估計(jì)是局部地域污染源影響所致;這2個(gè)城市的NO2濃度的月平均值基本相同，這可能與這2個(gè)城市人均汽車擁有量比較接近有關(guān).汽車尾氣排放是導(dǎo)致城市NO2濃度居高不下的主要因素之一.這2個(gè)城市PM10濃度的月平均值在12月－翌年4月份基本相同，且普遍高于其他月份，以3月份PM10濃度平均值最高.福州PM10濃度月平均最低值出現(xiàn)在8月份，廈門則出現(xiàn)在6月份;2－7月份福州PM10濃度月平均值均比廈門高，而9月－翌年1月份福州PM10濃度月平均值均比廈門低.

由圖2可見，福州和廈門PM10濃度的不同等級(jí)出現(xiàn)率在1－4月份和10－12月份變化趨勢(shì)基本相同，福州出現(xiàn)輕度污染的機(jī)會(huì)多于廈門，但9月－翌年1月份福州PM10出現(xiàn)率等級(jí)為優(yōu)級(jí)的機(jī)會(huì)也比廈門多，說明2006－2010年間廈門秋冬季空氣質(zhì)量的優(yōu)級(jí)率相對(duì)福州而言有所下降.6－8月份福州和廈門PM10出現(xiàn)率等級(jí)主要集中在優(yōu)良兩級(jí)之間;福州出現(xiàn)優(yōu)良等級(jí)的機(jī)會(huì)各為50%左右，而廈門在6－7月份空氣質(zhì)量?jī)?yōu)級(jí)率在70%以上.這可能是海陸風(fēng)影響的結(jié)果，因?yàn)?－7月份正是廈門海陸風(fēng)的高發(fā)季節(jié)，十分有利于廈門島大氣污染物的擴(kuò)散.

2.3 城市大氣污染物突變特征

城市空氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要受外來污染源和局地污染源的共同影響.在城市污染源保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下，城市大氣污染物濃度變化的主要影響因子是氣象條件，因?yàn)闅庀髼l件既可能對(duì)城市大氣污染物的擴(kuò)散有利，也可能造成大氣污染物的局部堆集［5］.正是氣象條件的改變導(dǎo)致城市大氣污染物濃度在等級(jí)上產(chǎn)生正、負(fù)突變現(xiàn)象.

2.3.1 PM10濃度的正、負(fù)突變特征 2006－2010年福州和廈門首要污染物PM10出現(xiàn)濃度等級(jí)正突變的事件分別為278和223次，出現(xiàn)濃度等級(jí)負(fù)突變的事件分別為275和221次，福州PM10濃度等級(jí)突變事件比廈門多.估計(jì)這與福州城市地形結(jié)構(gòu)特征有關(guān).表3為2006－2010年福州和廈門PM10濃度出現(xiàn)等級(jí)正、負(fù)突變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

由表3可見，2006－2010年廈門PM10濃度出現(xiàn)等級(jí)正、負(fù)突變的機(jī)會(huì)比福州少，這可能與廈門這個(gè)海島城市大氣擴(kuò)散條件好有關(guān).福州和廈門發(fā)生PM10濃度等級(jí)正突變多數(shù)是從優(yōu)級(jí)升至良級(jí)，且出現(xiàn)的機(jī)會(huì)基本相同;福州比廈門更易發(fā)生輕度污染事件，其出現(xiàn)率高于6%，廈門PM10濃度由良級(jí)升至輕度污染的增幅比福州高，這與廈門PM10濃度較福州低有關(guān).這2個(gè)城市的PM10濃度等級(jí)負(fù)突變主要是由良級(jí)向優(yōu)級(jí)轉(zhuǎn)化，廈門PM10濃度等級(jí)比福州更易轉(zhuǎn)為優(yōu)級(jí)，但這2個(gè)城市的PM10濃度降幅卻相近.

2.3.2 不同天氣系統(tǒng)下PM10濃度的正、負(fù)突變分布 2006－2010年影響福州和廈門的主要天氣系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)PM10濃度等級(jí)突變出現(xiàn)率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，并對(duì)日雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

由表4可見，在2006－2010年福州以變性冷高壓、低渦切變和暖區(qū)輻合為主，廈門則以變性冷高壓、低渦切變和高空槽為主.受變性冷高壓影響時(shí)，福州出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)的正、負(fù)突變的機(jī)會(huì)相差13.2%，當(dāng)變性冷高壓系統(tǒng)所伴隨的日雨量均值達(dá)到小雨以上時(shí)福州更易出現(xiàn)負(fù)突變，而廈門則更多出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)的正突變.低渦切變系統(tǒng)影響福州時(shí)，引發(fā)PM10濃度等級(jí)突變中有近65%為等級(jí)負(fù)突變，且日雨量均值都達(dá)到中雨等級(jí)以上;而出現(xiàn)等級(jí)正突變時(shí)，日雨量均值為小雨等級(jí).廈門受低渦切變系統(tǒng)影響的情況與福州基本相同，不同的是出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)負(fù)突變的機(jī)會(huì)比福州少，只有近60%.暖區(qū)輻合影響福州的機(jī)會(huì)比廈門多，以等級(jí)正突變?yōu)橹?，同樣也受日雨量均值的影?受高空槽系統(tǒng)影響時(shí)福州和廈門出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的情況有所不同，福州出現(xiàn)等級(jí)正、負(fù)突變受日雨量影響比較明顯，小雨等級(jí)以下時(shí)多數(shù)為正突變，而中雨等級(jí)以上時(shí)則多為負(fù)突變;廈門多數(shù)是以負(fù)突變?yōu)橹?，日雨量均值也起重要作?福州和廈門之間的差異與高空槽所處的位置有關(guān)，因?yàn)閺B門多數(shù)情況下只能處在高空槽前部，高空槽前部的降水有利于負(fù)突變的發(fā)生，而福州分別受高空槽前部和后部的影響，高空槽后部的下沉氣流在一定程度上抑制了大氣污染物的垂直擴(kuò)散.副熱帶高壓及邊緣造成福州PM10濃度等級(jí)呈正突變，受日雨量的影響比較明顯;而廈門則因日雨量均值小，正負(fù)突變出現(xiàn)的機(jī)會(huì)基本相當(dāng).臺(tái)風(fēng)或熱帶輻合帶邊緣系統(tǒng)對(duì)福州和廈門的影響基本相同，不同的是在沒有明顯降水的情況下，福州出現(xiàn)正突變的機(jī)會(huì)反而比廈門少;當(dāng)出現(xiàn)小雨以上等級(jí)的降水時(shí)，福州出現(xiàn)正突變的機(jī)會(huì)比廈門多.臺(tái)風(fēng)或熱帶輻合帶影響福州和廈門的次數(shù)比較少，因有明顯的降水，主要以負(fù)突變?yōu)橹?從8類天氣系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的突變情況來看，出現(xiàn)正、負(fù)突變的機(jī)會(huì)受日雨量的影響比較明顯.

表3 2006－2010年福州和廈門PM10濃度出現(xiàn)率等級(jí)的正、負(fù)突變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果1)Table 3 The statistical results of contamination level mutations for PM10in Fuzhou and Xiamen from 2006 to 2010

表4 福州和廈門在不同天氣系統(tǒng)影響下PM10濃度出現(xiàn)正、負(fù)突變及日雨量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果1)Table 4 The statistical results of contamination level mutations for PM10and average daily rainfall under the influence of different weather systems in Fuzhou and Xiamen

2.3.3 降水與PM10濃度正、負(fù)突變的關(guān)系 從表4可看出，在不同天氣系統(tǒng)影響下日雨量大小對(duì)福州和廈門PM10濃度等級(jí)的正、負(fù)突變有顯著影響.對(duì)2006－2010年福州和廈門的PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變事件與降水等級(jí)之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表5.

從表5可以看出，2006－2010年福州和廈門在無雨情況下，PM10濃度等級(jí)正突變的占近60%，負(fù)突變占40%，說明福州和廈門在PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變上具有區(qū)域一致性特征.從這2個(gè)城市的所有PM10濃度等級(jí)突變事件中的日雨量統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，正、負(fù)突變現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的日雨量差值比較懸殊，福州和廈門出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)負(fù)突變的日雨量均值比正突變的日雨量均值高出3倍之多，說明一定強(qiáng)度的降水對(duì)城市的PM10污染物起到?jīng)_刷清除作用，有利于PM10濃度等級(jí)負(fù)突變事件的發(fā)生.當(dāng)福州和廈門出現(xiàn)暴雨等級(jí)的降水時(shí)，只出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)負(fù)突變現(xiàn)象.出現(xiàn)大雨等級(jí)降水時(shí)，這2個(gè)城市出現(xiàn)的負(fù)突變事件開始減少，有近30%的等級(jí)突變?yōu)檎蛔兪录?廈門出現(xiàn)正突變的機(jī)會(huì)比比福州少，只有近20%.降水在中雨等級(jí)以下時(shí)，廈門出現(xiàn)正突變的機(jī)會(huì)明顯上升，達(dá)40%左右;而福州仍以負(fù)突變?yōu)橹?只有在小雨等級(jí)時(shí)，福州的正突變事件才明顯增多.說明小雨等級(jí)的降水對(duì)這2個(gè)城市的PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的屬性影響不明顯.

表5 福州和廈門在不同降水等級(jí)下PM10濃度等級(jí)出現(xiàn)正、負(fù)突變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 The statistical results of contamination level mutations for PM10under different precipitation levels in Fuzhou and Xiamen

2.3.4 風(fēng)場(chǎng)與PM10濃度正、負(fù)突變的關(guān)系 在城市大氣污染源保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下，是否出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)突變，除了受日雨量的影響外，還與大氣擴(kuò)散能力強(qiáng)弱有關(guān)，而大氣擴(kuò)散能力主要受當(dāng)?shù)仫L(fēng)向風(fēng)速的影響.來自不同方向的風(fēng)有可能將上游的污染物或潔凈的空氣輸送至當(dāng)?shù)?，從而改變?dāng)?shù)卮髿馕廴疚餄舛鹊姆植?風(fēng)速大小決定著城市大氣污染物對(duì)外擴(kuò)散的能力，風(fēng)速小，不利于大氣污染物的擴(kuò)散［7］，易形成堆積，容易產(chǎn)生正突變現(xiàn)象;風(fēng)速大則有利于局地大氣污染物的對(duì)外擴(kuò)散［7］，迅速降低當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚锏臐舛?，形成?fù)突變現(xiàn)象.圖3、4分別是福州和廈門在不同風(fēng)向和不同風(fēng)速影響下出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

圖3 福州和廈門在不同風(fēng)向影響下出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 The statistical results of contamination level mutations for PM10under the influence of different direction wind in Fuzhou and Xiamen

由圖3可見，福州在SE、SSE、WNW、NW和NE的地面主導(dǎo)風(fēng)影響下易出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)的正、負(fù)突變.其中SE和SSE風(fēng)的影響與福州城市地理結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，因?yàn)樨灤└Ｖ莩鞘械拈}江河流走向呈東南－西北走向，福州午后通常出現(xiàn)偏SE風(fēng)，偏SE風(fēng)的涌入給市區(qū)大氣污染物的對(duì)外擴(kuò)散帶來一定影響.從不同風(fēng)向?qū)?yīng)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖4)來看，同樣是SE風(fēng)，出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)負(fù)突變的平均風(fēng)速比正突變的大，其他風(fēng)向上的平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果也是如此.說明風(fēng)速強(qiáng)弱決定著福州PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的屬性.廈門在地面主導(dǎo)風(fēng)為偏E風(fēng)和偏W風(fēng)時(shí)，容易出現(xiàn)PM10濃度的等級(jí)正突變，而出現(xiàn)偏E風(fēng)和偏S風(fēng)時(shí)，易出現(xiàn)PM10濃度的等級(jí)負(fù)突變.因?yàn)槠獷風(fēng)和偏S風(fēng)來自海洋相對(duì)潔凈的大氣，偏W風(fēng)則來自廈門西側(cè)的漳州遷移來的大氣，而漳州的大氣污染狀況遠(yuǎn)比廈門嚴(yán)重.廈門出現(xiàn)負(fù)突變所對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速同樣是大于正突變的平均風(fēng)速，說明風(fēng)速大小的變化對(duì)PM10濃度等級(jí)突變屬性的改變是不受區(qū)域影響的.

圖4 福州和廈門在不同風(fēng)速影響下出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 The statistical results of contamination level mutations for PM10under the influence of different wind speeds in Fuzhou and Xiamen

通過對(duì)福州和廈門2個(gè)城市的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明:城市PM10濃度等級(jí)突變屬性除了受風(fēng)速影響外，風(fēng)向也影響城市PM10濃度等級(jí)突變的屬性.說明同屬沿海城市的福州和廈門2個(gè)城市，因城市功能、地形結(jié)構(gòu)的不同，在PM10濃度的等級(jí)突變方面也存在著明顯的差異.

3 結(jié)論

(1)2006－2010年福州和廈門PM10和NO2的濃度分布基本相同，廈門SO2濃度高于福州，出現(xiàn)PM10濃度的輕度污染事件少于福州.福州PM10濃度年際變化起伏不明顯，SO2和NO2濃度則逐年下降;廈門PM10和SO2濃度變化小，NO2濃度逐年波動(dòng).福州和廈門在1－4月份出現(xiàn)輕度污染的事件最多，且福州多于廈門.6－7月廈門空氣質(zhì)量?jī)?yōu)級(jí)率在70%以上，與海陸風(fēng)影響有關(guān).

(2)福州出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變的事件比廈門多，且比廈門更易發(fā)生輕度污染事件.

(3)引發(fā)福州和廈門出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)突變的主要天氣系統(tǒng)為變性冷高壓、低渦切變、暖區(qū)輻合和高空槽;不同天氣系統(tǒng)影響下出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)正、負(fù)突變情況各不相同，同一類天氣系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的突變屬性與其相應(yīng)的日雨量大小有關(guān).

(4)日雨量越大，福州和廈門出現(xiàn)PM10濃度等級(jí)負(fù)突變的機(jī)會(huì)越多，福州降水在中雨等級(jí)時(shí)，等級(jí)突變?nèi)灾饕载?fù)突變?yōu)橹?廈門則等級(jí)正、負(fù)突變機(jī)會(huì)相近.

(5)福州和廈門PM10濃度在等級(jí)突變上受風(fēng)向的影響比較明顯，具有局地性特點(diǎn)，同時(shí)風(fēng)速強(qiáng)弱也決定著這2個(gè)城市PM10濃度等級(jí)突變的屬性.

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