福州大氣污染日與氣象條件關系

李 巖，鄭東旗，龔振斌，吳啟樹

(福州市氣象局，福建 福州350008)

隨著我國城市化進程的加快，各類環(huán)境問題日益凸顯［1］。大氣的嚴重污染不僅造成環(huán)境惡化，也給人類健康帶來重大影響［2－3］，已日益成為社會公眾關心的熱點。根據現有的環(huán)境監(jiān)測數據分析，除了污染物的排放和輸送外，氣象條件的變化對城市空氣質量的影響也相當明顯［4］。氣象條件既有利于城市大氣污染物的擴散，也可能造成大氣污染物的局部堆集。大氣污染是人類污染的排放與天氣條件的綜合作用。本文利用2008 －2012年福州市環(huán)境監(jiān)測資料、氣象資料，對造成城市空氣質量達到污染日等級以上的天氣現象進行分析，以期為污染日預報和預防提供參考。

1 資料來源

城市空氣質量資料取自2008 －2012年福州環(huán)境監(jiān)測站的大氣污染物觀測資料，主要分析對象為PM10、SO2和NO2等。城市空氣質量的每日監(jiān)測結果——空氣污染指數(air pollution index，API)取自每日福州國控監(jiān)測點數據的算術平均值。根據環(huán)境保護部規(guī)定:API ＞100 為污染日，API ＞300 為重污染日。2008 －2012年福州市大氣污染日共41 d，重污染日共2 d。

氣象資料選取2008 －2012年福州大氣污染日地面氣象要素，08 時、20 時海平面氣壓場和850、500 hPa 高度圖及氣象探空資料。為便于統(tǒng)計分析，本文選取天氣圖中20° －35°N、110° －125°E 為關鍵區(qū)。

2 結果與分析

2.1 福州大氣污染日的時間分布

福州各季節(jié)大氣污染日分布情況為:春季19 d，占污染日總天數44%;夏季2 d，占4.7%;秋季1 d，占2.3%;冬季21 d，占49%。福州各月大氣污染日分布見圖1。由圖1 可知，福州3月大氣污染日百分比最大，占25.6%;1月次之，占18.6%;7 －10月未見大氣污染日。

圖1 福州大氣污染日的月分布Fig.1 Monthly distribution of the air pollution days in Fuzhou

福州冬春季逆溫現象頻繁且逆溫層較厚，空氣層結穩(wěn)定，特別是3、4月冷空氣勢力較弱時，低層大氣多屬靜穩(wěn)大氣，擴散條件相對較差，且地面多為偏北風，會帶來北面工業(yè)污染，導致大氣污染日天數相對較多。而夏秋季逆溫現象少，大氣層結穩(wěn)定性差，低層湍流交換強，午后多雷陣雨，易于污染物擴散。同時，夏季及早秋風力較大且多為源自洋面的潔凈東南氣流，因此大氣污染較少。

2.2 天氣形勢對大氣污染日的影響

2.2.1 500 hPa 大氣環(huán)流背景 分析2008 －2012年福州大氣污染日500 hPa 大氣環(huán)流背景發(fā)現，大氣污染日我國35°N 以南中低緯度500 hPa 環(huán)流系統(tǒng)均為緯向分布，環(huán)流平直，華南多為偏西氣流和西南氣流控制，且中低緯度等高線稀疏。35°N 以北可以是緯向環(huán)流，也可以是經向環(huán)流，但經向環(huán)流時，冷空氣主要在高緯度活動，路徑偏北、偏東。說明福州大氣污染日發(fā)生時，500 hPa 關鍵區(qū)處在弱暖平流控制或冷空氣活動較弱的天氣背景下。

2.2.2 海平面氣壓場 近地層空氣活動與大氣污染關系密切。本研究以海平面氣壓場為主，結合850 hPa 高度場，分析海平面氣壓場對大氣污染日的影響。出現大氣污染日的海平面氣壓場形勢包括:大陸高壓脊型、變性冷高壓前部型、變性冷高壓底部型或后部型、鋒前暖區(qū)型、均壓場型、地面倒槽暖區(qū)型。與同期無污染日同形天氣形勢相比較，前5 種天氣形勢出現大氣污染日時，850 hPa 關鍵區(qū)等高線稀疏，天氣系統(tǒng)活動較弱，冷空氣勢力不強(圖2，850 hPa 高度場)。而地面倒槽暖區(qū)型出現時，倒槽內的低壓主體沿長江東移，或少動，福州處在地面倒槽暖區(qū)東側邊緣地帶。

2008 －2012年福州市各月海平面氣壓場大氣污染日天數及頻率見表1。(1)大陸高壓脊型。由表1可知，大陸高壓脊型控制出現大氣污染日天數最多，占47%，主要出現在冬季(33%)，其次為春季(14%)。在海平面氣壓場關鍵區(qū)，陸地受大陸高壓脊控制，福建省位于高壓前部，850 hPa 高度場關鍵區(qū)等高線稀疏(圖2)。冷空氣前鋒有一股弱冷空氣先從近地層向南擴散，或冷空氣不斷從低層加壓補充南下。弱冷氣團與上層空氣容易產生逆溫層，大氣層結穩(wěn)定，不利于污染物垂直擴散。另外，北方冷空氣侵入，地面偏北風力較大，會引導北方的污染物南下。

圖2 2009年4月26日08 時850 hPa 高度場與海平面氣壓場Fig.2 850 hPa height field and sea-level pressure field at 08:00 on 26 April，2009

表1 2008 －2012年福州市各月海平面氣壓場大氣污染日天數及頻率Table 1 Air pollution days and frequency in the sea-level pressure field in different months in Fuzhou City from 2008 to 2012

(2)變性冷高壓型。變性冷高壓控制出現大氣污染日的天數占28%，包括東移的變性冷高壓前部及變性冷高壓底部或后部，春、秋、冬季都可能發(fā)生。變性冷高壓沿長江流域東移，此時冷空氣勢力較弱，冷高壓減弱，大氣層結穩(wěn)定，風速小，不利于污染物的垂直輸送和水平擴散。該形勢下大氣污染日的天數占12%。福州處于變性冷高壓底部或后部，高壓主體入海，冷空氣從海上南下回流到福建，風向以偏東、偏南風為主，天氣回暖，濕度大，逆溫出現率高，易造成大氣污染物濃度升高，形成污染日天氣。該形勢下大氣污染日的天數占16%。

(3)均壓場型。在兩弱天氣系統(tǒng)交接處，海平面處于均壓場。此時，近地面存在弱輻合場，濕度增大，逆溫出現率高，大氣靜風或微風，屬靜穩(wěn)大氣，氣體交流不暢，污染物擴散困難，容易原地堆積。這種天氣形勢下大氣污染日天數占5%，多發(fā)生于冬末與春季。

(4)鋒前暖區(qū)型。當海平面有一弱冷鋒從北向南緩慢壓向福州，或福州位于靜止鋒暖區(qū)內，其受鋒前西南暖濕氣流影響，地面存在弱的輻合上升氣流，空氣溫度高、濕度大，地面風力很小，極易產生逆溫層，大氣層結穩(wěn)定，大氣污染物容易聚集且擴散困難。該天氣形勢下大氣污染日天數占2%。

(5)地面倒槽暖區(qū)型。長江流域地面倒槽發(fā)展，福州處在地面倒槽邊緣地帶，有時850 hPa 處在海上高壓邊緣。此時，地面倒槽邊緣微弱輻合上升暖濕氣流，溫度高、濕度大且常伴有較強的逆溫，海上高壓邊緣的下沉氣流也有利于逆溫的產生，這些因素導致大氣污染物不易擴散，多發(fā)生于冬末與春季。該天氣形勢下大氣污染日天數占18%。

2.3 污染日氣象要素的垂直結構特征

2.3.1 風 風是邊界層內影響污染物擴散的重要動力因子。風向決定著大氣污染物的輸送方向，風速則影響其擴散稀釋快慢，特別是低層風向、風速的變化直接影響空氣污染物的聚散及各處的濃度分布。分析福州2008 －2012年大氣污染日探空觀測風的垂直分布資料，93%近地層存在風向突變。風向突變是指大氣風向隨高度迅速變化，也可看成兩氣團交界面。福州市屬于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻嶺環(huán)抱，海撥高度1000 m 左右，圍住下層氣團，使下層氣團不易隨上層氣團移動。近地層下層氣團風速較小，58%的污染日，925 hPa 以下氣層的平均風速＜2 m·s－1，最大平均風速不超過5.7 m·s－1，08 時靜風風頻為30%。大氣污染日地面平均風速為1.9 m·s－1，小于常年平均風速(2.6 m·s－1)。群山圍繞著近地層下層氣團內產生的污染物，垂直與水平擴散受阻，污染物就近堆積，造成大氣污染日天氣。近地層風向突變情況、風速大小可作為福州污染日天氣預報的參考因素。

2.3.2 溫度 層結穩(wěn)定度與空氣污染物擴散呈反相關。逆溫是決定大氣稀釋擴散能力的重要因子。當逆溫生成時，湍流運動受到抑制，尤其湍流垂直運動難以發(fā)展，大氣擴散能力減弱，污染物向下卷夾，造成近地層污染物的大量積累［5］。2008 －2012年福州大氣污染日近地層均存在逆溫層或等溫層且大部分逆溫層或等溫層底部出現在925 hPa 以下，污染物無法向上擴散，導致大氣污染物在近地層堆積，從而造成污染日天氣。因此，逆溫層、等溫層可作為福州大氣污染日天氣預報的參考因素。

2.3.3 濕度 濕層是指大氣中相對濕度≥80%的某層大氣。2008 －2012年大氣污染日近地層濕度垂直分布情況表明，福州大氣污染日近地層(850 hPa 以下)基本上存在濕層。其中，77%濕層底層出現在1000 hPa 左右，非常接近地面。78%濕層中最大相對濕度大于95%，14%濕層中最大相對濕度達100%，但均未達到形成降水。

濕層空氣濕度大，水汽含量高，有利于水汽在氣溶膠粒子上凝結。氣溶膠粒子在濕層中迅速變濕，吸濕性增強，微風條件下可碰撞增大。吳兌［6］研究表明，濕層中污染源產生的霾滴，一定條件下會向霧滴轉化形成霧霾天氣。福州近地層存在濕層，在有利的氣象條件下，如夜間輻射降溫幅度較大，容易使空氣達到飽和凝結形成霧。霧的出現使空氣中污染物擴散困難，加重了大氣污染。且霧滴與霾粒相互轉化，形成持續(xù)霧霾天氣，霧霾形成后，大氣穩(wěn)定度高，更加不利于污染物的消除，形成惡性循環(huán)［1］。因此，適度的濕度條件有利于污染天氣的發(fā)生，即近地層濕層存在有利污染天氣形成。

2.4 大氣逆溫層及風向突變的月際分布

850 hPa 以下近地層各月出現逆溫層及風向突變的概率分布見圖3。由圖3 可知，1 －5月及10 －12月出現逆溫層及風向突變的概率較高，6 －9月福州出現逆溫層及風向突變的概率很低。比較圖1、3 可知，大氣污染日出現概率月際分布與850 hPa 以下近地層出現逆溫層及風向突變的月際分布相似，這進一步佐證了850 hPa 以下近地層是否出現逆溫層及風向突變是福州大氣污染日預報的一個重要指標。

圖3 福州850 hPa 以下大氣出現逆溫層及風向突變概率的月分布Fig.3 Probability of inversion layer and wind mutation occurring in the atmosphere below 850 hPa in different months in Fuzhou

2.5 大氣污染日氣溫和風速與30年平均值比較

2008 －2012年福州大氣污染日的最高氣溫、最低氣溫、日平均氣溫及日平均風速與同期30年平均最高氣溫、最低氣溫、平均日平均氣溫及平均日平均風速比較見表2。由表2 可知，福州大氣污染日日最高氣溫86%高于同期30年平均日最高氣溫，日最低氣溫84%高于同期30年平均日最低氣溫，日平均氣溫86%高于同期30年平均日平均氣溫，日平均風速75%低于30年平均日平均風速。

綜上所述，大氣污染日影響福州的冷空氣勢力較弱，近地層大氣氣溫較常年偏高，風力較常年偏小。

表2 2008 －2012年福州大氣污染日氣溫、風速與30年污染日歷史氣溫、風速比較Table 2 Comparison of temperature and wind speed on air pollution days in Fuzhou in the period from 2008 to 2012 and the past 30 years d

3 小結與討論

本研究表明，(1)福州大氣污染日多發(fā)生在500 hPa 高度場關鍵區(qū)在弱暖平流控制或冷空氣活動較弱的天氣背景下。(2)850 hPa 高度場關鍵區(qū)等高線稀疏，天氣系統(tǒng)不明顯。(3)易發(fā)生大氣污染日海平面主要氣壓場類型有:大陸高壓脊型、變性冷高壓前部型、變性冷高壓底部型或后部型、鋒前暖區(qū)型、均壓場型、地面倒槽暖區(qū)型。(4)大氣污染日福州近地層存在逆溫層和風向突變層，近地層與上層氣流交流不暢。近地層大氣氣溫較高，一般為靜風或風速較小，是靜穩(wěn)大氣，污染物的水平與垂直擴散能力較低。逆溫層、風向突變層可作為福州大氣污染日天氣預報的參考因素。(5)近地層濕層的存在有利于污染天氣形成。

本文對福州外來大氣污染影響等考慮甚少，同時，城市間空氣污染的相互影響在應用過程中還有待進一步研究。

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