杭州AQI的分布特征及其與氣象條件相關(guān)性分析

張霏燕　黃　哲　查　賁　沈杭峰

(1.臨安市氣象局，浙江 臨安 311300；2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

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杭州AQI的分布特征及其與氣象條件相關(guān)性分析

張霏燕1黃哲1查賁1沈杭峰2

(1.臨安市氣象局，浙江 臨安 311300；2.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051)

根據(jù)杭州市2013—2015年的空氣質(zhì)量日報(bào)資料，分析了杭州市空氣質(zhì)量特征及其與氣象要素的關(guān)系，并從氣象因素分析了杭州重污染日發(fā)生的原因。結(jié)果表明：1)杭州市近3年平均AQI為97，良好率為63%，7月杭州空氣質(zhì)量最好，1月空氣質(zhì)量狀況最差，近3年杭州的空氣質(zhì)量狀況總體有所改善；2)杭州市首要污染物主要為PM2.5和O3，在6—9月，首要污染物主要為O3，在其他月份，首要污染物主要為PM2.5；3)杭州AQI與氣象要素密切相關(guān)，且不同的時(shí)段所依賴的氣象因子也不同；4)杭州重污染日時(shí)，地面風(fēng)速小，且68%的重污染日低空存在逆溫,71%的重污染日低層存在下沉運(yùn)動(dòng)；5)杭州重污染的典型地面形勢主要有冷空氣影響型、高壓影響型和倒槽型3類。

杭州市AQI；PM2.5；重污染日；氣象特征

0　引　言

20世紀(jì)以來隨著現(xiàn)代工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)等的快速發(fā)展，城市空氣污染日益嚴(yán)重，空氣污染能夠降低能見度、影響植物生長、損壞文物古跡，在一定程度上影響了人們的生活質(zhì)量，甚至危害人類健康[1-2]。大氣污染已成為國家和人們十分關(guān)注的重大問題。隨著空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的開展，國內(nèi)很多研究和業(yè)務(wù)人員對空氣質(zhì)量進(jìn)行了研究。尹承美等[3]發(fā)現(xiàn)濟(jì)南市冬季、春季空氣質(zhì)量比夏季、秋季差，污染最輕的是8月，污染最重的是12月或1月。鄭紅等[4]發(fā)現(xiàn)哈爾濱市冬季是四季中大氣污染最重的季節(jié)，而1月又是冬季污染最重的月份。魏玉香等[5-8]研究發(fā)現(xiàn)空氣污染與氣象條件關(guān)系密切，氣象要素制約著空氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、傳輸和轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響空氣污染物的分布及污染物濃度。李瓊等[9]研究發(fā)現(xiàn)污染物濃度不僅與當(dāng)天的天氣類型有著密切的關(guān)系，而且與前幾天的天氣類型的持續(xù)時(shí)間、地面氣壓場等天氣要素有關(guān)。

目前城市空氣污染的研究雖然已取得了很大進(jìn)展，但由于各大城市的地理位置、污染源分布及氣象條件的差異，應(yīng)當(dāng)根據(jù)本地情況研究分析當(dāng)?shù)氐奈廴咎卣?、氣象條件及其與污染濃度的關(guān)系，因此，開展杭州空氣質(zhì)量的研究十分必要。同時(shí)AQI超過200(空氣質(zhì)量為重度污染或嚴(yán)重污染)的天氣對人們的工作、生活和健康危害很大，研究其發(fā)生的氣象條件，可為制作重污染預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)，因此本文還著重分析了杭州重污染日的氣象特征。

1　資料來源

杭州市環(huán)境監(jiān)測站2013年1月—2015年12月空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、SO2、NO2、O3、CO濃度的逐日平均值。地面氣象資料為杭州市基準(zhǔn)站(站號58457)同期的逐日平均氣壓、氣溫(日平均、日最高、日最低)、降水、相對濕度、風(fēng)速(平均風(fēng)速、極大風(fēng)速)等8種地面氣象資料。美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣環(huán)境中心(NCEP/NCAR)發(fā)布的水平分布率為2．5°×2．5°的日平均全球再分析資料。

2　結(jié)果分析

2.1空氣質(zhì)量特征分析

2.1.1空氣質(zhì)量的時(shí)間變化特征

從AQI的年平均值可以看出總的空氣質(zhì)量狀況。杭州市近3年平均AQI為97，良好率為63%，近3年AQI均值呈下降趨勢，良好率有所上升，表明杭州的空氣質(zhì)量狀況總體有所改善。輕度污染及以上的天數(shù)每年平均為135 d，其中重度污染及以上天數(shù)每年平均為10 d。近3年優(yōu)、良和輕度污染的天數(shù)呈起伏狀態(tài)，中度污染及以上天數(shù)明顯下降，見表1。

表1　2013—2015年杭州市不同空氣質(zhì)量級別所占天數(shù)

而從近3年AQI月平均分布情況也可以看出(圖1)，2013年冬季AQI值明顯高于其他兩年，表明2013年冬季杭州的空氣質(zhì)量較差，這主要是由于2013年杭州冬季長期處于高壓控制，天氣靜穩(wěn)，有利于污染物的堆積；2014年開始AQI的起伏趨于平緩。AQI小于平均值的月份基本集中在3—10月份，谷值主要出現(xiàn)在7月，AQI大于平均值的月份基本集中在11月—2月份，峰值大多出現(xiàn)在12月或1月。從空氣質(zhì)量為優(yōu)或良、輕度污染及以上的日數(shù)的月際變化圖上(圖2)也可以看出7月空氣質(zhì)量達(dá)到良好的日數(shù)最多，良好率為76%，1月空氣污染最重，2月次之，良好率分別為27%和35%。

圖1　2013—2015年月平均AQI的時(shí)間分布圖

圖2　空氣質(zhì)量為優(yōu)或良、輕度污染及以上日數(shù)的月際變化

2.1.2首要污染物

首要污染物是指當(dāng)AQI大于50時(shí)空氣中最主要的一種污染物。由表2可見，杭州市的首要污染物有PM2.5、PM10、O3和NO2，其中首要污染物為PM2.5的天數(shù)最多，共出現(xiàn)520 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾種污染物，其次是O3，共252 d，而NO2和PM10的天數(shù)分別為131 d和99 d。近3年，PM2.5的天數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，但是O3的天數(shù)卻在不斷上升。另外，從圖3中我們可以看到PM2.5和O3的月分布也呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象：在6—9月，首要污染物主要為O3，而在其他月份，首要污染物主要為PM2.5。O3和PM2.5反映的都是復(fù)合型空氣污染，兩者之間關(guān)系密切：春夏季節(jié)，日照增強(qiáng)，空氣中氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物便發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成O3，而此時(shí)污染擴(kuò)散條件變化，包括風(fēng)大、雨多等，PM2.5較好擴(kuò)散。與之相反，秋冬時(shí)期，逆溫天氣、靜穩(wěn)天氣增多，大氣擴(kuò)散條件差，污染物(特別是PM2.5)累積難以擴(kuò)散，導(dǎo)致PM2.5濃度高，卻較少產(chǎn)生O3。

表2　2013—2015年杭州市首要污染物所占天數(shù)

圖3　杭州首要污染物的月分布情況(單位：d)

今后隨著對PM2.5的治理力度加大，空氣能見度提高，O3污染治理問題會(huì)愈發(fā)凸顯。環(huán)保專家指出，O3污染治理將是大氣治理新挑戰(zhàn)，會(huì)比PM2.5治理的難度更大。PM10和PM2.5可通過控制揚(yáng)塵、禁燒秸稈、禁燃鞭炮等措施進(jìn)行治理，但O3是通過光照二次生成的污染物，一次排放控制不能達(dá)到治理目的，更講究氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物的協(xié)同控制。因此應(yīng)加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)清潔能源的使用，最大限度地削減污染物排放量。

2.2杭州空氣質(zhì)量與氣象因子的關(guān)系

從前面的分析我們發(fā)現(xiàn)AQI具有冬強(qiáng)夏弱的特點(diǎn)，故我們分冬(10—3月)、夏半年(4—9月)分別尋找它們與地面氣象要素之間的關(guān)系(表3)。

從總的時(shí)段來看，AQI與氣溫(日平均、最高、最低)，相對濕度，雨量及風(fēng)速呈顯著的負(fù)相關(guān)，與氣壓和日較差呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，反映了當(dāng)氣壓低(地面低槽發(fā)展)，溫度高，風(fēng)速大，濕度大，有利于污染物的擴(kuò)散，降水起到一定的沖刷作用，導(dǎo)致污染物濃度降低。反之，氣壓高(冷空氣影響)，溫度低，風(fēng)速小，濕度小，無降水，不利于污染物的擴(kuò)散，污染物濃度升高。

而從分時(shí)段來看，在冬半年，AQI與雨量和極大風(fēng)速呈現(xiàn)穩(wěn)定的顯著性負(fù)相關(guān)，與日較差呈現(xiàn)穩(wěn)定的顯著性正相關(guān)，說明冬半年污染物濃度主要受雨量、極大風(fēng)速和日較差的影響：當(dāng)有降水、陣風(fēng)明顯、氣溫日變化小時(shí)(一般天氣較為惡劣時(shí))，有利于污染物的擴(kuò)散，反之，無降水，陣風(fēng)小，氣溫日變化大時(shí)(天氣較為靜穩(wěn))，不利于污染物的擴(kuò)散。在夏半年，AQI與相對濕度、雨量、風(fēng)速呈穩(wěn)定的顯著性負(fù)相關(guān)，與日較差呈穩(wěn)定的顯著性正相關(guān)，說明夏季空氣質(zhì)量的好壞除了依賴于降水、風(fēng)速和日較差的的變化外，還與相對濕度有著明顯的相關(guān)。

表3　不同時(shí)段杭州AQI與同期地面氣象要素之間的相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，△表示通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)

2.3杭州重度及以上污染日的氣象條件分析

2013—2015年杭州共出現(xiàn)重度以上污染31 d(表4)，產(chǎn)生污染的首要污染物均為PM2.5。污染事件主要產(chǎn)生在1月和12月，少數(shù)出現(xiàn)在11月和2月。

2.3.1風(fēng)速

重污染日地面平均風(fēng)速均小于等于3.3 m/s(2級)(表4)，表明重污染日時(shí)地面風(fēng)速較小，不利于大氣污染物水平擴(kuò)散。

2.3.2大氣垂直特征

從表4可以看出，杭州31個(gè)重污染日有21天出現(xiàn)了不同程度的逆溫現(xiàn)象，占全部重污染日數(shù)的68%。用NCEP/NCAR再分析資料，分析重污染日期間的大氣垂直運(yùn)動(dòng)變化，發(fā)現(xiàn)杭州31個(gè)重污染日大氣低層的850 hPa或925 hPa有22 d存在下沉運(yùn)動(dòng), 占全部重污染日數(shù)的71%。

表4　杭州重污染日的氣象特征

2.3.3天氣形勢

我們對杭州31個(gè)重污染日的地面天氣形勢進(jìn)行了分析(表4)，發(fā)現(xiàn)杭州重污染時(shí)的海平面氣壓場分布主要有3種類型：冷空氣影響型、高壓影響型和倒槽型。

1) 冷空氣影響型的污染機(jī)制

杭州重污染日有16次是屬于冷空氣影響型，占總數(shù)的52%，為最主要的污染形勢。從16次冷空氣影響過程的海平面氣壓場和風(fēng)場合成分布圖中可以看到(圖4a),高壓中心位于新西伯利亞到貝加爾湖一帶，中心最高氣壓達(dá)到1040 hPa，杭州主要受冷空氣南下影響，導(dǎo)致北方污染氣團(tuán)隨著冷空氣南下傳輸，大大影響了杭州本地空氣質(zhì)量。低空850 hPa(圖4b)杭州上空為偏北氣流，且存在風(fēng)速的弱輻合，有利于污染物的停滯和積累。

2)高壓影響型的污染機(jī)制

杭州重污染日有12次是屬于高壓影響型，占總數(shù)的39%。圖5為12次高壓影響過程的海平面氣壓場和風(fēng)場的合成分布，我們發(fā)現(xiàn)，新西伯利亞到貝加爾湖一帶仍為高壓控制，但與上述的冷空氣影響過程相比，高壓強(qiáng)度明顯偏弱，中心最大值為1034 hPa,杭州距離高壓中心較遠(yuǎn)，處于高壓邊緣，地面等壓線稀疏，氣壓梯度力和風(fēng)速較小，且容易出現(xiàn)逆溫層(12次高壓影響型有10次存在逆溫)，使得本地工業(yè)排放和人類活動(dòng)造成的污染物無法擴(kuò)散。

3)倒槽型的污染機(jī)制

該污染型出現(xiàn)次數(shù)較小，近3年僅出現(xiàn)3次。分析表明(表5)，倒槽型的污染出現(xiàn)前一天杭州均為重度污染，污染物積累較重，倒槽出現(xiàn)當(dāng)天地面風(fēng)力小(風(fēng)速小于2.0 m/s)，且存在逆溫層，同時(shí)也無降水，不利于前期積累的污染物擴(kuò)散。

圖5　杭州12次高壓影響型的海平面氣壓場和風(fēng)場的合成分布

3　結(jié)　語

1)杭州市近3年平均AQI為97，良好率為63%，近3年AQI均值呈下降趨勢，良好率有所上升，中度污染及以上天數(shù)明顯下降，表明杭州的空氣質(zhì)量狀況總體有所改善。杭州7月空氣質(zhì)量最好，1月空氣質(zhì)量狀況最差，

2)杭州市首要污染物主要為PM2.5和O3，在6—9月，首要污染物主要為O3，而在其他月份，首要污染物主要為PM2.5。O3污染治理比PM2.5治理難度更大，應(yīng)加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)清潔能源的使用，最大限度地削減污染物排放量。

3)杭州AQI與氣象要素密切相關(guān)，且不同的時(shí)段所依賴的氣象因子也不同，可根據(jù)不同的季節(jié)，建立不同的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型，從而提高準(zhǔn)確性。

4)杭州重污染日時(shí)，地面風(fēng)速小，且68%的重污染日低空存在逆溫,71%的重污染日低層存在下沉運(yùn)動(dòng)。

5)杭州重污染的地面天氣形勢有3類：冷空氣影響型、高壓影響型和倒槽型，其中冷空氣影響型出現(xiàn)頻率最高。冷空氣影響型表現(xiàn)為北方污染氣團(tuán)隨冷空氣南下傳輸，且低空存在風(fēng)速弱輻合，有列于污染物的停滯和堆積。高壓影響型表現(xiàn)為地面等壓線稀疏，氣壓梯度力和風(fēng)速較小，且容易出現(xiàn)逆溫層，使污染物擴(kuò)散能力差。倒槽型表現(xiàn)為前一天為重度污染，當(dāng)天地面風(fēng)速小，無降水，且存在逆溫層，不利于前期積累的污染物擴(kuò)散。

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2016-03-28