河北南部空氣污染氣象擴(kuò)散條件研究

張珺+宋曉輝

摘要：利用河北南部城市邯鄲氣象站2013～2015年連續(xù)3年的氣象數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)值模擬對該市空氣污染氣象擴(kuò)散條件進(jìn)行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，全年最多風(fēng)向為南風(fēng)，頻率為19.39%，在全年各季節(jié)中，春季、夏季以南風(fēng)最多；秋季、冬季以北風(fēng)最多，風(fēng)條件因季節(jié)不同擴(kuò)散條件有所不同；該市區(qū)年平均氣溫14.9 ℃，年平均氣壓1 009 hPa，年平均相對濕度61%。年平均降水量501 mm，降水主要集中出現(xiàn)在6～9月，這段時間降水對空氣污染物的稀釋、清除較為有利；冬季降水量小，平均相對濕度較大，為霧霾多發(fā)季節(jié)，不利于空氣污染的稀釋擴(kuò)散；春季干燥多風(fēng)，對空氣污染物的水平擴(kuò)散較為有利。從2013～2015年探空資料分析表明，春季（3～5月）垂直氣象擴(kuò)散條件為全年最好，夏、秋、冬季垂直擴(kuò)散能力相對較差；逆溫厚度1月最大，垂直擴(kuò)散條件最為不利，6月最小，垂直擴(kuò)散條件為全年最好。

關(guān)鍵詞：空氣污染；擴(kuò)散條件；邯鄲市

中圖分類號：X823；X169 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0254-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.013

經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，造成了污染物的大量排放，大氣污染對人類生存環(huán)境和生態(tài)健康安全造成了嚴(yán)重威脅，引起了公眾的廣泛關(guān)注。有研究顯示，在大氣污染源一定的情況下，污染物濃度主要取決于大氣的擴(kuò)散能力，氣象因素影響著大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散[1-3]。氣象條件（如霾、靜風(fēng)、逆溫等）會使大氣污染物的分布更為復(fù)雜，所以大氣環(huán)境的好壞與氣象條件的關(guān)系十分密切[4-7]。常爐予等[8]通過研究氣象條件對南京城區(qū)大氣污染物濃度的影響發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)風(fēng)向?qū)ξ廴疚锏妮斔陀泻艽笥绊?；董繼元等[9]研究認(rèn)為降水對污染物濃度的稀釋清除作用十分明顯；魏玉香等[10]通過對南京大氣污染物特征及其氣象條件的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)污染物濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；邱粲等[11]研究表明低層有逆溫存在，大氣層結(jié)穩(wěn)定時，氣象條件也不利于污染物的擴(kuò)散。

本研究以河北南部城市邯鄲為例，利用統(tǒng)計方法，從基本氣象特征、風(fēng)、氣溫、氣壓、混合層高度、逆溫層、靜穩(wěn)指數(shù)等氣象要素對河北南部空氣污染氣象擴(kuò)散條件進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 材料

采用邯鄲市氣象站2013～2015年的地面觀測資料和探空資料。

1.2 分析方法

利用統(tǒng)計方法，對邯鄲市空氣污染氣象擴(kuò)散條件進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本氣象特征

邯鄲市位于太行山東麓，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。春季風(fēng)多干旱，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥。年均日照時數(shù)為2 318.4 h，年平均氣溫為13.5 ℃，一般1月為全年最冷月，7月為全年最熱月；年均降水量為510.5 mm，降水多集中在7、8月，約占年降水量的51.3%，冬季降水量最少，約占年降水量的2.8%。

2.2 風(fēng)向、風(fēng)速氣象擴(kuò)散條件分析

利用2013～2015年地面風(fēng)資料統(tǒng)計分析表明，全年最多風(fēng)向為南風(fēng)（S），頻率19.4%（表1、圖1）；次多風(fēng)向為北風(fēng)（N），頻率14.6%；北北東風(fēng)（NNE）居第三位，頻率11.5%。風(fēng)頻大于或等于6%的還有南南西風(fēng)（SSW）、南南東風(fēng)（SSE）、東北風(fēng)（NE），頻率依次為9.7%、7.9%、6.0%，靜風(fēng)（C）頻率6.5%。按季節(jié)而言，在全年各季節(jié)中，春季、夏季以南風(fēng)最多；秋季、冬季以北風(fēng)最多，南風(fēng)次多。

1）從各風(fēng)向?qū)?yīng)的平均風(fēng)速（表2）可知，超過 2 m/s的為南南西-南南東風(fēng)、北-東北風(fēng)；其中南風(fēng)的平均風(fēng)速最大，為2.68 m/s，南南西風(fēng)次之，為2.60 m/s，全年盛行風(fēng)向為南風(fēng)，由于南風(fēng)平均風(fēng)速最大，對污染物的輸送、擴(kuò)散較為有利。

2）從平均風(fēng)速的月變化（圖2、表3）來看，3月的平均風(fēng)速最大，為2.86 m/s，4月次之，為2.70 m/s；8月的平均風(fēng)速最小，為1.71 m/s，12月次之，為1.73 m/s。按季節(jié)統(tǒng)計（圖3），春季平均風(fēng)速最大，為2.68 m/s；秋季平均風(fēng)速最小，為1.78 m/s，冬季為1.91 m/s，夏季為1.93 m/s。僅就平均風(fēng)速來說，春季對空氣污染物的水平擴(kuò)散最為有利，秋季最不利于污染物的水平擴(kuò)散。

3）由表4可知，全年風(fēng)速小于2.0 m/s的風(fēng)占53.2%，其中靜風(fēng)頻率6.5%?！?.0 m/s的風(fēng)占46.8%，其中≥4.0 m/s的風(fēng)占8.5%。從風(fēng)速檔級頻率分布表明，春季是靜風(fēng)、小風(fēng)最少的時期，秋季靜風(fēng)、小風(fēng)最多，表明水平擴(kuò)散條件春季最好，秋季最差。

4）從逐時平均風(fēng)速（圖4）來看，9：00至19：00平均風(fēng)速均大于2 m/s，其中12：00～16：00平均風(fēng)速>2.5 m/s，以15：00平均風(fēng)速最大，為2.74 m/s；19：00至翌日8：00平均風(fēng)速都小于2.0 m/s，其中2：00～7：00風(fēng)速<1.7 m/s，以3：00和5：00的平均風(fēng)速最小，為1.64 m/s；從全天風(fēng)速分布表明，白天風(fēng)速條件對空氣污染物的水平擴(kuò)散較為有利，中午前后的水平擴(kuò)散條件最好；水平擴(kuò)散條件較差的是夜晚，凌晨水平擴(kuò)散條件最差。

2.3 氣溫、氣壓、濕度、降水氣象條件分析

據(jù)2013～2015年氣象資料統(tǒng)計（表5），邯鄲市區(qū)年平均氣溫14.9 ℃，以7月最高，平均27.6 ℃； 1月氣溫最低，平均0 ℃。在全年中，2～6月增溫迅速，9～12月降溫速度較快。極端最高氣溫41.2 ℃，極端最低氣溫-12.8 ℃。年平均氣壓1 009 hPa。年平均相對濕度61%。年平均降水量41.8 mm，降水主要集中出現(xiàn)在6～9月，此階段降水量占全年的70%，6～9月降水頻發(fā)，對空氣污染物的稀釋、清除較為有利；冬季降水量小，平均相對濕度較大，為霧霾多發(fā)季節(jié)，不利于空氣污染的稀釋擴(kuò)散；春季干燥多風(fēng)，對空氣污染物的水平擴(kuò)散較為有利。

2.4 混合層高度分析

混合層高度是地面上空某一給定區(qū)域污染物可能發(fā)生混合的垂直距離，是湍流特征不連續(xù)界面的高度。混合層高度越低，越不利于污染物擴(kuò)散，過低的混合層頂高度使污染物壓縮在近地層，導(dǎo)致污染物濃度持續(xù)上升，污染程度加重[12-15]。因邢臺2015年遷站，資料無可比性，故以邢臺南宮資料代表邯鄲情況，從2013～2015年逐月的混合層高度分布（圖5）來看，3月混合層平均高度最高，為1 724 m，9月最低，為920 m，春季（3～5月）平均混合層高度均超過1 500 m，垂直氣象擴(kuò)散條件為全年最好，夏、秋、冬季平均混合層高度較低，垂直擴(kuò)散能力相對較差。

2.5 逆溫分析

穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景下，低層逆溫層建立和加強(qiáng)會使大氣垂直對流運(yùn)動受阻，大氣污染物不易擴(kuò)散。當(dāng)逆溫層厚度增大，逆溫層強(qiáng)度越強(qiáng)，污染濃度就越大[16-21]。選取2013～2015年的探空資料分析邯鄲上空逆溫分布（圖6）情況可以看出，逆溫厚度1月最大，為275 m，垂直擴(kuò)散條件最為不利，6月最小，為150 m，垂直擴(kuò)散條件為全年最好。

逆溫強(qiáng)度從1月開始逐漸下降，6月達(dá)到最小，為1.35 ℃/100 m，從7月開始，逆溫強(qiáng)度呈波動上升趨勢，4～9月逆溫強(qiáng)度相對較小，對空氣污染物的垂直擴(kuò)散條件較為有利，10～12月、1～3月逆溫強(qiáng)度較大，不利于空氣污染物的垂直擴(kuò)散（圖6）。

2.6 靜穩(wěn)天氣指數(shù)分析

靜穩(wěn)天氣指數(shù)是表達(dá)大氣靜穩(wěn)程度的綜合氣象條件指標(biāo)，指數(shù)越大，則發(fā)生或維持大氣污染的可能性就越高。從圖7可以看出，2013～2015年年平均靜穩(wěn)天氣指數(shù)為9.7。靜穩(wěn)天氣指數(shù)在秋、冬季較高，春季最低。其中，1～2月靜穩(wěn)天氣指數(shù)最高，為全年擴(kuò)散條件最差時段；3月開始明顯降低，擴(kuò)散條件明顯好轉(zhuǎn)，5月達(dá)最低，擴(kuò)散條件達(dá)全年最優(yōu)；6月開始逐漸增加，擴(kuò)散條件逐漸轉(zhuǎn)為不利。

3 小結(jié)

1）風(fēng)速越大，對污染物的輸送擴(kuò)散越為有利。邯鄲市全年盛行風(fēng)向為南風(fēng)，由于南風(fēng)平均風(fēng)速最大，對污染物擴(kuò)散較為有利。就平均風(fēng)速來說，春季對空氣污染物的水平擴(kuò)散最為有利，秋季最不利于污染物的水平擴(kuò)散；全天不同時間風(fēng)速分布表明，中午前后的水平擴(kuò)散條件最好，凌晨水平擴(kuò)散條件最差。風(fēng)速檔級頻率分布表明，春季是靜風(fēng)、小風(fēng)最少的時期，秋季靜風(fēng)、小風(fēng)最多，表明水平擴(kuò)散條件春季最好，秋季最差。

2）降水對污染物的稀釋十分有利。6～9月降水較多，對空氣污染物的稀釋、清除有利；冬季為霧霾多發(fā)季節(jié)，降水較少，相對濕度大，氣象條件不利于污染物的稀釋、擴(kuò)散；春季干燥多風(fēng)，對空氣污染物的水平擴(kuò)散較為有利。

3）混合層高度越高，氣象擴(kuò)散條件越好。3月混合層平均高度最高，9月最低，春季垂直氣象擴(kuò)散條件為全年最好，夏、秋、冬季平均混合層高度較低，垂直擴(kuò)散能力相對較差。

4）逆溫層強(qiáng)度越強(qiáng)，污染濃度就越大。4～9月逆溫強(qiáng)度相對較小，對空氣污染物的垂直擴(kuò)散條件較為有利，10～12月、1～3月逆溫強(qiáng)度較大，不利于空氣污染物的垂直擴(kuò)散。

5）靜穩(wěn)天氣指數(shù)較高時，氣象擴(kuò)散條件差，不利于空氣污染物的擴(kuò)散、稀釋。分析表明，邯鄲市靜穩(wěn)天氣指數(shù)在秋、冬季較高，春季最低。1～2月大氣層最為穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣指數(shù)最高，氣象擴(kuò)散條件為全年最差。

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