湖州市大氣擴(kuò)散能力與氣象條件的關(guān)系

向華 毛敏娟 繆麗娜 李洪權(quán) 梁明珠 張喜亮

摘要：利用浙江省氣科所高斯模式的大氣擴(kuò)散指數(shù)資料、湖州國(guó)家基本站地面觀測(cè)資料和湖州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心站的環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，分析了2013年湖州大氣擴(kuò)散指數(shù)的變化特征以及與氣象各因子的相關(guān)性，結(jié)果表明：①大氣擴(kuò)散指數(shù)與AQI之間呈明顯負(fù)相關(guān)，能較好地表征大氣擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱；②在決定大氣擴(kuò)散能力強(qiáng)弱的氣象因子中，風(fēng)速是最主要的，其次是降水量；③排除風(fēng)的影響，有降水情況下，降水量是大氣擴(kuò)散能力決定性的因素，降水量越大，大氣擴(kuò)散能力越強(qiáng)，降水量越小，大氣擴(kuò)散能力越??；無(wú)降水情況下，大氣擴(kuò)散指數(shù)與相對(duì)濕度和氣壓呈負(fù)相關(guān)，與平均氣溫呈正相關(guān)；④混合層高度與大氣擴(kuò)散指數(shù)有很高的相關(guān)性，可以作為衡量大氣擴(kuò)散能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：大氣擴(kuò)散能力；大氣擴(kuò)散指數(shù)；混合層高度

中圖分類(lèi)號(hào)：P4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10001603

1 引言

當(dāng)前我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，國(guó)家和社會(huì)各界高度關(guān)注，環(huán)境氣象儼然成了當(dāng)今時(shí)代的焦點(diǎn)。有效地防止大氣污染的途徑，除了采用除塵及廢氣凈化裝置等各種工程技術(shù)手段外，還需充分利用大氣的湍流混合作用對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力，即大氣的自?xún)裟芰?。大氣擴(kuò)散是指將一定量的含有有害物質(zhì)的氣體排入高空，借大氣湍流和分子運(yùn)動(dòng)，向大氣中低濃度區(qū)域遷移，從而把有害物質(zhì)稀釋到容許濃度以下的過(guò)程。在污染源排放相對(duì)穩(wěn)定的條件下，大氣擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱直接決定著空氣質(zhì)量的好壞，與人們的生活息息相關(guān)[1]。就大氣污染成因而言，污染是主因，氣象是誘因。歷史上發(fā)生過(guò)的重大空氣污染危害事件，都是在不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件下發(fā)生的。為了掌握污染物的擴(kuò)散規(guī)律，以便采取有效措施防治大氣污染的形成，必須了解氣象條件對(duì)大氣擴(kuò)散的影響，以及局部氣象因素與地形地貌狀況之間的關(guān)系[2]。

目前大氣擴(kuò)散能力的衡量沒(méi)有一個(gè)確定的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)大氣擴(kuò)散模式計(jì)算大氣擴(kuò)散指數(shù)是一種行之有效的方法。大氣擴(kuò)散模式的種類(lèi)很多，按模式理論的發(fā)展途徑可分為統(tǒng)計(jì)理論模式、K理論模式和相似理論模式。按模擬的時(shí)間尺度可分為短期平均及長(zhǎng)期平均濃度模式；按污染源的形態(tài)又可分為點(diǎn)源、線(xiàn)源、面源、體源、多源或復(fù)合源模式。盡管大氣擴(kuò)散模式的種類(lèi)繁多，但從應(yīng)用角度出發(fā)，在實(shí)際工作中使用的大氣擴(kuò)散模式多屬高斯模式及高斯模式的變形[3]。

近年來(lái)，針對(duì)空氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)系的研究很多，但對(duì)大氣擴(kuò)散與氣象條件的關(guān)系研究卻很少。馬香香等對(duì)幾種大氣污染擴(kuò)散模式應(yīng)用進(jìn)行了比較[4]。王偉平等用高斯模式估算了臺(tái)州電廠一期工程的SO2濃度分布[5]。王文等則介紹了基于高斯模式的幾個(gè)主要擴(kuò)散模型，并比較了它們的優(yōu)劣，指出了開(kāi)發(fā)新模型需解決的問(wèn)題[6]。胡春梅等根據(jù)重慶市地面常規(guī)要素、L波段雷達(dá)探測(cè)資料風(fēng)速和溫度與API的相關(guān)性，建立了空氣污染擴(kuò)散條件的綜合氣象指數(shù)[7]。陳宣慶等在對(duì)Turner大氣擴(kuò)散等級(jí)的分類(lèi)方法進(jìn)行部分修正的基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)春市大氣擴(kuò)散能力進(jìn)行了定級(jí)分類(lèi)，并分析了其氣候特征，對(duì)長(zhǎng)春市大氣擴(kuò)散能力做了初步評(píng)價(jià)[8]。

此外，環(huán)保部門(mén)和氣象部門(mén)一直緊密合作，雙方不僅加強(qiáng)信息共享，充分發(fā)揮信息資源效益，還對(duì)規(guī)范實(shí)施了標(biāo)準(zhǔn)化，聯(lián)合開(kāi)展重污染天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)和基于AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）的預(yù)報(bào)，建立定期交流機(jī)制，完善會(huì)商機(jī)制和重大信息協(xié)調(diào)機(jī)制，不斷把兩部門(mén)在信息共享、預(yù)警服務(wù)甚至科研等方面的合作推向深入，更好地履行職責(zé)、服務(wù)社會(huì)。雙方還根據(jù)“大氣十條”要求，深化開(kāi)展針對(duì)重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)預(yù)警工作，建立重污染天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。

2 資料與方法

大氣擴(kuò)散能力資料采用浙江省氣象科學(xué)研究所根據(jù)高斯模式計(jì)算出的大氣擴(kuò)散指數(shù)，是定量描述大氣擴(kuò)散能力的無(wú)量綱指數(shù)，在此取湖州（站號(hào)：58450）2013年1～12月逐日資料。同時(shí)用到的混合層高度數(shù)據(jù)也是該模式計(jì)算輸出產(chǎn)品。

氣象資料采用同時(shí)段湖州國(guó)家基本觀測(cè)站地面觀測(cè)逐日資料。

空氣質(zhì)量資料采用同時(shí)段湖州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)獲得的AQI及PM2.5等逐日資料。2013年之前，環(huán)保部門(mén)采用空氣污染指數(shù)API來(lái)表示空氣污染狀況，2013年起則啟用空氣質(zhì)量指數(shù)AQI來(lái)表示空氣質(zhì)量狀況。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》分級(jí)方法，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六檔，分別對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量的六個(gè)級(jí)別：優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染，指數(shù)越大，級(jí)別越高，說(shuō)明污染越嚴(yán)重，對(duì)人體健康的影響也越明顯。

首先對(duì)2013年湖州大氣擴(kuò)散指數(shù)及AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行月平均處理，分析其月際變化特征。然后對(duì)逐日大氣擴(kuò)散指數(shù)與對(duì)應(yīng)的氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，并將樣本分為有降水樣本和無(wú)降水樣本，分別研究了大氣擴(kuò)散指數(shù)與氣象條件之間的關(guān)系。此外，還將環(huán)境氣象中衍生的重要參數(shù)混合層高度與大氣擴(kuò)散指數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析，得出了其對(duì)大氣擴(kuò)散能力的影響。

3 大氣擴(kuò)散指數(shù)的月際變化特征

圖1為2013年湖州大氣擴(kuò)散指數(shù)和AQI的月平均值的逐月變化，可見(jiàn)，2013年湖州大氣擴(kuò)散指數(shù)的月變化較為明顯，除3～5月和8月、10月大氣擴(kuò)散指數(shù)較高大于等于3之外，其他月份均低于3。其中4月最高，達(dá)到了3.5，這主要是因?yàn)榇杭救照粘渥悖嘏黠@，湍流活動(dòng)相對(duì)比較旺盛；8月次之，達(dá)到了3.3，則是因?yàn)槭⑾募竟?jié)天氣炎熱，熱力不穩(wěn)定條件好，云團(tuán)易發(fā)展，對(duì)流活動(dòng)頻繁所致。1月和11～12月大氣擴(kuò)散指數(shù)則處于一個(gè)低谷期，表明晚秋到隆冬季節(jié)里，多冷性高壓控制，大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，且風(fēng)力較小、降水較少，大氣擴(kuò)散能力明顯變?nèi)酢?/p>

另外，從圖1還可以看出，AQI的變化與大氣擴(kuò)散指數(shù)的變化基本趨于相反，AQI值越高，即空氣質(zhì)量越差，大氣擴(kuò)散指數(shù)則越小，即大氣擴(kuò)散能力越弱；AQI值越小，即空氣質(zhì)量越好，大氣擴(kuò)散指數(shù)則越大，即大氣擴(kuò)散能力越強(qiáng)。經(jīng)計(jì)算，大氣擴(kuò)散指數(shù)與AQI之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.32，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)，這也印證了大氣擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱直接影響著空氣質(zhì)量的好壞。

4 大氣擴(kuò)散能力與氣象條件的關(guān)系

4.1 大氣擴(kuò)散指數(shù)與各氣象因子的關(guān)系

在氣象學(xué)中，氣象要素是指用于描述的物理狀態(tài)與現(xiàn)象的物理量，包括氣壓、氣溫、濕度、云、風(fēng)、能見(jiàn)度以及太陽(yáng)輻射等。這些要素都能從觀測(cè)直接獲得，并隨著時(shí)間經(jīng)常變化，彼此之間相互制約。不同的氣象要素組合呈現(xiàn)不同的氣象特征，因此對(duì)污染物在大氣中的輸送擴(kuò)散產(chǎn)生不同的影響。其中風(fēng)和大氣不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)是直接影響大氣污染物擴(kuò)散的氣象因素，而氣溫的垂直分布又制約著風(fēng)場(chǎng)與湍流結(jié)構(gòu)。

采用湖州市2013年逐日大氣擴(kuò)散指數(shù)及地面觀測(cè)資料，對(duì)大氣擴(kuò)散指數(shù)與各氣象要素進(jìn)行了相關(guān)性分析（表1）。從2013年全年樣本分析來(lái)看，與大氣擴(kuò)散指數(shù)相關(guān)性較好的氣象因子有平均氣壓、最低氣溫、降水量、最低氣壓、平均風(fēng)速，且均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。其中相關(guān)性最好的為平均風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.96，其次為降水量，相關(guān)系數(shù)為0.35。

由表1可以看出，降水量對(duì)于大氣擴(kuò)散能力的影響是較為顯著的，為了進(jìn)一步研究，將2013年全年樣本再分為有雨樣本（152個(gè)）和無(wú)雨樣本（215個(gè)），分別計(jì)算各氣象因子與大氣擴(kuò)散指數(shù)的相關(guān)性?？梢钥闯?，有雨樣本中，氣象因子中還是平均風(fēng)速與大氣擴(kuò)散能力的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)同樣達(dá)到了0.96，此外則是降水量和蒸發(fā)量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.38和0.27，且均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，而其他氣象因子都沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明，在有降雨的情況下，假設(shè)排除風(fēng)的影響，則降水量是大氣擴(kuò)散能力決定性的因素，降水量越大，大氣擴(kuò)散能力越強(qiáng)，降水量越小，大氣擴(kuò)散能力越小。無(wú)雨樣本中，大氣擴(kuò)散指數(shù)相關(guān)性較好的氣象因子有平均氣壓、平均氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速，且均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。其中相關(guān)性最好的還是平均風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.96。

大氣擴(kuò)散能力與氣象條件息息相關(guān)，大的天氣系統(tǒng)決定了大氣擴(kuò)散能力的整體背景，而風(fēng)、壓、濕及降水等氣象條件的細(xì)微變化直接導(dǎo)致了大氣擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱變化。從以上與大氣擴(kuò)散指數(shù)的相關(guān)性可見(jiàn)，風(fēng)速為正相關(guān)，風(fēng)力增大有助于大氣擴(kuò)散；相對(duì)濕度為負(fù)相關(guān)，濕度高有利于氣溶膠粒徑增大并在空氣中滯留；氣壓為負(fù)相關(guān)，高氣壓時(shí)，氣流下沉，容易形成逆溫，低氣壓時(shí)，氣流上升，容易擴(kuò)散。溫度為正相關(guān)，溫度高整體上有利于擴(kuò)散，雖然溫度高同時(shí)也有助于二次污染物的形成。降水量為正相關(guān)，降水有助于沖刷空氣中的污染物。

4.2 大氣擴(kuò)散指數(shù)與混合層高度的關(guān)系

大氣邊界層中的空氣明顯地受地面摩擦或熱力作用的影響，因而在某個(gè)高度的穩(wěn)定層下會(huì)出現(xiàn)顯著的垂直混合，造成混合層。大氣混合層高度與逆溫的形成和消散過(guò)程有密切關(guān)系，混合層底面對(duì)煙氣的向上擴(kuò)散起著抑制作用，混合層高度的變化影響著大氣污染物的濃度分布，它是影響大氣擴(kuò)散的一個(gè)重要因素。

通過(guò)計(jì)算2013年全年樣本中混合層高度與大氣擴(kuò)散指數(shù)的相關(guān)性，得出兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.92，且通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明混合層高度與大氣擴(kuò)散能力呈明顯正相關(guān)。這也充分印證了混合層高度是衡量大氣擴(kuò)散能力的一個(gè)重要指標(biāo)，混合層高度越高，大氣擴(kuò)散能力越強(qiáng)，混合層高度越低，大氣擴(kuò)散能力越弱。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）2013年湖州大氣擴(kuò)散指數(shù)的月變化較為明顯，3～5月和8月、10月大氣擴(kuò)散指數(shù)較高，1月和11～12月較低，表明春、夏季大氣擴(kuò)散能力較強(qiáng)，秋、冬季擴(kuò)散能力較弱。

（2）AQI的變化與大氣擴(kuò)散指數(shù)的變化基本趨于相反，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明大氣擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱直接影響著空氣質(zhì)量的好壞。

（3）在決定大氣擴(kuò)散能力強(qiáng)弱的氣象因子中，風(fēng)速是最主要的，其次是降水量。排除風(fēng)的影響，有降水情況下，降水量是大氣擴(kuò)散能力決定性的因素，降水量越大，大氣擴(kuò)散能力越強(qiáng)，降水量越小，大氣擴(kuò)散能力越小；無(wú)降水情況下，決定大氣擴(kuò)散能力的氣象因子較多，主要有相對(duì)濕度、氣壓和平均氣溫，大氣擴(kuò)散指數(shù)與相對(duì)濕度和氣壓呈負(fù)相關(guān)，與平均氣溫呈正相關(guān)。

（4）混合層高度與大氣擴(kuò)散指數(shù)有很高的正相關(guān)性，可以作為衡量大氣擴(kuò)散能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

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