2015～2016年福州市空氣污染氣象條件對比分析*

福建省氣象科學研究所 王 宏 鄭秋萍 陳彬彬 謝祖欣

2015～2016年福州市空氣污染氣象條件對比分析*

福建省氣象科學研究所 王 宏 鄭秋萍 陳彬彬 謝祖欣

利用2015～2016年福州市大氣常規(guī)污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)以及氣象觀測資料，對比分析福州市空氣污染氣象條件狀況及其對空氣質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，2016年福州市空氣污染氣象條件好于2015年，特別是6～10月，受副熱帶高壓及其邊緣，臺風（熱帶輻合帶）及其外圍等天氣系統(tǒng)影響，空氣污染氣象條件基本維持在一級，大氣擴散條件極好，AQI等級優(yōu)占95.4%，顆粒物濃度只有年平均值的70%～80%。2016年全市有利于擴散的天氣形勢占72.4%，較上一年度增加32d，區(qū)域污染輸送減少5d，非常不利于擴散的天氣形勢明顯減少；全年平均風速2.3m/s，較上一年度增加4.5%；小風日數(shù)33d，減少8.3%；大風日數(shù)37d，增加5.7%；年總降水量2263.6mm，增加27.3%。從年均值分析看，2016年福州市空氣污染氣象條件較2015年明顯改善，但對于不同的月份，不同的天氣過程，空氣污染氣象條件變化的情況應(yīng)具體分析，不同氣象條件對AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）變化的貢獻也各不相同。

空氣污染 氣象條件 天氣形勢 風速 風頻 降水 福州市

0 引言

空氣污染氣象條件是指從氣象學角度出發(fā)判別氣象因子對于大氣污染物的稀釋、擴散、清除等能力的強弱?？諝馕廴練庀髼l件潛勢預(yù)報是環(huán)境氣象業(yè)務(wù)的重要組成部分，是預(yù)測空氣質(zhì)量變化、霾天氣發(fā)生發(fā)展、重污染天氣生消的重要指標。在人類活動日益增多的影響下，區(qū)域內(nèi)的人口、交通、城市布局、能源消費等均發(fā)生了顯著變化，導致大氣環(huán)境污染問題日益突出；就空氣質(zhì)量而言，除了基礎(chǔ)污染物濃度，外來污染源影響以及化學反應(yīng)下二次污染物生成等綜合影響，氣象條件的影響尤為重要，大氣擴散條件的好壞直接影響了空氣質(zhì)量的好壞。有研究表明[1]，在相對清潔的地區(qū)，在大氣環(huán)境容量允許的范圍內(nèi)，氣象條件對空氣質(zhì)量影響的貢獻率在80%～90%，空氣質(zhì)量變化主要取決于氣象條件的變化，不利的氣象條件可加重源排放致污效果，形成空氣污染。王繼志等基于北京PM2.5特性和凝結(jié)函數(shù)fc、濕相當位溫θe及氣象條件適應(yīng)加權(quán)參數(shù)?等敏感氣象條件參數(shù)分析，發(fā)展了描述和診斷天氣條件與空氣質(zhì)量的PLAM (Parameters Linking Air quality and Meteorology)指數(shù)方法[2]；鄧雪嬌等通過邊界層觀測試驗，詳細分析了對廣州地區(qū)典型清潔與污染過程有重大影響的大氣湍流與物質(zhì)交換特征，研究表明不利于污染物平流與擴散的氣象條件降低一半，導致污染物的累積可達3～6倍[3]；楊元琴等分析夏季奧運會歷史同期與高污染過程關(guān)系密切的敏感氣象要素和變量，引入適應(yīng)度函數(shù)分級方法，建立北京夏季空氣質(zhì)量氣象條件參數(shù)預(yù)報模型，取得了良好的預(yù)報效果[4]；周明煜等研究表明，北京城市大氣氣溶膠濃度與邊界層大氣湍流擴散之間存在顯著的關(guān)系等[5]。

本文利用常規(guī)氣象觀測資料和大氣環(huán)境監(jiān)測資料，對比分析了2015～2016年福州市空氣污染條件對空氣質(zhì)量的綜合影響，從大氣環(huán)流背景（有利于擴散的天氣形勢、不利于擴散的天氣形勢）、水平擴散輸送（風速、風頻）、垂直湍流交換（層結(jié)穩(wěn)定度）、稀釋清除作用（臺風、降水）等方面開展，并針對不同的月份、不同的天氣過程研究空氣污染氣象條件變化的主要貢獻來源。

1 資料分析與處理

1.1 氣象觀測資料處理

利用2015～2016年福州（58847）站氣象常規(guī)觀測小時資料，計算20～20時的平均風速、小風日數(shù)、靜風頻率、大風頻率、日降水量、相對濕度、能見度等；通過08時福州探空站大氣層結(jié)剖面圖分析925hPa及以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度、逆溫層等；利用地面、850hPa和500hPa高空08時、20時大氣環(huán)流背景及其演變趨勢，開展天氣形勢歸類分析，將其分為有利于擴散的天氣形勢和不利于擴散的天氣形勢[5]。

1.2 環(huán)境監(jiān)測資料處理

將2015～2016年福州市5個環(huán)境國控城市站點（剔除鼓山對照點）PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO等6種污染物小時濃度資料，計算20～20時不同污染物日平均濃度值，O3日濃度值為各站點8h滑動平均最大值的全市平均。

2 空氣質(zhì)量狀況對比

2.1 概況

2.2 PM2.5優(yōu)良率比較

由于細顆粒物PM2.5是福州大氣6種常規(guī)污染物中最重要的代表，也是最主要的首要污染物，因此文中用PM2.5濃度代表空氣質(zhì)量的總體狀況。2016年P(guān)M2.5空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQIPM2.5）有270d（73.8%）等級優(yōu)；91d（24.8%）等級為良，優(yōu)良率98.6%，較去年升高0.5個百分點；超標（日均值>75μg/m3）共5d，有4次發(fā)生在1月，1次發(fā)生在4月，年平均超標率1.4%，均為輕度污染，沒有出現(xiàn)中度及以上污染天氣。

2.3 月濃度比較

2016年總體空氣質(zhì)量好于2015年，只有3月、11月和12月空氣質(zhì)量較2015年同期差（見圖1），PM2.5濃度分別高出同期18.8%、17.9%和29.5%。1～2月以及6～10月份均好于2015年同期水平，PM2.5濃度下降了4.9%～32.4%，特別是1月和10月比2015年同期空氣質(zhì)量狀況改善明顯，分別下降了29.5%和32.4%。

圖1 2015～2016年福州市PM2.5月平均濃度值

3 空氣染污氣象條件對比

3.1 大氣環(huán)流背景對比分析

根據(jù)福州天氣形勢分型與大氣污染物相關(guān)分析[6]，有利于擴散的天氣形勢主要有冷高壓脊（排除區(qū)域輸送）、高壓底部、低渦切變（高空槽）、副熱帶高壓及其邊緣、臺風（熱帶輻合帶）及其外圍；不利于擴散的天氣形勢有高壓后部、鋒前暖區(qū)、地面倒槽、均壓場及其他（包含臺風外圍烈的下沉氣流造成污染，冷高壓偏北氣流引起的區(qū)域污染輸送等）。

表1是2015～2016年福州市天氣形勢類型及天數(shù)分布，從中可見，2016年有利于擴散的天氣形勢有265d，占72.4%，比2015年多32d，主要為高壓底部、副熱帶高壓及其邊緣，臺風（熱帶輻合帶）及其外圍等天氣系統(tǒng)增加，且主要集中在6～10月，這期間福州空氣污染氣象條件基本維持在一級，大氣擴散條件極好，AQI等級優(yōu)的天數(shù)占95.4%，顆粒物濃度只有年平均值的70%～80%。而且與2015年相比，2016年福州受區(qū)域污染輸送影響減少5d，不利于擴散的天氣形勢減少23.5%；綜上可得，2016年福州市大氣環(huán)流背景總體上較2015年更有利于大氣污染物的擴散和清除，有利于空氣質(zhì)量的改善。

隨著大學生畢業(yè)人數(shù)逐年增加，就業(yè)形式愈發(fā)嚴峻，大學生創(chuàng)業(yè)精神的培養(yǎng)在高校教育中突顯極其重要的地位。尤其在新的歷史時期，黨的十九大報告中提出了要堅持新發(fā)展理念，要不斷壯大我國經(jīng)濟實力和綜合國力，大力建設(shè)創(chuàng)新型國家，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。新發(fā)展理念的科學內(nèi)涵包括創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念，新發(fā)展理念指明了“十三五”乃至更長時期我國的發(fā)展思路、發(fā)展方向和發(fā)展著力點，也為我國大學生創(chuàng)業(yè)指明了方向。

表1 2015～2016年福州市天氣形勢類型及天數(shù)

3.2 水平擴散能力對比分析

（1）2016年全年平均風速2.3m/s，較上一年度增加4.5%，水平擴散能力有所增強。

（2）小風日數(shù)（日平均風速≤1.5m/s）33d，比2015年減少8.3%，其中81.8%的小風日集中發(fā)生在1～5月，1月份最多，其次是3月份，期間大氣水平擴散能力全年最差，顆粒物濃度是年平均值的1.2～1.3倍，小風時的主導風向為SW、SE；靜風（日平均風速≤0.5m/s）頻率為0.3%；可見，福州市風速總體是比較有利于水平輸送的，靜風和小風日數(shù)不足全年的10%。

（3）大風日數(shù)（日平均風速＞3.0m/s）37d，較上一年度增加5.7%，主要集中在7月、9月臺風（熱帶輻合帶）及其外圍的大風，對有水平擴散能力的增強有顯著貢獻，大風時的主導風向為E、NE。

需要說明的是，分析全年的平均風速變化，只是定性描述了大氣水平擴散能力的“大概率”狀況，但實際決定大氣水平擴散能力強弱的不僅是風速的大小和風向的不同，更重要的是風場的輻合與輻散強度，在空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式的公式里其實沒有風速這個因子，有的是風速輻合與風速輻散的因子，風速輻合有利于污染物堆積，弱的上升運動會阻礙高層清潔的空氣下沉，導致污染物濃度升高；風速輻散有利于污染物向高層擴散，也有利于污染物的稀釋和清除。所以常規(guī)認為風速增大對降低污染物濃度有良好的作用，其實這是并不完全正確的觀點，只是一個大概率事件。

3.3 垂直交換能力對比分析

通過分析08時V-3θ大氣垂直結(jié)構(gòu)，重點分析925hPa及以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度、逆溫層以及相對濕度大小，選擇對比分析冬季和春季（1～5月、11～12月）污染物平均濃度較高的月份，排除降水。

（1）2016年1～5月，925hPa及以下大氣層結(jié)不穩(wěn)定性高于2015年，垂直交換能力總體較強，垂直交換系數(shù)主要表征垂直方向湍流交換的劇烈程度，計算公式如下：

其中K、SI、LI分別為K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、抬升指數(shù)LI。

（2）2016年11～12月，925hPa及以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度高于2015年、逆溫頻率有所上升，垂直交換能力下降22%，靜穩(wěn)天氣比較多，特別是11月份，空氣污染氣象條件較差出現(xiàn)了3次因靜穩(wěn)天氣導致的污染過程。

但對于垂直交換能力的分析，往往很難得到“常規(guī)認知”的結(jié)果，因為在眾多影響大氣擴散能力的因素中，能促進湍流發(fā)展的，都將是增強擴散能力的有利條件，而抑制湍流發(fā)展的，都將是削弱擴散能力的不利條件。但是，由于各種因素之間存在相互作用，使情況變得更加復雜，有時一種有利條件的增強會削弱另一種有利條件的作用，使兩者相互作用的最終結(jié)果并不一定有利于擴散能力的增強。

3.4 降水清除能力對比分析

2016年登陸和影響福建省的臺風偏多偏強、致災(zāi)重，臺風“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”等造成的暴雨范圍之廣和雨勢之強歷史罕見，其次是暴雨洪澇災(zāi)害嚴重，全年降水量2263.6mm，異常偏多，比2015年增加27.3%，大氣的清除能力明顯強。

自然降水對空氣污染物能起到清除和沖刷作用，對降低污染物濃度有一定效果，特別是在降水發(fā)生的后期；在降水作用下，大氣中的一些氣體污染物能夠溶解在水中，降低空氣中氣體污染物的濃度，較大的降水對空氣污染粉塵顆粒也起著有效的清除作用，也可在一定程度上抑制地面揚塵發(fā)生，但是較小的降水，特別是暖區(qū)降水，有時降水量也很大卻造成細顆粒物吸濕性增長，導致大氣能見度迅速降低，形成強雨霧、濃霧后，大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，污染物濃度明顯上升或造成污染物濃度虛高現(xiàn)象、倒掛現(xiàn)象。相對濕度與污染物的關(guān)系也有類似規(guī)律，在暖區(qū)，濕度越大，會造成細顆粒物吸濕性增長，導致污染物濃度上升。

比如，2016年3月和11月，降水量較2015年同期增長230%和65.7%，但PM2.5濃度值卻升高了18.8%和17.8%。其中3月份比較有代表性，2016年3月份有17d出現(xiàn)降水（日降水量≥0.0mm），總降水量132.5mm，降水量區(qū)間在0.0～35.5mm，降水量小于7mm的有13d，其中10d降水對污染物的清除作用不明顯，顆粒物吸濕性增長導致污染物濃度不降反升，導致3月的PM2.5濃度全年最高。2016年11月有16d出現(xiàn)降水，總降水量100.6mm，降水量較小的（5mm以下）共11d，其中有5d，PM2.5日均濃度較高在32～60μg/m3之間，與3月不同的是，11月的降水多為冷空氣主導下的降水，即使降水強度較弱，但隨著氣溫降低，相對濕度下降，污染物濃度都會迅速降低。

4 結(jié)果與討論

（1）2016年福州市空氣質(zhì)量較2015年明顯改善，作為一個相對清潔的區(qū)域，空氣污染氣象條件的改善對空氣質(zhì)量的提升貢獻率是非常大的。

（2）2016年福州市有利于擴散的天氣形勢增加了13.7%，區(qū)域輸送導致的污染日數(shù)明顯下降；全年風速有所增加，降水量明顯增加，冬春季節(jié)大氣垂直交換能力有所增強，以上對空氣污染氣象條件中水平擴散、垂直湍流交換和大氣的清除作用有直接貢獻，提升了福州市空氣污染氣象條件等級。

（3）有關(guān)與空氣污染氣象條件的研究是非常復雜的，它涉及的邊界層氣象學是環(huán)境氣象學科皇冠上的明珠，存在很多科學難題需要解決。

在人類、動植物共同生存的近地層，影響大氣污染物濃度變化的因子相當復雜，本文得出的結(jié)論較淺顯，或者是常識中的大概率事件。

[1] 張人禾,李強,張若楠.2013年1月中國東部持續(xù)性強霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析[J].中國科學:地球科學，2014，44（1）:27–36.

[2] 王繼志,楊元琴,李怡,等.北京PM2.5濃度變化的氣象條件PLAM指數(shù)診斷和預(yù)測研究[C]. 中國氣象學會年會論文集, 2012.

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福建省氣象局開放式科學基金（2014K04）、國家自然科學基金（海峽兩岸科技合作聯(lián)合基金）（U1405235）共同資助。