2017年陜西氣象條件對大氣環(huán)境質(zhì)量影響分析

張 俠，胡 琳，王 琦，杜怡心

(陜西省氣候中心,西安 710014)

近年來，城市大氣環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，霾天氣現(xiàn)象增多[1]，嚴(yán)重威脅著社會可持續(xù)發(fā)展和人們身體健康。對大氣環(huán)境污染的特征及氣象條件影響因素的研究，一直是眾多學(xué)者關(guān)心的焦點(diǎn)問題。在大氣污染排放源穩(wěn)定的前提下，氣象條件是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)主要因素。國內(nèi)外開展了大量氣象條件對大氣環(huán)境質(zhì)量影響的研究工作，如David等[2]研究了氣象因素對PM2.5質(zhì)量濃度的影響，結(jié)果表明溫度低于0 ℃，相對濕度大于50%，風(fēng)速為輕風(fēng)時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度較大；寧海文等[3]分析了西安市大氣污染特征與氣象條件的關(guān)系，結(jié)果表明污染物質(zhì)量濃度與氣象條件密切相關(guān) ,但在不同的季節(jié)與污染物相關(guān)緊密的氣象要素不同；鄧霞君等[4]對空氣污染指數(shù)API與氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行分析時(shí)指出，降水和風(fēng)對空氣污染的凈化作用明顯；陳摯秋等[5]對2014年重慶市大氣污染物濃度變化特征及其與氣象條件的關(guān)系研究表明，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與相對濕度、氣壓正相關(guān)，與降水量、風(fēng)速、氣溫和日照負(fù)相關(guān)；馬曉華等[6]對關(guān)中地區(qū)一次霾天氣過程分析表明，逆溫層持續(xù)存在、風(fēng)速偏小、大氣混合層高度持續(xù)低是霾天氣持續(xù)的重要原因。陜西省由于地理位置特殊，地勢南北高，中部低。境內(nèi)氣候差異很大，復(fù)雜多樣的地形地貌及氣候特點(diǎn)使得大氣污染形成機(jī)理極為復(fù)雜。特別是關(guān)中地區(qū)冬季霾現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，2017年3月陜西省發(fā)布了《陜西省2017年鐵腕治霾“1+9”行動(dòng)方案》。本研究通過詳細(xì)分析氣象條件對陜西省大氣環(huán)境質(zhì)量的影響，可為省政府治霾工作提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

2017年1月1日—7月31日陜西省十地市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI資料來源于中華人民共和國環(huán)保部網(wǎng)站，臭氧質(zhì)量濃度資料來源于陜西省空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)網(wǎng)站；2017年1月1日—7月31日陜西省十地市風(fēng)速、溫度、相對濕度、日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)來源于地面氣象臺站的氣象觀測資料。

采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析方法，分析空氣質(zhì)量的時(shí)間變化特征，并分別分析冬春季和夏季空氣污染氣象條件特征。

2 環(huán)境空氣質(zhì)量概況

2017年1—7月，全省城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)在87～187 d之間(表1)。陜南城市空氣質(zhì)量最好，陜北次之，關(guān)中最差。商洛優(yōu)良天數(shù)最多，咸陽最少；西安、咸陽和渭南均出現(xiàn)了10 d以上的嚴(yán)重污染天氣，漢中和安康未出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣，其他城市嚴(yán)重污染天氣為3 d及以下。與2016年同期相比全省城市空氣質(zhì)量較差。2017年1—3月全省污染天氣首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，5—7月首要污染物為臭氧。

表1 2017-01-01—07-31全省各地市空氣質(zhì)量 d

2.1 霾出現(xiàn)次數(shù)及范圍

根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)：2017年1—7月全省共出現(xiàn)霾2 283站次，涉及96個(gè)區(qū)縣。從各月分布(表2)來看，1月最多出現(xiàn)霾955站次，涉及91個(gè)區(qū)縣，霾影響范圍最大且持續(xù)時(shí)間最長；其次為2月，共出現(xiàn)霾774站次，涉及87個(gè)區(qū)縣；3月開始霾影響范圍開始減少且持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度明顯減輕；4—7月霾天氣較少。1—3月霾主要出現(xiàn)在關(guān)中，其中寶雞最多出現(xiàn)53 d，西安、楊凌、潼關(guān)、寶雞、蒲城等地超過40 d。霾天氣過程期間關(guān)中大部分城市空氣質(zhì)量持續(xù)為嚴(yán)重污染等級。

表2 2017年全省霾出現(xiàn)次數(shù)及范圍

2.2 5—7月臭氧污染基本特征

2017年5—7月全省平均臭氧超標(biāo)日數(shù)共29 d，較上年同期增加9 d(表3)，主要分布在陜北和關(guān)中。關(guān)中污染最重，咸陽、西安臭氧超標(biāo)日分別為54 d和48 d，遠(yuǎn)大于上年同期的36 d和26 d；榆林出現(xiàn)44 d，較上年增加21 d。臭氧超標(biāo)日主要出現(xiàn)在6月和7月。

表3 2016年、2017年全省各市5—7月臭氧超標(biāo)日數(shù)對比 d

3 1—3月污染氣象條件分析

3.1 風(fēng)速

由表4 可看出，2017年1—3月全省平均風(fēng)速較上年同期偏小，小風(fēng)日數(shù)較上年同期略增多，其中關(guān)中增多1～11 d，陜北增多1～4 d，陜南增多0～3 d。1—3月全省各市平均風(fēng)速均在3.0 m/s以下且小風(fēng)頻率較高，空氣流動(dòng)緩慢，近地面形成的各種污染物不易向外水平擴(kuò)散，造成了污染物不斷積聚，使污染天氣得以長時(shí)間維持。

2017年1—3月，全省共出現(xiàn)4次中等以上強(qiáng)度冷空氣活動(dòng)，較上年同期明顯偏少，分別為1月19—20日、1月29—31日、2月20—21日和3月10—13日(表5)。其中2月的冷空氣過程為入冬以來最強(qiáng)的一次。20日涇河站24 h降溫2.1 ℃，48 h降溫10.1 ℃；安康站24 h降溫2.7 ℃，48 h降溫9.6 ℃；延安站24 h降溫6.2 ℃，48 h降溫11.8 ℃。全省空氣質(zhì)量得到明顯改善。

1—3月，全省冷空氣活動(dòng)較上年同期減少3次，強(qiáng)度偏弱不利于污染物擴(kuò)散。

表4 2016年、2017年1—3月全省各市平均風(fēng)速和小風(fēng)日數(shù)

表5 2016年、2017年1—3月全省冷空氣活動(dòng)情況

3.2 混合層高度

混合層高度表征污染物在垂直方向被輸送擴(kuò)散所能達(dá)到的高度，是反映污染物在垂直方向擴(kuò)散能力的重要參數(shù)[7]。表6為全省主要站點(diǎn)2017年和2016年1—3月平均混合層高度，由表6可見，除榆林和鳳翔站外，其余站點(diǎn)2017年混合層高度與上年同期相比均有所降低。1—3月全省平均混合層高度為898 m，與上年同期相比降低22 m?；旌蠈痈叨绕停髿獯怪睌U(kuò)散能力較差。1月1—4日持續(xù)大范圍霾天氣過程期間，西安、咸陽、渭南空氣質(zhì)量持續(xù)為嚴(yán)重污染等級，1—4日西安平均混合層高度僅為413 m，4日西安AQI指數(shù)高達(dá)484，混合層厚度僅為260 m。

表6 2017年、2016年陜西1—3月平均混合層高度 m

4 5—7月污染氣象條件分析

4.1 氣溫

相對于2016年，2017年 5—7月關(guān)中和陜北氣溫有較大升高。平均最高氣溫榆林升高2.1 ℃，西安升高1.8 ℃。日最高氣溫大于30 ℃和大于35 ℃日數(shù)也明顯增多。大于30 ℃日數(shù)，榆林增多最明顯，為23 d；其次為延安和西安，分別為13 d和8 d。大于35 ℃日數(shù)，渭南增多最明顯，為12 d；其次為西安和銅川，分別為11 d和10 d。榆林、西安、咸陽、渭南和銅川氣溫增幅較大與臭氧超標(biāo)日數(shù)增加趨勢一致。

臭氧平均質(zhì)量濃度和臭氧超標(biāo)率基本隨日平均氣溫、日最高氣溫升高而升高(圖1)。西安和咸陽當(dāng)日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃時(shí)，臭氧平均質(zhì)量濃度超過200 μg/m3，超標(biāo)率超過80%；而當(dāng)日平均氣溫≤20 ℃或日最高氣溫≤25 ℃時(shí)，未出現(xiàn)臭氧超標(biāo)。渭南當(dāng)日平均氣溫在25～30 ℃或日最高氣溫在30～35 ℃時(shí)，臭氧超標(biāo)率超過60%；日平均氣溫≤15 ℃或日最高氣溫≤17 ℃時(shí)，未出現(xiàn)臭氧超標(biāo)。分析表明臭氧質(zhì)量濃度與高溫顯著正相關(guān)。

圖1 西安2017年5—7月臭氧質(zhì)量濃度和日最高氣溫逐日變化曲線

4.2 日照

根據(jù)臭氧質(zhì)量濃度資料和日照時(shí)數(shù)資料統(tǒng)計(jì)分析，臭氧超標(biāo)日與非超標(biāo)日日照時(shí)數(shù)存在顯著差異，超標(biāo)日和非超標(biāo)日差異在40%。日照時(shí)數(shù)≥6 h時(shí)，各市臭氧平均質(zhì)量濃度和臭氧超標(biāo)率均較高，日照時(shí)數(shù)≥10 h時(shí)臭氧超標(biāo)率最高，日照時(shí)數(shù)<2 h時(shí)，臭氧超標(biāo)率小于15%。關(guān)中地區(qū)咸陽和渭南日照時(shí)數(shù)在8～10 h時(shí)臭氧超標(biāo)率最高，臭氧平均質(zhì)量濃度超過160 μg/m3；西安、寶雞和銅川日照時(shí)數(shù)≥10 h時(shí)臭氧超標(biāo)率最高，臭氧平均質(zhì)量濃度超過140 μg/m3。

4.3 相對濕度

2017年5—7月，陜北和關(guān)中平均相對濕度較上年同期有較大幅度降低，其中榆林降幅達(dá)18.7%，渭南次之降幅為14.9%。陜南降幅較小(圖2)。西安、咸陽、渭南和銅川臭氧超標(biāo)日平均相對濕度較非超標(biāo)日均有近20%的降幅。2017年5—7月關(guān)中城市臭氧平均質(zhì)量濃度和臭氧超標(biāo)率隨日平均相對濕度的升高而降低。當(dāng)相對濕度<60.0%時(shí)，臭氧平均質(zhì)量濃度在140 μg/m3以上；當(dāng)相對濕度≥70.0%時(shí)，臭氧超標(biāo)率明顯降低；而當(dāng)相對濕度≥80.0%時(shí)，各市均未出現(xiàn)臭氧超標(biāo)。由于大氣中的水汽影響太陽紫外輻射從而減緩光化學(xué)反應(yīng)，且高濕度是形成濕清除的重要指標(biāo)，因此高濕條件不利于臭氧的積累。

圖2 2017年、2016年5—7月全省各市平均相對濕度

5 結(jié)論

(1)2017年1—7月全省城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)在87～187 d之間，與2016年同期相比空氣質(zhì)量較差。其中1—3月和5—7月大氣污染比較嚴(yán)重，主要出現(xiàn)在關(guān)中。1—3月全省首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，關(guān)中大部分城市出現(xiàn)超過40 d的霾天氣。霾天氣過程期間空氣質(zhì)量持續(xù)為嚴(yán)重污染等級。5—7月首要污染物為臭氧，全省平均臭氧超標(biāo)日數(shù)共29 d，較上年同期增加9 d。

(2)1—3月全省各市平均風(fēng)速均在3.0 m/s以下且小風(fēng)頻率較高；全省冷空氣活動(dòng)較上年同期減少3次且強(qiáng)度偏弱；全省平均混合層高度與上年同期相比降低22 m。平均風(fēng)速小，小風(fēng)日數(shù)增多，冷空氣活動(dòng)次數(shù)減少且強(qiáng)度偏弱，混合層高度偏低，是顆粒物污染過程增多的主要因素。

(3)5—7月關(guān)中和陜北氣溫較上年同期有較大升高，臭氧質(zhì)量濃度與高溫顯著正相關(guān)，當(dāng)日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃時(shí)，臭氧顯著超標(biāo)。臭氧質(zhì)量濃度隨日照時(shí)數(shù)增加而升高，日照時(shí)數(shù)≥6 h時(shí)，各市臭氧平均質(zhì)量濃度均較高，日照時(shí)數(shù)≥10 h時(shí)臭氧超標(biāo)率最高。臭氧質(zhì)量濃度隨日平均相對濕度的升高而降低，當(dāng)相對濕度<60.0%時(shí)，臭氧平均質(zhì)量濃度超過140 μg/m3；當(dāng)相對濕度≥70.0%時(shí)，臭氧超標(biāo)率明顯降低。氣溫偏高，日照充足，濕度減小是造成臭氧超標(biāo)日增多的主要因素。

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