哈爾濱市空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系分析

劉宇飛,段 琳,蓋曉東

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150028；2.依蘭縣氣象局，黑龍江 依蘭 154800；3.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種程度的空氣污染事件在全國(guó)各地頻繁發(fā)生。哈爾濱作為我國(guó)緯度最高的省會(huì)城市，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)、寒冷、干燥，加之近年來(lái)城市規(guī)模迅速擴(kuò)張、人類活動(dòng)密集，造成空氣質(zhì)量急劇惡化。污染天氣對(duì)人類的健康和安全構(gòu)成極大威脅，已引起社會(huì)各界的極大關(guān)注，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者在空氣污染成因及其與氣象條件的關(guān)系方面，開展了大量研究，研究的方法主要有兩個(gè)方面：一是利用長(zhǎng)時(shí)間序列的資料、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)產(chǎn)生空氣污染的大氣環(huán)流進(jìn)行分類總結(jié)；二是基于相關(guān)性分析等方法，研究邊界層內(nèi)各種氣象要素與空氣污染發(fā)生發(fā)展的關(guān)系。王淑英等指出在穩(wěn)定天氣條件下，北京地區(qū)PM10的濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與能見(jiàn)度、風(fēng)速和氣壓負(fù)相關(guān)[1]；姚青等分析了天津地區(qū)PM2.5濃度的垂直分布特征，并指出采暖可造成污染物濃度升高，低風(fēng)速，高相對(duì)濕度有助于 PM2.5質(zhì)量濃度增大[2]；鐘幼軍、袁美英等對(duì)歷史上出現(xiàn)在哈爾濱的污染天氣過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，給出了易引發(fā)哈爾濱冬季污染天氣的常見(jiàn)天氣形勢(shì)[3-4]，但此前的研究并沒(méi)有揭示空氣質(zhì)量與氣象要素的定量關(guān)系。本文對(duì)哈爾濱市空氣質(zhì)量與大氣邊界層的風(fēng)、降水、逆溫等氣象要素的關(guān)系，以及與霧、霾天氣的關(guān)系開展研究，這對(duì)于當(dāng)?shù)亟窈箝_展污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警具有重要意義。

2 資料與方法

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供，包含2013-2016年逐日全市AQI指數(shù)；空氣質(zhì)量的級(jí)別劃分依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn) HJ 633—2012）， 共分 6個(gè)等級(jí)，AQI值為0-50為優(yōu)秀，51-100為良好，101-150為輕度污染，151-200為中度污染，201-300為重度污染，301及以上為嚴(yán)重污染。氣象數(shù)據(jù)由黑龍江省氣象臺(tái)觀測(cè)站提供，風(fēng)、降水、霧和霾天氣現(xiàn)象由地面觀測(cè)報(bào)表得到，逆溫層資料來(lái)自探空數(shù)據(jù)。本文主要采用相關(guān)分析和統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法。

3 污染日的時(shí)間分布特征

統(tǒng)計(jì)2013-2016年逐日AQI資料，剔除資料缺失的45 d，共1416 d，2013-2016年每年污染總?cè)諗?shù)分別為 125、121、133、82 d。 圖 1給出了每個(gè)級(jí)別污染日數(shù)占當(dāng)年污染總?cè)諗?shù)的比例。發(fā)現(xiàn)重度污染和嚴(yán)重污染日數(shù)的百分比逐年迅速下降，而輕度污染日數(shù)的百分比在2014年以后明顯升高，2016年達(dá)到64.6%。由此可知，哈爾濱市的空氣污染程度逐年減輕，在2016年緩解最明顯，且污染日數(shù)在2016年明顯減少。

統(tǒng)計(jì)2013-2016年污染日在各月的分布情況（圖2），發(fā)現(xiàn)所有級(jí)別的空氣污染，都集中發(fā)生在1-3月及10-12月；中度和重度以上污染日數(shù)的月分布表現(xiàn)出明顯的“階梯狀”，即從10月開始驟增，往后逐月遞增，在1月達(dá)到最多；4-9月幾乎沒(méi)有中度和重度以上污染天氣出現(xiàn)；輕度污染日在10-12月也表現(xiàn)出逐月遞增，12月份達(dá)到峰值，1-2月略有減少，3月明顯減少，但4月又明顯增多，5-9月則迅速減少。

圖1 2013-2016年各等級(jí)污染日數(shù)占全年總污染日數(shù)百分比

圖2 2013-2016年污染日數(shù)月變化

總體而言，1-3月及10-12月是哈爾濱污染天氣的集中發(fā)生期，其中又以12月和1月最為集中。污染日的集中爆發(fā)期與采暖期基本是吻合的，12-1月是氣溫最低的隆冬時(shí)節(jié)，采暖耗煤量最大，此時(shí)重污染日數(shù)也達(dá)到峰值，污染程度最嚴(yán)重，可見(jiàn)采暖直接影響到空氣質(zhì)量。

4 空氣質(zhì)量與氣象要素的關(guān)系

4.1 空氣質(zhì)量與風(fēng)速的關(guān)系

表1 各級(jí)別AQI對(duì)應(yīng)的風(fēng)速出現(xiàn)頻率

計(jì)算2013-2016年逐日的平均風(fēng)速，并根據(jù)AQI的不同取值范圍，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)（表1），剔除AQI缺失的45 d，共1416 d，風(fēng)速的分級(jí)依照蒲福風(fēng)力等級(jí)。當(dāng)AQI高于200，即空氣質(zhì)量達(dá)到重度和嚴(yán)重污染時(shí)，1級(jí)風(fēng)和2級(jí)風(fēng)的出現(xiàn)頻率均高于40%，對(duì)于重度無(wú)污染和嚴(yán)重污染，2級(jí)以下風(fēng)的累計(jì)頻率高達(dá)90%以上，即90%以上的重污染都發(fā)生在2級(jí)以下風(fēng)速條件下，說(shuō)明地面風(fēng)小于2級(jí)時(shí)，最容易引發(fā)重污染；而從3級(jí)風(fēng)開始，頻率迅速下降，重度污染出現(xiàn)3級(jí)以上風(fēng)的頻率為0，說(shuō)明風(fēng)速增大后有利于污染程度緩解。需要注意的是，輕度、中度和嚴(yán)重污染時(shí)，都有一定頻率的4級(jí)風(fēng)出現(xiàn)，分析相應(yīng)日期的天氣形勢(shì)（統(tǒng)計(jì)表略），發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)哈爾濱處于地面低壓和高空槽前的形勢(shì)，出現(xiàn)西南大風(fēng)，大多數(shù)日子首要污染物為PM10，而出現(xiàn)的時(shí)間集中于4、5月，對(duì)應(yīng)著哈爾濱的春季大風(fēng)盛行時(shí)期，可知春季的西南大風(fēng)天氣，容易將較大顆粒物吹起，引發(fā)輕、中度污染。

計(jì)算每個(gè)月的平均風(fēng)速與AQI的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如圖3。可以看出，除4、5、6三個(gè)月以外，其他月份風(fēng)速與AQI都表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，1月、2月、12月相關(guān)程度最高，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.378、-0.54、-0.672；3月和11月相關(guān)性則未通過(guò)0.05的信度檢驗(yàn)。

圖3 各月平均風(fēng)速與AQI的相關(guān)系數(shù)

統(tǒng)計(jì)各月平均風(fēng)速（圖略），發(fā)現(xiàn)一年中4月、5月的平均風(fēng)速明顯高于其他月份，均超過(guò)3.7 m/s，3月、11月次之，在3 m/s上下；1月、2月和12月平均風(fēng)速均低于2.5 m/s。由此可知，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)（＜2.5 m/s），風(fēng)速與AQI有顯著負(fù)相關(guān)性；當(dāng)風(fēng)速增大達(dá)到3 m/s，與AQI的負(fù)相關(guān)性不明顯；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大超過(guò)3.5 m/s，可出現(xiàn)正相關(guān)?？梢哉J(rèn)為是由于較大的風(fēng)速一方面有利于細(xì)污染物顆粒擴(kuò)散，但另一方面也會(huì)將較大顆粒物吹起，使空氣質(zhì)量下降，這與上文的分析是一致的。

4.2 空氣質(zhì)量與降水的關(guān)系

對(duì)秋冬季降水與空氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行分析，選取1-3月和10-12月的資料；降水量的累加時(shí)段與AQI的計(jì)算時(shí)段一致，即每日的01-24時(shí)；剔除AQI數(shù)據(jù)缺失以及無(wú)法確定夜間降水量的日子 （2014-2015年無(wú)夜間觀測(cè)）后，共選出620 d樣本，有68 d出現(xiàn)有效降水 （降水量≥0.1 mm），48 d出現(xiàn)微量降水（降水量＜0.1），504 d無(wú)降水。統(tǒng)計(jì)各級(jí)降水條件下空氣質(zhì)量的分布情況，結(jié)果如表2。降水量超過(guò)5 mm時(shí)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的出現(xiàn)頻率為63.6%（7 d），沒(méi)有重污染日出現(xiàn)，嚴(yán)重污染的出現(xiàn)頻率只有9.1%（1 d）；降水量在1-5 mm時(shí)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的出現(xiàn)頻率為78.9%（15 d），重污染日的頻率只有 5.3%（1 d），沒(méi)有嚴(yán)重污染日出現(xiàn)；當(dāng)降水量少于1 mm或出現(xiàn)微量降水時(shí)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的頻率迅速降低，而重度和嚴(yán)重污染日的出現(xiàn)頻率則明顯升高。由此可知隨著降水量的減少，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的出現(xiàn)頻率迅速降低，出現(xiàn)重度以上污染的頻率迅速升高。

表2 各級(jí)降水在不同AQI范圍內(nèi)的出現(xiàn)頻率

在有降水的116 d中，共有21 d AQI達(dá)到200以上，其中13 d有微量降水，6 d降水量為0.1-1 mm，1 mm以下降水日的占比達(dá)90.4%，即在有降水的天氣背景下，90%以上的重度以上污染都發(fā)生在1 mm以下的弱降水條件下。由以上分析可知，1 mm以上的明顯降水對(duì)空氣質(zhì)量有顯著清潔作用，幾乎不會(huì)出現(xiàn)重污染；而1 mm以下的弱降水清潔作用不明顯，甚至可以使污染加重，可以認(rèn)為弱降水中降水的沉降作用不明顯，而濕度增大導(dǎo)致污染物更加不易擴(kuò)散。

4.3 空氣質(zhì)量與逆溫的關(guān)系

對(duì)2013-2016年秋冬季的逆溫情況與AQI的關(guān)系進(jìn)行分析，選取的月份為1-3月和10-12月，剔除AQI數(shù)據(jù)缺失的9 d，共720 d。采用早上07時(shí)的探空資料，1500 m以下出現(xiàn)逆溫時(shí)，判定為一個(gè)逆溫日。720 d中，存在逆溫的共有634 d，86 d沒(méi)有逆溫。

表3 各季節(jié)AQI與逆溫層底高、厚度相關(guān)性分析

分季節(jié)統(tǒng)計(jì)逆溫層底高和厚度的平均值，并計(jì)算與AQI的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3。在春季、冬季和秋季，逆溫層底高與AQI都表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)，厚度與AQI表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，即逆溫層越低、越厚，AQI越大，空氣污染越嚴(yán)重。在沒(méi)有逆溫的86 d中，有74 d空氣質(zhì)量都達(dá)到優(yōu)良水平。

計(jì)算了各月的平均逆溫層底高和厚度 （圖略），發(fā)現(xiàn)1月和12月逆溫層厚度明顯大于其他月份，分別達(dá)到514 m和569 m，而1月逆溫層底最低，僅為54 m，12月份略升高，但仍在100 m以下，即1月和12月逆溫層最厚、最低。而3節(jié)中指出，1月和12月各級(jí)別污染日數(shù)都達(dá)到峰值，可見(jiàn)污染日的月分布規(guī)律與逆溫層特征的變化是相一致的，逆溫層特征的變化可對(duì)污染日的月分布起到直接作用。

5 空氣質(zhì)量與霧、霾和大風(fēng)天氣的概率特征

哈爾濱的污染天氣經(jīng)常與霧、霾以及大風(fēng)等天氣相伴隨出現(xiàn)，為明確這3類天氣對(duì)空氣污染的貢獻(xiàn)，分析各種天氣條件下，各級(jí)空氣污染的出現(xiàn)頻率（表 4）。

表4 不同天氣條件下各等級(jí)空氣質(zhì)量的分布頻率

當(dāng)發(fā)生霾天氣時(shí)，出現(xiàn)重度污染的頻率最高，為31.3%，而出現(xiàn)嚴(yán)重污染的頻率并不高，只有19.3%，可見(jiàn)單純的霾天氣，不易造成特別嚴(yán)重的空氣污染，以中度到重度污染居多。當(dāng)發(fā)生霧天氣時(shí)，出現(xiàn)重度污染的頻率達(dá)42.9%，其次為嚴(yán)重污染，頻率為21.4%，二者合計(jì)達(dá)64.3%，而出現(xiàn)中度及以下污染的頻率則明顯降低；霧天氣條件下出現(xiàn)重度污染和嚴(yán)重污染的頻率都高于霾天氣，可見(jiàn)霧天氣更易引發(fā)較嚴(yán)重的空氣污染。當(dāng)發(fā)生霧霾混合天氣時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重污染的頻率高達(dá)62.5%，出現(xiàn)重度污染的頻率為37.5%，無(wú)中度以下污染，因此霧霾混合天氣出現(xiàn)重度以上污染的概率是100%。當(dāng)發(fā)生大風(fēng)天氣時(shí)，空氣質(zhì)量為優(yōu)良的頻率最高，為61.5%，有一定比例的輕度和中度污染出現(xiàn)；環(huán)境監(jiān)測(cè)資料顯示，出現(xiàn)輕度和中度污染的5 d中，首要污染物全部為PM10，說(shuō)明大風(fēng)天氣一方面有利于細(xì)微污染物擴(kuò)散，但也容易吹起大顆粒物，引發(fā)輕度到中度污染的結(jié)論是一致的。

6 結(jié)論

（1）哈爾濱的污染天氣集中發(fā)生在1-3月和10-12月，其中1月和12月重污染天氣最多；2013-2016年，污染程度逐年減輕。

（2）弱的地面風(fēng)更容易引發(fā)空氣污染，超過(guò)90%的重污染是在1-2級(jí)風(fēng)的情況下發(fā)生的。

（3）當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)（＜2.5 m/s），風(fēng)速與 AQI有顯著的負(fù)相關(guān)性，風(fēng)速增大到3.5 m/s以上時(shí)，與AQI表現(xiàn)出正相關(guān)；較大的風(fēng)力一方面有利于污染物擴(kuò)散，另一方面可將PM10等大的顆粒物吹起；春季的西南大風(fēng)天氣形勢(shì)，容易造成輕度到中度污染。

（4）1 mm以上的明顯降水對(duì)空氣清潔作用明顯；1 mm以下的弱降水和微量降水清潔作用不明顯，甚至可以使污染加重.

（5）春季、秋季和冬季，逆溫層底的高度與AQI負(fù)相關(guān)，逆溫層厚度與AQI正相關(guān)，即逆溫層越厚、越低，空氣污染越嚴(yán)重；污染日的月分布規(guī)律與逆溫層特征變化相關(guān)。

（6）霧霾混合天氣里100%會(huì)發(fā)生重度以上污染；霧天氣條件下有60%以上的概率發(fā)生重度以上污染；單純的霾天氣中發(fā)生重度以上污染的概率約50%

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