近五年周至空氣污染氣象條件分析

陳欣昊，張 蕾，楊曉春，高 勇，張祥勇

(1.周至縣氣象局，陜西周至 710400；2.西安市氣象臺，西安 710016)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。目前，我國的空氣污染問題已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域化特征，區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的傳輸也成為治理的重要難題之一[1-3]。大氣污染物，包括氣體污染物和懸浮顆粒物特別是細(xì)顆粒物的增加，是霾天氣增多的重要因素[4-6]。另外,在全球變暖的氣候背景條件下，關(guān)中地區(qū)霾的變化受到各種氣象因子的影響，能見度、相對濕度、氣溫和風(fēng)速風(fēng)向都是重要的影響因素[7]。關(guān)中地區(qū)近地層弱上升運(yùn)動有利于顆粒物的累積，從而形成霾[8]。小風(fēng)甚至靜風(fēng)現(xiàn)象不利于大氣污染物擴(kuò)散到稀釋水平，導(dǎo)致污染物逐漸積累，達(dá)到高濃度的霾污染[9]。另外，逆溫層阻礙了垂直擴(kuò)散的正常流動，導(dǎo)致污染物不會擴(kuò)散到高空而聚集在地面附近，造成重度污染天氣[10]。關(guān)中地區(qū)大的空間范圍上屬于北方空氣污染區(qū)，與京津冀、山西和河南是一體的。同時關(guān)中地區(qū)自身也是一個空氣污染區(qū)域[11]。周至地處關(guān)中盆地，南依秦嶺，北瀕渭河。地勢總體為西南高，東北低。近年來由于城市化發(fā)展迅速，地面粗糙度增大，導(dǎo)致近地面風(fēng)速減小，加上秦嶺的阻隔使得關(guān)中地區(qū)風(fēng)速減小，并阻礙了關(guān)中地區(qū)大氣污染物向南擴(kuò)散，造成周至地區(qū)大氣擴(kuò)散能力弱，污染物容易累積，尤其在秋冬季節(jié)易形成污染天氣[12]。本文利用相關(guān)氣象資料(風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、降水)、空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)等，分析近五年周至縣重污染日(包括重度污染和嚴(yán)重污染)氣象條件，為重污染天氣的預(yù)報和服務(wù)提供參考。

1 資料選取

氣象相關(guān)數(shù)據(jù)為周至縣國家一般氣象站(34°08′N，108°12′E)2012年12月1日—2017年9月30日的日平均氣溫、每小時平均風(fēng)速、風(fēng)向及每小時累積降水量資料。

污染物(O3、CO、NO2、SO2、PM2.5和PM10)相關(guān)數(shù)據(jù)來自陜西省環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)自動監(jiān)測站點(diǎn)——周至站(該站點(diǎn)為省控站)2012年12月1日—2017年9月30日的逐日空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得出AQI指數(shù)日均值。

2 近五年空氣質(zhì)量基本特征

根據(jù)周至縣2012年1月1日—2017年9月30日的空氣質(zhì)量監(jiān)測資料統(tǒng)計，周至地區(qū)近五年月平均AQI指數(shù)變化呈現(xiàn)出明顯的U型特征，即兩邊高中間低?？傮w來看，6—10月均達(dá)到良的級別(AQI指數(shù)月平均值分別為74、79、80、79和99)，2、3、4、5、11、12月為輕度污染(AQI指數(shù)分別為140、129、104、107、112和139)，1月為中度污染(AQI指數(shù)為165)。1月污染情況最嚴(yán)重、11、 12月次之。這是由于冬季多穩(wěn)定類天氣，風(fēng)速小，逆溫頻繁且強(qiáng)度和厚度大，混合層高度低，同時降水少；因此大氣擴(kuò)散條件差，濕清除作用弱，使得污染得不到有效清除，累積作用明顯。加之，冬季采暖造成污染物排放量大。進(jìn)一步比較2012年至2016年周至冬季年平均AQI指數(shù)可以看出，2016年最高為207，達(dá)到重度污染， 2012、2013、2014、2015均為輕度污染(AQI指數(shù)分別為147、149、114和134)。

由表1可看出，周至縣近五年(共計2 100 d，有效數(shù)據(jù)1 995 d)優(yōu)良日數(shù)1 202 d，占總?cè)諗?shù)60%；輕度污染495 d，占25%，為春夏秋三季主要空氣質(zhì)量情況。夏季空氣質(zhì)量最優(yōu)，適合人們出行入山消暑。重度污染等級以上(包括重度污染和嚴(yán)重污染)日數(shù)共計119 d，共占6%，基本發(fā)生在冬季。冬季共計重污染以上日數(shù)93 d，其中2016年最為嚴(yán)重，高達(dá)42 d；春季次之，共計17 d；夏季無重度以上污染。

表1 2012年1月1日—2017年9月30日周至縣空氣質(zhì)量情況

3 重污染日氣象條件分析

進(jìn)一步對周至地區(qū)近五年間重污染日(包括重度污染和嚴(yán)重污染)，共計119 d的氣象條件進(jìn)行分析，以明確何種氣象條件會導(dǎo)致重污染天氣的發(fā)生和持續(xù)加重。

3.1 重污染日的風(fēng)速風(fēng)向特征

圖1 2012—2017年周至地區(qū)重污染日平均風(fēng)速頻率玫瑰圖

由圖1得知，周至縣在近五年重污染日的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠鞅憋L(fēng)(其中最多風(fēng)向?yàn)槲髌憋L(fēng)，次多風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)向頻率分別為36%和28%)。一方面，這與關(guān)中地區(qū)地形關(guān)系密切。在冬季，關(guān)中中東部地區(qū)近30 a近地層主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)[13]，而在關(guān)中西部(周至地區(qū))以偏西北風(fēng)為主，在盆地形成一個不利于污染物擴(kuò)散的輻合區(qū)，這種特殊的地形造成了周至地區(qū)冬季污染物易堆積、難擴(kuò)散。另一方面，重污染日風(fēng)速總體偏小，主要集中在0～3 m/s范圍內(nèi)，逆溫層維持，使得污染物在垂直方向的稀釋能力較弱，污染物易在近地層聚集。而隨著風(fēng)速的增加，垂直湍流運(yùn)動加強(qiáng)，PM2.5質(zhì)量濃度趨于降低。

3.2 相對濕度對空氣污染的影響

相對濕度也表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)變化趨勢，冬季寒冷干燥，相對濕度普遍較低。而近五年來，周至縣74%(88 d)的重污染天氣發(fā)生時相對濕度為60%～90%(表2)，反映出相對濕度在60%～90%之間是霧霾天氣發(fā)展和維持的重要條件。這是由于在高濕的情況下，顆粒物吸濕后，其消光系數(shù)會增加，使得大氣能見度更加惡化，且較高濕度在一定程度上會促進(jìn)顆粒物二次化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致更多的顆粒物生成，也使得空氣污染進(jìn)一步加重。

表2 2012—2017年周至重污染日的日平均相對濕度分段統(tǒng)計

3.3 氣溫對空氣污染的影響

表3為周至縣近五年來重污染日的日平均氣溫距平(即重污染日平均氣溫與當(dāng)月30 a氣候平均氣溫的差值)情況。重污染日中，36%的日平均氣溫比常年偏低0～1 ℃，而45.4%偏低2～4 ℃以上，18%偏低4 ℃以上。這是由于冬季霧霾的持續(xù)會造成太陽輻射減少，地面氣溫下降，而較低的地面氣溫會使得大氣層結(jié)中的逆溫現(xiàn)象更容易發(fā)生，造成大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物持續(xù)累積。由于天氣形勢穩(wěn)定、低空逆溫、冬季采暖等原因造成污染天氣較嚴(yán)重的情況。

表3 2012—2017年周至重污染日的日平均氣溫距平分段統(tǒng)計

3.4 降水對空氣污染的影響

近五年周至重污染日共計119 d，可分為43次過程，每次過程第一個重污染日前連續(xù)無降水天數(shù)大于等于10 d的重污染過程有18次， 連續(xù)無降水天數(shù)在2～10 d(不包含10 d)的重污染過程有20次，連續(xù)無降水天數(shù)在0～2 d(不包含2 d)的重污染過程只有5次。說明在天氣形勢穩(wěn)定、風(fēng)力不大、又無降水的情況下，局地排放的污染物不易擴(kuò)散，逐漸累積形成空氣污染。而連續(xù)多日無有效降水會導(dǎo)致重度空氣污染。當(dāng)有冷空氣到達(dá)時，伴隨有大風(fēng)或者降水，局地累積的空氣污染物迅速擴(kuò)散，使得空氣污染質(zhì)量濃度降低。

另外，對2012—2017年期間冬季降雨過程(共統(tǒng)計樣本23個)及其降水過程前后5 d的AQI指數(shù)對比(圖2)發(fā)現(xiàn)，與降水前相比，降水后AQI指數(shù)全部出現(xiàn)了不同幅度的下降，樣本4、12、16、21、22、23中的作用比較明顯。整體下降范圍為0～66.5%，平均下降幅度31%左右，說明降雨能夠有效降低空氣污染質(zhì)量濃度，改善空氣質(zhì)量。

3.5 氣象要素綜合條件對空氣污染的影響

從以上分析可以明顯看出，風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度、氣溫、降水等均與AQI指數(shù)有較好的相關(guān)性。重污染天氣發(fā)生時，排放是“元兇”，而氣象條件是“幫兇”。低風(fēng)速不利用污染物的擴(kuò)散，高濕度會促進(jìn)污染物中吸濕粒子的增長，降低能見度，同時促進(jìn)二次顆粒物的生成，加重污染。周至冬季盛行偏西北風(fēng)，西北方向?yàn)槊伎h、扶風(fēng)、岐山、陳倉和寶雞市，均是工業(yè)化主導(dǎo)縣區(qū)市，造成污染物輸入。冬季穩(wěn)定類天氣多，風(fēng)速小，逆溫頻繁且強(qiáng)度和厚度大，混合層高度低，因此大氣擴(kuò)散條件差；連續(xù)的無降水也使得空氣中的污染物得不到有效沖刷，濕清除作用弱；加之，偏西北風(fēng)帶來的污染物輸入，以及采暖污染物排放量大，易造成大氣污染物堆積。總之，重污染天氣的發(fā)生與氣象條件息息相關(guān)。

圖2 2012—2016年冬季周至歷次降水情況(樣本共23個)與降水前后5 d平均AQI指數(shù)對比圖

4 結(jié)論

根據(jù)2012—2017年對周至縣主要污染特征，以及各主要相關(guān)氣象要素與污染之間的關(guān)系的分析，得到以下結(jié)論。

(1)近五年周至地區(qū)AQI指數(shù)季節(jié)變化呈明顯U型趨勢，冬季空氣污染情況最為嚴(yán)重，且AQI指數(shù)呈現(xiàn)逐年增長趨勢；春秋季次之，夏季未出現(xiàn)重度以上污染。

(2)冬季天氣形勢穩(wěn)定、風(fēng)速較小，混合層高度低，垂直湍流運(yùn)動較弱，加上受地形阻擋的影響，污染物不易擴(kuò)散；重污染出現(xiàn)前多日無降水，日平均氣溫偏低，使得大氣污染物不斷累積。周至縣冬季重污染日盛行偏西北風(fēng)，加大了西北方向工業(yè)化主導(dǎo)縣外來污染物的輸入；且重污染日風(fēng)速總體偏小，同時相對濕度較高，顆粒物吸濕性增長促進(jìn)顆粒物二次生成，造成污染情況加重。

(3)降雨能夠使AQI指數(shù)降低達(dá)3成左右，表明冬季當(dāng)有冷空氣到達(dá)時，伴隨的大風(fēng)、降雨天氣，使得污染物得到有效沖刷，降低空氣污染質(zhì)量濃度，改善空氣質(zhì)量。