張戈一 茍家滿
(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100053)
近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的緊迫發(fā)展、城市化進(jìn)程的加速發(fā)展、能源行業(yè)的發(fā)展和交通工具使用范圍的加大,大氣污染日益嚴(yán)重,造成污染性的天氣也越來越復(fù)雜,尤其在以京津冀地區(qū)為首的多維度下的污染日益突顯,造成霾現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生[1,2]。從1950年到2000年的近50年的時(shí)間里,中國年平均霾日數(shù)呈增多趨勢,特別是2008年—2018年這10年以來霾日數(shù)量增長趨向明顯[3,4],而且這種增長的趨勢很有可能繼續(xù)延續(xù)下去。
北京市是地處于華北大平原的靠北地區(qū)。西北由于有山脈的影響,所以地勢比較高,因此相比較而言東南方向的區(qū)域比較低。北京市東南方向與天津北部經(jīng)濟(jì)中心相互接壤,其余部分均被河北省包圍,處于河北包圍范圍的中心地區(qū)。北京市的面積雖然并不大,但是北京市的人口數(shù)量非常多,與其他經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家一樣,在首都由于人類活動(dòng)的旺盛,造成的影響相對來說也比全國內(nèi)其他區(qū)域的要大。
1)中國氣象數(shù)據(jù)中心提供的氣象數(shù)據(jù);
2)天氣后報(bào)網(wǎng)提供的歷史天氣日值數(shù)據(jù);
3)水利部信息中心提供的地下水月報(bào);
4)國家統(tǒng)計(jì)局提供的中國各城市2008年—2018年統(tǒng)計(jì)年鑒。
本文選取了北京市氣象站(54511)2017年1月~12月日值數(shù)據(jù)。天氣后報(bào)網(wǎng)站中包括了中國各個(gè)省市的歷史天氣,其中包括天氣狀況,風(fēng)力風(fēng)向,溫度,AQI數(shù)值。數(shù)據(jù)處理過程:本文中需要采用的各種數(shù)據(jù),均需處理后使用。降雨量,篩選出54511氣象站的降雨量數(shù)據(jù),對于有微量降雨無法計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù),均用小于1 mm來替代。蒸發(fā)量,蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)是小型和大型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)數(shù)據(jù)量,使用該數(shù)據(jù)是為了測定北京市水面蒸發(fā)的折算系數(shù)。最高溫度,最低溫度,用于計(jì)算日平均氣溫,用二者的平均值代替日平均氣溫。風(fēng)向數(shù)據(jù),用數(shù)字代替各種風(fēng)向,將數(shù)字還原成風(fēng)向后,用風(fēng)向數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)圖。水利部提供的地下水動(dòng)態(tài)月報(bào)中,里面包含了每個(gè)月地下水位的等值線圖,從圖中讀取地下水的平均值作為實(shí)際地下水位。
由于北京市所處的地理位置,降雨是一種能夠有效降低空氣中各種污染物的手段。雨水結(jié)合空氣中各種污染物降落到地面,使空氣中的污染物得到自然凈化,所以降雨對減少污染物和抑制揚(yáng)塵有很好的作用。而降雨過后產(chǎn)生的效果也非常好,空氣質(zhì)量在降雨當(dāng)天以及降雨過后都保持了非常低的水平(見圖1)。
通過擬合出的公式可以看出來,降雨量和AQI值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),也就是說隨著降雨量的增加,在降雨過程中,雨滴可以不斷地將大氣中的微粒俘獲、溶解或沖刷下來,帶走和稀釋了空氣中的污染物,有效地降低大氣污染物的濃度,而降雨量的減少,也會(huì)導(dǎo)致空氣中污染物顆粒的富存,在北京,長達(dá)150 d的無降雨記錄也是造成空氣質(zhì)量變差的原因之一。通常,雨滴的作用是可以兼并粒子直徑相對較大的氣溶膠粒子,通過雨滴所進(jìn)行的俘獲作用,使得空氣中的氣溶膠減少,從而導(dǎo)致了AQI值將會(huì)降低,空氣質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)的變好。
平均溫度相對較高的季節(jié),由于溫度影響了大氣層的活性,不容易形成逆溫層且逆溫層的生成存在時(shí)間較短,而且大氣相對流動(dòng)比較強(qiáng),空氣質(zhì)量較好;而溫度較低的季節(jié),大氣層活性較低,形成的氣溫逆層長時(shí)間不會(huì)消失,并且由于這種方式的影響,會(huì)影響了空氣的流動(dòng)性,這種長時(shí)間的逆溫層的存在并不利于污染物的擴(kuò)散,所以也就易造成空氣污染(見圖2)。
北京西北部為山脈,春季、夏季、秋季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng),容易造成污染物在平原地區(qū)匯集,冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng),但風(fēng)力往往不足以將冬季燃煤等產(chǎn)生的大量污染擴(kuò)散出去。
通過圖3中的關(guān)系我們可以看到風(fēng)速越大,空氣質(zhì)量指數(shù)越低,空氣質(zhì)量越好,風(fēng)速越小,空氣指數(shù)越高,空氣質(zhì)量越差。風(fēng)對空氣質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)會(huì)影響大氣流動(dòng),風(fēng)的形成是由于氣壓差,風(fēng)的流動(dòng)方向也是由高氣壓方向流向低氣壓方向。在風(fēng)的運(yùn)動(dòng)過程中,風(fēng)會(huì)攜帶北京市的污染物質(zhì),移動(dòng)到其他位置。風(fēng)對空氣質(zhì)量的影響是物理作用,運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長,所攜帶的量越多,空氣質(zhì)量越好。
對于空氣濕度的研究,分為兩個(gè)部分研究,第一有降水日下空氣濕度的研究,空氣濕度與空氣質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)的關(guān)系;第二篩選出無雨雪日以及雨雪日之后1 d的空氣質(zhì)量,因?yàn)榍拔闹幸呀?jīng)提到,降水與空氣質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。除此之外,還應(yīng)該篩選出風(fēng)速較大的日子,以北京市的地質(zhì)條件,污染物在風(fēng)速較大的情況下,容易被風(fēng)帶走,從而影響了空氣質(zhì)量。結(jié)果如圖4所示,從圖4中可以看出來,在無降雨日和大風(fēng)天氣的影響下,空氣濕度和AQI顯著性檢驗(yàn)有意義,通過曲線擬合,可以看到相對濕度和AQI呈正相關(guān)關(guān)系,說明在靜風(fēng)無雨水干擾的情況下,空氣濕度越大,空氣質(zhì)量越差,空氣濕度越小,空氣質(zhì)量越好。
將北京市2017年的每日平均本站氣壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知,全年平均本站氣壓為1 013.1 hPa,其中冬季的平均氣壓為1 023.9 hPa,春季為1 010.4 hPa,夏季為1 002.0 hPa,秋季為1 016.3 hPa。夏季氣壓較低,空氣質(zhì)量較好,冬季氣壓較高,空氣質(zhì)量相對較差,就季度氣壓平均值與空氣質(zhì)量而言,兩者呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)樵谙募練鈮狠^低的時(shí)候,大氣層容易發(fā)生對流,而對流越強(qiáng),空氣的自凈能力也就越強(qiáng),空氣質(zhì)量也就會(huì)越好;相反,大氣壓越低,對流緩慢導(dǎo)致了污染物不易擴(kuò)散,滯留等現(xiàn)象,造成空氣污染。但是日均氣壓與AQI值并不具有相關(guān)關(guān)系。說明氣壓與空氣質(zhì)量之間具有更復(fù)雜的關(guān)系,并不是簡單直接的線性關(guān)系(如圖5所示)。
本文主要通過對各種氣象要素(降雨量、風(fēng)速風(fēng)向、空氣濕度、日平均溫度、氣壓)和空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)降雨量、風(fēng)速、空氣濕度和AQI直接相關(guān),具有線性關(guān)系,降雨量、風(fēng)速以及日照時(shí)間和AQI呈負(fù)相關(guān)。其他因素諸如日照時(shí)間、日平均溫度、日氣壓等,均與AQI具有更為復(fù)雜的關(guān)系。在這之中,空氣濕度對AQI的影響系數(shù)比較大,其線性關(guān)系的擬合程度比較高,比較具有研究的價(jià)值。