1981～2017 年四川省大氣自凈能力變化特征分析

羅 玉,陳 超,張?zhí)煊?馬振峰,甘薇薇,劉 博 (1.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所,高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 61007；.四川省氣候中心,四川 成都 61007；.重慶市涪陵區(qū)氣象局,重慶 涪陵 08000；.中國(guó)人民解放軍7809 部隊(duì),四川 成都 61006)

空氣質(zhì)量受自然和人類因素共同作用,當(dāng)外界污染物排放量比較穩(wěn)定時(shí),空氣污染的程度和變化特征主要取決于氣象因素,一旦出現(xiàn)不利擴(kuò)散的靜穩(wěn)天氣條件,就很容易發(fā)生大氣重污染[1-3].在不同的氣象條件下,同一污染源排放造成的大氣污染濃度相差較大,大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力隨著氣象條件的不同而變化.近年來(lái)根據(jù)大氣自身所具有的對(duì)大氣污染物的通風(fēng)稀釋和濕清除能力建立的大氣自凈能力指數(shù)在大氣污染防控措施效果評(píng)估和大氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)方面有較好的應(yīng)用[3-4].已有許多學(xué)者開(kāi)展不同區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)的相關(guān)研究.重慶主城區(qū)秋冬季大氣自凈能力較弱,不利于大氣污染物的清除,此外研究還表明大氣自凈能力指數(shù)對(duì)空氣質(zhì)量具有較好的指示意義[5].天津大氣自凈能力與PM2.5相關(guān)關(guān)系較好,重污染事件大多發(fā)生在低大氣自凈能力時(shí)[6].黑龍江省春季大氣自凈能力最高,秋季次之,冬季最低,大氣自凈能力與AQI 呈顯著的負(fù)相關(guān)[7].京津冀周邊地區(qū)城市大氣自凈能力指數(shù)能夠很好地反應(yīng)空氣污染的氣象特征[8].

四川省位于中國(guó)西南腹地,地處青藏高原東部、長(zhǎng)江上游,主要由川西高原、攀西山地和四川盆地組成,地形復(fù)雜.特別是四川盆地作為我國(guó)四大霾區(qū)之一[9],區(qū)域內(nèi)大氣層結(jié)穩(wěn)定,易出現(xiàn)逆溫和靜風(fēng)的現(xiàn)象,人口密度大,機(jī)動(dòng)車保有量高,工業(yè)發(fā)展快[10],在過(guò)去幾十年空氣質(zhì)量持續(xù)惡化.截止目前,針對(duì)四川省大氣環(huán)境承載力的研究并不多,王涵瑾等[11]的研究指出成都市夏季環(huán)境容量最大,冬季環(huán)境容量較少,季節(jié)內(nèi)的大氣環(huán)境容量差別主要源于濕降沉在年內(nèi)的分布不均.陳云強(qiáng)等[12]通過(guò)研究川南經(jīng)濟(jì)區(qū)不同污染物的大氣環(huán)境容量得到氣態(tài)污染物大氣環(huán)境容量高于顆粒物大氣環(huán)境容量.目前從長(zhǎng)期演變規(guī)律角度來(lái)研究四川省大氣污染氣象條件的工作較少涉及,本文將基于對(duì)大氣環(huán)境容量估算方法加以完善的大氣自凈能力指數(shù)[3]對(duì)四川省大氣自凈能力指數(shù)的長(zhǎng)期變化規(guī)律及其與污染天氣的關(guān)系進(jìn)行深入研究,以期為四川省大氣污染潛勢(shì)預(yù)報(bào)以及空氣污染防治提供科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

1.1 資料選取

本文資料來(lái)源于1981～2018 年四川省38 個(gè)國(guó)家氣象站的每日14:00(北京時(shí))的風(fēng)速、總云量、低云量和逐日降水量資料,所有資料均經(jīng)過(guò)了四川省氣象信息中心的質(zhì)控檢驗(yàn).此外,還使用了來(lái)源于四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)站的2017 年1 月成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).本文冬季指當(dāng)年12 月～次年2 月,氣候態(tài)取1981～2010 年平均值.

1.2 大氣自凈能力指數(shù)計(jì)算方法

本文參考朱蓉等[3]給出的大氣自凈能力指數(shù)的定義和計(jì)算方法,該指數(shù)暫不考慮大氣湍流擴(kuò)散和干沉降作用,指數(shù)包括由于大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)污染物的通風(fēng)稀釋作用和降水對(duì)污染物的濕清除作用,可以較好地定量表達(dá)大氣污染氣象條件,大氣自凈能力指數(shù)數(shù)值越大,表示大氣對(duì)污染物的清除能力較強(qiáng);反之,表示大氣自凈能力弱.在Cs為PM2.5達(dá)標(biāo)濃度0.075mg/m3的約束條件下,大氣自凈能力指數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:ASI 為大氣自凈能力指數(shù),t/(d?km2);Wr為雨洗常數(shù),取6×105;R 為降水率,即單位時(shí)間內(nèi)的降水量,mm/d; S 為面積,統(tǒng)一取值100km2;VE為通風(fēng)量,代表大氣對(duì)污染物的通風(fēng)擴(kuò)散能力,m2/s.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:u 為近地面風(fēng)速,隨距離地面高度增加而變化,m/s; H 為混合層高度,m;主要與大氣穩(wěn)定度等級(jí)以及地面風(fēng)速有關(guān).計(jì)算大氣通風(fēng)量根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 13201- 91)[13],綜合考慮大氣環(huán)境功能分區(qū)、太陽(yáng)輻射高度角、斯奎爾大氣穩(wěn)定度等級(jí)、混合層高度.

1.3 研究區(qū)域

由于四川省特殊的地形特征,下墊面情況復(fù)雜,本文選取3 個(gè)不同的典型區(qū)域,來(lái)分析大氣自凈能力指數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì),本文分析的3 個(gè)區(qū)域分別位于:1)川西高原(石渠、德格、巴塘、色邊、甘孜、新龍、道孚、理塘、稻城、康定、九龍、若爾蓋、紅原、馬爾康、小金、松潘);2)攀西地區(qū)(木里、鹽源、西昌、會(huì)理、昭覺(jué)、越西、雷波);3)四川盆地(萬(wàn)源、達(dá)川、巴中、閬中、廣元、高坪、遂寧、綿陽(yáng)、都江堰、溫江、樂(lè)山、雅安、峨眉山、宜賓、納溪).

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣自凈能力指數(shù)的空間分布及季節(jié)變化

如圖1a 所示,1981～2017 年四川省大氣自凈能力指數(shù)的分布形勢(shì)以川西高原北部的石渠、川西高原南部的九龍、康定,攀西地區(qū)的鹽源,盆地西南部的峨眉山的大氣自凈能力為較好到好(大氣自凈能力指數(shù)處于高值,在4～7t/(d?km2)),其次是川西高原北部的若爾蓋以及川西高原南部的稻城、攀西地區(qū)的木里大氣自凈能力處于正常(大氣自凈能力指數(shù)處于中值,在3.5～3.9t/(d?km2)),省內(nèi)其余地區(qū)大氣自凈能力較差到差(大氣自凈能力指數(shù)處于低值,在0.5～3.4t/(d?km2)),特別是四川盆地大部區(qū)域大氣自凈能力最差,這些區(qū)域處于西藏高原以西、云貴高原陰暗、秦巴山脈以東,海拔高度落差大(1000～4000m),受偏北的冬季風(fēng)環(huán)流以及西南夏季風(fēng)環(huán)流影響小,處于背風(fēng)死水區(qū),常年維持小風(fēng)和靜風(fēng),因此大氣自凈能力最差[3].年大氣自凈能力指數(shù)的空間分布差異與混合層厚度以及風(fēng)速的空間分布密切相關(guān),平均風(fēng)速越大,混合層得以充分發(fā)展,大氣通風(fēng)擴(kuò)散能力增強(qiáng),大氣自凈能力較好,風(fēng)速的大值區(qū)域同時(shí)也是混合層厚度的高值區(qū),分布在川西高原的北部以及南部、攀西地區(qū)西部(圖略).圖1b～圖1e 為四川省大氣自凈能力指數(shù)季節(jié)平均后的空間分布,大氣自凈能力指數(shù)的中心大值區(qū)域呈現(xiàn)各自區(qū)域的季節(jié)變化.春季,川西高原北部以及南部、攀西地區(qū)大部大氣自凈能力較好到好,高值中心位于攀西地區(qū)的鹽源,大氣自凈能力指數(shù)為7.67t/(d?km2),這些區(qū)域春季多大風(fēng)天氣,省內(nèi)其余地區(qū)大氣自凈能力較差到差.夏季以及秋季,四川省大氣自凈能力指數(shù)的區(qū)域分布特征發(fā)生變化,大氣自凈能力較好到好的區(qū)域顯著縮小,主要集中在川西高原南部的康定、九龍以及盆地西南部的峨眉山.冬季,大氣自凈能力指數(shù)高值區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大,延伸至攀西地區(qū)西部,川西高原北部的石渠大氣自凈能力變好,注意到大氣自凈能力指數(shù)的低值區(qū)范圍較其他三個(gè)季節(jié)明顯擴(kuò)大,大值中心位于四川盆地東北部的巴中,其次位于四川盆地南部的宜賓.

圖1 1981～2017 年四川省平均以及季節(jié)平均大氣自凈能力指數(shù)空間分布Fig.1 Annual mean and seasonal mean atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province for the period 1981～2017

2.2 大氣自凈能力指數(shù)的空間分布的月變化

圖2 為四川省大氣自凈能力指數(shù)月平均后的空間分布,1 月高值區(qū)主要集中在攀西地區(qū)以及盆地的峨眉山.2～3 月大氣自凈能力指數(shù)高值區(qū)范圍開(kāi)始擴(kuò)展、瓦解,并達(dá)到峰值,主要集中在川西高原的西北部以及南部、攀西地區(qū).4 月大氣自凈能力指數(shù)高值區(qū)范圍開(kāi)始縮小至川西高原南部至攀西地區(qū)以及盆地的峨眉山.5 月大氣自凈能力指數(shù)高值區(qū)范圍進(jìn)一步縮小至川西高原南部及盆地的峨眉山.6～10 月大氣自凈能力指數(shù)高值中心范圍縮小至川西高原南部的康定、九龍以及盆地的峨眉山.11～12 月大氣自凈能力指數(shù)高值中心變?yōu)榇ㄎ鞲咴辈康氖约按ㄎ鞲咴喜康目刀?、九龍以、盆地的峨眉?

圖2 1981～2017 年四川省逐月平均大氣自凈能力指數(shù)空間分布Fig.2 Monthly mean atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province for the period 1981～2017

2.3 大氣自凈能力指數(shù)的空間分布的年代際及其趨勢(shì)變化

圖3 為1981～2017 年四川省各年代平均大氣自凈能力指數(shù)空間分布.可以看出,自20 世紀(jì)80 年代以來(lái),川西高原北部,川西高原南部、攀西地區(qū)西部至盆地的峨眉山一帶高值區(qū)域面積隨年代變化整體呈下降趨勢(shì),對(duì)大氣污染物的清除能力變差,而主要集中在盆地的低值區(qū)范圍面積自20 世紀(jì)80 年代至20 世紀(jì)90 年代隨年代開(kāi)始逐漸擴(kuò)大,之后隨年代開(kāi)始縮小,在2011～2017 年低值區(qū)范圍達(dá)到最小.分別對(duì)38 個(gè)氣象站1981～2017 年的大氣自凈能力指數(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析,圖4 為大氣自凈能力指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布,自1981～2000 年四川省大氣自凈能力指數(shù)主要呈下降趨勢(shì),1981～1990 年,下降趨勢(shì)顯著的區(qū)域主要集中在川西高原,1990～2000年,下降趨勢(shì)顯著的區(qū)域主要集中在川西高原以及攀西地區(qū).自2001～2017 年,四川省大氣自凈能力指數(shù)主要呈上升趨勢(shì),2001～2010 年,上升趨勢(shì)顯著的區(qū)域主要集中在川西高原,2011～2017 年,上升趨勢(shì) 顯著的區(qū)域主要集中在盆地地區(qū).

圖3 1981～2017 年四川省4 個(gè)時(shí)期的平均大氣自凈能力指數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of annual mean atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province during four periods

圖4 1981～2017 年四川省4 個(gè)時(shí)期大氣自凈能力指數(shù)線性趨勢(shì)空間分布Fig.4 Spatial distribution of annual mean atmospheric self-cleaning ability index trends over Sichuan Province during four periods

2.4 大氣自凈能力指數(shù)的的長(zhǎng)期變化特征

2.4.1 大氣自凈能力指數(shù)的年際和年代際變化特征 1981～2017 年四川省平均大氣自凈能力指數(shù)呈減小趨勢(shì),氣候傾向率為-0.2t/(d?km2?10a).自20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)初,大氣自凈能力指數(shù)呈減弱趨勢(shì),自2002～2017 年轉(zhuǎn)為增強(qiáng)趨勢(shì),其中在1981、1984 年大氣自凈能力指數(shù)最強(qiáng),為3.2t/(d?km2),在2002 年大氣自凈能力指數(shù)最弱,為2t/(d?km2)(圖5a).從川西高原、攀西地區(qū)多年變化趨勢(shì)來(lái)看,主要呈減弱、減弱趨 勢(shì),氣候 傾 向率分 別 為-0.3t/(d?km2?10a)、-0.3t/(d?km2?10a)、四川盆地多年變化趨勢(shì)不顯著,并且注意到,以上三個(gè)區(qū)域的階段性變化特征與四川省大氣自凈能力指數(shù)變化特征較為一致,表現(xiàn)為自1981～2002年為減弱趨勢(shì),之后轉(zhuǎn)為增強(qiáng)趨勢(shì)(圖5b).從逐年代變化來(lái)看(圖6),四川省大氣自凈能力指數(shù)自20 世紀(jì)80年代至21 世紀(jì)00 年代具有明顯的年代際減弱趨勢(shì),20 世紀(jì)80 年代大氣自凈能力指數(shù)均大于氣候平均值(1981～2010 年),自20 世紀(jì)90 年代至21 世紀(jì)00年代大氣自凈能力指數(shù)均小于氣候平均值,之后轉(zhuǎn)為增強(qiáng)趨勢(shì),但仍小于氣候平均值.川西高原與攀西地區(qū)的大氣自凈能力指數(shù)年代際變化趨勢(shì)較為相似,自20世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)00 年代為減弱趨勢(shì),在21 世紀(jì)00 年代達(dá)到最低,之后轉(zhuǎn)為增強(qiáng),并均高于氣候平均值.從盆地年代際變化來(lái)看,在20 世紀(jì)80 年代至90年代為減弱趨勢(shì),之后至21 世紀(jì)00 年代為增強(qiáng)趨勢(shì),2011年以后又轉(zhuǎn)為減弱趨勢(shì),且各年代均值均小于氣候平均值.

圖5 1981～2017 年四川省及不同區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)的逐年變化Fig.5 Annual change of atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

圖6 1981～2017 年四川省及不同區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)逐年代變化Fig.6 Decadal change of atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

圖7 1981～2017 年四川省及不同區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)季節(jié)變化Fig.7 Seasonal change of atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

2.4.2 大氣自凈能力指數(shù)的季節(jié)變化特征 從全省及分區(qū)域平均大氣自凈能力指數(shù)的季節(jié)變化來(lái)看(圖7a～圖7d),全省及區(qū)域的大氣自凈能力指數(shù)的階段變化較為相似,且與各自的年變化趨勢(shì)較為一致,均呈現(xiàn)出自20 世紀(jì)80 年代到20 世紀(jì)00 年代初期為減弱趨勢(shì),之后轉(zhuǎn)為增強(qiáng)的趨勢(shì).對(duì)于全省以及川西高原、攀西地區(qū)不同年代均是春季大氣自凈能力最強(qiáng),冬季次之,夏秋季較弱.四川盆地是春季大氣自凈能力最強(qiáng),夏季次之,秋冬季較弱.分區(qū)域來(lái)看,大氣自凈能力最強(qiáng)出現(xiàn)在各區(qū)域的春季與大氣通風(fēng)量有關(guān),各區(qū)域春季多大風(fēng)天氣,混合層得以充分發(fā)展,大氣通風(fēng)擴(kuò)散能力增強(qiáng),所以大氣自凈能力強(qiáng).川西高原以及攀西地區(qū)冬季通風(fēng)量較夏、秋季大,大氣自凈能力較強(qiáng),注意到,雖夏季降水日數(shù)多,但量級(jí)較小,不足以彌補(bǔ)降水情況下因云量增多,風(fēng)力減弱對(duì)大氣自凈能力的負(fù)貢獻(xiàn),最終導(dǎo)致大氣自凈能力較弱.四川盆地夏季大氣自凈能力僅此于春季,與盆地夏季受孟加拉灣西南氣流影響有關(guān),造成盆地多雨水天氣,特別是中雨以上日數(shù)增多,區(qū)域內(nèi)具有一定的降水清除能力,對(duì)空氣凈化效果明顯;在秋冬季,盆地多靜風(fēng)或小風(fēng)天氣,且秋冬季太陽(yáng)輻射較弱,湍流也較弱,降水偏少,大氣自凈能力相對(duì)較弱.

2.5 氣象要素與大氣自凈能力指數(shù)的關(guān)系

2.5.1 降水 降水對(duì)空氣中的污染物具有一定的沖刷和濕沉降作用.將1981～2017 年四川省大氣自凈能力指數(shù)按降水日數(shù)與非降水日數(shù)進(jìn)行分類,可以看出,降水日數(shù)出現(xiàn)頻率為40.9%,降水日平均大氣自凈能力指數(shù)為1.8t/(d?km2),小于非降水日數(shù)的2.31.8t/(d?km2),說(shuō)明雖然降水在一定程度上對(duì)污染物有沖刷稀釋作用,增強(qiáng)了大氣自凈能力,但降水過(guò)程往往伴隨著陰云密布,導(dǎo)致太陽(yáng)輻射等級(jí)降低,從而是大氣穩(wěn)定度趨于穩(wěn)定,大氣通風(fēng)量減小,最終使得大氣自凈能力降低.

根據(jù)四川省對(duì)區(qū)域降水的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)《四川省地方標(biāo)準(zhǔn)-天氣術(shù)語(yǔ)》 (DB51/T580-2006)[14],將四川省分為三個(gè)區(qū)域,區(qū)域一為四川盆地和攀西地區(qū)、區(qū)域二為川西高原的甘孜州、區(qū)域三為川西高原的阿壩州;分別對(duì)以上三個(gè)區(qū)域按照日降水量級(jí)、降水性質(zhì)分為4 個(gè)級(jí)別進(jìn)行分析,分別為小雨、中雨、大雨、暴雨及以上.由表1 可知,針對(duì)不同區(qū)域,近37 年四川盆地、攀西地區(qū)、甘孜州以及阿壩州各級(jí)別降水對(duì)應(yīng)的平均大氣自凈能力指數(shù)排序分別為小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、中雨＜大雨＜小雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨,其中甘孜州的大氣自凈能力指數(shù)較其他區(qū)域不同在于中雨的大氣自凈能力指數(shù)最小,而小雨的大氣自凈能力指數(shù)僅次于暴雨,可能與該區(qū)域持續(xù)性的小雨日數(shù)對(duì)大氣自凈能力貢獻(xiàn)較大相關(guān).綜上可以看出,降水對(duì)污染物的稀釋沖刷能力一般隨著降水量級(jí)的增大而增大,當(dāng)量級(jí)為中到暴雨及以上以及連續(xù)的降水對(duì)空氣質(zhì)量的改善有顯著影響,弱降水對(duì)空氣質(zhì)量的改善較弱,這與以往的研究較為一致[15].

表1 分區(qū)域各級(jí)別降水對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)頻率、大氣自凈能力指數(shù)(%、t/(d?km2))Table.1 The frequency of precipitation and the atmospheric self-cleaning ability index in different levels over different regions(%、t/(d?km2))

2.5.2 風(fēng)速 風(fēng)速是影響大氣自凈能力的重要因素,風(fēng)力條件可以反映大氣穩(wěn)定度的變化,從而可以間接的反映大氣的自凈能力.從動(dòng)力條件來(lái)看,風(fēng)通過(guò)搬運(yùn)的作用,將局地污染物輸送到其他區(qū)域或高度與空氣充分混合,最終使得污染物得以稀釋,空氣質(zhì)量得到改善[17].已有研究表明,1961～2014 年中國(guó)年平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì),大約每10a 減小0.18m/s[18].近37a(1981～2017 年)四川省平均風(fēng)速總體呈減小趨勢(shì),氣候傾向率為0.03m/(s?10a),全省以及川西高原、攀西地區(qū)、盆地年平均風(fēng)速(圖8a)與對(duì)應(yīng)的大氣自凈能力變化趨勢(shì)較為一致,相關(guān)系數(shù)分別為0.83、0.95、0.93 以及0.87,均通過(guò)0.001 顯著性檢驗(yàn),表明風(fēng)速大則大氣自凈能力較強(qiáng);從通風(fēng)量的變化趨勢(shì)得出全省以及川西高原、攀西地區(qū)、盆地通風(fēng)量與大氣自凈能力呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖8b),說(shuō)明隨著風(fēng)速的增大,混合層厚度得以發(fā)展,大氣通風(fēng)擴(kuò)散能力增強(qiáng),大氣自凈能力較強(qiáng);將日平均風(fēng)速≤2m/s 為小風(fēng)日,日平均風(fēng)速≥2.5m/s 為風(fēng)速較大日,經(jīng)分析全省以及各區(qū)域的小風(fēng)日數(shù)以及風(fēng)速較大日數(shù)與大氣自凈能力呈顯著的反相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系(圖8c～圖8d),當(dāng)小風(fēng)日數(shù)增多時(shí),大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,大氣自凈能力變差,導(dǎo)致污染物的快速堆積,從而造成污染天氣的形成,當(dāng)較大風(fēng)日數(shù)增多時(shí),使得大氣水平擴(kuò)散能力增強(qiáng),大氣自凈能力變好.通過(guò)進(jìn)一步分析全省川西高原、攀西地區(qū)、盆地四季的平均風(fēng)速、通風(fēng)量以及小風(fēng)日數(shù)、風(fēng)速較大日數(shù)與大氣自凈能力的關(guān)系,亦得到以上同樣結(jié)論(圖略).

2.5.3 混合層厚度 混合層厚度表征了污染物在垂直方向被熱力湍流稀釋的范圍,大氣混合層厚度越高,越有利于污染物的垂直擴(kuò)散和稀釋[13,26].從14:00 時(shí)全省以及各區(qū)域年混合層厚度變化特征可以看出(圖9),四川省、盆地混合層厚度均呈線性增高趨勢(shì),川西高原、攀西地區(qū)混合層厚度均呈線性降低趨勢(shì),但其年代際變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)自1981～2002年為降低趨勢(shì),自2003～2017 年轉(zhuǎn)為增高趨勢(shì).四川省、川西高原、攀西地區(qū)以及盆地年均混合層厚度分別為821.3m、892m、965.2m、678.9m,年際變化幅度在737.6～929.9m、822.3～965.5m、836.1～1073m、601.4～825.2m.計(jì)算四川省、川西高原、攀西地區(qū)以及盆地年混合層厚度與大氣自凈能力指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.61、0.85、0.82、0.72,均通過(guò)0.001 顯著性檢驗(yàn),兩者為顯著的正相關(guān)關(guān)系,從圖9 不難發(fā)現(xiàn),隨著混合層厚度的降低,大氣趨于穩(wěn)定,大氣自凈能力變差,隨著混合層厚度的升高,大氣垂直擴(kuò)散范圍變大,大氣自凈能力變好.

圖8 1981～2017 年四川省及不同區(qū)域平均風(fēng)速、小風(fēng)日數(shù)、日平均風(fēng)速≥2.5m/s 日數(shù)、通風(fēng)量的逐年變化特征Fig.8 Annual change of average wind speed, light wind days,days with daily average wind speed(＞2.5m/s) and annual average ventilation rate over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

圖9 1981～2017 年四川省及不同區(qū)域混合層厚度的逐年變化特征Fig.9 Annual change of atmospheric mixing layer thickness over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

2.6 個(gè)例分析

以成都為例,根據(jù)四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)站逐日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),2017 年1 月成都市出現(xiàn)多次持續(xù)性污染天氣(圖10),根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3015-2012)[19],期間出現(xiàn)了24d 輕度及以上天氣(占77%),15d 中度污染及以上天氣(占48%),重度至嚴(yán)重污染的天氣有13d(占42%).重度污染時(shí)段(300≥AQI≥201)出現(xiàn)在2017 年1 月1～6 日以及1 月22～28 日,大氣自凈能力指數(shù)基本小于1t/(d?km2)左右,特別是當(dāng)AQI為308時(shí),大氣自凈能力指數(shù)僅為0.2t/(d?km2).當(dāng)空氣質(zhì)量為優(yōu)至 良 時(shí)(100≥AQI≥0),大 氣 自 凈 能 力 指 數(shù) 基 本 在1.5～3t/(d?km2)左右.當(dāng)大氣自凈能力指數(shù)較小時(shí),大氣擴(kuò)散能力弱,不利于污染物的清除擴(kuò)散,AQI 較高;當(dāng)大氣自凈能力指數(shù)較大時(shí),則利于污染物的通風(fēng)擴(kuò)散和降水清除能力.以上,說(shuō)明大氣自凈能力指數(shù)可以部分表征大氣擴(kuò)散條件的優(yōu)劣,對(duì)預(yù)報(bào)和評(píng)估大氣污染潛勢(shì)有重要的指示意義.

圖10 2017 年1 月成都市大氣自凈能力指數(shù)與AQI 逐日變化Fig.10 Daily evolution for the atmospheric self-cleaning ability index and AQI of Chengdu city in January 2017

3 結(jié)論

3.1 研究時(shí)段內(nèi)四川省大氣自凈能力指數(shù)的分布形勢(shì)以川西高原北部、川西高原南部、攀西地區(qū)、盆地西南部大氣自凈能力為較好到好,省內(nèi)其余大部地區(qū)大氣自凈能力較差到差,特別是四川盆地大部區(qū)域大氣自凈能力最差.大氣自凈能力指數(shù)季節(jié)空間分布特征歸納為,春季大氣自凈能力指數(shù)高值區(qū)集中在川西高原北部、川西高原南部以及攀西地區(qū)、盆地西南部;夏秋季高值區(qū)縮小至在川西高原南部以及盆地西南部;冬季高值區(qū)集中在川西高原北部部分地區(qū)、川西高原南部、攀西西部以及盆地西南部.

3.2 自20 世紀(jì)80 年代以來(lái),川西高原北部,川西高原南部、攀西地區(qū)西部至盆地西南部一帶高值區(qū)域面積隨年代變化整體呈下降趨勢(shì),而主要集中在盆地的低值區(qū)范圍面積自20 世紀(jì)80 年代至20 世紀(jì)90 年代隨年代開(kāi)始逐漸擴(kuò)大,之后隨年代開(kāi)始縮小.

3.3 1981～2017 年四川省平均大氣自凈能力指數(shù)呈減小趨勢(shì),氣候傾向率為-0.2t/(d?km2?10a).川西高原、攀西地區(qū)多年變化趨勢(shì)主要呈減弱、減弱趨勢(shì),氣 候 傾 向 率 分 別 為-0.3t/(d?km2?10a) 、 -0.3t/(d?km2?10a),四川盆地多年變化趨勢(shì)不顯著.分季節(jié)來(lái)看,全省及區(qū)域的大氣自凈能力指數(shù)的階段變化與各自的年變化趨勢(shì)一致.

3.4 近37 年四川省降水日的平均大氣自凈能力指數(shù)小于非降水日,四川盆地、攀西地區(qū)、甘孜州以及阿壩州各級(jí)別降水對(duì)應(yīng)的平均大氣自凈能力指數(shù)排序分別為小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、中雨＜大雨＜小雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨.全省以及各區(qū)域的小風(fēng)日數(shù)以及風(fēng)速較大日數(shù)與大氣自凈能力呈顯著的反相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系.全省以及各區(qū)域的混合層厚度與大氣自凈能力指數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系.

3.5 2017 年1 月成都市發(fā)生持續(xù)性污染天氣期間,大氣自凈能力指數(shù)對(duì)成都市空氣質(zhì)量具有一定指示意義:當(dāng)大氣自凈能力指數(shù)較小時(shí),大氣擴(kuò)散能力弱,不利于污染物的清除擴(kuò)散,AQI 較高;反之,AQI 較低.