長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量及其與霧霾天氣關(guān)系

尹路婷 樸美花

（吉林省氣象臺(tái)，吉林長(zhǎng)春 130062）

1 引言

大氣環(huán)境容量[1]指某個(gè)指定的范圍內(nèi)，在能夠達(dá)到或滿足大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下， 所允許排放的最大污染物的總量。 當(dāng)大氣中的污染物總量超過了大氣環(huán)境容量的上限閾值， 此時(shí)的大氣環(huán)境則無法發(fā)揮對(duì)環(huán)境和人類的保護(hù)作用和正常功能，可能使良性的生態(tài)循環(huán)、人類身體健康受到威脅或損害。 因此，研究大氣承載力，提高污染管控措施， 對(duì)維護(hù)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)安定起著舉足輕重的作用。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者在大氣環(huán)境容量研究中取得了相當(dāng)多的成果， 其中主要成果集中在大氣環(huán)境容量的計(jì)算方法、 區(qū)域環(huán)境對(duì)大氣環(huán)境容量的影響等方面[2-5]，對(duì)大氣環(huán)境容量與氣候背景的關(guān)系研究相對(duì)較少。 王涵瑾等[6]修正了A 值法，分析成都市大氣環(huán)境容量的季節(jié)變化， 發(fā)現(xiàn)成都市各種污染物在夏季的環(huán)境容量均大于其冬季的環(huán)境容量5 倍以上。 楊青建等[7]利用區(qū)域空氣質(zhì)量模式，研究亞洲季風(fēng)氣候?qū)Υ髿猸h(huán)境容量的影響， 結(jié)果表明亞洲季風(fēng)的年際變化對(duì)云南高原地區(qū)的空氣質(zhì)量和大氣環(huán)境容量均有明顯的調(diào)制作用。 在不同的氣候背景條件下， 氣象條件對(duì)污染物的濃度和擴(kuò)散清除有重要影響， 研究重污染天氣下的氣候條件， 對(duì)做好環(huán)境氣象服務(wù)可以起到一定的支撐作用。長(zhǎng)春市位于中高緯度地區(qū)，屬于溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候， 本文側(cè)重研究長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量的變化情況， 以及東亞大槽及赤道中東太平洋海溫場(chǎng)的變化對(duì)長(zhǎng)春市環(huán)境氣象條件的影響。

2 資料來源及方法

2.1 資料來源

本文采用1987—2016 年長(zhǎng)春市地面逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、能見度等，資料來源于吉林省氣象局。 采用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于吉林省環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 包括AQI 和6 種主要大氣污染物的濃度資料。 氣候背景場(chǎng)分析采用2000—2017 年FNL 全球資料數(shù)據(jù)。

2.2 大氣環(huán)境容量估算方法

目前在大氣環(huán)境研究中， 國(guó)內(nèi)主要采用的大氣污染物總量控制方法有：A—P 值法[8]、平權(quán)分配法和優(yōu)化法[9-10]等。

《地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》（GB/T13201－91）中，對(duì)大氣污染物的排放總量的測(cè)算方法做出了明確規(guī)定，以箱模型為基本模型，推算出宏觀的總量控制值法。 具體方法如下：

將城市上空的整個(gè)大氣層假定為一個(gè)箱體，污染物均勻分布在一定范圍內(nèi)的混合層中， 因此對(duì)于整個(gè)城市區(qū)域，面源強(qiáng)度Qa相同，箱體范圍內(nèi)混合層高度用HF表示， 可應(yīng)用環(huán)評(píng)技術(shù)導(dǎo)則（HJ/T2.2－93）中的公式法確定；C為箱體內(nèi)混合層中污染物的平均濃度（單位：mg/m3），城市面積為S，取C=CS（大氣濃度標(biāo)準(zhǔn)限值），則在控制周期時(shí)間T取1 年時(shí)，可得：

式中，ud為干沉積速度（單位：m/s）；Wr為清洗比；R為年平均降水量（單位：mm/a）；TC為污染物轉(zhuǎn)化時(shí)間常數(shù)（單位：s）；A為地理區(qū)域性總量控制系數(shù)， 用來反映區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境承載能力，單位為104km2，計(jì)算如下：

式中，VE為通風(fēng)量，VE=uHF。

式中，asi、bsi為不同氣象條件下的混合層系數(shù) （取值見HJ/T2.2-93， 根據(jù)不同的區(qū)域和不同的穩(wěn)定度條件進(jìn)行查詢）；u10為地面10m 高處風(fēng)速 （單位：m/s）；i為 不 同 氣 象 條 件 出 現(xiàn) 的 頻 率 （單位：%）；σi為不同氣象條件下的風(fēng)速冪指數(shù)（值見HJ/T2.2-93）；φ 為地理緯度（單位：deg）；Ω 為地轉(zhuǎn)角速度，取為7.29×10-5rad/s。

3 長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量變化

3.1 長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量年際變化

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中指定的總量控制區(qū)排放總量限值計(jì)算公式A—P 值法測(cè)算長(zhǎng)春市的大氣環(huán)境容量。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，1987—2016 年間，長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量呈逐年波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)， 平均年下降301km2，下降趨勢(shì)超過0.001 的顯著性檢驗(yàn)。1987—1999 年，大氣環(huán)境容量偏高，年際波動(dòng)較大， 同時(shí)存在明顯年代際變化， 最高值出現(xiàn)在1999 年，達(dá)到27 056.8km2；進(jìn)入21 世紀(jì)后，大氣環(huán)境容量出現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)， 最低值出現(xiàn)在2014 年，僅為15 897.9km2。

3.2 長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量月際變化

1987—2016 年， 長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量年內(nèi)變化基本呈雙峰型變化。 春季風(fēng)速最大的4 月出現(xiàn)第一個(gè)大氣環(huán)境容量峰值， 多年月平均值為2 291km2；而后逐月下降，到秋季9 月為大氣環(huán)境容量谷值，多年月平均值為1 495km2；之后大氣環(huán)境容量回升，到10 月出現(xiàn)第2 個(gè)大氣環(huán)境容量峰值，平均為1 843.2km2；之后又逐漸減少，到冬季1 月為全年大氣環(huán)境容量最低值， 多年平均值1 491km2。

4 近18 年長(zhǎng)春市霧霾日的變化特征

在靜穩(wěn)天氣下， 空氣污染物持續(xù)累積并超出大氣環(huán)境容量， 在氣象上會(huì)形成霧霾天氣。 分析2000—2017 年的逐年霧霾日變化，長(zhǎng)春市年霧霾日變化趨勢(shì)無明顯規(guī)律性， 年霧霾日在40d 上下波動(dòng)，2003 年、2010 年、2013 年和2015 年霧霾日偏多， 分別為56d、52d、67d 和51d；2001 年、2006年、2007 年和2014 年霧霾日偏少， 分別為22d、26d、28d 和13d。

逐月進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)春市霧霾日高發(fā)期主要集中在12 月和1 月，平均分別出現(xiàn)9d 和10d；2 月和11 月次之， 平均分別出現(xiàn)3.4d 和4.9d。2013 年1 月出現(xiàn)霧霾日的天數(shù)最多， 達(dá)到19d；5—9 月霧霾日偏少，平均出現(xiàn)不到1d。

5 長(zhǎng)春市霧霾發(fā)生典型年的氣候背景場(chǎng)特征

取研究時(shí)間段（2000—2017 年）內(nèi)霧霾日出現(xiàn)最多的4 年作為霧霾天氣多發(fā)年， 霧霾日最少的4 年作為霧霾天氣少發(fā)年， 分析其氣象背景場(chǎng)的特征。

由圖1 可知， 霧霾多發(fā)年?yáng)|亞大槽的位置比少發(fā)年份偏東且強(qiáng)度較弱， 將霧霾多發(fā)年與少發(fā)年平均流場(chǎng)做差值可以看出， 在東北地區(qū)附近及下游方向差值為正值。 這種結(jié)構(gòu)說明在霧霾多發(fā)的年份，東亞大槽槽后的西北氣流弱于少發(fā)年份，不利于東北地區(qū)霧霾的擴(kuò)散。

由圖2 可知，在850hPa 風(fēng)場(chǎng)圖上，霧霾多發(fā)年份和霧霾少發(fā)年份中， 東北地區(qū)均處于西北風(fēng)氣流的影響中。不同點(diǎn)在于霧霾多發(fā)年份，東北區(qū)上空的西北風(fēng)明顯弱于霧霾少發(fā)年份， 多霧霾年與少霧霾年平均風(fēng)矢量差為偏東風(fēng)； 霧霾少發(fā)年份在勘察加半島上空有一個(gè)很明顯的反氣旋存在，使得霧霾少發(fā)年份的西北風(fēng)向下游加速，使下游風(fēng)力加大，有利于空氣中污染物的擴(kuò)散和清除，使該地區(qū)的霧霾迅速消散。

圖1 長(zhǎng)春市霧霾多發(fā)年（a）與少發(fā)年（b）500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（單位：hPa）環(huán)流特征及差值（c）

圖2 長(zhǎng)春市霧霾多發(fā)年（a）與少發(fā)年（b）850hPa 風(fēng)場(chǎng)環(huán)流特征及其差值（c）

由圖3 可知，海平面距平場(chǎng)圖上，霧霾多發(fā)年份和霧霾少發(fā)年份中，海溫背景場(chǎng)區(qū)別非常明顯。霧霾多發(fā)年份， 在赤道中東太平洋地區(qū)呈現(xiàn)明顯的El Nino 海溫背景場(chǎng)特征； 而少發(fā)年份則相反，是明顯的La Nina 海溫背景場(chǎng)。 說明不同的海溫外強(qiáng)迫場(chǎng)對(duì)霧霾多發(fā)年份和霧霾少發(fā)年份有不同的外強(qiáng)迫特征。

圖3 長(zhǎng)春市霧霾多發(fā)年（a）與少發(fā)年（b）海溫距平場(chǎng)特征（單位：℃）

6 結(jié)語

（1） 長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量的變化呈逐年波動(dòng)下降趨勢(shì)。 1987—1999 年，大氣環(huán)境容量偏高，年際波動(dòng)大，最高值出現(xiàn)在1999 年；進(jìn)入21 世紀(jì)以來，下降趨勢(shì)更為明顯。

（2） 長(zhǎng)春市大氣環(huán)境容量年內(nèi)變化基本呈雙峰型變化，峰值出現(xiàn)在4 月，谷值出現(xiàn)在9 月。

（3）長(zhǎng)春市年霧霾日在40 d 上下波動(dòng)，無明顯規(guī)律性變化，年內(nèi)霧霾高發(fā)期集中在12 月和1月，5—9 月霧霾日偏少。

（4） 霧霾多發(fā)年?yáng)|亞大槽的位置比少發(fā)年份要偏東，且強(qiáng)度也偏弱。霧霾多發(fā)年和霧霾少發(fā)年中，東北地區(qū)均處于西北氣流的控制范圍內(nèi)，不同點(diǎn)在于霧霾多發(fā)年份東北地區(qū)上空的西北風(fēng)明顯弱于霧霾少發(fā)年份。

（5）霧霾多發(fā)年份，在赤道中東太平洋地區(qū)呈現(xiàn)明顯的El Nino 海溫背景場(chǎng)特征；而少發(fā)年份則相反，是明顯的La Nina 海溫背景場(chǎng)。