劉馨尹 張寧
(南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,南京 210023)
PM2.5是我國(guó)主要的大氣污染物之一,對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量影響嚴(yán)重[1-2]。其主要來源于懸浮灰塵、燃煤、汽車尾氣、工業(yè)排放及生活物質(zhì)燃燒等[2-3]?,F(xiàn)有研究表明,氣象要素對(duì)大氣污染的積累及輸送擴(kuò)散起著非常重要的作用,大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)是體現(xiàn)地球表面對(duì)大氣影響的主要?dú)庀笠刂?,同時(shí)也是影響空氣污染物輸送擴(kuò)散的直接因子[4-5]。
氣象條件是決定污染物濃度日變化的主要因素,其日變化可以解釋高達(dá)50%的PM2.5變化,在我國(guó),氣象條件日變化影響比例超過70%。氣溫、相對(duì)濕度、降水和環(huán)流都是重要的影響因子。WANG,et al[6]對(duì)2013年日本長(zhǎng)崎PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的相關(guān)分析表明,氣溫與PM2.5呈負(fù)相關(guān),降水與PM2.5呈正相關(guān),濕度、風(fēng)速與PM2.5之間存在閾值關(guān)系。目前已有不少關(guān)于我國(guó)大氣污染與氣象要素等關(guān)系的研究。孫峰等[7]分析發(fā)現(xiàn)2013年北京一次PM2.5重污染過程是穩(wěn)定氣象條件下導(dǎo)致的局地污染物積累。朱倩茹等[8]研究了2008—2010年廣州PM2.5污染及影響因素,發(fā)現(xiàn)PM2.5與氣溫呈正相關(guān),但與其他因素呈負(fù)相關(guān),與氣壓、相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)季節(jié)性特征顯著。在南京地區(qū),PM2.5與風(fēng)速、相對(duì)濕度和降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,降水對(duì)PM2.5的清除效率存在閾值。雖然大部分月份氣溫與PM2.5呈正相關(guān),但在整個(gè)期間呈負(fù)相關(guān)[9-10]。ZHANG, et al[11]分析了北京、上海、廣州的3個(gè)地區(qū)空氣污染物與氣象要素的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與大氣污染物呈負(fù)相關(guān),氣溫與O3呈正相關(guān),但不同地區(qū)導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度增加的風(fēng)向不同。各地PM2.5與氣象要素的相關(guān)關(guān)系存在差異,目前對(duì)于大范圍地區(qū)PM2.5與氣象要素的關(guān)系尚未有統(tǒng)一分析。
眾多研究驗(yàn)證了氣象要素對(duì)大氣污染物的重要影響,但多局限于單點(diǎn)城市或小范圍地區(qū),對(duì)大范圍地區(qū)乃至全國(guó)范圍的研究較少,且以往研究多利用站點(diǎn)資料進(jìn)行分析,空間精度較低。本文將利用國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)中心發(fā)布的PM2.5質(zhì)量濃度觀測(cè)資料及CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)風(fēng)場(chǎng)再分析資料對(duì)2015—2016年我國(guó)華北地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)及四川盆地4個(gè)主要城市群的PM2.5質(zhì)量濃度與近地面風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系以及污染條件下對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步研究分析。
選取華北地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角以及四川盆地4個(gè)主要城市群為研究區(qū)域,具體包括北京、濟(jì)南、石家莊、天津、太原、鄭州、杭州、南京、上海、成都、綿陽(yáng)、東莞、佛山、廣州以及深圳15個(gè)城市。由于重慶地區(qū)多為山地及河谷分布,四川盆地僅選擇川西的成都和綿陽(yáng)進(jìn)行分析。以上區(qū)域作為我國(guó)主要人口聚集地區(qū),PM2.5污染都較為嚴(yán)重,但由于地形、氣候及經(jīng)濟(jì)類型的差異,其污染類型和特征也不同。受工業(yè)發(fā)展及諸多因素的影響,華北地區(qū)空氣污染十分嚴(yán)重[12],2015年最高年平均PM2.5質(zhì)量濃度主要出現(xiàn)在我國(guó)北方平原(北京、天津、河北、河南和山東)[13]。長(zhǎng)三角作為我國(guó)第一大經(jīng)濟(jì)區(qū)和綜合實(shí)力發(fā)展最強(qiáng)區(qū)域,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展其區(qū)域污染問題也逐漸顯現(xiàn),南京更是長(zhǎng)三角地區(qū)空氣污染較為嚴(yán)重的城市之一[14-15],經(jīng)濟(jì)發(fā)展同樣較快的珠三角城市群也面臨著類似問題。四川盆地作為西南地區(qū)的人口聚集區(qū),由于其獨(dú)特的地形特征及氣象條件,污染形勢(shì)也日益嚴(yán)峻[16]。
CCMP風(fēng)場(chǎng)資料是由ESE (NASA Earth Science Enterprise),結(jié)合ADEOS-II、QuikSCAT、TRMM TMI、AMSR-E、SSM/I數(shù)據(jù)資料利用變分方法進(jìn)行處理,并將這些數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的傳統(tǒng)船舶和浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及ECMWF分析相結(jié)合,所得到的全球數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)包括了10 m的經(jīng)向和緯向風(fēng)速分量,其空間分辨率為0.25°,時(shí)間分辨率為6 h,空間范圍為(78.375°S~78.375°N,0.125°~359.875°E),時(shí)間范圍為1987年7月—2017年4月,具有很高的精度和時(shí)空分辨率。相較于其他常用風(fēng)場(chǎng),CCMP風(fēng)場(chǎng)因具有分辨率高、時(shí)間序列長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),而得到廣泛使用[17]。張鵬等[18]基于CCMP風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)渤海風(fēng)浪進(jìn)行模擬研究。文中選取的空間范圍為(15°~45°N,100°~130°E),時(shí)間范圍為2015年1月—2016年12月。
采用2015年1月—2016年12月國(guó)家環(huán)境檢測(cè)中心提供的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的PM2.5質(zhì)量濃度資料,時(shí)間分辨率為1 h。此外,根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)二級(jí)濃度限值,顆粒物(粒徑小于等于2.5 μm)的年平均質(zhì)量濃度超過35 μg·m-3,24 h平均質(zhì)量濃度超過75 μg·m-3即為超標(biāo)。
為保證數(shù)據(jù)的有效性,依據(jù)GB3095-2012規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。對(duì)于年平均數(shù)據(jù),每年至少有324個(gè)日平均質(zhì)量濃度值,每月至少有27個(gè)日平均質(zhì)量濃度值(2月至少有25個(gè)日平均質(zhì)量濃度值);對(duì)于日平均數(shù)據(jù),每日至少有20 h平均質(zhì)量濃度值或采樣時(shí)間。
本文城市PM2.5質(zhì)量濃度取該城市多個(gè)測(cè)站的平均值。當(dāng)某一城市的24 h平均PM2.5質(zhì)量濃度超過75 μg·m-3時(shí)則認(rèn)定該日為污染日。本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算各地區(qū)近地面風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系,利用t檢驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著性水平a=0.05。
在排除風(fēng)速影響后,利用加權(quán)平均PM2.5質(zhì)量濃度(Average Weighted PM2.5, AWP)對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行評(píng)價(jià),AWP表示每單位風(fēng)速下PM2.5的平均質(zhì)量濃度。一個(gè)方向的AWP計(jì)算公式如下[6, 19]:
(1)
其中:Pi是PM2.5質(zhì)量濃度;WSi是風(fēng)速;N代表該風(fēng)向的頻次。
利用近地面風(fēng)場(chǎng)計(jì)算散度dv,計(jì)算公式如下[20]:
(2)
其中:u,v分別為緯向和經(jīng)向速度;A代表地球半徑;φ代表緯度。公式第三項(xiàng)說明了經(jīng)線在球體上的收斂,當(dāng)散度大于0時(shí)為輻散場(chǎng),小于0時(shí)為輻合場(chǎng)。
2015—2016年北京等城市的PM2.5年平均質(zhì)量濃度及污染天數(shù)如表1所示。除深圳外,其余城市PM2.5質(zhì)量濃度均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)二級(jí)質(zhì)量濃度年限值,北京、濟(jì)南、石家莊以及鄭州PM2.5年平均質(zhì)量濃度甚至高于年限值兩倍以上。PM2.5污染主要集中在以京津冀為主的華北平原以及河南、山東,珠三角地帶空氣質(zhì)量較好,大氣污染整體表現(xiàn)為“北重南輕”的空間分布。
表1 2015—2016年各城市PM2.5年平均質(zhì)量濃度及污染天數(shù)
作為風(fēng)場(chǎng)的重要特征,風(fēng)速對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度起著非常顯著的作用。一般而言,PM2.5質(zhì)量濃度隨著風(fēng)速的增大而逐漸降低,當(dāng)風(fēng)速增加到6 m·s-1時(shí),PM2.5質(zhì)量濃度可以降低60%[21]。圖1—4分別為華北地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角、四川盆地月平均PM2.5地面質(zhì)量濃度與10 m風(fēng)速的相關(guān)系數(shù),可見,10 m風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度基本表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),1—12月的相關(guān)系數(shù)(絕對(duì)值)基本呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。除深圳外,華北地區(qū)及珠三角1—2月相關(guān)系數(shù)(絕對(duì)值)明顯大于6—7月。該地區(qū)的負(fù)相關(guān)關(guān)系存在著明顯的季節(jié)差異,冬季負(fù)相關(guān)表現(xiàn)最強(qiáng),夏季負(fù)相關(guān)明顯弱于冬季。該負(fù)相關(guān)關(guān)系在長(zhǎng)三角地區(qū)更為顯著(通過顯著性檢驗(yàn)的月份較華北地區(qū)更多),但季節(jié)差異不如華北地區(qū)明顯,秋季負(fù)相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于其他季節(jié),杭州等地的PM2.5質(zhì)量濃度低值及10 m風(fēng)速高值都出現(xiàn)在8—10月。綿陽(yáng)地區(qū)季節(jié)差異不明顯,負(fù)相關(guān)系數(shù)基本平穩(wěn)變化,7—8月和12月負(fù)相關(guān)性相對(duì)較弱。
圖1 華北地區(qū)月平均PM2.5地面質(zhì)量濃度與10 m風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)(*表示通過α=0.05信度的顯著性檢驗(yàn)):(a)北京;(b)濟(jì)南;(c)石家莊;(d)天津;(e)太原;(f)鄭州
圖2 長(zhǎng)三角月平均PM2.5地面質(zhì)量濃度與10 m風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)(*表示通過α=0.05信度的顯著性檢驗(yàn)):(a)杭州;(b)南京;(c)上海
圖3 珠三角月平均PM2.5地面質(zhì)量濃度與10 m風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)(*表示通過α=0.05信度的顯著性檢驗(yàn)):(a)東莞;(b)佛山;(c)廣州;(d)深圳
圖4 四川盆地月平均PM2.5地面質(zhì)量濃度與10 m風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)(*表示通過α=0.05信度的顯著性檢驗(yàn)):(a)成都;(b)綿陽(yáng)
總體而言,10 m風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),但由于通過顯著性檢驗(yàn)的月份較少,相關(guān)性并不顯著。且這種相關(guān)性存在季節(jié)差異,具體表現(xiàn)為夏季弱,冬季強(qiáng),北京2015、2016年7月相關(guān)系數(shù)僅為-0.09和-0.05,1月相關(guān)系數(shù)為-0.29和-0.50,冬季負(fù)相關(guān)遠(yuǎn)強(qiáng)于夏季。
與全年結(jié)果相比,污染水平較高時(shí)段的氣象條件及污染傳輸?shù)任廴舅接绊懸蛩氐淖饔猛w現(xiàn)地更加明顯[7]。圖5—8分別為華北地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角、四川盆地主要城市2015—2016年風(fēng)玫瑰圖。圖9為北京、上海、廣州、成都2015—2016年各季節(jié)不同風(fēng)向條件下的平均PM2.5質(zhì)量濃度,統(tǒng)計(jì)時(shí)排除了靜風(fēng)天氣(風(fēng)速小于0.5 m·s-1)??梢钥吹?,污染情況下近地面風(fēng)速大多在0~4 m·s-1,靜風(fēng)頻率增加,相較于全年統(tǒng)計(jì)情況風(fēng)速更小,有利于污染物的累積。污染天氣多發(fā)生在秋冬季節(jié),且不同季節(jié)造成污染的主導(dǎo)風(fēng)向不同。
圖5 2015—2016年華北地區(qū)主要城市風(fēng)玫瑰圖(紅色數(shù)字為靜風(fēng)頻率,單位:%):(a)北京全年; (b)北京污染天氣; (c)濟(jì)南全年; (d)濟(jì)南污染天氣; (e)石家莊全年; (f)石家莊污染天氣;(g)天津全年; (h)天津污染天氣; (i)太原全年; (j)太原污染天氣; (k)鄭州全年; (l)鄭州污染天氣
受地理環(huán)境及上風(fēng)向城市影響,不同城市風(fēng)向的變化情況存在著顯著差異。北京、天津、太原等城市在污染時(shí)期西南風(fēng)及南風(fēng)占比增加,北京冬季西南風(fēng)對(duì)應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度大于100 μg·m-3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北風(fēng)對(duì)應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度(圖9a—d)。石家莊等城市周邊大量工業(yè)企業(yè)[12]的存在導(dǎo)致大氣污染物源排放嚴(yán)重,而華北地區(qū)及其南部多為平原,西部及北部多為山地,獨(dú)特的地形特征使得偏南風(fēng)輸送作用下的污染物在此聚集,從而導(dǎo)致大氣污染嚴(yán)重。南京東南風(fēng)頻率增加而北風(fēng)東北風(fēng)頻率減少,在東南風(fēng)主導(dǎo)下,杭州灣以南區(qū)域的污染物被輸送到南京及其以北城市,風(fēng)的輸送作用對(duì)該地區(qū)內(nèi)部的污染影響較為明顯。冬季蘇南、浙北地區(qū)工業(yè)和汽車排放較多[5],上海在偏西風(fēng)的輸送下污染影響嚴(yán)重(圖9e—h)。珠三角城市盛行東北風(fēng),西風(fēng)頻率明顯降低。海風(fēng)清潔作用的減弱以及對(duì)內(nèi)陸地區(qū)顆粒物起著輸送作用的陸風(fēng)相對(duì)增加,這導(dǎo)致了沿海城市的污染。成都、綿陽(yáng)在污染天氣下的風(fēng)向變化不明顯,50%以上的風(fēng)速小于2 m·s-1,風(fēng)速的清潔作用及輸送作用都得不到較好表現(xiàn)。
圖9 2015—2016年4個(gè)季節(jié)不同風(fēng)向條件下PM2.5質(zhì)量濃度:(a—d)北京; (e—h)上海; (i—l)廣州; (m—p)成都
上述結(jié)果表明污染濃度超標(biāo)多發(fā)生于秋冬季節(jié),某特定風(fēng)向?qū)ξ廴疚锏挠绊懸笥谄渌L(fēng)向。一是由于某特定風(fēng)向會(huì)帶來更多的細(xì)顆粒物及前體物質(zhì),二是該特定風(fēng)向的風(fēng)速比其他風(fēng)向要小,更有利于大氣污染物的積累[11]。
圖6 2015—2016年長(zhǎng)三角主要城市風(fēng)玫瑰圖(紅色數(shù)字為靜風(fēng)頻率,單位:%):(a)杭州全年; (b)杭州污染天氣; (c)南京全年; (d)南京污染天氣; (e)上海全年; (f)上海污染天氣
圖7 2015—2016年珠三角主要城市風(fēng)玫瑰圖(紅色數(shù)字為靜風(fēng)頻率,單位:%):(a)東莞全年; (b)東莞污染天氣; (c)佛山全年; (d)佛山污染天氣; (e)廣州全年; (f)廣州污染天氣; (g)深圳全年; (h)深圳污染天氣
圖8 2015—2016年四川盆地主要城市風(fēng)玫瑰圖(紅色數(shù)字為靜風(fēng)頻率,單位:%):(a)成都全年; (b)成都污染天氣; (c)綿陽(yáng)全年; (d)綿陽(yáng)污染天氣
由上文可知,風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度的負(fù)相關(guān)并不顯著且存在“冬強(qiáng)夏弱”的季節(jié)特點(diǎn),說明風(fēng)速并不是影響地面PM2.5質(zhì)量濃度的主導(dǎo)因素。因?yàn)樵谖覈?guó)大氣區(qū)域性污染的特征下,地面風(fēng)場(chǎng)既可以對(duì)污染物進(jìn)行清除,也可能導(dǎo)致區(qū)域性大氣污染輸送。而區(qū)域性污染更是影響污染水平的重要因素之一[22-23]。為分析污染過程下的地面散度場(chǎng),本文將研究城市區(qū)域網(wǎng)格化(分辨率為0.25°×0.25°)。對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行散度計(jì)算,地區(qū)平均散度為網(wǎng)格平均,占比計(jì)算為符合條件的網(wǎng)格數(shù)在該區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)占比。當(dāng)某一地區(qū)即出現(xiàn)污染過程又出現(xiàn)地面輻合時(shí),則認(rèn)為該次污染主要為區(qū)域輸送貢獻(xiàn),反之則為局地貢獻(xiàn)。
表2為各地區(qū)平均散度強(qiáng)度及輻合占比。華北、珠三角全年平均散度場(chǎng)多表現(xiàn)為輻合而四川盆地則表現(xiàn)為輻散。在污染時(shí)期,除濟(jì)南外華北地區(qū)及珠三角都有著較強(qiáng)的散度強(qiáng)度,輻合比例均高于60%,北京、石家莊兩地的輻合比例甚至高達(dá)80%。華北地區(qū)污染物均有從西南向東北輸送的趨勢(shì),西南風(fēng)攜帶來自太行山東麓及西麓排放源群的高濃度污染物, 形成西南通道高濃度帶[22],這對(duì)該地區(qū)的污染水平有著重要影響。冬季,北京、石家莊等城市多盛行偏南風(fēng),受西北部燕山山脈及太行山地形影響形成一個(gè)較強(qiáng)的輻合聚集帶。珠三角地區(qū)PM2.5及其前體物的排放相對(duì)集中,且排放強(qiáng)度相比周邊地區(qū)更大,區(qū)域內(nèi)城市尺度的輸送和相互影響作用明顯[24-25],冬季污染嚴(yán)重,偏北風(fēng)的區(qū)域輸送貢獻(xiàn)更為顯著。而長(zhǎng)三角城市污染下輻合比例相較于華北地區(qū)較低,在40%左右,這是因?yàn)楹oL(fēng)對(duì)臨海城市基本表現(xiàn)為清潔作用,但由于地表粗糙度的不同,海風(fēng)上岸后迅速減小導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)為輻合,冬季盛行偏北風(fēng)時(shí)散度場(chǎng)表現(xiàn)為輻散場(chǎng),從而導(dǎo)致輻合日空氣質(zhì)量較好而輻散日污染嚴(yán)重。受季風(fēng)氣候影響,外來污染物的輸入路徑存在明顯的季節(jié)性變化特征,其中夏半年輸送主徑源自海上,冬半年主徑源自內(nèi)陸[26]。成都作為西南地區(qū)PM2.5主要排放源區(qū),冬季受西風(fēng)帶影響處于冷高壓控制下,且地面風(fēng)速相對(duì)較小[27-28],污染物的水平擴(kuò)散及垂直擴(kuò)散受到限制,獨(dú)特的盆地地形也使得PM2.5更容易積累[29]從而導(dǎo)致在輻散場(chǎng)的情況下污染仍較嚴(yán)重,污染日的輻合比例遠(yuǎn)小于其他城市,該地區(qū)主要表現(xiàn)為局地型污染。
表2 2015—2016年各地區(qū)散度強(qiáng)度及輻合占比
本文利用2015—2016年全國(guó)PM2.5質(zhì)量濃度站點(diǎn)資料及CCMP風(fēng)場(chǎng)再分析資料,對(duì)中國(guó)華北地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角以及四川盆地主要城市在污染條件下的近地面風(fēng)場(chǎng)及其影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度及近地面風(fēng)場(chǎng)的分析發(fā)現(xiàn),風(fēng)場(chǎng)對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響主要表現(xiàn)在風(fēng)速和風(fēng)向兩個(gè)方面。主要結(jié)論如下:
(1)低風(fēng)速有利于PM2.5的積累,風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),該相關(guān)關(guān)系并不十分顯著,但其季節(jié)差異仍得到良好體現(xiàn),一般表現(xiàn)為冬季強(qiáng)夏季弱;
(2)秋冬季節(jié)PM2.5污染嚴(yán)重。受地形及上風(fēng)向污染源等因素影響,不同地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度對(duì)不同風(fēng)向的響應(yīng)不同,華北地區(qū)在偏南風(fēng)主導(dǎo)下PM2.5質(zhì)量濃度較高;長(zhǎng)三角地區(qū)在偏東風(fēng)作用下PM2.5質(zhì)量濃度較低,海風(fēng)對(duì)其起到清潔作用;珠三角地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng),帶來內(nèi)陸地區(qū)的污染物;不同季節(jié)四川盆地地區(qū)的污染情況相似,風(fēng)向?qū)ζ溆绊懖幻黠@;
(3)結(jié)合地面散度場(chǎng)的特征可以發(fā)現(xiàn):不同地區(qū)主導(dǎo)的污染類型不同,華北地區(qū)、長(zhǎng)三角以及珠三角污染類型主要為區(qū)域性污染,其中華北地區(qū)受輸送影響最大,冬季輸送作用影響顯著,四川地區(qū)主要為局地型污染,外來輸送對(duì)該地污染水平的影響不大。