廣西主要城市空氣質(zhì)量的氣象要素閾值及大氣環(huán)流分析

黃翠銀，莫雨淳，何莉陽(yáng)，陳 丹

（1.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022）

引言

隨著生活水平的提高，人們?cè)桨l(fā)關(guān)注大氣污染對(duì)公眾健康、社會(huì)生產(chǎn)生活的影響，對(duì)大氣污染預(yù)測(cè)要求也日益提高。為了探索大氣污染發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其影響機(jī)理，國(guó)內(nèi)學(xué)者作了大量研究并取得不少成果［1-14］：掌握了各地空氣污染時(shí)空變化特征及其趨勢(shì)，空氣污染情況下氣象要素特點(diǎn)，氣象條件對(duì)空氣污染物擴(kuò)散稀釋、湍流沉降的影響，以及氣候變化下空氣污染的變化特點(diǎn)等。研究?jī)?nèi)容多數(shù)是針對(duì)短時(shí)間或1a 期內(nèi)的污染數(shù)據(jù)，對(duì)于10a 以上的數(shù)據(jù)研究較少。近年來(lái)，各省氣象部門陸續(xù)開(kāi)展月尺度大氣污染擴(kuò)散氣象條件趨勢(shì)預(yù)測(cè)及月內(nèi)大氣污染過(guò)程起止時(shí)間和強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

2013 年之前南寧、北海、桂林3 市開(kāi)展對(duì)二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入顆粒物（PM10）等3 種大氣污染物的監(jiān)測(cè)，2013 年之后逐漸增加到對(duì)6 種大氣污染物的監(jiān)測(cè)。為掌握前后大氣污染物監(jiān)測(cè)變化引起的空氣質(zhì)量及首要污染物的差異，本文對(duì)2002 年4 月1 日—2013 年3 月30 日南寧市、北海市、桂林市空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)各級(jí)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵氣象要素閾值及污染過(guò)程的大氣環(huán)流特征，以滿足新增的大氣污染延伸期-月尺度預(yù)測(cè)日益精細(xì)化的業(yè)務(wù)需求。

1 數(shù)據(jù)和方法

文中使用的大氣污染物數(shù)據(jù)來(lái)源于南寧、桂林、北海3 市環(huán)保局的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括2002 年4 月1日—2013 年3 月30 日SO2、NO2和PM10等3 種大氣污染物的逐日監(jiān)測(cè)值。利用《環(huán)境氣象學(xué)與特種氣象預(yù)報(bào)》［15］空氣污染分指數(shù)計(jì)算方法，對(duì)3 種污染物進(jìn)行計(jì)算，其中最大的分指數(shù)即為該市的空氣污染指數(shù)（Air Pollution Index，API），引起最大API 的污染物定義為該市的首要污染物。當(dāng)API≤50，空氣質(zhì)量為1 級(jí)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)；50＜API≤100，空氣質(zhì)量為2 級(jí)，空氣質(zhì)量良；100＜API≤200，空氣質(zhì)量為3級(jí)，空氣質(zhì)量狀況為輕度污染；200＜API≤300，空氣質(zhì)量為4 級(jí)，空氣質(zhì)量狀況為中度污染；API＞300，空氣質(zhì)量為5 級(jí)，空氣質(zhì)量狀況為重污染。

利用相關(guān)系數(shù)公式（1）分別計(jì)算3 市氣象要素和API 的相關(guān)系數(shù)r。x1，x2，……，xn和y1，y2，……，yn分別為逐日氣象要素和API 值，為氣象要素、API 的平均值。對(duì)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的要素利用百分位的四分位法確定各等級(jí)空氣質(zhì)量過(guò)程的閾值。各市有4017 個(gè)樣本，0.001、0.05、0.1 顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)臨界值分別為0.104、0.062、0.052。

2 三市空氣質(zhì)量分析

2.1 南寧市空氣質(zhì)量分析

南寧市4017 個(gè)逐日API 數(shù)據(jù)中，最大值為186，出現(xiàn)在2013 年1 月15 日，為輕度污染，沒(méi)有出現(xiàn)中度及以上等級(jí)的大氣污染。3 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)有135d，輕度污染日數(shù)占總?cè)諗?shù)3.36%；2 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)共2293d，占總?cè)諗?shù)57.08%；1 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)為1589d，占39.56%。南寧市空氣質(zhì)量3 級(jí)、2 級(jí)日數(shù)是3 市最多。

135d 輕度污染天數(shù)中，128d 首要污染物為PM10，占污染天數(shù)的94.81%，5d 為NO2，2d 為SO2。南寧市各月污染總?cè)諗?shù)及API 月平均變化如圖1：5—8 月API＜50，空氣質(zhì)量較好，除了5 月有2d 污染外，其余月份污染日數(shù)為0；污染日數(shù)從9 月開(kāi)始遞增，12 月到達(dá)頂峰，翌年1 月開(kāi)始遞減，2 月急劇減少。輕度污染日數(shù)最多的月份為12 月、1 月和11月，分別為36d、33d 和21d。秋冬春季，月均API＞50共8 個(gè)月，其中10—12 月、1 月及3 月API＞60，最高的12 月API 為73。

2.2 北海市空氣質(zhì)量分析

北海市月際空氣質(zhì)量變化中，4—9 月API＜50，空氣質(zhì)量總體較好（圖2），7 月API 為32，空氣質(zhì)量全年最好；其余月份API＞50，12 月API 最高63，但比南寧市明顯偏低。日API 最大值為125，出現(xiàn)在2010 年11 月6 日，為輕度污染。北海市輕度污染日數(shù)共16d，為3 市最少，占總?cè)諗?shù)0.39%。污染日數(shù)最多是1 月和11 月，均為5d，12 月3d，4 月和2 月分別為2d 和1d。2 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)為1867d，占總?cè)諗?shù)的45.46%；1 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)2224d，占54.15%。北海市2 級(jí)、3 級(jí)空氣質(zhì)量的首要污染物均為PM10。

2.3 桂林市空氣質(zhì)量分析

桂林市有5 個(gè)月月均API≥50，分別為1 月、3月以及10—12 月，總體空氣質(zhì)量3 市最好，最高值54 出現(xiàn)在12 月，月API 最小值41，出現(xiàn)在5 月和7月（圖3）。桂林市日API 最大值、次大值分別為191和148，出現(xiàn)在2011 年2 月3 日、4 日，處于中國(guó)農(nóng)歷新年初一、初二。輕度污染日數(shù)共48d，占總?cè)諗?shù)1.19%，首要污染物以PM10為主，占91.67%，其次是SO2和NO2，分別為44d、3d 和1d。桂林市大氣污染主要出現(xiàn)在10 月至翌年4 月，污染天數(shù)為5～9d，最大值9d 出現(xiàn)在10 月，6 月有1d，其余月份的日空氣質(zhì)量為優(yōu)良狀態(tài)。2 級(jí)、1 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)分別為1469d 和2500d，占總?cè)諗?shù)36.57%和62.24%，3 市中1 級(jí)日數(shù)最多。

汛期降水較多的月份，3 市空氣質(zhì)量普遍較好。從各等級(jí)空氣質(zhì)量分布來(lái)看，輕度污染日數(shù)南寧市最多，北海市最少；2 級(jí)空氣質(zhì)量日數(shù)南寧市最多，桂林市最少；1 級(jí)桂林市最多，南寧市最少。首要污染物3 市均是PM10最多。

3 三市空氣質(zhì)量的氣象要素閾值

利用相關(guān)系數(shù)公式（1）計(jì)算3 市逐日降水量、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等氣象要素和API 的相關(guān)系數(shù)，對(duì)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的要素利用百分位四分位法確定2 級(jí)和3 級(jí)空氣質(zhì)量過(guò)程的閾值，為了減少空?qǐng)?bào)率，選擇四分之一分位數(shù)和四分之三分位數(shù)氣象要素值作為各等級(jí)空氣質(zhì)量的臨界值。

3.1 南寧市氣象要素閾值

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，南寧市氣象要素與API 相關(guān)性從高到低依次為最低氣溫、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、平均氣溫、降水量、相對(duì)濕度、最高氣溫，相關(guān)系數(shù)分別為－0.420、－0.382、－0.330、－0.314、－0.246、－0.237、－0.170，通過(guò)0.001 的顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)最低氣溫范圍在8.6～15.1℃、最高氣溫20.6～27.7℃、平均氣溫13.9～19.9℃，平均風(fēng)速0.8～1.2m·s-1、最大風(fēng)速2.4～3.5m·s-1、平均相對(duì)濕度70%～80%且無(wú)降水時(shí)，南寧市空氣質(zhì)量易為3級(jí)即輕度污染狀態(tài)?？諝赓|(zhì)量2 級(jí)時(shí)，南寧市最低氣溫12.2～22℃、最高氣溫21.2～31.5℃、平均氣溫為15.5～25.9℃，平均風(fēng)速0.9～1.7m·s-1、最大風(fēng)速2.8～4.2m·s-1，日降水量0～0.1mm 且平均相對(duì)濕度72%～84%（表1）?？梢?jiàn)，相對(duì)于空氣質(zhì)量2 級(jí)，3 級(jí)時(shí)南寧市氣溫更低、風(fēng)速更小、相對(duì)濕度稍低且無(wú)降水，這樣的氣象要素組合不利于大氣污染物的擴(kuò)散稀釋。

表1 南寧市2、3 級(jí)空氣質(zhì)量過(guò)程的高相關(guān)氣象要素閾值

3.2 北海市氣象要素閾值

北海市氣象要素與API 相關(guān)通過(guò)0.001 顯著性檢驗(yàn)的分別有最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、降水量，相關(guān)系數(shù)分別為－0.421、－0.386、－0.304、－0.272、－0.215，日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)－0.065，通過(guò)0.05 顯著性檢驗(yàn)。北海市地處廣西南部沿海地區(qū)，API 與氣象要素的相關(guān)性與南寧市有一定的差異：北海市風(fēng)力普遍較大，相關(guān)性降低，相關(guān)較高的是氣溫和水汽。當(dāng)最低氣溫為12.4～18.0℃、最高氣溫21.4～25.3℃、平均氣溫15.6～21.0℃、日照時(shí)數(shù)1.7～8.4h、平均相對(duì)濕度64%～80%且無(wú)降水時(shí)，北海市空氣質(zhì)量可能達(dá)到3 級(jí)（表2）；最低氣溫13.7～22.4℃、最高氣溫21.8～29.4℃、平均氣溫16.9～25.2℃、日照時(shí)數(shù)0.4～8.2h、平均相對(duì)濕度71%～83%且無(wú)降水時(shí)，空氣質(zhì)量為2 級(jí)的可能性大?？諝赓|(zhì)量為3 級(jí)時(shí)，氣溫和相對(duì)濕度更低、日照時(shí)間更長(zhǎng)。

表2 北海市2、3 級(jí)空氣質(zhì)量過(guò)程的高相關(guān)氣象要素閾值

3.3 桂林市氣象要素閾值

桂林市API 和氣象要素的相關(guān)關(guān)系，與南寧市、北海市氣溫相關(guān)最高不同，桂林市相關(guān)最高的氣象要素是最大風(fēng)速和平均風(fēng)速，其次是和水汽有關(guān)的相對(duì)濕度和降水量，這些要素的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.001 顯著性檢驗(yàn)，最低氣溫相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05 顯著性相關(guān)，其余要素相關(guān)性較小，相關(guān)系數(shù)分別為－0.305、－0.25、－0.178、－0.148、－0.064。當(dāng)最大風(fēng)速為1.8～4.0m·s-1、平均風(fēng)速0.7～1.8m·s-1，最低氣溫10.7～18.9℃，相對(duì)濕度60%～77%的無(wú)降水日，桂林市空氣質(zhì)量易達(dá)到3 級(jí)；最大風(fēng)速為2.8～4.8m·s-1、平均風(fēng)速1.0～2.4m·s-1，相對(duì)濕度60%～80%、降水量為0～0.4mm，最低氣溫10.2～22.2℃時(shí)，桂林市空氣質(zhì)量?jī)A向于2 級(jí)（表3）。由此可見(jiàn)，桂林市空氣質(zhì)量為2 級(jí)時(shí)，可能有微量降水，3 級(jí)時(shí)，風(fēng)速更小、相對(duì)濕度略低且無(wú)降水。

表3 桂林市2、3 級(jí)空氣質(zhì)量過(guò)程的高相關(guān)氣象要素閾值

從閾值分析可見(jiàn)，南寧、北海、桂林3 市的2、3級(jí)空氣質(zhì)量過(guò)程的氣象要素值有一定的重合區(qū)間，需要進(jìn)一步分析造成空氣質(zhì)量等級(jí)差異的大氣環(huán)流特征。

4 南寧市持續(xù)性污染天氣過(guò)程大氣環(huán)流特征

南寧市135d 的大氣污染中，有6 次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的污染過(guò)程，以下從氣候角度對(duì)這6 次污染過(guò)程的大氣環(huán)流進(jìn)行分析，共有4 種類型。

（1）烏山阻高偏弱型

2006 年12 月25—31 日和2013 年11 月11—19 日，500hPa 高度場(chǎng)上，烏拉爾山地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱烏山）高度場(chǎng)為負(fù)距平，烏山阻高偏弱，由氣候態(tài)的高壓脊區(qū)變成了低壓槽區(qū)；我國(guó)大部地區(qū)高度場(chǎng)距平為正值，為高壓脊控制；東亞槽偏弱偏東，位于140°E以東，西太副高脊線在17°N 以南，印緬槽偏弱。環(huán)流使得南下冷空氣路徑偏東、影響廣西的冷空氣勢(shì)力偏弱。850hPa 風(fēng)場(chǎng)距平上，菲律賓附近有異常氣旋，廣西受氣旋西北側(cè)的東北氣流影響，水汽輸送條件較差。

（2）穩(wěn)定的冷高壓脊控制型

2010 年11 月1—10 日，500hPa 高度場(chǎng)在烏山及我國(guó)西部地區(qū)為正距平，烏山阻高偏強(qiáng)，東亞槽位于130～145°E 之間，引導(dǎo)地面冷空氣從西路南下影響廣西，印緬槽偏弱；850hPa 風(fēng)場(chǎng)距平廣西受東北氣流控制；西伯利亞高壓前期偏強(qiáng)，后期偏弱。10 月27 日受較強(qiáng)冷空氣南下影響，南寧市開(kāi)始急劇降溫；11 月1—10 日，受穩(wěn)定的變性冷高壓脊影響，南寧上空大氣湍流交換及擴(kuò)散能力下降，空氣污染指數(shù)上升，達(dá)到污染過(guò)程。

（3）緯向環(huán)流型

2003 年1 月12—20 日、2013 年1 月24—30日，500hPa 高度距平場(chǎng)中，歐亞中高緯北面為負(fù)距平、南面為正距平，我國(guó)大部地區(qū)為正距平，烏山至我國(guó)大片地區(qū)為寬廣的高壓脊區(qū)，是較平直的緯向環(huán)流型；東亞槽偏東，位于140°E 以東，副高脊線在16.5°E 以南。廣西850hPa 風(fēng)場(chǎng)距平為東北氣流；西伯利亞高壓偏弱，影響廣西的冷空氣偏弱。弱的動(dòng)力條件和水汽條件引起南寧市大氣污染過(guò)程。

（4）臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響型

2004 年10 月3—26 日，西北太平洋相繼3 個(gè)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑相似，前期向西北方向移動(dòng)到達(dá)臺(tái)灣東部附近海域，然后轉(zhuǎn)向東北，在日本附近海域減弱。10 月13—18 日，500hPa 高度場(chǎng)距平烏山為負(fù)值，高壓脊偏弱；東亞槽位于145°E 以東，位置偏東；西太副高前期偏強(qiáng)偏大、后期偏弱偏小，副高脊線從21°N 逐漸北抬到25°N，前期偏南、后期偏北，印緬槽偏弱。南寧市受臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流影響，2004 年10 月無(wú)降雨，10 月8—29 日連續(xù)22d 的API≥80，其中13—18 日達(dá)到輕度污染。

4 種大氣環(huán)流類型中，對(duì)流層低層廣西均受東北氣流影響，水汽輸送條件差，不利于降水的發(fā)生，是造成大氣污染過(guò)程的重要條件。

5 結(jié)論

（1）3 個(gè)城市南寧市空氣質(zhì)量相對(duì)最差：3 級(jí)日數(shù)南寧市最多，北海市最少；2 級(jí)日數(shù)南寧市最多，桂林市最少；1 級(jí)日數(shù)桂林市最多，南寧市最少。3 市首要污染物均以PM10為主，占66.37%～100%?？諝赓|(zhì)量月際分布中，秋冬春季較差，夏季較好。

（2）因地理環(huán)境和氣候特點(diǎn)不同，影響各市空氣質(zhì)量的高相關(guān)氣象要素有較大差異。利用百分位法，統(tǒng)計(jì)給出各市2、3 級(jí)空氣質(zhì)量的氣象要素閾值各有差異。

（3）分析了南寧市6 次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的大氣污染過(guò)程，大氣環(huán)流共有4 種類型，共同點(diǎn)為850hPa 廣西受東北氣流影響，水汽輸送條件差，無(wú)降雨產(chǎn)生。