寧夏近60 a大氣環(huán)境容量變化特征及其影響因子

崔 洋, 王 岱, 高睿娜, 安興琴

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室,寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室,寧夏 銀川 750002；3.中國氣象科學研究院大氣成分研究所,北京 100081）

隨著經(jīng)濟社會迅速發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等能源消耗量不斷增加，大氣環(huán)境質(zhì)量已成為我國公眾關(guān)注的熱點問題。大氣環(huán)境容量研究是科學制定某一區(qū)域大氣總量控制目標、合理利用有限的大氣環(huán)境容量資源和改善大氣環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)。自20 世紀60 年代日本為應對環(huán)境污染問題提出大氣環(huán)境容量概念以來［1］，加拿大［2］、印度［3］、土耳其［4］、瑞士［5］等國家已將其用于大氣環(huán)境污染、質(zhì)量標準制定和污染防治研究，為本國環(huán)境管理部門科學制定大氣環(huán)境污染防控方案政策提供基礎(chǔ)支撐。我國自20世紀90年代末開始對大氣環(huán)境容量進行研究［6-7］，并取得了一些研究成果。徐大海等［8-10］基于箱模式理論將大氣環(huán)境容量定義為在一定空氣體積和時段內(nèi)，當某種污染物在給定平均濃度水平上，其產(chǎn)生量和清除量達到平衡狀態(tài)時的大氣污染物容量；安興琴等［11］通過數(shù)值模擬方法模擬出了SO2的濃度分布及每個污染單元對于地面濃度的分擔率；孫文杰［12］在大氣環(huán)境容量研究中引入了反映污染物動態(tài)變化的環(huán)境變動量；朱蓉等［13］根據(jù)大氣自身所具有的對大氣污染物的通風稀釋和濕清除能力，給出了基于常規(guī)氣象觀測的大氣自凈能力指數(shù)計算方法。簡單來說，大氣環(huán)境容量就是某一地區(qū)在某時段內(nèi)，大氣環(huán)境所能承納的大氣污染物的最大排放量。它能夠客觀定量地表征大氣對污染物承載能力的變化，大氣環(huán)境容量越小，表明當前大氣環(huán)境對污染物的清除能力越差，反之亦然。

大氣環(huán)境容量不僅與污染物排放有關(guān)，而且與氣象條件也密切相關(guān)。氣象條件主要通過污染物的輸送擴散、干濕沉積以及各種化學清除與轉(zhuǎn)化過程對大氣環(huán)境容量產(chǎn)生影響。其中，邊界層逆溫有利于重度霧霾的發(fā)生及增強［14］；逆溫較強，邊界層高度較低，近地面湍流得不到充分發(fā)展，不利于污染物擴散［15］；秋冬季的局地高溫、高濕及小風環(huán)境有利于淮安市［16］、常州市［17］重度污染天氣的形成。500 hPa高空處于高壓脊前西北偏西氣流中，地面位于弱高氣壓場區(qū)及低壓場(倒槽)區(qū)，廊坊市易出現(xiàn)連續(xù)重污染天氣過程［18］。溫度低、風速小、相對濕度大、逆溫天氣是造成烏魯木齊市采暖期顆粒物污染嚴重的重要原因［19］。降水濕清除是去除污染物的有效途徑，風速直接影響污染物的擴散速度［20］。環(huán)境承載能力下降是造成區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量下降的主要原因之一。21 世紀以來寧夏各地污染物排放增多，大氣環(huán)境質(zhì)量明顯下降。因有關(guān)大氣環(huán)境容量變化研究工作的缺失，寧夏各地大氣環(huán)境污染防治措施效果一般。同時，全球變化背景下，寧夏各地降水、風速等氣象因子的時空分布格局也發(fā)生了明顯改變。因此，本研究利用氣象、環(huán)境質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)，計算大氣環(huán)境容量A值，分析寧夏大氣環(huán)境容量時空變化特征，研究氣象因子對A值的影響，探討大氣污染物承載能力變化，以期為黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)建設提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)資料的連續(xù)性和完整性，選用寧夏11個國家氣象站1961年1月1日至2018年12月31日逐日定時觀測資料，要素包括：云量（總云量、低云量）、風速、降水量。為便于大氣環(huán)境容量相關(guān)參數(shù)計算，風速、云量數(shù)據(jù)選取每日02:00、08:00、14:00、20:00 4個時次，降水量為逐月數(shù)據(jù)。5個地市站點分布情況如圖1 所示，文中所有區(qū)域特征的描述均用站名。污染物濃度數(shù)據(jù)為5個地級市城區(qū)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站逐日數(shù)據(jù)，大氣污染物排放量數(shù)據(jù)來自《寧夏統(tǒng)計年鑒（2018）》。

圖1 研究區(qū)海拔地形與站點分布Fig.1 Terrain elevation and site distribution in the research area

1.2 研究方法

1.2.1 大氣環(huán)境容量 根據(jù)《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法(GB/T 3840-91)》中有關(guān)大氣污染物排放總量的估算方法及徐大海等［9-10］、朱蓉等［13］的研究成果，在長時間平衡條件下大氣環(huán)境容量(Q)通常表示為：

式中：A表示污染物排放總量控制系數(shù)；S表示總量控制區(qū)總面積；CS表示污染物標準濃度界限。在公式（1）中，各地S為常量，CS為定值?？梢姡诓豢紤]區(qū)域污染物濃度變化的情況下，大氣環(huán)境容量的變率主要取決于污染物排放總量控制系數(shù)A，即A的變化能反映出大氣環(huán)境容量的變化。

為分析各地大氣環(huán)境容量時空變化特征，給出A值的具體計算方法。公式如下：

式中：VE表示通風量（m2·s-1）；Wr表示清洗比，取值1.9×10-5；R表示降水率（mm·a-1）。

1.2.2 通風量 通風量是表征邊界層大氣運動狀態(tài)的參數(shù)［8］，理論上某時刻的通風量V′E是通過公式（3）對從地面到混合層頂高度的風速進行積分獲得［21］。

式中：z表示離地高度（m）；ui(z)表示高度z處的平均風速（m·s-1）。在實際科研工作中，一般利用10 m高度處的平均風速u10（m·s-1）和風速高度指數(shù)p來計算獲得V′E。在具體計算過程中，當u10≤6 m·s-1時，取實際風速值，當u10＞6 m·s-1時，其值取6 m·s-1，p值的大小按照大氣穩(wěn)定度確定［22］。根據(jù)《城市大氣污染物總量控制方法手冊》［23］，利用逐時通風量V′E通過公式（4）計算獲得月和季節(jié)通風量VE。

1.2.3 大氣環(huán)境承載力指數(shù) 利用各地區(qū)域污染物濃度等觀測數(shù)據(jù)，對大氣環(huán)境容量進行合理性分析。在此基礎(chǔ)上，參照資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價技術(shù)方法［24］，利用2018年寧夏11站大氣污染物濃度等觀測數(shù)據(jù)，通過公式（5）計算各地環(huán)境承載力指數(shù)。

式中：Pi表示大氣環(huán)境承載力指數(shù)；Ei表示i污染物的排放量；Qi表示i污染物的環(huán)境容量。大氣環(huán)境承載力指數(shù)數(shù)值越低，表明大氣環(huán)境容量越大。參考劉龍華等［25］的大氣環(huán)境承載力指數(shù)等級劃分方法，結(jié)合寧夏氣候環(huán)境特點，將大氣環(huán)境承載力劃分為嚴重超載（＞1）、超載（0～1）、臨界超載（-0.4～0）、中等承載（-0.7～-0.4）和高承載（＜-0.7）5個等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣環(huán)境容量時空分布特征

寧夏月平均大氣環(huán)境容量A值為1.0×104～5.2×104km2·a-1，總體呈單峰型變化，夏季7月最大，冬季12 月最?。▓D2）。各市月A值在6—8 月達到最大，均在12 月達到最小。固原、中衛(wèi)、吳忠、石嘴山、銀川年A值分別為1.0×104～6.5×104km2·a-1、1.1×104～6.2×104km2·a-1、1.0×104～4.2×104km2·a-1、1.0×104～4.0×104km2·a-1、0.7×104～2.4×104km2·a-1，月變幅固原最大、銀川最小。

圖2 1961—2018年寧夏平均逐月大氣環(huán)境容量系數(shù)A變化Fig.2 Change of monthly average atmospheric environmental capacity coefficient A in Ningxia from 1961 to 2018

近60 a寧夏四季大氣環(huán)境A值年際變化均較為明顯，多年平均夏季最大（4.7×104km2·a-1），春季次之（3.0×104km2·a-1），秋季（2.3×104km2·a-1）和冬季（1.1×104km2·a-1）較小（圖3）。春夏秋冬季A值總體上均呈下降趨勢，速率分別為-0.47×104km2·(10a)-1、-0.46×104km2·(10a)-1、-0.33×104km2·(10a)-1和-0.24×104km2·(10a)-1，均通過了顯著性水平檢驗（P≤0.05）。1961—2003 年春夏冬季與秋季A值年代際變化間存在明顯差異，前者呈“增加-減小-增加”變化特征，后者始終呈減小趨勢。2004年四季A值出現(xiàn)斷崖式減少，之后呈小幅度增大趨勢。

圖3 1961—2018年寧夏春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季大氣環(huán)境容量系數(shù)A變化Fig.3 Change of atmospheric environmental capacity coefficient A in spring(a),summer(b),autumn(c)and winter(d)of Ningxia from 1961 to 2018

春季各地A值為1.8×104～4.3×104km2·a-1，吳忠以北及西吉在3.0×104km2·a-1以下，其他地區(qū)在3.0×104～4.3×104km2·a-1之間，均呈顯著減小趨勢，通過了P≤0.05 的顯著性水平檢驗；其中惠農(nóng)、中衛(wèi)、中寧、鹽池、海原、固原減小趨勢為-0.72×104～-0.45×104km2·(10a)-1（圖4a）。夏季各地A值差異較大，海原及固原以南地區(qū)在7.1×104～8.0×104km2·a-1之間，吳忠以北地區(qū)在2.1×104～3.4×104km2·a-1之間；各地A值減小趨勢為-0.79×104～-0.28×104km2·(10a)-1，尤其惠農(nóng)、吳忠、中寧、同心、海原減小趨勢在0.45×104km2·(10a)-1以上（圖4b）。秋季石嘴山、銀川A值在1.50×104km2·a-1以下，為全區(qū)低值中心，其他大部地區(qū)在1.6×104～3.5×104km2·a-1之間，海原、固原南部為高值中心；全區(qū)A值均減小，趨勢在-0.47×104～-0.17×104km2·(10a)-1之間，海原減小趨勢最大（圖4c）。冬季各地A值差異較小，除中寧為1.51×104km2·a-1外，其他地區(qū)均在1.5×104km2·a-1以下；各地A值減小趨勢在-0.15×104～0.30×104km2·(10a)-1之間（圖4d）。

圖4 1961—2018年寧夏春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季平均大氣環(huán)境容量系數(shù)A及其變化趨勢分布Fig.4 Average atmospheric environmental capacity coefficient A and its change trend distribution in spring(a),summer(b),autumn(c)and winter(d)of Ningxia from 1961 to 2018

2.2 影響大氣環(huán)境容量的氣象要素分析

由計算公式（1）和（2）可知，輸送擴散清除項和濕沉積清除項是決定大氣環(huán)境容量的最主要因子，其中輸送擴散清除項由風速和混合層高度計算的通風量表示，風速越大、混合層高度越高，越有利于大氣污染物的湍流擴散，降水對大氣污染物起到?jīng)_刷和濕沉降作用。為研究氣象因子對寧夏大氣環(huán)境容量時空變化的影響，對平均風速、混合層高度和降水量的時空特征及其與A值的關(guān)系進行分析。

近60 a 寧夏平均風速總體呈減小趨勢，年代際變化階段性特征明顯。各季節(jié)平均風速1988—1994年呈“增加-減小-增加”趨勢，1994—2003年較平穩(wěn)，2004 年后出現(xiàn)斷崖式減小，2012 年后再次呈波動增大趨勢（圖5a），與A值變化特征基本一致，反映出其對A值年際變化具有決定性影響。春、夏季混合層高度2003年前總體呈平穩(wěn)緩慢升高趨勢，之后呈略微下降趨勢；秋、冬季混合層高度2003 年前呈微弱降低趨勢，之后呈先下降后升高趨勢（圖5b），說明其自身年代際波動對A值的影響較大。夏季降水最多、年際變率大，秋季和春季降水次之、年際變率相對較小，冬季降水異常少，無明顯年際變化，表明降水對寧夏A值年代際變化無顯著影響（圖5c）。

各地春冬季風速較大，夏秋季較??；惠農(nóng)、中寧、同心、海原風速較大，而銀川、吳忠及西吉風速相對較?。▓D6a）。春冬季風速與A值相關(guān)性最高，多數(shù)通過了P≤0.05 的顯著性水平檢驗；在石嘴山、陶樂、吳忠、中寧兩者間四季均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而在鹽池、海原、西吉、固原僅在春冬季存在顯著相關(guān)關(guān)系（圖6b）。由此可知，不同地區(qū)各季節(jié)風速對A值的影響存在明顯差異。各地混合層高度春、夏季較高，秋冬季較低（圖6c），各季節(jié)混合層高度與A值均存在顯著正相關(guān)關(guān)系（通過了P≤0.01的顯著性水平檢驗），相關(guān)系數(shù)在0.6 以上（圖6d），即混合層高度季節(jié)變化對A值影響較大，混合層高度越高（低）的季節(jié)，A值越大（小）。寧夏夏季降水量最多，約占年降水量的60%左右，空間分布上從南到北依次減少（圖6e）。各地降水量與A值間相關(guān)系數(shù)時空差異明顯，北部的惠農(nóng)、銀川、吳忠僅夏季相關(guān)性顯著（通過P≤0.05的顯著性水平檢驗），中南部的鹽池、同心、海原、固原、西吉則是春夏秋季均存在顯著相關(guān)（圖6f）?？梢钥闯?，降水量對A值的影響在北部干旱地區(qū)是夏季較大，在中南部地區(qū)是春夏秋均較大。

春秋季風速和混合層高度在吳忠、銀川、石嘴山等地的貢獻率在80%以上（圖7），表明大氣湍流輸送擴散是決定北部春秋季A值大小的主要因子；春季降水量的貢獻率在鹽池、同心、西吉等地比風速大，說明在中南部地區(qū)混合層高度和降水量是決定春秋季A值的重要因子。夏季北部地區(qū)混合層高度對A值的貢獻最大，降水量和風速次之且貢獻大小相當；在中南部地區(qū)則是混合層高度和降水量對夏季A值的貢獻較大，尤其在鹽池、同心、西吉、固原降水量的貢獻接近一半甚至以上（圖7b）。冬季各氣象要素對寧夏各地A值的貢獻率由大到小為：混合層高度、風速和降水量（圖7d）。在年代際尺度上，各地春夏季混合層高度無明顯變化趨勢，秋冬季呈顯著降低趨勢（圖略），與A值的變化趨勢較為一致。北部地區(qū)春秋季風速越大，對A值的貢獻越大；中南部地區(qū)夏秋季降水越多，對A值的貢獻越大。

圖7 1961—2018年寧夏春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季氣象要素對A值的貢獻率Fig.7 Contribution rate of spring(a),summer(b),autumn(c)and winter(d)meteorological elements to A value in Ningxia from 1961 to 2018

2.3 大氣環(huán)境容量合理性及剩余量估算

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095—2012）二級標準，對計算出的大氣環(huán)境容量合理性及其剩余量進行分析估算。由表1 可知，2018 年五市城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點SO2年平均濃度為0.009～0.041 mg·m-3，未超過SO2濃度二級標準（0.06 mg·m-3），說明SO2尚有環(huán)境余量。各市SO2排放量為0.54×104～3.73×104t，石嘴山最高，吳忠最低。除石嘴山外，其他各市SO2環(huán)境容量余量為0.69×104～9.20×104t，滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量》（GB3095—2012）濃度界限值要求，表明計算的大氣環(huán)境容量是合理的。由于2013年后大武口站缺少云量觀測造成了一定的不確定性，利用SO2濃度及排放量數(shù)據(jù)計算的石嘴山市環(huán)境容量余量結(jié)果出現(xiàn)負值，也是基本合理的。各市NOx排放量為0.13×104～1.72×104t，剩余容量為0.20×104～8.24×104t。剩余容量固原市最多，銀川市最少。

表1 2018年寧夏地級市城區(qū)SO2和NOx實際排放量與環(huán)境容量Tab.1 Actual emission and environmental capacity of SO2 and NOx in urban areas of Ningxia prefecture-level cities in 2018 /104t

由大氣環(huán)境SO2承載力區(qū)劃評價結(jié)果可知（圖8a），2018年平羅縣和利通區(qū)為臨界超載，銀川市城區(qū)為中等承載，其余各地為高承載；就NOx承載力而言（圖8b），惠農(nóng)區(qū)屬于臨界超載，平羅縣和利通區(qū)屬于中等承載，其余各地為高承載。以冶金、火電、化工、建筑等高耗能產(chǎn)業(yè)和車輛SO2、NOx排放總量、強度較大是上述縣區(qū)環(huán)境容量超載、臨界超載的主要原因。利通區(qū)以南各地大氣環(huán)境SO2、NOx剩余容量較大。在自然因素不變條件下，若SO2排放量惠農(nóng)區(qū)能減少0.63×104t，新增排放量平羅縣、利通區(qū)和銀川市城區(qū)分別控制在0.16×104t、0.50×104t 和0.23×104t以內(nèi)，新增NOx排放量惠農(nóng)區(qū)、平羅縣和利通區(qū)若分別能控制在0.17×104t、1.47×104t 和0.86×104t 以內(nèi)，近段時間寧夏將暫無SO2和NOx減排壓力。

圖8 2018年寧夏SO2（a）、NOx（b）大氣環(huán)境承載力區(qū)劃結(jié)果Fig.8 Zoning results of SO2(a)and NOx(b)atmospheric environmental carrying capacity in Ningxia in 2018

3 結(jié)論

（1）近60 a 寧夏四季大氣環(huán)境容量A值總體呈減小趨勢，速率為-0.47×104～-0.24×104km2·(10a)-1，且秋冬季最顯著。各季節(jié)A值夏季最大（4.7×104km2·a-1），春季次之（3.0×104km2·a-1），秋季（2.3×104km2·a-1）和冬季（1.1×104km2·a-1）較小。A值總體呈南高北低的空間分布特征。全區(qū)春夏秋季A值分別為1.8×104～4.3×104km2·a-1、2.1×104～8.0×104km2·a-1、1.1×104～3.5×104km2·a-1；受賀蘭山、六盤山地形及區(qū)域降水量等因素影響，A值低值中心位于銀川和石嘴山市，高值中心位于固原市南部地區(qū)。

（2）風速和混合層高度變化對寧夏大氣環(huán)境容量A值年代際演變趨勢具有決定影響，降水量對A值的年際變率具有一定影響。大部分地區(qū)A值與混合層高度存在顯著正相關(guān)關(guān)系；降水量和風速對A值的影響存在明顯季節(jié)和地區(qū)差異，風速對北部各地春季A值貢獻較大，降水對中南部各地夏秋季A值的貢獻較大。

（3）2018 年寧夏各市SO2排放量為0.54×104～3.73×104t。除石嘴山外，其他各市SO2環(huán)境容量余量為0.69×104～9.20×104t；NOx排放量為0.13×104～1.72×104t，剩余容量為0.20×104～8.24×104t。受冶金、火電、化工、建筑等高耗能產(chǎn)業(yè)和車輛排放影響，平羅縣和利通區(qū)屬于寧夏大氣環(huán)境SO2、NOx臨界及超載區(qū)，利通區(qū)以南各地為高承載區(qū)。

（4）要進一步改善寧夏整體大氣環(huán)境質(zhì)量，惠農(nóng)區(qū)應減少SO2排放量0.63×104t 以上，并將新增NOx排放量控制在0.17×104t以內(nèi)，平羅縣新增SO2排放量控制在0.16×104t 以下，其他地區(qū)新增SO2和NOx排放量亦需控制在48%以內(nèi)。