魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣特征及其與大氣污染物的關(guān)系

董寧 趙京峰 王曉默

摘 要：【目的】研究魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣特征及其與主要污染物的關(guān)系。【方法】通過(guò)構(gòu)建靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)，利用2014—2018年濟(jì)寧、菏澤、棗莊三市的大氣監(jiān)測(cè)和氣象資料，構(gòu)建了魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣指數(shù)（SWI），分析了SWI與空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）及PM2.5濃度的關(guān)系，能較好地表征魯西南地區(qū)大氣對(duì)污染物的水平與垂直擴(kuò)散及運(yùn)輸能力?！窘Y(jié)果】濟(jì)寧SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.79，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.78；菏澤SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.62，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.61；棗莊SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.77，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.78。當(dāng)SWI增大時(shí)，PM2.5濃度與AQI值均增大；當(dāng)SWI值減小時(shí)，PM2.5濃度與AQI值均下降，其具備較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。【結(jié)論】靜穩(wěn)天氣指數(shù)的時(shí)間提前特征，說(shuō)明靜穩(wěn)天氣指數(shù)對(duì)下一日的空氣質(zhì)量具有一定的影響；靜穩(wěn)天氣指數(shù)在空氣質(zhì)量發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)有較好的指示作用；靜穩(wěn)天氣指數(shù)在一定程度上與大氣污染程度的變化一致，且在一定范圍內(nèi)對(duì)分級(jí)空氣質(zhì)量有較好的指示意義。

關(guān)鍵詞：靜穩(wěn)指數(shù)（SWI）；空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）；大氣污染物

中圖分類(lèi)號(hào)：X51? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）04-0116-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.021

Stationary Weather Characteristics and Its Relationship with Air

Pollutants in Southwest Shandong Province

DONG Ning1? ? ZHAO Jingfeng1? ? ?WANG Xiaomo2

（1.Meteorological Bureau of Jining， Jining 272000，China; 2.Meteorological Bureau of Heze， Heze 273200，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the characteristics of calm and stable weather in the southwestern region of Shandong and its main relationship with major pollutants. [Methods] This article constructs a comprehensive index of calm and stable weather， and uses atmospheric monitoring and meteorological data from Jining， Heze， and Zaozhuang from 2014 to 2018 to construct a calm and stable weather index （SWI） in the southwestern region of Shandong. The relationship between SWI and air quality index （AQI） and PM2.5 concentration is analyzed， It can better characterize the horizontal and vertical diffusion and transportation capacity of pollutants in the atmosphere of southwestern Shandong. [Findings] The correlation coefficient between Jining SWI and AQI is 0.79， and the correlation coefficient with PM2.5 concentration is 0.78; The correlation coefficient between Heze SWI and AQI is 0.62， and the correlation coefficient with PM2.5 concentration is 0.61; The correlation coefficient between SWI and AQI in Zaozhuang is 0.77， and the correlation coefficient with PM2.5 concentration is 0.78. When SWI increases， both PM2.5 concentration and AQI value increase; When the SWI value decreases， both the PM2.5 concentration and AQI value decrease. [Conclusions] Indicating a good corresponding relationship The time advance characteristics of the Quiet Weather Index indicate that the Quiet Weather Index has a certain impact on the air quality of the next day; The calm weather index has a good indicating effect when air quality changes The static and stable weather index is consistent with the changes in atmospheric pollution to a certain extent， and within a certain range， it has good indicative significance for grading air quality.

Keywords： SWI; AQI; air pollutants

0 引言

靜穩(wěn)天氣包含靜風(fēng)、均壓、高濕、層結(jié)穩(wěn)定等［1-3］重要因素，不利于污染物擴(kuò)散、沉降、擴(kuò)散。氣象條件的利弊是污染天氣形成和維持的重要因素［4-6］。在目前城市空氣污染預(yù)報(bào)中，靜穩(wěn)天氣的判斷主要依靠業(yè)務(wù)人員對(duì)天氣形勢(shì)的定性分析。楊元勤等［7］通過(guò)診斷分析風(fēng)場(chǎng)等敏感因素的貢獻(xiàn)，建立了2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間空氣質(zhì)量氣象條件的PLAM指數(shù)預(yù)測(cè)方法，在特定的氣象條件下，如“靜穩(wěn)型”周邊區(qū)域性污染物通過(guò)敏感要素（如溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等）在影響空氣質(zhì)量中做貢獻(xiàn)。王耀庭等［8-9］也指出越穩(wěn)定的大氣越不利于污染物擴(kuò)散，因?yàn)榉€(wěn)定大氣邊界層不易被突破。本研究在綜合考慮氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、海平面氣壓、逆溫強(qiáng)度等要素的情況下，設(shè)計(jì)了魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣指數(shù)，該指數(shù)能綜合反映出大氣穩(wěn)定程度。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用污染物濃度、空氣質(zhì)量等級(jí)數(shù)據(jù)來(lái)自山東省氣象局的逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，PM2.5質(zhì)量濃度取日均值，缺測(cè)8 d。相關(guān)氣象要素取自經(jīng)過(guò)質(zhì)控的濟(jì)寧、棗莊、菏澤、徐州市氣象局常規(guī)地面氣象觀測(cè)資料和探空資料，氣溫、氣壓、風(fēng)、濕度資料取日均值，缺測(cè)1 d。樣本資料時(shí)間長(zhǎng)度取 2014年1月1日至2018年12月31日，共1 826 d，其中，氣象探空垂直觀測(cè)氣溫資料分別為8：00 和20：00。本研究主要采用相關(guān)分析、閾值統(tǒng)計(jì)、回算檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法和環(huán)境氣象預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)。

1.2 研究方法

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究，通過(guò)統(tǒng)計(jì)典型邊界層特征量對(duì)應(yīng)的靜穩(wěn)天氣特征，確定各氣象因子閾值和權(quán)重，建立了靜態(tài)天氣綜合指數(shù)（SWI）［3，10］。

1.2.1 篩選有關(guān)靜穩(wěn)天氣形成的氣象要素。判別靜穩(wěn)天氣形勢(shì)主要考慮近地層氣壓、溫度、濕度、風(fēng)速、逆溫等要素。24 h變溫、變壓較弱時(shí)對(duì)應(yīng)較為穩(wěn)定的天氣形勢(shì)，易形成靜穩(wěn)天氣［11-14］。逆溫時(shí)層結(jié)較為穩(wěn)定，霧霾不利于擴(kuò)散［15-16］。結(jié)合預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)研究和實(shí)際數(shù)據(jù)環(huán)境，本研究選取了6個(gè)物理意義明確、時(shí)空匹配性好的氣象因子構(gòu)建靜態(tài)穩(wěn)定天氣指數(shù)：日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速（10 m）、日平均海平面壓力、24小時(shí)變壓（日平均海平面壓力）、24 h變溫（日平均溫度）、8：00和20：00的850 hPa和1 000 hPa之間的溫差（記錄為T(mén)850～1 000）、850 hPa與925 hPa之間（記錄為T(mén)950～925）及925 hPa與1 000 hPa的溫差（記為T(mén)925～1 000）。相關(guān)分析表明，這6個(gè)氣象因子與PM2.5濃度的相關(guān)性好于其他因子。

1.2.2 確定各氣象要素閾值。根據(jù)各氣象要素在靜穩(wěn)天氣中的作用和物理意義的不同劃分出合適的區(qū)間，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)生大氣污染期間各氣象要素的閾值。

1.2.3 計(jì)算各氣象要素分指數(shù)。通過(guò)對(duì)樣本的統(tǒng)計(jì)分析，得到了穩(wěn)定天氣的子指標(biāo)，即各氣象因子在不同閾值范圍內(nèi)的權(quán)重。同一因子的不同閾值范圍的權(quán)重與該因子在該閾值范圍內(nèi)對(duì)靜穩(wěn)天氣形成的影響呈正相關(guān)。具體方法如下：利用上述污染物濃度和地表及高空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，分段分析近地面各氣象要素的分項(xiàng)指數(shù)。數(shù)值越大，發(fā)生污染天氣的概率越高。分指數(shù)具體計(jì)算方法為式（1） 。

Kin = [? ?ain? ?ain+bin? ? a? ? a+b] （1）

式中：Kin為變量i在區(qū)間n的分指數(shù)；ain和bin是區(qū)間n中變量i條件下污染天氣和非污染天氣的發(fā)生次數(shù)；a和b分別為污染天氣和非污染天氣的總發(fā)生次數(shù)。張恒德等［17］的研究證實(shí)了這種定義方法的可行性，該公式算法也被用于《空氣污染擴(kuò)散氣象條件等級(jí)》（QX/T413—2018）。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到了不同閾值范圍對(duì)應(yīng)的影響魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣的不同氣象因子的子指標(biāo)（見(jiàn)表1至表3，區(qū)間值大于或等于下限值且小于上限值）。例如，日平均風(fēng)速（10 m）閾值分為四個(gè)區(qū)間，其分項(xiàng)指數(shù)隨著風(fēng)速的增加而迅速下降，而小于1 m/s的風(fēng)速最有利于穩(wěn)定天氣的發(fā)生。日平均相對(duì)濕度分為8個(gè)區(qū)間。根據(jù)各閾值范圍對(duì)應(yīng)的靜穩(wěn)天氣分項(xiàng)指數(shù)，對(duì)靜穩(wěn)天氣貢獻(xiàn)最大的相對(duì)濕度為40%～50%，其次為50%～60%和60%～70%，對(duì)靜穩(wěn)定天氣貢獻(xiàn)最小的相對(duì)濕度<30%。

1.2.4 計(jì)算靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)。靜穩(wěn)天氣的綜合指數(shù)值是落在閾值范圍內(nèi)的所有因素的權(quán)重之和。靜穩(wěn)天氣指數(shù)（SWI）的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。若氣象要素的值在閾值范圍內(nèi)，則表明物理量支持靜穩(wěn)天氣的形成，并促進(jìn)空氣污染的發(fā)生。否則，則意味著該因子在計(jì)算穩(wěn)定天氣綜合指數(shù)中的貢獻(xiàn)為零，即其權(quán)重為零。

SWI = [n=16Kin] （2）

2 靜穩(wěn)天氣指數(shù)的綜合應(yīng)用

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)了解到，SWI在污染較為嚴(yán)重的冬季表現(xiàn)出的效果更好［2，3，10］，因此，本研究選取2017—2018年冬季靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)與空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，并對(duì)SWI與AQI、PM2.5濃度分別進(jìn)行線性擬合，嘗試根據(jù)靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)來(lái)預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量。

對(duì)2017—2018年冬季濟(jì)寧、菏澤、棗莊靜穩(wěn)天氣指數(shù)（SWI）與AQI、PM2.5濃度的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1至圖3所示。從圖中可知，AQI、PM2.5濃度與SWI的變化之間有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中濟(jì)寧SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.79，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.78；菏澤SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.62，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.61；棗莊SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.77，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.78。當(dāng)SWI增大時(shí)，PM2.5濃度和AQI值逐步增大；當(dāng)SWI值減小時(shí)，PM2.5濃度和AQI值逐步減小。此外，SWI的變化在時(shí)間上具有一定超前性，這從側(cè)面說(shuō)明了前一日的靜穩(wěn)天氣指數(shù)對(duì)次日的空氣質(zhì)量具有一定的參考意義。因此，當(dāng)SWI增大時(shí)，說(shuō)明大氣污染狀況正在加??；當(dāng)SWI減小時(shí)，說(shuō)明空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。以上分析表明SWI可較好地表現(xiàn)氣象條件在大氣污染狀況轉(zhuǎn)變中的貢獻(xiàn)。

根據(jù)上述靜穩(wěn)天氣指數(shù)，本研究計(jì)算了魯西南2014—2018年冬季08：00和20：00的靜穩(wěn)天氣指數(shù)值，并根據(jù)AQI值劃分08：00和20：00的空氣質(zhì)量，其中AQI≥101為污染等級(jí)，51≤AQI≤100為良級(jí)，0≤AQI≤50為最佳等級(jí)。選取同一天內(nèi)兩次空氣質(zhì)量等級(jí)相同的靜穩(wěn)天氣指數(shù)值，取兩次靜穩(wěn)天氣指標(biāo)值的平均值作為相應(yīng)的空氣質(zhì)量等級(jí)靜穩(wěn)天氣指數(shù)值。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，靜穩(wěn)天氣指數(shù)與大氣污染程度基本呈正相關(guān)。當(dāng)靜穩(wěn)天氣指數(shù)在平均狀態(tài)下小于5.23時(shí)，空氣質(zhì)量可達(dá)到優(yōu)良或良好水平，不易發(fā)生污染天氣。當(dāng)靜穩(wěn)天氣指數(shù)在5.07～5.23之間時(shí)，空氣質(zhì)量達(dá)到良好水平。當(dāng)靜穩(wěn)天氣指數(shù)大于6.36時(shí)，空氣質(zhì)量達(dá)到良或污染水平，易發(fā)生污染天氣。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2018年冬魯西南地區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)到污染水平（AQI≥101）的有162例，其中靜穩(wěn)指數(shù)值大于5.23的有85 d，占比為52.5%?？諝赓|(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)93例（51≤AQI≤100），其中靜穩(wěn)指數(shù)值在5.07～6.36之間達(dá)58 d，占比為62.3%；空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良水平（0≤AQI≤50）15例，其中靜穩(wěn)指數(shù)值小于16.5的有11 d。占比為73.3%。以上結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，靜穩(wěn)指數(shù)對(duì)空氣質(zhì)量分級(jí)具有良好的指示意義。

3 結(jié)論

本研究利用相關(guān)資料，構(gòu)建了適合魯西南地區(qū)的靜穩(wěn)天氣指數(shù)（SWI），分析了SWI與AQI及PM2.5濃度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)論如下。

①構(gòu)建了魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)，能較好地表征魯西南地區(qū)大氣對(duì)污染物的水平與垂直擴(kuò)散及運(yùn)輸能力。分析了2017—2018年冬季魯西南地區(qū)靜穩(wěn)天氣指數(shù)與AQI與PM2.5濃度之間的關(guān)系及演變特征，濟(jì)寧SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.79，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.78；菏澤SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.62，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.61；棗莊SWI與AQI相關(guān)系數(shù)為0.77，與PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.78。當(dāng)SWI增大時(shí)，PM2.5濃度逐步增大，AQI值逐步升高；當(dāng)SWI值減小時(shí)，PM2.5濃度逐步減小，AQI值逐步下降，其具備較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

②靜穩(wěn)天氣指數(shù)的變化在時(shí)間上有一定的提前性，說(shuō)明前一天的靜穩(wěn)天氣指數(shù)對(duì)次日的空氣質(zhì)量有一定的參考意義，靜穩(wěn)天氣指數(shù)在空氣質(zhì)量發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)有較好的指示作用。靜穩(wěn)天氣指數(shù)可以在一定程度上表征大氣污染程度，兩者基本上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且在一定范圍內(nèi)靜穩(wěn)天氣指 數(shù)對(duì)分級(jí)空氣質(zhì)量有較好的指示意義。

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