連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)研究

李華 宮明曉 劉路花

關(guān)鍵詞：連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣；重污染擴(kuò)散概率；等級(jí)分類；要素

前言

在連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣條件下，重污染的擴(kuò)散與傳輸復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)，對(duì)城市居民的生活質(zhì)量和健康產(chǎn)生了重大的威脅。大量的能源消耗和工業(yè)排放對(duì)空氣質(zhì)量造成了極大的危害，重污染環(huán)境現(xiàn)象頻繁地出現(xiàn)。連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣與普通天氣存在較大差異，短時(shí)間內(nèi)變化較快、且通常出現(xiàn)在部分區(qū)域，加大了重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)的難度，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)的研究。

文獻(xiàn)[3]提出化學(xué)天氣數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)模式對(duì)銀川市區(qū)重污染天氣預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)研究，根據(jù)中國(guó)氣象局化學(xué)天氣數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)模式，評(píng)估該模式在銀川市區(qū)重污染天氣預(yù)報(bào)方面的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[4]提出一次連續(xù)PM2.5重污染天氣特征分析及長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法研究，通過(guò)利用2020年1月銀川市持續(xù)重污染天氣的多源觀測(cè)資料，對(duì)當(dāng)時(shí)的氣象條件、擴(kuò)散特征以及前期環(huán)流指數(shù)特征進(jìn)行了綜合分析。雖然上述方面取得一定進(jìn)展，但是無(wú)法滿足需求，且隨著工業(yè)的發(fā)展連續(xù)重污染氣象頻發(fā)，會(huì)對(duì)重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)產(chǎn)生影響，在此背景下提出連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)方法。連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染的擴(kuò)散問(wèn)題是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，通過(guò)深入研究，減少重污染帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和危害。

1重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)要素分析

連續(xù)重污染環(huán)境是已經(jīng)發(fā)生多次、嚴(yán)重的污染事件，造成環(huán)境持續(xù)遭受破壞和污染的狀態(tài)，是當(dāng)前全球面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問(wèn)題之一，由于工業(yè)化、城市化和交通化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量的廢氣、污水和固體廢棄物直接或間接地排放到大氣、水體和土壤中，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量不斷惡化。連續(xù)重污染環(huán)境對(duì)人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都造成了嚴(yán)重的影響；同時(shí)，連續(xù)重污染環(huán)境還對(duì)大自然造成了嚴(yán)重的傷害，對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定性也產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞。因此分析重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)要素，減少污染物的產(chǎn)生和排放，已經(jīng)成為了解決重污染環(huán)境問(wèn)題的必要手段。

重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)要素分析是指對(duì)影響重污染擴(kuò)散的各種因素進(jìn)行分析，以確定對(duì)重污染擴(kuò)散概率的影響程度。連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)方法將污染劃分為以下三個(gè)等級(jí)：

（1）重度污染等級(jí)，此時(shí)的平均風(fēng)速為每秒1.75米；

（2）中度污染等級(jí)，此時(shí)的平均風(fēng)速為每秒1.9米；

（3）輕度污染等級(jí)，此時(shí)的平均風(fēng)速為每秒2.15米。

污染等級(jí)隨著風(fēng)速的增大而減小，重度污染和輕度污染中，空氣質(zhì)量指數(shù)與風(fēng)速的相關(guān)性較小；輕度污染中，空氣質(zhì)量指數(shù)與風(fēng)速的相關(guān)性較大。在三個(gè)等級(jí)下，重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)具體要素內(nèi)容如下所示：

1.1污染源要素

污染源的位置、強(qiáng)度和類型也是重要的要素。距離監(jiān)測(cè)站點(diǎn)近且污染源強(qiáng)度大的地區(qū)，會(huì)增加重污染擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，此外不同類型的污染物會(huì)對(duì)大氣環(huán)流和擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生不同影響。

1.2地理要素

地形和地理?xiàng)l件對(duì)重污染擴(kuò)散概率也有重要影響，主要包括山脈、水體、城市建筑物等地理特征會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)產(chǎn)生阻礙或引導(dǎo)作用，從而影響污染物的擴(kuò)散過(guò)程。

首先是山脈：山脈的存在會(huì)改變空氣流動(dòng)的路徑和強(qiáng)度。當(dāng)污染物遇到山脈時(shí)，會(huì)受到地理地貌的阻擋，導(dǎo)致空氣無(wú)法順利流通，從而加劇了污染物在山區(qū)的積累和擴(kuò)散的困難。其次是水體：水體具有質(zhì)量和熱容量大的特點(diǎn)，可以吸收和釋放大量的熱量，從而調(diào)節(jié)周邊地區(qū)的溫度。水體還會(huì)形成局地的濕潤(rùn)環(huán)境，使得污染物在水體附近容易積聚。最后城市建筑物也對(duì)重污染擴(kuò)散概率產(chǎn)生影響：高樓大廈、道路網(wǎng)絡(luò)和其他建筑結(jié)構(gòu)會(huì)改變城市內(nèi)部的氣流模式，形成“峽谷效應(yīng)”或“熱島效應(yīng)”，導(dǎo)致空氣在城市中停滯，使污染物積累并加劇重污染的發(fā)生概率。

1.3氣象要素

氣象是重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)中至關(guān)重要的因素之一，主要包括溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等。高溫高濕、低風(fēng)速和不利的風(fēng)向條件有助于污染物滯留和積累，導(dǎo)致重污染擴(kuò)散概率增加。

首先是溫度。高溫條件會(huì)加速大氣中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使得污染物更容易被稀釋和擴(kuò)散。相反，低溫條件會(huì)減緩物質(zhì)的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致污染物在空氣中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，增加重污染的可能性。

其次是濕度。高濕度會(huì)增加空氣中的水蒸氣含量，使得污染物與水汽相互作用形成氣溶膠，從而增加了污染物的滯留能力。當(dāng)濕度較低時(shí)，污染物更容易被擴(kuò)散和稀釋，降低了重污染的風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)速和風(fēng)向也是影響重污染擴(kuò)散概率的重要因素。一般來(lái)說(shuō)，較高的風(fēng)速有助于將污染物迅速帶走，減少其在特定地區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間，從而降低了污染物積累的機(jī)會(huì)。

1.4大氣壓強(qiáng)指標(biāo)要素

在重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)中，需要考慮大氣壓強(qiáng)的水平和垂直分布，以及它們的變化趨勢(shì)。大氣壓強(qiáng)的水平和垂直分布會(huì)影響空氣的運(yùn)動(dòng)和污染物的擴(kuò)散，大氣壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)反映出空氣的運(yùn)動(dòng)和變化，從而影響污染物的擴(kuò)散和濃度分布。

通過(guò)對(duì)重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)要素進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下的重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)。

2實(shí)現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)

通過(guò)上述對(duì)重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)要素進(jìn)行分析，可以得出更為準(zhǔn)確的重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)結(jié)果。當(dāng)某地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)，此時(shí)的環(huán)境條件可通過(guò)物理特征量描述。強(qiáng)對(duì)流天氣通常指的是由于空氣強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的天氣現(xiàn)象，這些天氣現(xiàn)象會(huì)對(duì)大氣中的污染物濃度和分布產(chǎn)生影響，從而可能導(dǎo)致重污染的發(fā)生。首先，強(qiáng)對(duì)流天氣會(huì)導(dǎo)致大氣中的污染物垂直混合，將地面附近的污染物帶到高空，從而擴(kuò)大了污染物的影響范圍。同時(shí)，強(qiáng)對(duì)流天氣也會(huì)帶來(lái)強(qiáng)風(fēng)，使得地面附近的污染物更容易擴(kuò)散，從而增加了污染物的濃度。其次，強(qiáng)對(duì)流天氣還可能引發(fā)雷電等氣象現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等二次污染物，進(jìn)一步加重污染程度。此外，強(qiáng)對(duì)流天氣還可能對(duì)大氣中的顆粒物產(chǎn)生影響。如大風(fēng)會(huì)將地面的灰塵、沙粒等顆粒物吹起，使得空氣中的顆粒物濃度增加，從而加重了大氣污染的程度。重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)方法在連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下氣象要素的變化情況建立重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)框架，見(jiàn)圖1。

選取具有代表性較強(qiáng)的對(duì)流參數(shù)建立重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)概率，具體過(guò)程如下：

步驟一：在環(huán)境物理參數(shù)的基礎(chǔ)上采用模糊矩陣評(píng)價(jià)方法建立評(píng)價(jià)矩陣，計(jì)算環(huán)境物理參數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取權(quán)重較高的環(huán)境物理參數(shù)；

步驟二：如果步驟一中選取的環(huán)境物理參數(shù)中存在0～6km、0～3km、0～1km垂直風(fēng)切變，大氣整層可降水量、0℃、零下20℃則不需要展開(kāi)處理，如果不包含上述參數(shù)，需要在選取的環(huán)境物理參數(shù)中，將上述參數(shù)按照權(quán)重大小替換掉原始參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立評(píng)價(jià)矩陣。

步驟三：當(dāng)環(huán)境物理參數(shù)值為c時(shí)，假設(shè)g表示強(qiáng)對(duì)流天氣在該地區(qū)發(fā)生的重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)結(jié)果，表示為式（1）：

3應(yīng)用案例分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)研究的檢測(cè)，進(jìn)行污染物分布數(shù)據(jù)的采集，此過(guò)程見(jiàn)圖2。

按照?qǐng)D2所示的方式，進(jìn)行污染物分布數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的布置，在此基礎(chǔ)上，布置采集點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)預(yù)期的對(duì)流天氣條件，設(shè)置合適的溫度和濕度，模擬對(duì)流天氣中的風(fēng)速和風(fēng)向，通過(guò)設(shè)備模擬風(fēng)場(chǎng)。同時(shí)設(shè)置合適的污染源強(qiáng)度和位置，以模擬污染物的擴(kuò)散。為了模擬連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染的擴(kuò)散情況，需要滿足以下條件：

（1）連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣數(shù)據(jù)：使用過(guò)去記錄的連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及其他相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。

（2）輸入連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣數(shù)據(jù)：將過(guò)去記錄的連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣數(shù)據(jù)輸入到實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，確保實(shí)驗(yàn)條件與真實(shí)情況盡可能接近。

研究區(qū)域地面風(fēng)速較小，平均風(fēng)速為1.65m/s～3.34m/s，靜風(fēng)頻率為0.46%。以研究區(qū)域的高密度逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，分析風(fēng)速在不同污染類型下的變化情況，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，平均風(fēng)速在不同污染類型情況下的變化趨勢(shì)均屬于“單峰型”，輕度污染類型變化情況明顯比其他兩種污染類型更為顯著，峰值具體出現(xiàn)在中午12：00至晚上20：00。

在不同污染類型下連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)研究方法根據(jù)風(fēng)向頻率，獲取風(fēng)向與污染類型之間的關(guān)系，分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在西北偏北和偏西的氣流控制下大氣污染濃度低于其他氣流控制情況下的濃度，此時(shí)空氣屬于輕度污染狀態(tài)；在東南和西北氣流均衡控制條件下，污染區(qū)在大氣中的濃度較高，此時(shí)空氣屬于中度污染；在東南和東南偏南氣流控制條件下，污染物在大氣中的濃度高于其他條件下的濃度，此時(shí)空氣屬于重度污染。

采用設(shè)計(jì)的方法對(duì)某省的重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，該省平均降雨量為8毫米～15毫米，降雨量分布不均勻，夏季、冬季重污染擴(kuò)散變化情況見(jiàn)圖5。

通過(guò)分析圖5可知，重污染擴(kuò)散情況受到多種因素的影響，夏季的高溫高濕氣候條件下，大氣穩(wěn)定度相對(duì)較低，導(dǎo)致污染物容易積累和滯留，尤其是在靜風(fēng)天氣下，污染物擴(kuò)散受阻。相比之下，冬季的低溫和較干燥的氣候條件會(huì)導(dǎo)致大氣較為穩(wěn)定，逆溫現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，使得污染物難以擴(kuò)散。這種差異主要是由于夏季高溫高濕的天氣和污染源活動(dòng)的增加，以及冬季低溫低濕的氣候和供暖需求導(dǎo)致的污染源排放所致。因此，在重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)中，需要考慮氣象條件和污染源的共同影響。在連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下，所提方法能夠反映出實(shí)際情況，并與實(shí)際結(jié)果相符，表明所提出的方法具有較高的預(yù)報(bào)精度。

4結(jié)束語(yǔ)

研究重污染的擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為此文章提出連續(xù)強(qiáng)對(duì)流天氣下重污染的擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)方法。輕度污染類型變化情況明顯比中度污染類型、重度污染類型更為顯著；在西北偏北和偏西的氣流控制下，空氣屬于輕度污染狀態(tài)；在東南和西北氣流均衡控制條件下，空氣屬于中度污染；在東南和東南偏南氣流控制條件，空氣屬于重度污染。采用所提方法預(yù)報(bào)夏季和冬季重污染擴(kuò)散情況，經(jīng)驗(yàn)證，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際變化強(qiáng)度相符，所提方法具有較高的預(yù)報(bào)精度。通過(guò)對(duì)重污染擴(kuò)散概率預(yù)報(bào)的研究，可以更好地掌握重污染在特定天氣條件下的擴(kuò)散規(guī)律，為城市空氣質(zhì)量管理和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。