邱　粲，曹　潔，王　靜，劉煥彬

山東省氣候中心，山東 濟南 250031

近年來，隨著城市工業(yè)化步伐的加快，能源消耗、環(huán)境污染等問題引起廣泛關注。尤其是人口稠密的大中型城市，大氣污染日趨嚴重，空氣質(zhì)量預報對于指導公眾出行和保護人體健康凸顯出重要意義?！吨腥A人民共和國環(huán)境保護法》第十一條第二款規(guī)定，國務院和省、自治區(qū)、直轄市人民政府的環(huán)境保護行政主管部門，應當定期發(fā)布環(huán)境公報。我國于2000年11月24日由原國家環(huán)?？偩趾椭袊鴼庀缶致?lián)合發(fā)文(環(huán)發(fā)[2000]231號)，規(guī)定自2001年6月5日起，發(fā)布47個環(huán)境保護重點城市的空氣質(zhì)量預報，濟南市屬于47個環(huán)境保護重點城市之一。眾多的科學研究表明，氣象條件與城市大氣污染關系密切[1-4]。研究兩者之間的相關關系以及典型不利氣象條件對污染發(fā)生的誘導性作用，對于空氣質(zhì)量預報具有一定的參考價值和借鑒意義。該文利用濟南市2001—2010年逐日空氣污染指數(shù)與同期相關的氣象資料，對近10年濟南市的空氣質(zhì)量狀況進行了總結(jié)，并分析了空氣質(zhì)量與氣象要素間的相互關系，利用逐步分析法篩選出關鍵影響因子，建立起不同季節(jié)內(nèi)空氣污染指數(shù)與關鍵氣象要素的回歸方程。

1　實驗部分

1.1資料來源

所用濟南市空氣污染資料為國家環(huán)境保護部數(shù)據(jù)中心公布的重點城市空氣質(zhì)量日報中濟南市2001—2010年逐日空氣污染指數(shù)以及濟南市環(huán)保局發(fā)布的濟南市環(huán)境狀況公報。氣象資料為濟南市同期高空及地面觀測資料。

1.2空氣污染指數(shù)及分級標準

表1為空氣污染指數(shù)(API)具體分級標準。

表1　空氣污染指數(shù)分級標準表

API是將根據(jù)我國空氣污染特點和污染防治重點篩選出的二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物3種常規(guī)監(jiān)測的污染物的濃度簡化成的單一的、概念性的指數(shù)形式?？諝赓|(zhì)量日報中所公布的API是基于各污染物濃度的24 h平均值計算的，3項污染指標分指數(shù)中的最大值確定為該城市當日的API。

2　空氣質(zhì)量狀況的變化特征

2.1空氣質(zhì)量年際變化特征

圖1為2001—2010年濟南市API變化曲線，圖2為2001—2010年濟南市空氣質(zhì)量等級分布圖，圖3為2001—2010年濟南市逐年空氣質(zhì)量超標天數(shù)。

圖1　2001—2010年濟南市API變化曲線

圖2　2001—2010年濟南市空氣質(zhì)量等級分布

圖3　2001—2010年濟南市逐年空氣質(zhì)量超標天數(shù)圖

經(jīng)研究知，2001—2010年濟南市API平均值為91，符合國家環(huán)境空氣質(zhì)量Ⅱ級標準(51～100)，屬于良。從API年平均值來看，10年中變化起伏不大，整體略有下降。由圖2可知，近10年來，濟南市空氣質(zhì)量等級為Ⅱ級的天數(shù)出現(xiàn)最多，占全部統(tǒng)計天數(shù)的71.3％。屬于Ⅲ級的污染天氣共907 d，占統(tǒng)計天數(shù)的24.9％?？諝赓|(zhì)量達到Ⅰ級，或超過Ⅳ級的天數(shù)均較少。由此可知，濟南市近10年空氣質(zhì)量以Ⅱ級為主，Ⅲ1和Ⅲ2級的天數(shù)也占到一定比例。圖3顯示，濟南市空氣質(zhì)量污染天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，2004年達到峰值(輕微污染以上天數(shù)全年152 d)后，2005年降至101 d，2006年繼續(xù)減少，2007年僅為49 d，之后略有回升，但幅度不大?？梢姡S著社會對環(huán)境問題關注程度的不斷提高以及2009年全運會的召開，濟南市大力開展的大氣環(huán)境綜合整治工作收到了良好的效果，空氣質(zhì)量得到明顯改善。

2.2首要污染物分析

由API定義可知，3項污染指標分指數(shù)中的最大值確定為該城市當日的API，而該指數(shù)對應的污染物即確定為當日的首要污染物，當API<50，即空氣質(zhì)量狀況為Ⅰ級時，不報告首要污染物。表2列出了濟南市2001—2010年首要污染物的情況。研究時段內(nèi)，非Ⅰ級總天數(shù)為3 556 d，可見，影響濟南市空氣質(zhì)量最多的污染物是PM10，出現(xiàn)天數(shù)為3 358 d，占統(tǒng)計非Ⅰ級總天數(shù)的94.4％。SO2為首要污染物的天數(shù)198 d，占統(tǒng)計非Ⅰ級總天數(shù)的5.6％。NO2為首要污染物的天數(shù)為零。

表2　2001—2010年濟南市空氣質(zhì)量首要污染物情況

2001—2010年，濟南市受PM10影響天數(shù)最多的是2009年(346 d)，占全年統(tǒng)計非Ⅰ級總天數(shù)的96.9％，最少的是2007年(325 d)，占全年統(tǒng)計非Ⅰ級總天數(shù)的92.9％。PM10的來源可分為本地來源和沙塵暴等氣象條件影響下的外地輸送來源[5-6]。本地來源主要包括工礦企業(yè)的煙囪、機動車尾氣塵、未鋪瀝青、水泥的路面揚塵、土壤風沙塵以及建筑施工工地水泥塵和鋼鐵塵等[5-7]。此外，環(huán)境空氣中的硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機物也可與空氣中的其他化合物相互作用形成細粒子。由于PM10在空氣中停留時間較長，對人體健康以及大氣能見度均有較大影響，故應引起足夠重視[8]。

2.3空氣質(zhì)量變化的季節(jié)變化特征

由表3可見，濟南市的空氣質(zhì)量變化具有明顯的季節(jié)特征，呈現(xiàn)冬、春季明顯污染天數(shù)較多，夏、秋季空氣質(zhì)量相對較好的特點。四季中，冬季API平均值達到103，為空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，2001—2010年輕微污染以上的天數(shù)達到359 d，概率為39.8％。分析原因認為：首先，冬季是北方城市的采暖期，采暖設施運行負荷高，大量燃煤造成污染物排放強度大[9]。此外，從氣象條件分析，冬季平均風速較小，容易形成逆溫，這樣的氣象條件使得污染物不易擴散，故而空氣質(zhì)量較差。春季API平均值為97，輕微污染以上的天數(shù)為311 d，概率為33.9％，與冬季相比，春季氣溫回升明顯，氣候干燥，空氣中的污染物容易滯留于近地面層[10-11]，污染物的主要來源是沙塵、揚塵以及煤煙塵。夏季API平均值為81，達到空氣質(zhì)量Ⅱ級標準，輕微污染以上的天數(shù)僅為109 d，概率為11.9％，是四季中空氣質(zhì)量最好的季節(jié)，主要是由于夏季濟南市進入汛期，雨水增多，氣溫較高，逆溫的條件出現(xiàn)較少，這些都為空氣質(zhì)量的改善提供了有利的氣象條件。

表3　2001—2010年濟南市空氣質(zhì)量季節(jié)變化

3　API與氣象要素的相關性分析

3.1API與單個氣象要素的相關性分析

利用2001—2010年的濟南市日平均API和月平均API分別與同期常規(guī)氣象要素進行相關分析，求出它們之間的Pearson相關系數(shù)，詳見表4。

表4　2001—2010年濟南市API與氣象要素相關關系

由表4可見，API與能見度、日平均風速(除春季外)存在負相關關系，且均通過0.01置信水平檢驗，與日平均風速在春季存在正相關關系。其他通過0.01置信水平檢驗的有：API與日平均降水在春季存在負相關關系；API與日平均氣溫在夏、冬季存在正相關關系，在秋季存在負相關關系；API與總云量在冬季存在正相關關系；API與低云量在夏、秋季存在負相關關系；API與相對濕度在春、夏季存在負相關關系，在冬季存在正相關關系；API與日平均氣壓在冬季存在負相關關系。其他時段API與氣象要素的相關關系或僅通過0.05置信水平檢驗，或未通過顯著性檢驗，無統(tǒng)計學意義。根據(jù)逐日API與地面氣象要素的日均值相關分析的結(jié)果可知，API日均值與單個氣象要素日均值的相關性較低，只有當一種或多種氣象要素在有利于或不利于污染物的擴散上有突出貢獻時，當天的API才會受其影響而明顯下降或升高，不同的氣象要素對API的影響各不相同，同一氣象要素在不同季節(jié)對空氣質(zhì)量的影響也不相同。

API與氣象要素的月相關性較高。API的月均值與月均降水、氣溫、總云量、低云量、相對濕度存在通過0.01置信水平檢驗的較高負相關關系，與氣壓存在正相關關系，通過0.05置信水平檢驗。地面的高溫、高濕等氣象條件容易加劇大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性，有利于大氣垂直運動的產(chǎn)生，從而有助于污染物在垂直方向上的擴散，使得污染指數(shù)較低。相反，大氣層結(jié)的穩(wěn)定度越高越不利于污染物的擴散，導致較高污染指數(shù)的產(chǎn)生。

3.2API與多元氣象要素的季節(jié)性回歸方程

雖然API日均值與單個氣象要素日均值相關性普遍較低，其影響程度在不同季節(jié)也各不相同，但兩者之間的相關性是明顯存在的?，F(xiàn)利用逐步回歸分析的方法，綜合考慮各氣象要素對API的共同作用，剔除對API日均值影響不顯著的氣象要素，篩選關鍵影響因子建立不同季節(jié)API與關鍵氣象要素的回歸方程。表5列出了具體方程及相關參數(shù)。

表5　不同季節(jié)內(nèi)API與關鍵氣象要素的回歸方程

由于在多元回歸中判定系數(shù)的值會隨著進入回歸方程自變量的個數(shù)或樣本容量大小的增加而增加，故為消除自變量的個數(shù)以及樣本量的大小對判定系數(shù)的影響，采用修正R2值來表征方程的擬合優(yōu)度。結(jié)果表明：在春季，被選入回歸方程的氣象要素是相對濕度和能見度；夏季篩選入方程關鍵影響因子較多，包括日平均風速、相對濕度、低云量以及能見度；秋季的回歸方程中，除與夏季相同的影響因子外，又引入了日平均氣溫；冬季回歸方程中篩選出的影響因子只有日平均氣溫和能見度。在建立的各個季節(jié)的回歸方程中，雖然包含的變量不同，但其顯著性概率值均小于0.001,即拒絕回歸系數(shù)均為0的假設。因此，各方程擬合效果良好。此外，分析四季的回歸方程可知：與API相關性最為密切的氣象要素是能見度，其在四季的方程中均被選為關鍵影響因子；其次是相對濕度，在春、夏、秋3個季節(jié)對空氣質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響；日平均風速和低云量在夏季和秋季對空氣質(zhì)量作用顯著；日平均氣溫在秋季和冬季會是影響API的關鍵因子之一。日平均降水量、日平均氣壓以及總云量在各個季節(jié)的回歸方程中均未被篩選為關鍵影響因子，故而可知與其他氣象要素相比，它們與API的相關性較差。

4　較高污染指數(shù)過程的天氣形勢分析

2001—2010年濟南市發(fā)生API>300的重度污染天數(shù)為13 d，其中春、夏、秋、冬分別為5、0、2、6 d。研究表明，天氣系統(tǒng)的移動和變化會影響大氣擴散條件和污染物傳輸條件，從而改變空氣中顆粒物的濃度[9]。分別分析重度污染日的天氣形勢可見，影響濟南地區(qū)空氣質(zhì)量的天氣形勢可歸納為低壓、均壓場、高壓前部。分別選取春、秋、冬季的一次重污染過程進行典型個例分析。

4.12010年3月20日重污染過程天氣形勢

圖4為2010年3月20日重污染過程前后幾日API變化曲線，圖5、圖6分別為20日8：00 500 hPa高度場和地面氣壓場。

圖4　2010年3月20日重污染過程前后幾日API變化曲線

注：底圖源自國家測繪地理信息局網(wǎng)站(http://map.sbsm.gov.cn/mcp/index.asp)下載的1∶400萬中華人民共和國地圖政區(qū)版，審圖號為GS(2006)2394號，下載日期為2012-02-08。下同。

圖6　2010年3月20日8：00地面氣壓場

此次污染過程自3月20日起，至3月23日結(jié)束，持續(xù)4 d，其中3月20日為重污染日，最嚴重時刻出現(xiàn)在20日8：00前后，地面氣象觀測記錄顯示有揚沙，在500 hPa高空圖上可見，19日20：00山東上空環(huán)流較為平直，基本上處于偏西氣流控制下。20日8：00 500 hPa槽線已接近濟南，但是表現(xiàn)在低層700 hPa及850 hPa圖上，槽線已過濟南，地面上冷空氣前鋒已達黃海中部至長江中下游一帶，在渤海灣北部天津附近還有一東西向的冷鋒存在。濟南地區(qū)處于冷高壓前部控制下，但其后還有冷空氣補充。故此次污染過程的污染物來源主要是與冷空氣的影響路徑有關，高壓中心19日20：00在蒙古國西部地區(qū)，到20日8：00其中心移至蒙古國中部地區(qū)，14：00又移至河套北部，速度明顯加快，而此時正值春季，由于干旱少雨,地表異常干燥松散,抗風蝕能力很弱，起源于蒙古國南部或內(nèi)蒙古中西部的沙塵天氣沿西北路徑東移，影響我國西北地區(qū)東部、華北北部、東北大部，3月19日至3月22日的空氣日報數(shù)據(jù)表明，北京地區(qū)在此期間空氣質(zhì)量為輕微污染至重污染，氣象觀測資料顯示，3月20日左右河北省多數(shù)站點觀測到揚沙。

4.22010年11月11日重污染過程天氣形勢

圖7為2010年11月11日重污染過程前后幾日API變化曲線圖，圖8、圖9分別為11日8：00 500 hPa高度場和11日2：00地面氣壓場。從圖7可見，此次污染過程的典型特征是11月10日以前以及12日之后空氣質(zhì)量均為良好，僅11日出現(xiàn)重污染。11月10日8：00 500 hPa高空圖上，山東處于弱脊西西北氣流控制下，地面在弱高壓控制下，天氣晴朗，空氣質(zhì)量良好；10日20：00 500 hPa河套西部有低槽發(fā)展，但山東上空仍為弱脊控制。地面圖上顯示，濟南地區(qū)轉(zhuǎn)為由弱高壓后部、低壓前部控制，并有少量云系發(fā)展。11日8：00 500 hPa高空，之前位于河套西部地區(qū)的低槽已移至山東西部，并有所加深，濟南地區(qū)處于槽前西南氣流中，對應8：00地面圖上，濟南地區(qū)處于低壓控制下，實況監(jiān)測顯示有霾，此時高空受西南氣流影響，天氣形勢比較穩(wěn)定，地面氣壓較10日下降1.2 hPa，為995.3 hPa，日照時間較10日減少2.9 h，為5.3 h，平均總云量明顯增加3，達到4.5，當處于這樣的天氣形勢時，由于處于低壓控制，使本地的污染狀況因積累而加重。

圖7　2010年11月11日重污染過程前后幾日API變化曲線圖

圖8　2010年11月11日8：00 500 hPa高度場

4.32009年2月6日重污染過程天氣形勢

圖10為2009年2月6日重污染過程前后幾日API變化曲線圖，圖11、圖12分別為5日20：00 500 hPa高度場和6日2：00地面氣壓場。由圖10可知，此次污染過程的特征是持續(xù)時間較長，1月30日空氣質(zhì)量始為輕微污染，2月2日達到中度污染，之后污染程度略為減輕至輕微污染，2月6日出現(xiàn)重污染，之后逐漸好轉(zhuǎn)，2月10日結(jié)束此次污染過程。分析表明，此次污染過程的原因首先是冬季采暖期采暖設施的大量燃煤提供了充足的污染源，而天氣形勢決定了大氣稀釋擴散能力的不足。

圖9　2010年11月11日2：00地面氣壓場

圖11　2009年2月5日20：00 500 hPa高度場

圖12　2009年2月6日2：00地面氣壓場

2月1日500 hPa高空中緯度地區(qū)呈緯向環(huán)流，濟南地區(qū)上空等高線較為稀疏，對應地面處于均壓場控制下，但在貝加爾湖西部有一個中心氣壓為1 055 hPa的閉合高壓，冷空氣前鋒位于貝加爾湖至蒙古國西部一線，在這種天氣形勢影響下，濟南地區(qū)污染物積聚，2月2日出現(xiàn)中度污染，2日20：00后原位于貝加爾湖地區(qū)的冷空氣前鋒已過山東，地面風速有所加大，污染略有緩解，3、4日在西北氣流控制下由中度污染轉(zhuǎn)為輕微污染。5、6日500 hPa中緯度地區(qū)依然維持較為平直的西風環(huán)流，并不時有短波槽東移影響山東。地面仍由均壓場或弱的高壓后部控制，在高空淺槽的影響下，地面云量明顯增多，相對濕度有所增大，日照時數(shù)減少，地面觀測有輕霧，6日轉(zhuǎn)為偏西氣流，濕度減小，地面觀測為煙，地面一直處于均壓場中，風速小，云量多，底層存在逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流交換較弱，不利于大氣污染物的擴散，使大氣污染物在大氣中滯留，污染物濃度達到峰值，出現(xiàn)重污染，如圖8、圖9所示。2月7日開始降雨，8日降雨量達到53 mm，9日降雨量為11 mm，9日8：00 500 hPa高空濟南轉(zhuǎn)為西北氣流控制，天氣轉(zhuǎn)晴，濕度明顯下降，濟南持續(xù)了近10日的污染過程結(jié)束。

5　結(jié)論

1)近10年來，濟南市空氣質(zhì)量等級以Ⅱ級出現(xiàn)的天數(shù)最多?？諝赓|(zhì)量等級輕微污染及以上的天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢。說明隨著近年來各項大氣環(huán)境綜合整治工作的開展，空氣質(zhì)量狀況有了明顯改善。

2) PM10是濟南市最主要的污染物，作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)最多。SO2作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)也達到一定比例。

3)濟南市的空氣質(zhì)量變化具有明顯的季節(jié)特征，呈現(xiàn)冬、春季明顯污染天數(shù)較多，夏、秋季空氣質(zhì)量相對較好的特點。

4)四季的API與同期的單一常規(guī)氣象要素有一定的相關性，尤其是API與氣象要素的月相關系數(shù)較高。通過建立API與多元氣象要素的季節(jié)性回歸方程可明顯發(fā)現(xiàn)，與空氣質(zhì)量相關性最為顯著的氣象要素是能見度，其次是相對濕度、日平均風速、低云量和日平均氣溫。降水量、氣壓以及總云量與空氣質(zhì)量的相關性較差。

5)天氣系統(tǒng)是直接影響污染物的傳輸條件和大氣的擴散條件的重要因素，濟南市的空氣質(zhì)量重污染過程對應的典型不利天氣形勢：500 hPa高空是以緯向環(huán)流為主的偏西氣流控制，地面為高壓前部、低壓或者均壓場，分別對應有冷空氣影響過程或由暖變冷的降溫過程，并多伴有揚沙、霾或霧等災害性天氣現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]張裕芬，朱坦，馮銀廣，等.氣象因素對空氣質(zhì)量達標的影響分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2006，19(4): 33-36.

[2]劉彩霞，邊瑋.天津市空氣質(zhì)量與氣象因子相關分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23(5): 63-65.

[3]徐曉峰,段欲曉.北京地區(qū)PM10與氣象條件分析[C].城市氣象服務科學討論會學術論文集.北京：中國氣象學會，2001:300-303.

[4]李宗愷，潘云仙，孫潤橋，等.空氣污染氣象學原理及應用[M]. 北京：氣象出版社，1985.

[5]王淑蘭，柴發(fā)合.成都市大氣可吸入顆粒物來源解析研究[J].地理科學，2006,26(2)：717-721.

[6]秦娟娟，王靜，程建光.2008年青島市一次典型大氣外來源輸送污染過程分析[J]. 氣象與環(huán)境學報，2010, 26(6)：35-39.

[7]馮銀廠，吳建會，朱坦，等.濟南市環(huán)境空氣中TSP和PM10來源解析研究[J]. 環(huán)境科學研究，2004, 17(2)：1-5.

[8]劉澤常，劉玉堂，侯魯健，等.濟南市可吸入顆粒物時空變化規(guī)律研究[J].山東建筑大學學報，2010，25(1)：66-69.

[9]徐祥德，湯緒.濟城市化環(huán)境氣象學引論[M].北京：氣象出版社，2002：139-170.

[10]孫韌，劉偉，張贊.城市典型氣象條件與大氣顆粒物污染之間的關系[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2005, 21(2)：80-83.

[11]解輝.天津市大氣污染現(xiàn)狀及對策研究[J]. 災害學，2001, 16(4):13-17.