孫田文,張淑敏,吳 寧,戎鴻興

(1.陜西省氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,西安 710014;2.銅川市氣象局,陜西銅川 727031)

銅川市空氣污染氣象條件分析

孫田文1,張淑敏2,吳 寧2,戎鴻興2

(1.陜西省氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,西安 710014;2.銅川市氣象局,陜西銅川 727031)

統(tǒng)計(jì)分析了銅川南、北市區(qū)近10 a空氣污染監(jiān)測(cè)資料和對(duì)應(yīng)的氣象資料,并進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明:銅川市空氣能見度與空氣污染API指數(shù) (I)對(duì)應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜,氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)等氣象條件對(duì)污染物分布具有綜合性影響。北市區(qū)能見度近3 a有所下降,三種污染物的API指數(shù)I(PM10)、I(SO2)、I(NO2)10 a來(lái)緩慢下降,表明空氣質(zhì)量在好轉(zhuǎn);南市區(qū)能見度年際變化不大,I(PM10)變化幅度較大。南、北市區(qū)I(PM10)、I(SO2)、I(NO2)均為夏季最低,冬季最高,春季次之;空氣污染均是PM10最大、SO2次之、NO2最小。相關(guān)分析得出,南市區(qū)I(PM10)與相對(duì)濕度反相關(guān)性最好,I(NO2)與日平均風(fēng)速相關(guān)性最好,I (SO2)與相對(duì)濕度相關(guān)性最好;北市區(qū)I(PM10)僅與空氣濕度反相關(guān)顯著。南市區(qū)冬季風(fēng)越大,能見度越好;而春、夏、秋則相反,風(fēng)速越大,能見度反而降低。年平均風(fēng)速較大時(shí),大氣能見度條件相應(yīng)較好,較大的風(fēng)速更有利于大氣污染物的擴(kuò)散;而當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí),大氣能見度較差。

空氣污染;API分指數(shù);能見度;氣象條件

眾所周知,空氣質(zhì)量的優(yōu)劣與氣象條件有一定關(guān)系,大量文獻(xiàn)研究表明,空氣中PM10(含PM2.5)質(zhì)量濃度越高,大氣能見度越低,空氣質(zhì)量越差。龐翻等[1]分析得出空氣污染在靜穩(wěn)天氣條件下加重灰霾的程度。張?jiān)７业萚2]指出在污染源變化不大的情況下,低污染天氣潛勢(shì)有利于減輕污染程度,高污染潛勢(shì)的天氣則會(huì)加大污染程度。司瑤冰等[3]研究表明,城市大氣污染的最重要兩大影響因素是污染物排放和大氣的穩(wěn)定度,導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度變化的主導(dǎo)因素是天氣變化。李春花[4]得出影響西寧大氣污染的氣象因子有動(dòng)力因子和熱力因子,動(dòng)力因子主要是冷空氣活動(dòng)和湍流,熱力因子主要是大氣逆溫和穩(wěn)定度。馮良敏等[5]分析成都地區(qū)13次PM10污染過(guò)程氣象條件得出重污染天氣多為下濕上干且濕層較為淺薄的結(jié)構(gòu)。銅川曾經(jīng)以產(chǎn)煤著稱,煤塵污染比較嚴(yán)重,曾是全國(guó)空氣污染較重的城市之一,20世紀(jì)90年代被“譽(yù)”為衛(wèi)星上“看不見”的城市。近十余年銅川市委、市政府采取了強(qiáng)有力的治污降霾措施,空氣質(zhì)量較前期有了明顯好轉(zhuǎn)[6]。但是,受氣候變化和城市化進(jìn)程加快的影響,與全國(guó)其他城市一樣,有時(shí)也會(huì)遇到污染天氣的困擾。本文研究銅川氣象因素與空氣質(zhì)量的關(guān)系,為后期的空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)預(yù)警奠定基礎(chǔ),同時(shí)為有關(guān)部門治污降霾提供參考。

1 資料來(lái)源和方法

采用銅川2003—2012年10 a時(shí)間序列,按照北市區(qū)和南市區(qū)兩個(gè)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)站和氣象觀測(cè)站的資料進(jìn)行對(duì)比分析,其中北市區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)資料選用王益區(qū)政府監(jiān)測(cè)站,南市區(qū)選用新區(qū)管委會(huì)監(jiān)測(cè)站資料,兩個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站都在人口居住密集區(qū),空氣污染指數(shù)完全能夠代表這個(gè)地域的空氣質(zhì)量情況;氣象資料選用與環(huán)境監(jiān)測(cè)站位置接近氣象站,北市區(qū)為銅川氣象站(53947),南市區(qū)為耀縣氣象站(57037)。銅川氣象站比王益區(qū)政府環(huán)境監(jiān)測(cè)站海拔高200 m,兩站水平距離為3 km,且銅川氣象站處在郊外,四周空曠,環(huán)境監(jiān)測(cè)站位于城市區(qū)川道。耀縣氣象站比新區(qū)管委會(huì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站海拔高度低30 m,兩站水平距離為5 km,四周均比較空曠?？諝馕廴举Y料為利用兩個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的PM10、SO2、NO2三種污染物質(zhì)量濃度換算后的空氣污染指數(shù)API分指數(shù),分別表示為I(SO2)、I(NO2)、I(PM10);氣象資料為能見度、風(fēng)、空氣相對(duì)濕度等要素。

根據(jù)國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》),空氣污染指數(shù)API劃分為7檔,對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量的7個(gè)級(jí)別,指數(shù)越大,級(jí)別越高,污染越嚴(yán)重,對(duì)人體健康的影響也越明顯(表1)。

2 空氣質(zhì)量年際變化和季節(jié)變化

由圖1a可看出,2003—2012年北市區(qū)(王益區(qū)、印臺(tái)區(qū))I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)呈下降趨勢(shì)。2004年I(PM10)最高達(dá)120, 2009年最低為62,2010—2012有緩慢上升趨勢(shì);I(SO2)在2006年僅30,2007年達(dá)60,出現(xiàn)明顯波動(dòng),2007—2009年呈現(xiàn)降低趨勢(shì),之后又緩慢上升;I(NO2)近10 a來(lái)整體變化不大,但2010—2012年有緩慢上升趨勢(shì)。北市區(qū)能見度10 a平均為14.3 km,2010、2012年出現(xiàn)明顯降低趨勢(shì),分別為13 km、12 km,其它年份則總體平穩(wěn)?？傮w來(lái)看,北市區(qū)年能見度與I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)有一定負(fù)相關(guān)性。

由圖1b可看出,2003—2012年南市區(qū)(耀州區(qū)、新區(qū))I(PM10)變化幅度較大,2008—2010年最小,指數(shù)低于60;2004、2012年較大,指數(shù)超過(guò)90。I(SO2)呈現(xiàn)兩低三高變化態(tài)勢(shì),2005、2010年最低,2003、2007、2012年較高,指數(shù)變化幅度為20左右。I(NO2) 2003—2008年呈波浪形變化,2009—2012年逐年緩慢上升,但均低于30。南市區(qū)能見度變化平穩(wěn),均值為10.2 km,振幅很小。

從圖2可看出,南、北市區(qū)三個(gè)空氣質(zhì)量指數(shù)均為夏季低、冬季高,春季次之,表明空氣質(zhì)量夏季較好,冬季最差,其次是春季。這主要是因?yàn)槎⒋杭眷o穩(wěn)天氣偏多,降水偏少,污染物長(zhǎng)時(shí)間積累,加之太陽(yáng)輻射弱,空氣垂直運(yùn)動(dòng)弱,不利于污染物擴(kuò)散,造成空氣污染。北市區(qū)能見度6月最大,5月次之,9月最小,2、8、11月也相對(duì)較低。南市區(qū)能見度也是6月最大, 4、10月次之;1、8、11月最小。

從圖1和圖2可看出,銅川北、南市區(qū)空氣污染指數(shù)均為I(PM10)明顯偏大、I(SO2)次之、I(NO2)最小,說(shuō)明PM10是銅川市首要的空氣污染物。

分析表明,銅川市10 a間大氣能見度總體較好,均值在12 km以上,北部好于南部,優(yōu)于全國(guó)絕大多數(shù)城市,但總體發(fā)展趨勢(shì)仍不容樂(lè)觀,北市區(qū)平均能見度大于南市區(qū),近10 a南市區(qū)能見度年變化呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì),空氣污染指數(shù)也呈現(xiàn)增大趨勢(shì);北市區(qū)能見度最近3 a卻略有下降,但空氣污染指數(shù)則呈略降低的趨勢(shì)。表明銅川市空氣能見度與空氣污染指數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜,有待于進(jìn)一步分析研究。

3 氣象要素與空氣污染指數(shù)相關(guān)性分析

3.1 氣象要素與空氣污染指數(shù)季節(jié)變化的相關(guān)性

分別選用1、4、8、11月代表冬、春、夏、秋四季,利用10 a環(huán)境監(jiān)測(cè)站的I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)與能見度、相對(duì)濕度、風(fēng)速三種氣象要素分別進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算其相關(guān)系數(shù),在樣本數(shù)大于200,通過(guò)信度0.05 T檢驗(yàn)的顯著相關(guān)系數(shù)Rc為0.15,即當(dāng)相關(guān)系數(shù) (正值表示正相關(guān),負(fù)值表示反相關(guān))大于0.15時(shí)則認(rèn)為兩種要素相關(guān)顯著 (或相關(guān)較好)。由表2可知,1月北市區(qū)I(PM10)與相對(duì)濕度相關(guān)性最好,表明冬季濕度越大, I(PM10)也增大,污染加重;I(SO2)與能見度相關(guān)顯著,而I(NO2)與三種氣象要素相關(guān)性均不顯著。4月,風(fēng)速與I(PM10)、I(NO2)相關(guān)顯著,能見度與I(SO2)相關(guān)顯著。8月I(SO2)、I(PM10)與大氣能見度相關(guān)顯著。11月只有I(NO2)與相對(duì)濕度相關(guān)顯著,相關(guān)系數(shù)為-0.28,與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.25。結(jié)果表明,不同季節(jié),北市區(qū)三個(gè)空氣污染指數(shù)與氣象條件的相關(guān)性不同。除4月外,大氣能見度與空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速相關(guān)顯著,與相對(duì)濕度呈反相關(guān),與風(fēng)速呈正相關(guān)。即一般情況下風(fēng)速越大,能見度越大;濕度越大,能見度越小。4月由于空氣和土壤整體比較干燥,風(fēng)速大則容易形成浮塵揚(yáng)沙天氣,導(dǎo)致能見度下降。

南市區(qū)各季節(jié)空氣污染指數(shù)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)明顯大于北市區(qū),各月I(SO2)與大氣能見度相關(guān)系數(shù)均在0.2以上,1月相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.39。1、8、11月I(PM10)與大氣能見度相關(guān)性好,1月相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.51,4月較差。相對(duì)濕度與1月I(SO2)、I(PM10),11月I(NO2)、I(PM10)相關(guān)性也較好。8月風(fēng)速與I(NO2)反相關(guān)性最顯著;1月風(fēng)速與三種污染指數(shù)均為顯著反相關(guān),表明冬季風(fēng)速越大,污染指數(shù)越小,空氣質(zhì)量越好。南市區(qū)相對(duì)濕度對(duì)能見度的影響與北市區(qū)一致,各季均為顯著反相關(guān),1月相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.74。風(fēng)速與能見度1月為正相關(guān),4、8、11月均為反相關(guān),表明南市區(qū)冬季風(fēng)越大,能見度越好,而春、夏、秋則相反,風(fēng)速越大,能見度反而降低。

3.2 I(PM10)對(duì)大氣能見度影響分析

銅川三個(gè)污染物指數(shù)均為北市區(qū)大于南市區(qū),而平均大氣能見度則是南市區(qū)比北市區(qū)低4.1 km。這種情況可能與觀測(cè)站位置有關(guān)。北市區(qū)冬、春季大氣能見度與I(PM10)分布幾乎沒(méi)有相關(guān)性,點(diǎn)聚圖 (圖略)上看也沒(méi)有規(guī)律可循,這與該地大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)與氣象站環(huán)境差異過(guò)大有關(guān)系[7],導(dǎo)致北市區(qū)空氣污染指數(shù)與大氣能見度出現(xiàn)了不一致的變化情況。南市區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站位于新區(qū)的平原上,氣象站位于耀州區(qū)城郊,位置略低,環(huán)境差異不太大,但一定程度上也會(huì)出現(xiàn)兩者不一致的情況。從表2可知,南市區(qū)I(PM10)與能見度的反相關(guān)最顯著,為進(jìn)一步分析南市區(qū)I(PM10)對(duì)能見度的影響,制作了10 a 1月逐日能見度與I(PM10)點(diǎn)聚圖,圖3a表明,1月I(PM10)主要在分布50～180之間,大氣能見度則主要在1.5～15.0 km之間。當(dāng)I(PM10)大于150時(shí),大氣能見度小于15.0 km,當(dāng)I(PM10)大于200時(shí),能見度低于5 km;當(dāng)能見度小于10.0 km時(shí),I(PM10)均大于50,而當(dāng)能見度小于5.0 km時(shí),I (PM10)從38到282都有分布。由此推斷, PM10也不是影響南市區(qū)冬季能見度的最主要因素,氣象條件的變化才是銅川霧、霾形成的主要原因。

3.3 空氣濕度、風(fēng)速對(duì)I(PM10)的影響分析

利用平均風(fēng)速、相對(duì)濕度資料分析對(duì)大氣能見度的影響發(fā)現(xiàn),當(dāng)年平均風(fēng)速較大時(shí),大氣能見度相應(yīng)較大,較大的風(fēng)速更有利于大氣污染物的擴(kuò)散。而當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí),大氣能見度較小。

相對(duì)濕度與I(PM10)總體上呈正相關(guān),相對(duì)濕度增大,I(PM10)也隨之增大(圖3b)。日平均風(fēng)速則與I(PM10)呈反相關(guān)(圖3c)。

銅川2003年空氣污染指數(shù)整體較高,北市區(qū)年均I(PM10)超過(guò)100,南市區(qū)I(PM10)接近90,因此以2003年為例對(duì)逐日空氣污染指數(shù)與氣象要素做進(jìn)一步分析,結(jié)果表明(表3): 2003年,南市區(qū)I(PM10)與相對(duì)濕度反相關(guān)性最好,I(NO2)與日平均風(fēng)速相關(guān)最好, I(SO2)與相對(duì)濕度反相關(guān)性最好。北市區(qū)I(PM10)僅與相對(duì)濕度的反相關(guān)較為顯著; I(SO2)則與三種氣象要素相關(guān)性均比較高,與相對(duì)濕度呈0.59的反相關(guān),與能見度和風(fēng)速正相關(guān);I(NO2)與相對(duì)濕度呈0.38的反相關(guān),與能見度和風(fēng)速有0.2的正相關(guān)。由此可看出, 2003年,相對(duì)濕度是影響空氣污染指數(shù)的最主要?dú)庀笠蛩?風(fēng)速也是影響空氣質(zhì)量指數(shù)的一個(gè)重要因素,而能見度與I(PM10)相關(guān)性較小,這與前面的相關(guān)分析基本一致。

4 2013年12月中下旬強(qiáng)霾天氣過(guò)程簡(jiǎn)要分析

2013年12月18—25日,銅川南市區(qū)出現(xiàn)了較強(qiáng)霾天氣,銅川市氣象臺(tái)連續(xù)發(fā)布了霾天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警信號(hào),過(guò)程期間I(PM10)≥200,達(dá)到中度以上污染。耀縣氣象站氣象要素顯示,18—25日,能見度＜5 km(圖4a),無(wú)降水,溫度變化平穩(wěn),沒(méi)有明顯的冷空氣影響,露點(diǎn)線接近溫度線,溫度露點(diǎn)差很小,說(shuō)明空氣相對(duì)濕度較大,地面一直為均壓場(chǎng)區(qū),風(fēng)速只有2～4 m/S,空氣污染物得不到擴(kuò)散,導(dǎo)致嚴(yán)重的霾,26日14時(shí)開始,氣溫出現(xiàn)了明顯下降,溫度露點(diǎn)差突增,空氣濕度下降,氣壓上升,地面風(fēng)向由西南變成了偏北,說(shuō)明有冷空氣入侵,污染物得到有效的擴(kuò)散,銅川霾天氣結(jié)束[8-9](圖4b)。

5 結(jié)論

利用銅川南、北市區(qū)2003—2012年環(huán)境監(jiān)測(cè)站和氣象觀測(cè)站資料,研究銅川氣象要素與空氣質(zhì)量的關(guān)系,得出以下結(jié)論。

(1)銅川北市區(qū)年能見度與I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)三種空氣污染指數(shù)有一定負(fù)相關(guān)性;空氣質(zhì)量夏季較好,冬季最差,其次是春季。

(2)南市區(qū)能見度變化不大,均在10.2 km左右,I(PM10)變化幅度較大;I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)均是夏季最低,冬季最高,春季次之。

(3)南、北市區(qū)空氣主要污染物均是PM10、其次是SO2,NO2屬于污染最小的因素,PM10是銅川的首要的空氣污染物。

(4)南市區(qū)I(PM10)與相對(duì)濕度反相關(guān)性最好,I(NO2)與日平均風(fēng)速相關(guān)最好,I(SO2)與相對(duì)濕度相關(guān)性最好。北市區(qū)I(PM10)僅與空氣濕度反相關(guān)顯著。

(5)南市區(qū)冬季風(fēng)越大,能見度越好,而春、夏、秋則相反,風(fēng)速越大,能見度反而降低。

(6)當(dāng)年平均風(fēng)速較大時(shí),大氣能見度條件相應(yīng)較好,較大的風(fēng)速更有利于大氣污染物的擴(kuò)散;而當(dāng)相對(duì)濕度較大時(shí),大氣能見度較差。

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:A

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1006-4354(2015)05-0027-06

2015-06-08

孫田文(1968—),男,云南永善人,學(xué)士,高級(jí)工程師,從事氣象業(yè)務(wù)管理和科研開發(fā)。

銅川市氣象局2014年霧霾成因分析及預(yù)報(bào)指標(biāo)研究支持項(xiàng)目