福建省氣象科學(xué)研究所 王 宏 鄭秋萍 陳彬彬 謝祖欣

2015～2016年福州市空氣污染氣象條件對(duì)比分析*

福建省氣象科學(xué)研究所 王 宏 鄭秋萍 陳彬彬 謝祖欣

利用2015～2016年福州市大氣常規(guī)污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及氣象觀測(cè)資料，對(duì)比分析福州市空氣污染氣象條件狀況及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，2016年福州市空氣污染氣象條件好于2015年，特別是6～10月，受副熱帶高壓及其邊緣，臺(tái)風(fēng)（熱帶輻合帶）及其外圍等天氣系統(tǒng)影響，空氣污染氣象條件基本維持在一級(jí)，大氣擴(kuò)散條件極好，AQI等級(jí)優(yōu)占95.4%，顆粒物濃度只有年平均值的70%～80%。2016年全市有利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)占72.4%，較上一年度增加32d，區(qū)域污染輸送減少5d，非常不利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)明顯減少；全年平均風(fēng)速2.3m/s，較上一年度增加4.5%；小風(fēng)日數(shù)33d，減少8.3%；大風(fēng)日數(shù)37d，增加5.7%；年總降水量2263.6mm，增加27.3%。從年均值分析看，2016年福州市空氣污染氣象條件較2015年明顯改善，但對(duì)于不同的月份，不同的天氣過(guò)程，空氣污染氣象條件變化的情況應(yīng)具體分析，不同氣象條件對(duì)AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）變化的貢獻(xiàn)也各不相同。

空氣污染 氣象條件 天氣形勢(shì) 風(fēng)速 風(fēng)頻 降水 福州市

0 引言

空氣污染氣象條件是指從氣象學(xué)角度出發(fā)判別氣象因子對(duì)于大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、清除等能力的強(qiáng)弱?？諝馕廴練庀髼l件潛勢(shì)預(yù)報(bào)是環(huán)境氣象業(yè)務(wù)的重要組成部分，是預(yù)測(cè)空氣質(zhì)量變化、霾天氣發(fā)生發(fā)展、重污染天氣生消的重要指標(biāo)。在人類活動(dòng)日益增多的影響下，區(qū)域內(nèi)的人口、交通、城市布局、能源消費(fèi)等均發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致大氣環(huán)境污染問(wèn)題日益突出；就空氣質(zhì)量而言，除了基礎(chǔ)污染物濃度，外來(lái)污染源影響以及化學(xué)反應(yīng)下二次污染物生成等綜合影響，氣象條件的影響尤為重要，大氣擴(kuò)散條件的好壞直接影響了空氣質(zhì)量的好壞。有研究表明[1]，在相對(duì)清潔的地區(qū)，在大氣環(huán)境容量允許的范圍內(nèi)，氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)率在80%～90%，空氣質(zhì)量變化主要取決于氣象條件的變化，不利的氣象條件可加重源排放致污效果，形成空氣污染。王繼志等基于北京PM2.5特性和凝結(jié)函數(shù)fc、濕相當(dāng)位溫θe及氣象條件適應(yīng)加權(quán)參數(shù)?等敏感氣象條件參數(shù)分析，發(fā)展了描述和診斷天氣條件與空氣質(zhì)量的PLAM (Parameters Linking Air quality and Meteorology)指數(shù)方法[2]；鄧雪嬌等通過(guò)邊界層觀測(cè)試驗(yàn)，詳細(xì)分析了對(duì)廣州地區(qū)典型清潔與污染過(guò)程有重大影響的大氣湍流與物質(zhì)交換特征，研究表明不利于污染物平流與擴(kuò)散的氣象條件降低一半，導(dǎo)致污染物的累積可達(dá)3～6倍[3]；楊元琴等分析夏季奧運(yùn)會(huì)歷史同期與高污染過(guò)程關(guān)系密切的敏感氣象要素和變量，引入適應(yīng)度函數(shù)分級(jí)方法，建立北京夏季空氣質(zhì)量氣象條件參數(shù)預(yù)報(bào)模型，取得了良好的預(yù)報(bào)效果[4]；周明煜等研究表明，北京城市大氣氣溶膠濃度與邊界層大氣湍流擴(kuò)散之間存在顯著的關(guān)系等[5]。

本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，對(duì)比分析了2015～2016年福州市空氣污染條件對(duì)空氣質(zhì)量的綜合影響，從大氣環(huán)流背景（有利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)、不利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)）、水平擴(kuò)散輸送（風(fēng)速、風(fēng)頻）、垂直湍流交換（層結(jié)穩(wěn)定度）、稀釋清除作用（臺(tái)風(fēng)、降水）等方面開(kāi)展，并針對(duì)不同的月份、不同的天氣過(guò)程研究空氣污染氣象條件變化的主要貢獻(xiàn)來(lái)源。

1 資料分析與處理

1.1 氣象觀測(cè)資料處理

利用2015～2016年福州（58847）站氣象常規(guī)觀測(cè)小時(shí)資料，計(jì)算20～20時(shí)的平均風(fēng)速、小風(fēng)日數(shù)、靜風(fēng)頻率、大風(fēng)頻率、日降水量、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度等；通過(guò)08時(shí)福州探空站大氣層結(jié)剖面圖分析925hPa及以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度、逆溫層等；利用地面、850hPa和500hPa高空08時(shí)、20時(shí)大氣環(huán)流背景及其演變趨勢(shì)，開(kāi)展天氣形勢(shì)歸類分析，將其分為有利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)和不利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)[5]。

1.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)資料處理

將2015～2016年福州市5個(gè)環(huán)境國(guó)控城市站點(diǎn)（剔除鼓山對(duì)照點(diǎn)）PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO等6種污染物小時(shí)濃度資料，計(jì)算20～20時(shí)不同污染物日平均濃度值，O3日濃度值為各站點(diǎn)8h滑動(dòng)平均最大值的全市平均。

2 空氣質(zhì)量狀況對(duì)比

2.1 概況

2.2 PM2.5優(yōu)良率比較

由于細(xì)顆粒物PM2.5是福州大氣6種常規(guī)污染物中最重要的代表，也是最主要的首要污染物，因此文中用PM2.5濃度代表空氣質(zhì)量的總體狀況。2016年P(guān)M2.5空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQIPM2.5）有270d（73.8%）等級(jí)優(yōu)；91d（24.8%）等級(jí)為良，優(yōu)良率98.6%，較去年升高0.5個(gè)百分點(diǎn)；超標(biāo)（日均值>75μg/m3）共5d，有4次發(fā)生在1月，1次發(fā)生在4月，年平均超標(biāo)率1.4%，均為輕度污染，沒(méi)有出現(xiàn)中度及以上污染天氣。

2.3 月濃度比較

2016年總體空氣質(zhì)量好于2015年，只有3月、11月和12月空氣質(zhì)量較2015年同期差（見(jiàn)圖1），PM2.5濃度分別高出同期18.8%、17.9%和29.5%。1～2月以及6～10月份均好于2015年同期水平，PM2.5濃度下降了4.9%～32.4%，特別是1月和10月比2015年同期空氣質(zhì)量狀況改善明顯，分別下降了29.5%和32.4%。

圖1 2015～2016年福州市PM2.5月平均濃度值

3 空氣染污氣象條件對(duì)比

3.1 大氣環(huán)流背景對(duì)比分析

根據(jù)福州天氣形勢(shì)分型與大氣污染物相關(guān)分析[6]，有利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)主要有冷高壓脊（排除區(qū)域輸送）、高壓底部、低渦切變（高空槽）、副熱帶高壓及其邊緣、臺(tái)風(fēng)（熱帶輻合帶）及其外圍；不利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)有高壓后部、鋒前暖區(qū)、地面倒槽、均壓場(chǎng)及其他（包含臺(tái)風(fēng)外圍烈的下沉氣流造成污染，冷高壓偏北氣流引起的區(qū)域污染輸送等）。

表1是2015～2016年福州市天氣形勢(shì)類型及天數(shù)分布，從中可見(jiàn)，2016年有利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)有265d，占72.4%，比2015年多32d，主要為高壓底部、副熱帶高壓及其邊緣，臺(tái)風(fēng)（熱帶輻合帶）及其外圍等天氣系統(tǒng)增加，且主要集中在6～10月，這期間福州空氣污染氣象條件基本維持在一級(jí)，大氣擴(kuò)散條件極好，AQI等級(jí)優(yōu)的天數(shù)占95.4%，顆粒物濃度只有年平均值的70%～80%。而且與2015年相比，2016年福州受區(qū)域污染輸送影響減少5d，不利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)減少23.5%；綜上可得，2016年福州市大氣環(huán)流背景總體上較2015年更有利于大氣污染物的擴(kuò)散和清除，有利于空氣質(zhì)量的改善。

隨著大學(xué)生畢業(yè)人數(shù)逐年增加，就業(yè)形式愈發(fā)嚴(yán)峻，大學(xué)生創(chuàng)業(yè)精神的培養(yǎng)在高校教育中突顯極其重要的地位。尤其在新的歷史時(shí)期，黨的十九大報(bào)告中提出了要堅(jiān)持新發(fā)展理念，要不斷壯大我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國(guó)力，大力建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。新發(fā)展理念的科學(xué)內(nèi)涵包括創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享五大發(fā)展理念，新發(fā)展理念指明了“十三五”乃至更長(zhǎng)時(shí)期我國(guó)的發(fā)展思路、發(fā)展方向和發(fā)展著力點(diǎn)，也為我國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)指明了方向。

表1 2015～2016年福州市天氣形勢(shì)類型及天數(shù)

3.2 水平擴(kuò)散能力對(duì)比分析

（1）2016年全年平均風(fēng)速2.3m/s，較上一年度增加4.5%，水平擴(kuò)散能力有所增強(qiáng)。

（2）小風(fēng)日數(shù)（日平均風(fēng)速≤1.5m/s）33d，比2015年減少8.3%，其中81.8%的小風(fēng)日集中發(fā)生在1～5月，1月份最多，其次是3月份，期間大氣水平擴(kuò)散能力全年最差，顆粒物濃度是年平均值的1.2～1.3倍，小風(fēng)時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W、SE；靜風(fēng)（日平均風(fēng)速≤0.5m/s）頻率為0.3%；可見(jiàn)，福州市風(fēng)速總體是比較有利于水平輸送的，靜風(fēng)和小風(fēng)日數(shù)不足全年的10%。

（3）大風(fēng)日數(shù)（日平均風(fēng)速＞3.0m/s）37d，較上一年度增加5.7%，主要集中在7月、9月臺(tái)風(fēng)（熱帶輻合帶）及其外圍的大風(fēng)，對(duì)有水平擴(kuò)散能力的增強(qiáng)有顯著貢獻(xiàn)，大風(fēng)時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋、NE。

需要說(shuō)明的是，分析全年的平均風(fēng)速變化，只是定性描述了大氣水平擴(kuò)散能力的“大概率”狀況，但實(shí)際決定大氣水平擴(kuò)散能力強(qiáng)弱的不僅是風(fēng)速的大小和風(fēng)向的不同，更重要的是風(fēng)場(chǎng)的輻合與輻散強(qiáng)度，在空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式的公式里其實(shí)沒(méi)有風(fēng)速這個(gè)因子，有的是風(fēng)速輻合與風(fēng)速輻散的因子，風(fēng)速輻合有利于污染物堆積，弱的上升運(yùn)動(dòng)會(huì)阻礙高層清潔的空氣下沉，導(dǎo)致污染物濃度升高；風(fēng)速輻散有利于污染物向高層擴(kuò)散，也有利于污染物的稀釋和清除。所以常規(guī)認(rèn)為風(fēng)速增大對(duì)降低污染物濃度有良好的作用，其實(shí)這是并不完全正確的觀點(diǎn)，只是一個(gè)大概率事件。

3.3 垂直交換能力對(duì)比分析

通過(guò)分析08時(shí)V-3θ大氣垂直結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析925hPa及以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度、逆溫層以及相對(duì)濕度大小，選擇對(duì)比分析冬季和春季（1～5月、11～12月）污染物平均濃度較高的月份，排除降水。

（1）2016年1～5月，925hPa及以下大氣層結(jié)不穩(wěn)定性高于2015年，垂直交換能力總體較強(qiáng)，垂直交換系數(shù)主要表征垂直方向湍流交換的劇烈程度，計(jì)算公式如下：

其中K、SI、LI分別為K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、抬升指數(shù)LI。

（2）2016年11～12月，925hPa及以下大氣層結(jié)穩(wěn)定度高于2015年、逆溫頻率有所上升，垂直交換能力下降22%，靜穩(wěn)天氣比較多，特別是11月份，空氣污染氣象條件較差出現(xiàn)了3次因靜穩(wěn)天氣導(dǎo)致的污染過(guò)程。

但對(duì)于垂直交換能力的分析，往往很難得到“常規(guī)認(rèn)知”的結(jié)果，因?yàn)樵诒姸嘤绊懘髿鈹U(kuò)散能力的因素中，能促進(jìn)湍流發(fā)展的，都將是增強(qiáng)擴(kuò)散能力的有利條件，而抑制湍流發(fā)展的，都將是削弱擴(kuò)散能力的不利條件。但是，由于各種因素之間存在相互作用，使情況變得更加復(fù)雜，有時(shí)一種有利條件的增強(qiáng)會(huì)削弱另一種有利條件的作用，使兩者相互作用的最終結(jié)果并不一定有利于擴(kuò)散能力的增強(qiáng)。

3.4 降水清除能力對(duì)比分析

2016年登陸和影響福建省的臺(tái)風(fēng)偏多偏強(qiáng)、致災(zāi)重，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”等造成的暴雨范圍之廣和雨勢(shì)之強(qiáng)歷史罕見(jiàn)，其次是暴雨洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，全年降水量2263.6mm，異常偏多，比2015年增加27.3%，大氣的清除能力明顯強(qiáng)。

自然降水對(duì)空氣污染物能起到清除和沖刷作用，對(duì)降低污染物濃度有一定效果，特別是在降水發(fā)生的后期；在降水作用下，大氣中的一些氣體污染物能夠溶解在水中，降低空氣中氣體污染物的濃度，較大的降水對(duì)空氣污染粉塵顆粒也起著有效的清除作用，也可在一定程度上抑制地面揚(yáng)塵發(fā)生，但是較小的降水，特別是暖區(qū)降水，有時(shí)降水量也很大卻造成細(xì)顆粒物吸濕性增長(zhǎng)，導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度迅速降低，形成強(qiáng)雨霧、濃霧后，大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，污染物濃度明顯上升或造成污染物濃度虛高現(xiàn)象、倒掛現(xiàn)象。相對(duì)濕度與污染物的關(guān)系也有類似規(guī)律，在暖區(qū)，濕度越大，會(huì)造成細(xì)顆粒物吸濕性增長(zhǎng)，導(dǎo)致污染物濃度上升。

比如，2016年3月和11月，降水量較2015年同期增長(zhǎng)230%和65.7%，但PM2.5濃度值卻升高了18.8%和17.8%。其中3月份比較有代表性，2016年3月份有17d出現(xiàn)降水（日降水量≥0.0mm），總降水量132.5mm，降水量區(qū)間在0.0～35.5mm，降水量小于7mm的有13d，其中10d降水對(duì)污染物的清除作用不明顯，顆粒物吸濕性增長(zhǎng)導(dǎo)致污染物濃度不降反升，導(dǎo)致3月的PM2.5濃度全年最高。2016年11月有16d出現(xiàn)降水，總降水量100.6mm，降水量較小的（5mm以下）共11d，其中有5d，PM2.5日均濃度較高在32～60μg/m3之間，與3月不同的是，11月的降水多為冷空氣主導(dǎo)下的降水，即使降水強(qiáng)度較弱，但隨著氣溫降低，相對(duì)濕度下降，污染物濃度都會(huì)迅速降低。

4 結(jié)果與討論

（1）2016年福州市空氣質(zhì)量較2015年明顯改善，作為一個(gè)相對(duì)清潔的區(qū)域，空氣污染氣象條件的改善對(duì)空氣質(zhì)量的提升貢獻(xiàn)率是非常大的。

（2）2016年福州市有利于擴(kuò)散的天氣形勢(shì)增加了13.7%，區(qū)域輸送導(dǎo)致的污染日數(shù)明顯下降；全年風(fēng)速有所增加，降水量明顯增加，冬春季節(jié)大氣垂直交換能力有所增強(qiáng)，以上對(duì)空氣污染氣象條件中水平擴(kuò)散、垂直湍流交換和大氣的清除作用有直接貢獻(xiàn)，提升了福州市空氣污染氣象條件等級(jí)。

（3）有關(guān)與空氣污染氣象條件的研究是非常復(fù)雜的，它涉及的邊界層氣象學(xué)是環(huán)境氣象學(xué)科皇冠上的明珠，存在很多科學(xué)難題需要解決。

在人類、動(dòng)植物共同生存的近地層，影響大氣污染物濃度變化的因子相當(dāng)復(fù)雜，本文得出的結(jié)論較淺顯，或者是常識(shí)中的大概率事件。

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福建省氣象局開(kāi)放式科學(xué)基金（2014K04）、國(guó)家自然科學(xué)基金（海峽兩岸科技合作聯(lián)合基金）（U1405235）共同資助。