趙熠琳，王曉彥，汪 巍，原彩紅，李 亮，潘本鋒，王 帥，劉 冰

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 1000122.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

西北部主要城市環(huán)境空氣質(zhì)量特征與預(yù)報影響因素分析

趙熠琳1，王曉彥1，汪 巍1，原彩紅2，李 亮1，潘本鋒1，王 帥1，劉 冰1

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 1000122.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

西北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致各項污染物排放對空氣質(zhì)量影響形勢較為嚴(yán)峻，近幾年頻發(fā)的重污染過程嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活，因此開展西北部主要城市的空氣質(zhì)量預(yù)報工作十分必要。研究選取西北部主要城市展開討論、分析，并初步總結(jié)了主要城市2013—2015年的空氣質(zhì)量分布特征、預(yù)報影響因素、預(yù)報要點等，為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)報工作人員在未來預(yù)報業(yè)務(wù)工作中提供參考。

預(yù)報；空氣質(zhì)量；分布特征；預(yù)報影響因素

中國西北部地區(qū)主要指包括陜西省、寧夏回族自治區(qū)、甘肅省、青海省和新疆維吾爾自治區(qū)在內(nèi)的“三省兩區(qū)”，該地區(qū)面積約為311萬km2，占國土總面積約三分之一，該地區(qū)物產(chǎn)資源豐富，民族眾多，在當(dāng)前“一帶一路”大開發(fā)的重要時期，無論是經(jīng)濟(jì)地位還是戰(zhàn)略地位都凸顯其重要性。

中國西北部的經(jīng)濟(jì)增長目前仍過度依賴第二產(chǎn)業(yè)(特別是重工業(yè)的發(fā)展)，高耗能、高污染的重工業(yè)發(fā)展過快、比重過高，工業(yè)廢氣、廢水及固體廢物的排放都有逐年上升的趨勢，其中廢氣排放在2012、2013、2014年分別占全國總排放量的 6.52%、9.25%、13.14%[1]。根據(jù)2013—2015年環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果顯示，西北部城市的空氣質(zhì)量形勢嚴(yán)峻，主要城市(西安、銀川、蘭州、西寧和烏魯木齊等)出現(xiàn)空氣質(zhì)量重污染情況較多，對當(dāng)?shù)厣鐣睢⒔煌ê蜕a(chǎn)都有一定影響。

2013年國務(wù)院頒布了《大氣污染防治行動計劃》，對包括西北區(qū)域在內(nèi)的主要城市提出了開展空氣質(zhì)量預(yù)報工作的明確要求，為大氣污染防治、公共健康及空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)計劃提供強(qiáng)有力的支持。目前，全國各區(qū)域的重點城市新標(biāo)準(zhǔn)預(yù)報正在逐步開展。由于各種條件限制，西北大部分城市空氣質(zhì)量預(yù)報的研究工作還比較缺乏。本文從預(yù)報的基本原則出發(fā)，分析影響西北地區(qū)的地理、大氣條件，污染來源等主要影響因素，試圖為西北地區(qū)城市預(yù)報提供基礎(chǔ)參考[2]。

1 西北部主要代表城市空氣質(zhì)量特征

以環(huán)境保護(hù)部正式公開發(fā)布的中國環(huán)境監(jiān)測總站全國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照典型地理特征選取有代表性城市：烏魯木齊市，位于準(zhǔn)噶爾盆地以南，天山山系西段的西部，天山中段偏北，市區(qū)三面環(huán)山；西寧市，位于湟水谷地之中，屬于河谷地形，四面環(huán)山，南、西、北三面被祁連山支脈環(huán)抱，東西狹長；蘭州市，位于隴西黃土高原西部，是青藏高原向黃土高原的過渡地區(qū)，市區(qū)南北兩側(cè)被祁連山脈包圍，黃河貫穿全市自西南流向東北，形成峽谷與盆地相間的串珠形河谷；銀川市，位于黃河上游寧夏平原中部，東臨黃河，西靠賀蘭山，主要地形分為山地和平原2部分；西安市，地處渭河平原，又稱關(guān)中平原或關(guān)中盆地，西鄰太白山地，南臨秦嶺，北部為陜甘黃土高原邊緣。以上5個城市涵蓋了各種地形地貌特征，具有一定代表意義。

對上述5個城市2013—2015年的空氣質(zhì)量分布特征進(jìn)行簡要分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2013—2015年西北5城市AQI日均值Fig.1 Five main cities’daily AQI data of northwest China from 2013 to 2015

1.1季節(jié)性特征

烏魯木齊、西寧、蘭州、銀川和西安在采暖季(10月—次年4月)各項污染物濃度較非采暖季(5—9月)污染物濃度高。超標(biāo)天數(shù)見表1。

表1 西北5個城市采暖季及非采暖季重污染天數(shù)Table 1 The number of days between heating and non-heating season of northwest China d

1.2顆粒物、SO2和O3的分布與季節(jié)、燃煤期和自然源有顯著相關(guān)性

2013—2015年采暖季AQI指標(biāo)污染超標(biāo)期間，顆粒物濃度在1—4月和10—12月均明顯高于5—9月，各重點城市PM2.5在采暖季的月均值要高于非采暖季1.84～5.61倍,PM10的月均值高1.73～4.22倍，2013—2015年P(guān)M2.5和PM10月均質(zhì)量濃度變化詳見圖2、圖3。

圖2 2013—2015年P(guān)M2.5月均值對比Fig.2 PM2.5 monthly average data from 2013 to 2015

圖3 2013—2015年P(guān)M10月均值對比Fig.3 PM10 monthly average data from 2013 to 2015

各重點城市以SO2為首要污染物的天數(shù)極少(表2)，只有銀川出現(xiàn)SO2為首要污染物情況較多，且實況空氣質(zhì)量為二～三級，在2015年有明顯改善，AQI指數(shù)范圍為50～120之間；但是各重點城市的SO2監(jiān)測日均值濃度同樣呈現(xiàn)“U”字型特點，高濃度時間段與冬季采暖季(10月15日—次年4月15日)相重合，大多數(shù)月均值顯示濃度有逐年下降的趨勢(圖4)。

表2 西北5個城市SO2為首要污染物天數(shù)Table 2 The number of dayswhich SO2 as theprimary pollutant of northwest China d

圖4 2013—2015年重點城市SO2月均值對比Fig.4 SO2 monthly average data from 2013 to 2015

O3全年濃度變化趨勢則呈現(xiàn)明顯季節(jié)性特點，以烏魯木齊和西安的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)最為突出，O3質(zhì)量濃度隨著溫度的上升逐步升高，隨著溫度的下降而降低(圖5)。

圖5 2013—2105年O3月均值對比Fig.5 O3 monthly average data from 2013 to 2015

1.3自然源排放的季節(jié)特點

2013—2015年沙塵天氣影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3，由表3可以看出，在2013—2015年期間，歷年3—5月發(fā)生的重度級以上空氣污染狀況，絕大多數(shù)是由局地沙塵天氣引起的。

表3 2013—2015年沙塵天氣影響情況統(tǒng)計Table 3 Days, times and influence provincesby sandstorm in 2013—2015

2 預(yù)報影響因素分析

2.1地理和氣候特點

西北三省兩區(qū)的地勢與中國中東部地區(qū)地勢高度差距懸殊，地形復(fù)雜多樣，主要以高原、山地、盆地為主，還相間分布了平川、冰川、河谷、沙漠、戈壁。這種特殊復(fù)雜的地形地貌和下墊面因素對氣候形成的影響十分顯著，主要影響因素還包括地形、冰雪覆蓋和局地地面等特性。

西北干旱區(qū)位于內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，年均降水量低，根據(jù)2015年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計烏魯木齊年降水量為285.2 mm，西寧為398.2 mm，蘭州為310 mm,銀川為186.3 mm，西安為514.1mm[3]，綜合其他干旱指標(biāo)考慮，西北部大多數(shù)地區(qū)仍處于中度干旱。干旱的地理環(huán)境容易造成地表疏松，在強(qiáng)風(fēng)的條件下容易造成沙塵暴和浮沉天氣的出現(xiàn)。

沙塵天氣是典型的大氣顆粒物沉降現(xiàn)象，它作為一種流動的大面積污染源，是造成西北地區(qū)多數(shù)城市發(fā)生重污染事件的主要原因之一[4]，也是一種跨省區(qū)的大氣污染現(xiàn)象，最遠(yuǎn)傳輸距離為430～2 500 km。每年的3—5月為沙塵天氣的高發(fā)期，而造成單個城市小區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量受到明顯影響且不會擴(kuò)散到其他城市的局地性揚塵則在一年四季都會出現(xiàn)[5-6]，西北部地區(qū)沙塵暴以北部、西部發(fā)生頻次較多。

通過分析2013—2015年3—5月日均濃度值的實時監(jiān)測情況，PM2.5占PM10的比例均低于30%，在烏魯木齊還出現(xiàn)PM2.5僅占PM10不到15%的情況，顆粒物污染主要成分為PM10及TSP，證明在這3個月內(nèi)出現(xiàn)的以顆粒物為首要污染物的重污染過程主要原因為沙塵影響(圖6)。

圖6 2013—2015年3—5月PM10、PM2.5日均值濃度比例Fig.6 March to May’s concentration ratio of PM10 and PM2.5 from 2013 to 2015

2.2大氣擴(kuò)散條件特點

中國西北部地區(qū)由于地理位置原因，不僅受夏季的副熱帶天氣系統(tǒng)以及低緯度天氣系統(tǒng)影響，還受冬季溫帶天氣系統(tǒng)和極地冷氣團(tuán)影響，加之內(nèi)陸地區(qū)與海洋距離較遠(yuǎn)，5個代表城市周邊都環(huán)繞高山，極易產(chǎn)生環(huán)流。圖7是夏季(8月)和冬季(12月)中央氣象臺500 hPa高空圖，西北部地區(qū)的大氣特點主要為夏季受副熱帶峰區(qū)和青藏高原高壓的影響多陣雨天氣，高空偶爾會受到副高壓的影響；冬季主要受外蒙古及西伯利亞低壓冷空氣影響，南部更多受到青藏高原影響，在有利的高空大氣環(huán)流引導(dǎo)下形成向東南移動的影響整個西北地區(qū)氣候的寒流。

圖7 中央氣象臺500 hPa高空圖8月和12月示例圖Fig.7 August and December’s 500 hPa example meteorogram from CMA

低空受地面冷高壓影響，部分地區(qū)或城市由于地形因素可能導(dǎo)致其受低空急流影響相較其他城市更為明顯，尤其在局地具備干燥或前期缺少降水、以及疏松和溫度回暖等地表條件時，極大可能生成小規(guī)模沙塵傳輸。

由于西北部地區(qū)地面全年以西北風(fēng)和西南風(fēng)為主，加之省會城市分處的特殊地理位置(盆地、河谷等地形地貌)，較其他地區(qū)更易產(chǎn)生區(qū)域靜風(fēng)、小風(fēng)(風(fēng)速<0.5 m/s為靜風(fēng)，0.5 m/s≤風(fēng)速<1.5 m/s為小風(fēng))，對于大氣污染物擴(kuò)散不是很有利[7]。以蘭州為例，在1961—2010年期間，靜風(fēng)、小風(fēng)的年平均天數(shù)達(dá)到313 d，占全年的85%[8]。

由于混合層內(nèi)平均垂直風(fēng)速和混合層厚度的乘積可以反映混合層內(nèi)垂直擾動情況。西北部地區(qū)春季和夏季的高層風(fēng)較大，動量下傳，混合層厚度較秋季和冬季高，垂直對流較為強(qiáng)烈，更利于污染物的擴(kuò)散和稀釋，秋季和冬季的混合層厚度較低，垂直湍流較弱，對于污染物的垂直擴(kuò)散不利。

2.3污染源特點

自2000年西部大開發(fā)以來，西北部區(qū)域工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有明顯提高，但是相對而言，廢氣排放總量亦呈現(xiàn)明顯上升趨勢，根據(jù)全國第一次污染源普查數(shù)據(jù)顯示，僅在2008年工業(yè)廢氣排放總量較2007年就增長明顯，全區(qū)4項主要污染物(化學(xué)需氧量、氨氮、SO2、氮氧化物)排放量分別為56.02、4.03、 66.80、63.73萬t。

西北部地區(qū)秸稈資源分布差異較大，陜西年產(chǎn)秸稈量約3 100萬t，甘肅約2 500萬t，寧夏約485萬t，新疆約834萬t[9]。當(dāng)農(nóng)作物收割以后，部分秸稈產(chǎn)量較多的地區(qū)會選擇焚燒方式處理秸稈，由于秸稈產(chǎn)量和地形原因，秸稈焚燒可能對西北關(guān)中地區(qū)空氣質(zhì)量影響較大。

3 預(yù)報要點分析

根據(jù)西北部空氣質(zhì)量情況，污染物濃度分布特征及影響因素的分析，各城市在進(jìn)行日常預(yù)報業(yè)務(wù)工作中應(yīng)注意的預(yù)報要點如下。

3.1以時間為主線

春季以大氣排放影響導(dǎo)致空氣質(zhì)量重污染的情況較多，所以預(yù)報過程應(yīng)注意是否滿足沙塵生成前提條件，如出現(xiàn)冬季干旱、降水降雪量低導(dǎo)致的地表疏松等起沙條件，伴隨影響西北部地區(qū)的850 hPa低空激流活動頻繁，具備傳輸條件時，應(yīng)在日常預(yù)報業(yè)務(wù)過程中隨時關(guān)注突發(fā)性沙塵影響導(dǎo)致短期過境的以PM10為首要污染物的區(qū)域性重污染過程預(yù)報預(yù)警。

夏季由于西北部地區(qū)的地勢從西向東由高到低，南疆和甘肅酒泉地區(qū)地勢高度可達(dá)1 300 m，而青海及隴南部分地區(qū)較低，大約為500 m，有利于本地排放污染物的擴(kuò)散，但由于受副熱帶高壓及青藏高原高壓的影響，在高溫天氣過程中應(yīng)著重考慮本地O3污染。

秋季和冬季的空氣質(zhì)量比春季和夏季明顯較差，主要原因為大氣混合層厚度較低，垂直湍流較弱，混合層對污染物的垂直擴(kuò)散非常不利，同時由于西北地區(qū)更早進(jìn)入采暖期，采暖期內(nèi)(10月—次年4月)的燃煤排放等都易導(dǎo)致以PM2.5為首要污染物的重污染天氣形成；當(dāng)受到外蒙古及西伯利亞低壓冷空氣影響時，污染物擴(kuò)散有利，空氣質(zhì)量可得到一定改善。

3.2主要以污染過程為主線

因為地-氣相互作用的界面上持續(xù)進(jìn)行著物質(zhì)、能量和水分的交換，這些因素時刻影響著一個城市的空氣質(zhì)量[10-11]，所以預(yù)報工作中分析擴(kuò)散條件時應(yīng)注意，區(qū)域范圍處在靜穩(wěn)條件覆蓋時，氣象條件不利于污染物擴(kuò)散，易形成由本地人為排放污染物累積導(dǎo)致的污染過程，本地人為排放較高時還有可能形成區(qū)域性污染物傳輸。

區(qū)域范圍處在低空急流條件覆蓋時，則需關(guān)注是否具備起沙條件，當(dāng)傳輸條件與起沙條件同時具備時，應(yīng)留意研判上述條件增加和適時增加過程性或突發(fā)性沙塵影響短期PM10污染。

4 結(jié)論

依據(jù)2013—2015年全國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的實時監(jiān)測結(jié)果特征分析，西北部主要城市環(huán)境空氣質(zhì)量及各項污染物分布均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，主要的影響因素包括地理、氣候、大氣擴(kuò)散條件及污染源排放等。綜上考慮，西北部空氣質(zhì)量預(yù)報應(yīng)注意的要點為春季主要考慮短時或過程性沙塵及秸稈焚燒影響預(yù)報，夏季關(guān)注本地O3污染，秋季和冬季著重關(guān)注采暖期排放以及不利的大氣擴(kuò)散條件導(dǎo)致的重污染天氣過程。

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AnalysisontheImpactFactorsofAirQualityCharacteristicsandForecastofMajorCitiesinTheNorthwestofChina

ZHAO Yilin1,WANG Xiaoyan1,WANG Wei1,YUAN Caihong2,LI Liang1,PAN Benfeng1,WANG Shuai1,LIU Bing1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

The pollution of air quality situation in the Northwest of China is grim because of the rapid development of regional economy and industry. Frequent heavy pollution has seriously affect the production and life of local residents in recent years, to carry out the air forecast for the major city in the Northwest of China is very necessary. The air quality data of the major cities in the Northwest of China in past three years was selected in the paper, to discuss, analyze and summarize the air quality distribution characteristics, forecast the impact factors and forecast precautions of the major cities, The result might provide reference on air forecasting work of environmental monitoring system in the future.

forecast;air quality;distribution characteristics;impact factors of forecast

X84

A

1002-6002(2017)05- 0082- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.12

2016-12-16;

2017-01-09

科技部2015年度環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項“多尺度空氣質(zhì)量預(yù)報對接技術(shù)與業(yè)務(wù)示范研究”(201509014)

趙熠琳(1986-)，女，北京人，碩士，工程師。

劉 冰