黃春華， 許文龍

(廣西壯族自治區(qū)防城港市氣象局， 廣西 防城港 538001)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，空氣污染可能對(duì)公眾健康、社會(huì)生產(chǎn)生活造成的不利影響越來(lái)越引起國(guó)家和社會(huì)的重視，受到人們的關(guān)注。目前，防城港市狠抓大氣污染防治，但是大氣污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，特別是秋冬季和初春時(shí)節(jié)，污染天氣多發(fā)頻發(fā)。2017年，防城港市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)有效天數(shù)365 d，優(yōu)良天數(shù)339 d，污染天數(shù)26 d，其中10月25日—11月3日就連續(xù)10 d為污染日，是一次罕見(jiàn)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)空氣污染過(guò)程，本文通過(guò)分析此次空氣污染過(guò)程的污染物特征及氣象條件，找出氣象條件對(duì)空氣污染的影響，以期為空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)提供參考，提高空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，也為環(huán)保部門(mén)提供決策參考。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

防城港市地處中國(guó)東部沿海南端和西南沿邊起點(diǎn)的交匯處、廣西北部灣之濱，是中國(guó)僅有的兩個(gè)沿邊與沿海交匯的城市之一，是一座極具特色的港口、邊關(guān)及海灣城市。防城港市屬于典型南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬半年(10月—次年3月)受北方冷氣團(tuán)影響，氣候干燥少雨； 夏半年(4—9月)受南方海洋濕熱氣團(tuán)影響，氣候濕潤(rùn)多雨。冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，年平均氣溫22～23 ℃，年降雨量2 200 mm左右，是廣西乃至全國(guó)的多雨中心之一。目前，防城港市有3個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，有5個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站。

2.2 資料來(lái)源

空氣質(zhì)量和污染物數(shù)據(jù)來(lái)源于防城港市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，包括防城港市3個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(沙萬(wàn)、防城鎮(zhèn)政府、大?；▓@)的AQI、PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3的日平均濃度資料和逐時(shí)濃度資料。氣象資料來(lái)源于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的1.0°×1.0°再分析資料以及防城港市港口區(qū)、防城區(qū)地面觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等常規(guī)資料。研究時(shí)段為2017年10月25日—11月3日。

2.3 研究方法

采用天氣學(xué)診斷分析方法研究造成此次持續(xù)性空氣污染的氣象條件，用統(tǒng)計(jì)分析方法分析污染物，特別是首要污染物的特征。

3 持續(xù)性空氣污染過(guò)程的實(shí)況分析

從表1看出，2017年10月25日—11月3日，防城港市連續(xù)10 d出現(xiàn)空氣污染，其中10月25日為中度污染，全市平均AQI值達(dá)到180，其余污染日為輕度污染。首要污染物除了10月27日為細(xì)顆粒物外，其余污染日的首要污染物均為臭氧。根據(jù)我國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，臭氧1 h平均濃度超過(guò)200 μg/m3，即為超標(biāo)，某一日臭氧的最大8 h滑動(dòng)平均值超過(guò)160 μg/m3時(shí)，當(dāng)日即為臭氧污染。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，10月25日和10月29日，臭氧小時(shí)濃度超標(biāo)持續(xù)時(shí)間均達(dá)到9 h，其中臭氧小時(shí)濃度最大值達(dá)到309 μg/m3，臭氧最大8 h滑動(dòng)平均為280 μg/m3。

從單站的AQI值來(lái)看污染區(qū)域分布，大?；▓@站點(diǎn)附近污染最重，防城檔案局站點(diǎn)污染較重，沙萬(wàn)站點(diǎn)污染最輕。

表1 防城港市空氣質(zhì)量實(shí)況Tab.1 Air quality in Fangchenggang

從防城港市臭氧(O3)最大8 h滑動(dòng)平均濃度日變化可以看出(圖略)，O3濃度日變化呈現(xiàn)明顯的單峰值現(xiàn)象，這與孫嵩燾[1]、王宏[2]等人的研究結(jié)論一致。10月25日—11月3日臭氧(O3)最大8 h滑動(dòng)平均濃度日均值都超過(guò)了150 μg/m3，其中10月25日、26日，11月1日達(dá)到200 μg/m3以上，峰值出現(xiàn)在10月25日，最高達(dá)到了245 μg/m3。

近地面臭氧主要是由工業(yè)活動(dòng)和交通排放的VOCs 和NOx通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物[3]。從圖1看出，臭氧(O3)逐時(shí)濃度變化存在著日變化，幾乎每日的15時(shí)前后，即紫外線最強(qiáng)的午后出現(xiàn)相對(duì)高點(diǎn)，這與夏曉玲[4]等人的研究結(jié)論一致。而07時(shí)前后出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)低點(diǎn)，表明臭氧的污染可能與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，午后光化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)使得臭氧污染加劇。

圖1 臭氧濃度逐時(shí)變化Fig.1 Hourly changes of ozone concentrations

4 氣象條件

4.1 環(huán)流形勢(shì)

通過(guò)NCEP 1°×1°再分析資料繪制天氣圖，從2017年10月25日—11月3日500～850 hPa的平均高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)、地面平均氣壓場(chǎng)(圖2)可以看出，防城港市(黑色三角形標(biāo)注的地方)上空，500 hPa為高壓控制，以偏西氣流為主，700 hPa、850 hPa氣壓場(chǎng)較弱，地面為冷高壓脊影響。

圖2 500～850 hPa的平均高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)、地面平均氣壓場(chǎng)Fig.2 Average height field and wind field form 850 to 500 hPa and average ground pressure field

10月25日—11月3日，防城港市基本為晴到多云天氣，從逐日的形勢(shì)場(chǎng)(圖略)分析，其中10月25日—10月27日，500 hPa為弱的偏西、西北氣流，地面為弱的冷高壓脊控制，700 hPa以下均為弱的偏北風(fēng)控制，地面10 min風(fēng)速大部分在3 m/s以下，低層伴有逆溫。29—31日，500 hPa副高控制，地面有弱冷空氣補(bǔ)充，防城港市氣壓雖略有增加，低層偏北風(fēng)略微加大，但仍然受穩(wěn)定的冷高壓脊控制，天氣晴好少云，且沒(méi)有降雨，防城港市的環(huán)境空氣質(zhì)量未得到明顯的改善。 11月1—3日，500 hPa高空槽在30°N以北，防城港市上空500 hPa為偏西氣流為主，地面為變性冷高壓脊影響，以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速減小，地面10 min風(fēng)速大部分在3 m/s以下。高層穩(wěn)定，低層伴有逆溫。

可見(jiàn)，500 hPa環(huán)流為偏西氣流為主，地面為弱的高壓脊或變性高壓脊，風(fēng)向是干燥的偏北風(fēng)，地面風(fēng)速小，晴好少云，逆溫層持續(xù)存在，大氣擴(kuò)散條件不佳，是本次長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性空氣污染過(guò)程維持的氣象條件。

4.2 地面氣象要素變化

利用NCEP 1°×1°再分析資料，選取與沙萬(wàn)站點(diǎn)較近的港口區(qū)地面觀測(cè)站及與防城區(qū)鎮(zhèn)政府站點(diǎn)最近的防城區(qū)地面觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析相對(duì)濕度、溫度和風(fēng)向風(fēng)速的變化，垂直風(fēng)場(chǎng)變化及降雨、日照的氣象要素情況。

4.2.1 相對(duì)濕度變化 從圖3可以看出，近地面相對(duì)濕度也存在日變化，主要是07時(shí)前后出現(xiàn)相對(duì)高點(diǎn)，午后出現(xiàn)相對(duì)低點(diǎn)，與臭氧濃度高低值分布呈反位相。10月25日—11月3日期間，港口區(qū)有8 d日平均相對(duì)濕度為70%以下，防城區(qū)有6 d日平均相對(duì)濕度為70%以下。相對(duì)濕度太大或者太小，都不易產(chǎn)生污染天氣[5]，而此次污染天氣過(guò)程中的日平均相對(duì)濕度最高為80%，最低為48%，對(duì)污染性天氣的產(chǎn)生和維持較為有利。

圖3 逐時(shí)相對(duì)濕度變化曲線Fig.3 Hourly changes of relative humidity

4.2.2 溫度變化 從圖4可以看出，逐時(shí)氣溫存在日變化，表現(xiàn)為日出前后出現(xiàn)相對(duì)低點(diǎn)，午后出現(xiàn)相對(duì)高點(diǎn)，與臭氧濃度高低值分布呈正位相，最高氣溫、最低氣溫、地溫的逐時(shí)變化趨勢(shì)(圖略)與氣溫變化趨勢(shì)基本一致。10月25日—11月3日期間，港口區(qū)日平均氣溫在23～26 ℃之間，防城區(qū)日平均氣溫在21～25 ℃之間。

圖4 逐時(shí)氣溫變化曲線Fig.4 Hourly changes of temperature

4.2.3 風(fēng)速變化 風(fēng)是邊界層內(nèi)影響污染物擴(kuò)散的重要條件[6]。在水平方向上，污染物的稀釋、擴(kuò)散的快慢與風(fēng)速大小密切相關(guān)，風(fēng)速越小甚至為靜風(fēng)時(shí)，污染物擴(kuò)散較慢或難以擴(kuò)散，導(dǎo)致污染物積累，而風(fēng)速越大，污染物越易擴(kuò)散。

根據(jù)10 min平均風(fēng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示(圖略)，10月25日—11月3日期間，偏北風(fēng)的頻率非常高，港口區(qū)偏北風(fēng)頻率達(dá)到90%，防城區(qū)偏北風(fēng)頻率達(dá)到96%。10 min平均風(fēng)速在3 m/s以下的時(shí)段有67%的概率，港口區(qū)和防城區(qū)此次污染過(guò)程的10 min平均風(fēng)速分別為2.7 m/s和2.3 m/s，結(jié)合相對(duì)濕度分析顯示，風(fēng)速小，風(fēng)向是干燥的偏北風(fēng)，不利于污染物的擴(kuò)散。

從垂直風(fēng)場(chǎng)(圖5)看，10月25日，從1 000～500 hPa的風(fēng)場(chǎng)都非常弱，不利于污染物擴(kuò)散，對(duì)比空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，25日也是污染最嚴(yán)重的一天。26—28日，1 000～850 hPa為弱的偏東北風(fēng)，700～500 hPa為弱的西北風(fēng)，不利于污染物擴(kuò)散。29—31日，受冷空氣影響，低層偏北風(fēng)加大，700～500 hPa轉(zhuǎn)為偏東氣流，從污染物變化看，受冷空氣影響，作為僅次于污染物臭氧影響的PM2.5、PM10污染物的數(shù)值確實(shí)較25—28日有較明顯的下降，但是由于干冷空氣影響下日照仍然較強(qiáng)，臭氧污染物的數(shù)值沒(méi)有明顯下降，甚至比27—28日的數(shù)值更高，所以空氣污染指數(shù)AQI數(shù)值并未下降到100以下，仍然是處于輕度污染。11月1—3日，冷空氣減弱，低層偏北風(fēng)減小，500 hPa轉(zhuǎn)為偏西氣流， 不利于污染物擴(kuò)散，污染再次加強(qiáng)。

圖5 港口區(qū)垂直風(fēng)場(chǎng)分布圖Fig.5 Vertical wind field in Gangkou

4.2.4 其他氣象要素 降水對(duì)污染物有一定的清除作用，但是，此次空氣污染過(guò)程期間，港口區(qū)、防城區(qū)均沒(méi)有降雨，不利于污染物的沉降。一般來(lái)說(shuō)，夏秋季節(jié)，光照條件越好的監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)到的臭氧污染越嚴(yán)重。10月25日—11月3日，港口區(qū)和防城區(qū)日均日照時(shí)數(shù)達(dá)到8 h，較強(qiáng)的日照有利于VOCs 和NOx通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生臭氧。4日，受冷空氣補(bǔ)充影響，防城港市轉(zhuǎn)為陰天，日照時(shí)數(shù)為0，不利于臭氧的產(chǎn)生，隨著臭氧濃度下降，AQI值也下降到100以下。

5 結(jié)論

①此次持續(xù)性空氣污染過(guò)程的首要污染物為臭氧，臭氧濃度存在日變化，每日的15時(shí)前后出現(xiàn)相對(duì)高點(diǎn)，07時(shí)前后出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)低點(diǎn)。

②相對(duì)濕度和氣溫均存在明顯的日變化。相對(duì)濕度變化與臭氧濃度變化存在顯著負(fù)相關(guān)，氣溫變化與臭氧濃度變化存在顯著正相關(guān)。午后太陽(yáng)輻射增強(qiáng)、濕度降低、無(wú)降水、日照條件好等氣象條件有利于臭氧濃度的增加。

③臭氧的污染可能與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，午后光化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)使得臭氧污染加劇。

④ 500 hPa環(huán)流為偏西氣流為主，地面為弱的高壓脊或變性高壓脊，風(fēng)向是干燥的偏北風(fēng)，地面風(fēng)速小，晴好少云，低層存在逆溫層，大氣擴(kuò)散條件不佳，是本次長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性空氣污染過(guò)程維持的氣象條件。