張瀟文,曾勝蘭

(成都信息工程大學大氣科學學院,成都 610000)

引 言

近年來，我國城市大氣污染嚴重。冷月霜[1](2018)統(tǒng)計了2016年11月我國74個重點城市空氣質量，其中屬于清潔個數(shù)為0，中度度污染占66%，嚴重污染占3%，由此可見我國城市大氣污染較嚴重。梅世瑩[2](2018)表明自然環(huán)境條件是大氣城市污染的首要因素，西南地區(qū)城市大多為山地丘陵和盆地，城市只能建在山地平原地區(qū)，使得城市建筑密集，造成城市空氣流動性差，進而加劇城市大氣污染集中。曹攀[3]在2015年四川省21個州(市)污染物濃度特征研究表明，其中成都市對全省PM10濃度貢獻之首占6.7%。因此空氣污染已成為成都地區(qū)環(huán)境不容忽視的問題。成都平原受龍門山和龍泉山左右相夾,形成了獨特的盆地氣候條件——靜風頻率大，風速較小，濕度大，導致污染物不易擴散[4～7]。

目前國內外均有針對不同地區(qū)空氣污染與氣象要素以及天氣形勢的相關性研究，分析表明，氣象要素和大氣污染有著緊密聯(lián)系，氣壓與空氣污染呈正相關，氣溫，相對濕度，風速呈負相關[8-9]。譚冠日等[10]通過天氣分型方法得出具有各個鮮明特征的天氣類型。楊云蕓[11]等對長株潭地區(qū)發(fā)生秋冬污染時日分析不同高度場以及濕度場得出各特征層及物理量的特征。張國鏈[12]等通過對地面天氣類型的劃分，得出11種天氣類型并總結出不同天氣類型的地面天氣形勢和風場特征，在根據(jù)不同的的季節(jié)進一步統(tǒng)計分析不同天氣類型中個空氣質量平均狀況。張超[13]主要通過對多個氣象要素進行主成分分析和聚類分析得出不同天氣類型，在統(tǒng)計不同天氣類型下各個污染等級狀況的比率，從而得出不同氣象要素組成的天氣類型下有利于污染聚集或者利于污染物擴散。

本文利用2014年1月1日～2016年12月31日成都地區(qū)逐日空氣質量指數(shù)，結合各類氣象要素來探討影響成都地區(qū)的不同天氣條件下的空氣質量狀況及污染特征，本研究成果將為成都地區(qū)空氣質量預報提供重要依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用資料來自中國環(huán)境監(jiān)測總站官網(wǎng)和四川省環(huán)境監(jiān)測總站的2014～2016年逐日AQI數(shù)據(jù)；四川省氣象臺提供的2014～2016年逐時地面氣象資料時間分辨率為3h，包括氣壓(單位：hPa)，氣溫(單位：℃)，露點(單位：℃)，風向(單位：°)，風速(單位：m/s)，總云量(單位：成)和低云量(單位：成)等。鑒于后續(xù)對2014～2016年3年四季進行分型，本文也從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取2017年1月和2月的氣象數(shù)據(jù)資料和四川省環(huán)境監(jiān)測總站的成都地區(qū)2017年1月和2月的逐日AQI資料。

1.2 TSI天氣分型法

田宏偉[14]研究指出TSI天氣分型方是指選取某一地區(qū)和和某一段時期的氣象要素，通過主成分分析，得到能夠客觀表達這些氣象要素的主成分和其得分矩陣，再通過聚類分析得出該地區(qū)的主要天氣類型TSI天氣分型方法具有綜合性，客觀性和確定性等特點。

本文首先進行氣象要素和AQI指數(shù)的相關性分析，最終選取云量，氣溫，相對濕度，氣壓，風速等8個與空氣質量指數(shù)相關系數(shù)較高的氣象要素作主成分分析，分別得出四季下不同個數(shù)主成分變量來代表氣象要素場，再將其進行聚類分析便得出四季天氣分型結果。在分析每種天氣分型下的氣象特點后，結合逐日AQI值統(tǒng)計不同天氣類型下空氣質量狀況，經(jīng)分析后得出結論不同季節(jié)在不同氣象要素關聯(lián)下容易產(chǎn)生不同程度的空氣污染。

2 結果與討論

2.1 2014～2016年污染特征分析

從表1中可以看出，從2014年到2015年空氣質量為優(yōu)的天數(shù)增加近50%，2015年到2016年保持穩(wěn)定，而重度污染和嚴重污染的天數(shù)有所下降，并且下降速率從30%增加到50%，空氣質量為良，輕度污染，中度污染的天數(shù)來看，空氣質量為良的天數(shù)在減少，空氣質量為輕度污染和中度污染的天數(shù)在增加。

表1 2014～2016年成都地區(qū)空氣質量狀況統(tǒng)計表

圖1 四季空氣質量分布狀況分布狀況

對2014～2016年空氣質量狀況季節(jié)分布特征統(tǒng)計分析，如圖1所示，成都地區(qū)春，夏，秋三季優(yōu)或良等級天數(shù)占較大比例，但是冬季優(yōu)和良的等級天數(shù)小于總天數(shù)的50%。以上表明，成都地區(qū)空氣質量狀況夏秋季最佳，春季次之，冬季最差。

2.2 四季天氣分型及分析

根據(jù)2014～2016年成都市逐日氣象數(shù)據(jù)，采用TSI分型法對四季天氣進行分型，每個季節(jié)分成5種類型，并都通過方差分析的顯著性差異檢驗。表2，表3分別列出各季節(jié)天氣類型所占比例和主要天氣特點。

表2 2014～2016年各季各種天氣類型所占比例

表3 2014～2016年各季各天氣類型主要天氣特點

續(xù)表3

2.3 四季各型天氣下污染天氣狀況分析

2.3.1 四季平均AQI大小特征

根據(jù)成都地區(qū)2014～2016年逐日AQI資料和同期四季天氣分型結果，統(tǒng)計了四季各種天氣類型下AQI平均值大小，結果如圖2所示。

圖2 2014～2016年四季個天氣類型AQI平均值

從圖2中可以看到，成都市四季各種天氣類型下，秋季各型天氣下空氣質量均為良好。夏季中只有1型空氣質量達到輕度污染，春季3型和4型為輕度污染。冬季空氣質量情況最差，5種天氣類型有3種條類型達到輕度污染以上級別?？諝赓|量最優(yōu)出現(xiàn)在秋季的1型天氣下，空氣質量狀況最差出現(xiàn)在冬季的4型天氣下。春季空氣質量最優(yōu)的天氣類型2型和5型，夏季是2型和3型，秋季是1型，冬季是2型。容易出現(xiàn)污染的天氣類型有春季的3和4型，夏季的1型，冬季的1，4和5型。

2.3.2 四季各個天氣類型下空氣質量等級特征

表4列出四季各種天氣類型中不同空氣質量狀態(tài)發(fā)生的比例，可以得知，春季每個天氣類型下均有污染發(fā)生，發(fā)生輕度污染和中度污染以上頻率最大的是4型，其余天氣類型發(fā)生輕度污染的頻率約在31.5%。3型和4型天氣中發(fā)生輕度污染的頻率最高分別為33.8%和55.2%，其相似天氣特征是以多云天氣為主，相對濕度低，降水少，風速小，主導風向是南風，不利于空氣污染物的擴散，且成都市處于污染源下風方向，因此相比其他天氣類型空氣質量狀況較差。2型天氣下空氣質量狀況為優(yōu)的頻率最大為23.0%，但也有空氣污染發(fā)生，它屬于冷高壓控制下的地面天氣形勢，以多云或者陰天為主，降水量多，以小雨為主，風速較大，主導風向是SSE，有利于空氣污染物的擴散。

表4 2014～2016年四季各個天氣類型空氣質量等級出現(xiàn)頻率

續(xù)表4

夏季1型空氣質量總體狀況最差，輕度污染發(fā)生頻率最高為58.5%，它主要的天氣特征是風速偏小，相對濕度小，降水量少，主導風向為SSW。夏季2，4和5型天氣下空氣質量等級分布較為相似，空氣質量為良的頻率最大，其次4型輕度污染頻率較高，2型空氣為優(yōu)的頻率較高，這3種天氣類型共同的天氣特點是相對濕度較大并且以多云天氣為主，降水以小雨為主，風速中等。3型的氣壓較低，主要的天氣特點是氣壓較高，風速極大，降雨量也達到最大值，主要以小雨到中雨為主，它有利于空氣中污染物質的擴散，因此它是夏季天氣類型中空氣質量為優(yōu)所占比率最大的天氣類型。

秋季天氣類型中1型天氣下沒有污染狀況出現(xiàn)，其中優(yōu)占40%，良占60%，它的天氣類型是相對濕度較小，氣壓較大，溫度較低，風速較大，降水量較少，云量較少，屬于地面冷高壓控制下的天氣類型，主導風向為SE，這種天氣條件極其有利于空氣中的漂浮沉降和擴散。其中3和5型發(fā)生輕度污染的概率較大，2型空氣質量為優(yōu)的頻率較大為38.4%。3和5型的共同之處是氣壓較低，濕度較大但降水量較少，風速較小，靜風概率偏大，容易造成周圍空氣污染物的聚集和增長。

冬季總體空氣質量較差，其中2和3型沒有中度污染以上污染等級，并且3型空氣質量為良的比率最大為76.2%。2型主要特點是以多云天氣為主，相對濕度較大，風速較大，降水量較大，受高壓控制，這樣有利于空氣污染物的擴散，不利于污染顆粒的懸浮。4和5型的空氣質量等級分布較為相近，發(fā)生輕度污染以上級別的污染概率約為70%，這兩種天氣類型的相似之處是氣壓偏高，相對濕度較大，降水量極小，基本以無降水和零星降水為主，風速較小，靜風頻率大，風向偏南，不利于污染物擴散，易于污染物聚集增長。

3 結 論

3.1 根據(jù)2014～2016年逐日AQI值統(tǒng)計得出總體優(yōu)良天數(shù)下降，空氣污染天數(shù)增加。中度污染，重度污染及嚴重污染的天數(shù)下降，空氣為良和輕度污染的天數(shù)在增加。

3.2 根據(jù)天氣分型得出成都市2014～2016年四季中分成5種天氣類型，春季出現(xiàn)4型最多為32.4%，2型最少為5%，夏季5型最多為29.5%，3型最少為7.8%，秋季3型最多為33.6%，1型最少為9.2%，冬季4型最多為36.9%，2型最少僅為1.1%。

3.3 結合每種天氣類型條件下的污染等級狀況來看，空氣質量等級狀況分布差異明顯。春季2型天氣下空氣質量主要為優(yōu)良，3和4型天氣容易出現(xiàn)輕度污染。夏季1型和4型容易出現(xiàn)輕度污染，2和5型天氣下主要空氣質量為良，3型天氣下空氣質量為優(yōu)的概率最大。秋季1型和2型天氣類型空氣質量為優(yōu)的概率較大，其余3種天氣類型下空氣質量主要表現(xiàn)為良。冬季2型天氣條件下空氣質量狀況主要表現(xiàn)為良，這種天氣類型下有利于空氣污染物擴散，其余4種天氣類型下導致不同等級空氣污染，尤其是4型和5型天氣條件下極易發(fā)生中度以上污染狀況。