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        2018年冬季河北省氣象條件變化對(duì)PM2.5影響研究

        2021-03-11 00:37焦亞音楊雨靈馬志淳
        綠色科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:變化率氣象條件石家莊

        焦亞音,楊雨靈,馬志淳

        (河北省環(huán)境氣象中心,河北 石家莊 050021)

        1 引言

        京津冀城市群霧霾天氣頻發(fā),是我國(guó)大氣環(huán)境污染的重災(zāi)區(qū)[1]。PM2.5、PM10等顆粒物是京津冀地區(qū)秋冬季的首要污染物[2]。大氣污染排放和不利氣象條件是導(dǎo)致大氣污染的重要原因[3]。氣象條件對(duì)空氣污染作用的問(wèn)題至今一直備受關(guān)注,國(guó)內(nèi)外諸多研究采用多種分析方法對(duì)空氣污染氣象條件進(jìn)行討論:直接采用污染物濃度與地面氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究二者之間的相關(guān)關(guān)系[4];高空形勢(shì)環(huán)流也是影響空氣污染的氣象因素,部分學(xué)者通過(guò)分析空氣污染過(guò)程對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì),歸納總結(jié)出容易導(dǎo)致空氣污染的局部天氣類(lèi)型[5];其次,基于表達(dá)空氣污染氣象條件的量化指數(shù),評(píng)估污染氣象條件的變化特征和對(duì)污染趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)等。例如:廖碧婷等[6]基于天氣預(yù)報(bào)中的K指數(shù)、沙氏指數(shù)和抬升指數(shù)得出垂直交換系數(shù),應(yīng)用于對(duì)污染物垂直擴(kuò)散能力的評(píng)估。朱蓉等[7]定義大氣自凈能力指數(shù),用于描述大氣通風(fēng)擴(kuò)散和降水對(duì)污染物的清除能力。相對(duì)于以上氣象條件指數(shù),PM2.5氣象條件評(píng)估指數(shù)(EMI)物理意義更加明確,包含大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過(guò)程,可定量診斷與預(yù)測(cè)污染期間氣象條件的變化,深入理解和掌握PM2.5濃度物理成因。本文在此基礎(chǔ)之上利用2017~2018年河北省地面環(huán)境監(jiān)測(cè)站PM2.5顆粒物觀測(cè)數(shù)據(jù)和CUACE空氣質(zhì)量模式輸出的EMI資料,定量分離出河北省氣象條件變化和排放變化率變化情況,分析某時(shí)段內(nèi)PM2.5濃度變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,通過(guò)計(jì)算PM2.5濃度變化率和氣象條件變化率,定量診斷氣象條件對(duì)PM2.5濃度的影響。

        2 資料與方法

        本文利用中國(guó)氣象局霧-霾數(shù)值預(yù)報(bào)CUACE模式氣溶膠示蹤模塊輸出的EMI指數(shù)來(lái)研究河北省氣象條件的定量變化。劉洪利等[8]給出了EMI的定義和計(jì)算方法,即EMI為氣象條件變化所導(dǎo)致的PM2.5濃度變化的綜合指數(shù)。EMI指數(shù)包括了大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過(guò)程。

        不同年份之間同期時(shí)間段相互比較時(shí),EMI變化量是在排放不變條件下氣象條件導(dǎo)致的PM2.5濃度變化率。假定氣象條件和人為排放對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)都是線性的,氣象條件和人為排放是變量可分離的。PM2.5濃度分別為A1、A2,人為排放為B1、B2,氣象條件為EMI1、EMI2。

        (1)

        (2)

        氣象條件變化率為:

        (3)

        本文以2017年的EMI指數(shù)為基準(zhǔn),通過(guò)比較2017~2018年同期變化,進(jìn)行分月份的氣象條件變化評(píng)估,評(píng)價(jià)氣象條件對(duì)大氣污染的作用。本文重點(diǎn)分析2018年冬季(11月、12月)河北省氣象條件變化率以及2018全年石家莊市的氣象條件和PM2.5濃度的具體變化率。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 PM2.5濃度和EMI指數(shù)的變化趨勢(shì)分析

        圖1給出了河北2013~2018年逐月PM2.5濃度和EMI指數(shù)的長(zhǎng)期變化(2013年9~11月為缺測(cè)),可以看出,河北P(pán)M2.5濃度和EMI指數(shù)變化趨勢(shì)較一致,且季節(jié)變化明顯,均表現(xiàn)為春夏季低、秋冬季高,春季和夏季的氣象條件較好,夏季的EMI指數(shù)與PM2.5濃度均保持在全年較低的水平,夏季EMI指數(shù)基本在3以下,PM2.5濃度不超過(guò)100。并且EMI指數(shù)的月際變化均有峰谷高低起伏的變化特征,相比而言,PM2.5濃度月際變化幅度較緩慢。通過(guò)計(jì)算,得到PM2.5濃度和EMI指數(shù)二者的相關(guān)性為0.77,相關(guān)性較好??梢?jiàn),EMI指數(shù)能夠較好地體現(xiàn)氣象條件在大氣污染過(guò)程中的作用。

        圖1 PM2.5和EMI的變化趨勢(shì)對(duì)比及相關(guān)性

        3.2 冬季氣象條件對(duì)河北省空氣質(zhì)量改善的貢獻(xiàn)評(píng)估

        根據(jù)EMI指數(shù)計(jì)算了河北省2018年冬季(11~12月份)相比2017年氣象條件對(duì)PM2.5濃度的變化率,代表氣象條件對(duì)PM2.5濃度變化的定量變化。根據(jù)氣象條件的差異,可將河北省分為3個(gè)區(qū)域:張家口、承德、保定、廊坊、石家莊北部氣象條件極為不利,氣象條件使PM2.5濃度同比上升28%~45%;邢臺(tái)西部和邯鄲氣象條件非常不利,使PM2.5濃度同比上升16%~28%;唐山、秦皇島、滄州、衡水、石家莊南部、邢臺(tái)東部等地氣象條件影響最小,PM2.5濃度下降8%~16%??偟膩?lái)說(shuō),與2017年同期相比,全省氣象條件不利于PM2.5濃度下降,氣象條件的變化率存在顯著的區(qū)域差異。

        3.3 石家莊氣象條件貢獻(xiàn)和減排措施效果分析

        表1為2018年石家莊的氣象條件同期變化率和PM2.5觀測(cè)濃度同期變化率。由表1可見(jiàn),2018年石家莊PM2.5年均濃度同比下降12.7%,其中氣象條件使PM2.5濃度下降3.1%,表明人為減排對(duì)大氣污染防治貢獻(xiàn)顯著。分析2018年石家莊各月氣象條件變化,其中,3~5月、11~12月氣象條件十分不利于PM2.5濃度下降,氣象條件最不利的4月和11月使PM2.5濃度增加20%以上;1月和7~10月氣象條件同比較為有利,最有利的1月和9月使PM2.5濃度下降17%以上。

        表1 2018年石家莊氣象條件相比(2017年)對(duì)PM2.5濃度變化分析 單位(%)

        對(duì)相近氣象條件下不同季節(jié)PM2.5濃度下降幅度差異化分析,對(duì)比3月和12月、1月和7月兩組數(shù)據(jù)結(jié)果,3月、12月氣象條件均為有利于污染物增加約11%左右,但在大氣污染綜合治理措施并舉的情況下,12月份 PM2.5濃度同比下降1.7%,而3月份 PM2.5濃度同比上升34.4%;1月、7月氣象條件均為有利于污染物減少15%左右,但1月PM2.5濃度同比下降39.5%,7月僅下降12.8%。1月和12月石家莊多次啟動(dòng)重污染應(yīng)急響應(yīng),尤其是12月9~23日采取了Ⅰ級(jí)紅色應(yīng)急響應(yīng)措施,評(píng)估結(jié)果表明:重污染應(yīng)急響應(yīng)對(duì)大氣污染綜合防治貢獻(xiàn)顯著。

        4 結(jié)論與討論

        本文應(yīng)用線性計(jì)算和相關(guān)分析開(kāi)展了對(duì)2013~2018年河北省EMI指數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析以及定量評(píng)估2018年冬季河北省氣象條件對(duì)PM2.5濃度的影響。得到以下初步結(jié)論:

        (1)環(huán)境氣象評(píng)估指數(shù)EMI包含大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過(guò)程,通過(guò)計(jì)算得到2013~2018年河北的EMI指數(shù)和PM2.5濃度的相關(guān)系數(shù)為0.77,EMI指數(shù)能夠較好地定量表達(dá)PM2.5濃度變化中氣象條件貢獻(xiàn)。

        (2)分析河北省冬季氣象條件對(duì)PM2.5濃度的變化率,與2017年相比,2018年冬季河北省氣象條件不利于PM2.5濃度下降,其中,北部、西北部地區(qū)氣象條件極為不利,使PM2.5濃度同比上升28%~45%,不同城市的氣象條件變化存在顯著差別。

        (3)氣象條件和人為排放是造成大氣污染的重要原因。通過(guò)計(jì)算石家莊2018年氣象條件變化率,結(jié)合PM2.5觀測(cè)濃度的變化,可在一定程度上評(píng)估減排措施的效果,研究表明石家莊大氣污染防治和重污染應(yīng)急響應(yīng)對(duì)PM2.5濃度下降貢獻(xiàn)顯著。

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