白 舸，倪長(zhǎng)健

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院;成都 610225;2.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225)

前 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市的空氣污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。研究表明，影響環(huán)境空氣質(zhì)量的因素主要有兩個(gè)方面，一是自然和人類活動(dòng)的排放，二是氣象條件。近年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)氣象條件與空氣污染之間的關(guān)系開展了廣泛研究[1-4]。部分學(xué)者通過(guò)分析空氣污染對(duì)應(yīng)的天氣形勢(shì)，對(duì)容易導(dǎo)致空氣污染的天氣形勢(shì)特征進(jìn)行了總結(jié)。例如PearceJ L[5]研究了澳大利亞墨爾本地區(qū)的天氣環(huán)流類型與大氣污染的關(guān)系。He J[6]等在環(huán)流背景和氣象因子的相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)高空500hPa西風(fēng)緯向指數(shù)高、近地面高低壓系統(tǒng)弱、大氣層結(jié)穩(wěn)定、弱風(fēng)和近地氣流輻合對(duì)峙等是重霾過(guò)程發(fā)生的典型天氣條件。陳梁勛[7]對(duì)綿陽(yáng)市大氣污染嚴(yán)重時(shí)的環(huán)流背景進(jìn)行了天氣學(xué)分型。蔣婉婷[8]等歸納發(fā)現(xiàn)四川盆地重污染天氣發(fā)生時(shí)主要對(duì)應(yīng)兩種環(huán)流形勢(shì)。除此之外，對(duì)大氣環(huán)境承載力的定量研究也備受關(guān)注。其中大氣環(huán)境容量[9-10]作為一個(gè)地方產(chǎn)業(yè)布局、污染排放總量控制以及有關(guān)的環(huán)保政策制定的重要依據(jù)一直以來(lái)受到了廣泛的研究[11～13]，其中A-P值法應(yīng)用最為廣泛[14-15]。趙姍姍[16](2005年)利用新的氣象資料(1971～2000)重新計(jì)算了A值，簡(jiǎn)化了大氣環(huán)境容量的研究算法，分析了30年來(lái)全國(guó)的空氣自潔能力分布通過(guò)不斷地研究和完善，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)頒布了大氣自凈能力指數(shù)GB/T 34299-2017[17]。朱蓉[18]等采用這種方法研究2013～2017年京津冀地區(qū)秋冬季大氣重污染過(guò)程得到大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI成反比，還利用大氣自凈能力指數(shù)評(píng)估了2014年被禁APEC會(huì)議期間大氣污染防治效果。張?zhí)煊頪19]等研究了重慶主城區(qū)1951～2018年大氣自凈能力的長(zhǎng)期變化特征及其影響因子，并發(fā)現(xiàn)大氣自凈能力和空氣質(zhì)量有著良好的相關(guān)性。

成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)位于四川盆地西部，由成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、眉山、樂(lè)山、資陽(yáng)、遂寧、雅安八市組成，工業(yè)和建筑業(yè)高度發(fā)達(dá)、人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間存在著尖銳的矛盾。近年來(lái)，成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)冬季霧霾嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了人們的生活與生產(chǎn)，引起了社會(huì)各界廣泛關(guān)注。本文以成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究對(duì)象，從氣象角度出發(fā)，結(jié)合2014～2018年冬季的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算大氣自凈能力指數(shù)，探討大氣自凈能力與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系，為科學(xué)分析該區(qū)域大氣自凈能力時(shí)空變化[20-21]，合理利用大氣自凈能力指數(shù)，評(píng)估環(huán)保防治措施提供有力的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文選取了成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)(成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、眉山、樂(lè)山、資陽(yáng)、遂寧、雅安)2014～2018年秋冬季(11月、12月、次年1月、2月)一日4次(02、08、14和20時(shí))的地面氣象觀測(cè)資料以及歐洲中心ERA-Interim資料，水平分辨率為0.25°*0.25°，范圍取北半球的低云量和總云量資料。此外，還使用了環(huán)境氣象數(shù)據(jù)中心的空氣質(zhì)量AQI日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 方法

大氣自凈能力指數(shù)是指由于大氣自身運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣中污染物的擴(kuò)散、稀釋和濕清除能力。相較于大氣環(huán)境容量而言，大氣自凈能力指數(shù)與大氣污染排放量和空氣質(zhì)量沒(méi)有任何關(guān)系，僅僅表示大氣自身運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣污染物的通風(fēng)擴(kuò)散能力和降水清除能力。大氣自凈能力指數(shù)越大，表示大氣對(duì)污染物的清除能力更強(qiáng)，反之，清除能力較弱。計(jì)算方法如下：

(1)

式(1)中，ASI表示大氣自凈能力指數(shù)(單位：t*(h*km2)-1)；Wr為雨洗常數(shù)取1.9*10-5[22]；R為單位時(shí)間的降水量(單位：mm/h)；單位面積S取統(tǒng)一值100 km2，Cs為PM2.5達(dá)標(biāo)濃度0.075 mg/m3，VE為大氣通風(fēng)量，其計(jì)算方法為：

(2)

式(2)中u(z)為大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)速，隨離地面高度的變化而變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

式(3)中，Z表示高度(單位：m)，u10表示10m高度上的平均風(fēng)速(單位：m/s)。計(jì)算大氣通風(fēng)量VE首先需要計(jì)算混合層高度H，本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 13201-91)[23]中附錄B及附錄E中規(guī)定的方法，利用常規(guī)地面氣象觀測(cè)資料，計(jì)算出混合層高度[24-25]，進(jìn)而算出大氣通風(fēng)量，最后得到大氣自凈能力指數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 大氣自凈能力的特征

2.1.1 時(shí)間變化

基于前述方法，計(jì)算成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)2014～2018年秋冬季(11月、12月、次年1月、2月)每日02、08、14、20時(shí)的大氣自凈能力指數(shù)。將五年來(lái)成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)各城市秋冬季大氣自凈能力指數(shù)做平均得到圖1，從圖中可以得出14時(shí)的平均大氣自凈能力指數(shù)指數(shù)要明顯高于其他時(shí)間段，這是由于下午太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，邊界層內(nèi)對(duì)流較強(qiáng)烈，且風(fēng)速大于其他時(shí)間段，混合層高度較高，大氣通風(fēng)擴(kuò)散能力最強(qiáng)；通常02時(shí)的風(fēng)速最小，混合層高度最低，所以02時(shí)的平均大氣自凈能力指數(shù)最小。整體來(lái)看，2014～2018年秋冬季綿陽(yáng)地區(qū)大氣自凈能力最強(qiáng)，眉山、雅安的大氣自凈能力指數(shù)，明顯地低于其他地區(qū)。

圖1 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣自凈能力指數(shù)日變化

根據(jù)大氣自凈能力指數(shù)GB/T 34299-2017[9]國(guó)標(biāo)分級(jí)，當(dāng)大氣自凈能力小于等于3 t*(h*km2)-1時(shí)，氣象條件極不利于污染物擴(kuò)散，本文將一日之中小于3 t*(h*km2)-1計(jì)為一個(gè)低大氣自凈能力時(shí)次，大氣自凈能力指數(shù)日平均小于3 t*(h*km2)-1定義為一個(gè)低大氣自凈能力日。一日之中低大氣自凈能力時(shí)次所占比例分別如表1所示，低大氣自凈能力次數(shù)占比和大氣自凈能力的日變化相符合。大氣自凈能力指數(shù)越強(qiáng)，占比越小，反之亦然。

表1 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)低大氣自凈能力時(shí)次占比

結(jié)合表中數(shù)據(jù)分析，各市02時(shí)低大氣自凈能力次數(shù)都占到70%以上，此后占比逐漸減小，14時(shí)低大氣自凈能力日最少，20時(shí)低大氣自凈能力日數(shù)增多僅次于02時(shí)。

成都地區(qū)秋冬季靜穩(wěn)天氣多發(fā)，污染物擴(kuò)散能力差。圖2給出了成都經(jīng)濟(jì)平原區(qū)各城市秋冬季(11月、12月、次年1月、2月)平均年大氣自凈能力指數(shù)和低大氣自凈能力日占比五年來(lái)的變化。圖中可以看出，成都、綿陽(yáng)大氣自凈能力較好，說(shuō)明大氣對(duì)污染物的清除效果較好，眉山、雅安大氣自凈能力最差，說(shuō)明大氣對(duì)污染物的清楚效果較差。除此之外，大氣自凈能力指數(shù)和低大氣自凈能力日占比成反比，說(shuō)明冬季當(dāng)大氣自凈能力指數(shù)越大，大氣對(duì)污染物的清除能力越強(qiáng)，低大氣自凈能力日明顯減少。

圖2 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣自凈能力指數(shù)及低大氣自凈能力日占比年變化

2.1.2 空間變化

將五年來(lái)每日四次的大氣自凈能力指數(shù)綜合，得到了成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)各區(qū)域的空間變化，從圖3中可以看出，成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣自凈能力指數(shù)整體呈現(xiàn)西南低東北高的走勢(shì)，北部綿陽(yáng)地區(qū)大氣自凈能力最好，南部樂(lè)山、雅安大氣自凈能力最差。德陽(yáng)和遂寧兩個(gè)地區(qū)大氣自凈能力要低于成都和資陽(yáng)地區(qū)，結(jié)合下文所提到的影響因子分析，德陽(yáng)地區(qū)冬季的平均風(fēng)速小于成都地區(qū)，且混合層高度也小于成都地區(qū)，雖然遂寧冬季的平均風(fēng)速和成都地區(qū)相近但混合層高度小于成都和德陽(yáng)地區(qū)，均在350m以下，因此遂寧的大氣自凈能力低于成都和德陽(yáng)地區(qū)。

圖3 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣自凈能力空間分布圖

2.2 影響因子分析

2.2.1 混合層高度

大氣混合層高度是影響大氣擴(kuò)散的重要因素之一，表征了污染物在垂直方向稀釋和擴(kuò)散的最大范圍，其對(duì)空氣質(zhì)量評(píng)估和污染物的分布起著重要的作用。五年來(lái)，成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)秋冬季混合層高度變化在200～500m之間。大氣自凈能力指數(shù)和混合層高度之間有密切的關(guān)系，表2中描述了成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)各城市冬季年均大氣自凈能力指數(shù)和混合層高度的相關(guān)性都在0.9左右，兩者成正相關(guān)，并且通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。前人研究指出，一天之中最大混合層高度出現(xiàn)在14時(shí)，從月平均來(lái)看，最大值出現(xiàn)在2 月份，最小出現(xiàn)在12月份。這也可以很好的解釋一日之中14時(shí)大氣自凈能力最強(qiáng)，秋冬季2月大氣自凈能力越強(qiáng)。

表2 大氣自凈能力與混合層高度的相關(guān)性

2.2.2 風(fēng)速

風(fēng)對(duì)污染物的擴(kuò)散有著至關(guān)重要的作用，風(fēng)速?zèng)Q定了污染物的擴(kuò)散范圍和稀釋程度。成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)處于四川盆地西部，常年處于小風(fēng)或者靜風(fēng)狀態(tài)。研究表明，秋冬季成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)10m平均風(fēng)速小于2m/s，年際變化不明顯，其中綿陽(yáng)地區(qū)風(fēng)速最大，眉山、樂(lè)山、雅安地區(qū)風(fēng)速小于1m/s。從月變化來(lái)看，通常2月份平均風(fēng)速會(huì)高于其它月份。如表3中所示，在研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)速與大氣自凈能力指數(shù)的相關(guān)性都在0.7以上并且通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明風(fēng)速與大氣自凈能力的相關(guān)性極高，其中雅安的相關(guān)性最好，其次是眉山、樂(lè)山地區(qū)，都達(dá)到了0.8以上，反而綿陽(yáng)地區(qū)相對(duì)較低。眉山、樂(lè)山、雅安地區(qū)處于西南部，近年來(lái)大氣自凈能力都處于較弱狀態(tài)，說(shuō)明風(fēng)速對(duì)于區(qū)域冬季大氣污染物的擴(kuò)散起著非常重要的作用。

表3 大氣自凈能力與風(fēng)速的相關(guān)性

2.2.3 降水

降水對(duì)污染物能起到清除和沖刷的作用，降低了大氣中污染氣體的濃度，是影響大氣自凈能力的一個(gè)重要因素，但只有中到大雨或連續(xù)性降水才會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量有明顯的改善，弱降水對(duì)污染物的清除作用并不明顯。2014～2018年以來(lái)成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)秋冬季降水多為小雨(0.1～9.9mm)，且降雨日較少，除雅安外，其余城市秋冬季月降水量不足20mm，成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)日均降水量和大氣自凈能力指數(shù)之間的相關(guān)性極小，由此可見冬季發(fā)生污染時(shí)降水對(duì)污染物的清楚能力甚微，就成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)而言，降水與大氣自凈能力的相關(guān)性不大。

2.3 大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量的關(guān)系

利用環(huán)境氣象數(shù)據(jù)中心的小時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，把成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)各城市2014-2018年秋冬季每日14時(shí)大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI進(jìn)行對(duì)比分析。由圖4發(fā)現(xiàn)成都、德陽(yáng)、樂(lè)山、眉山、綿陽(yáng)、遂寧、雅安、資陽(yáng)的小時(shí)ASI指數(shù)與對(duì)應(yīng)的日AQI指數(shù)成冪指數(shù)的反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.3左右。與其他地區(qū)研究相比較[1-2]，低于京津冀地區(qū)，與重慶主城區(qū)相仿。說(shuō)明大氣自凈能力指數(shù)能較好的表明成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)冬季氣象條件與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系。大氣自凈能力指數(shù)大時(shí)，AQI指數(shù)越小即環(huán)境空氣質(zhì)量越好；大氣自凈能力指數(shù)越小，AQI指數(shù)越大即環(huán)境空氣質(zhì)量越差。

圖4 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)冬季日均大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的對(duì)比

3 結(jié) 論

為進(jìn)一步了解成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)秋冬季空氣質(zhì)量與氣候條件的關(guān)系，本文利用2014～2018年秋冬季氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了大氣自凈能力指數(shù)，并對(duì)其時(shí)間和空間特征進(jìn)行研究，探討大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

3.1 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)秋冬季大氣自凈能力指數(shù)具有日變化特征，夜晚混合層降低，大氣通風(fēng)擴(kuò)散能力變小,大氣自凈能力最小，午間相反，大氣自凈能力指數(shù)最大；從月變化來(lái)看，冬季12月份的大氣自凈能力最弱，2月大氣自凈能力最強(qiáng)。

3.2 成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣自凈能力指數(shù)的空間變化總體上表現(xiàn)為西南低東北高的走勢(shì)，說(shuō)明綿陽(yáng)大氣自凈能力最強(qiáng)，樂(lè)山、雅安、眉山地區(qū)大氣自凈能力較差。

3.3 從混合層高度、風(fēng)速和降水三個(gè)方面分析了對(duì)成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣自凈能力指數(shù)的影響，結(jié)果表明混合層高度與大氣自凈能力指數(shù)的關(guān)系最密切，其次風(fēng)速與大氣自凈能力指數(shù)的相關(guān)性也非常顯著，降水的影響甚微。

3.4 2014～2018年冬秋季成都平原經(jīng)濟(jì)區(qū)各城市的大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI都具有顯著的冪指數(shù)的反相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明大氣自凈能力強(qiáng)時(shí)，空氣質(zhì)量較好，反之亦然。