余倩
(青海省海西州氣象局,青海 德令哈 817000)
德令哈市位于柴達木盆地東北邊緣,周邊旅游資源豐富,市區(qū)海拔2980m,德令哈市屬高原大陸性氣候區(qū),具有高寒缺氧、空氣干燥、少雨多風(fēng)、年內(nèi)四季不分的特點。德令哈市地處青藏高原,日照充足,陽光充沛,全年日照為3 554h,隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,公眾環(huán)保意識不斷提高,對大氣污染狀況和空氣質(zhì)量水平日益關(guān)注。文章利用2015~2018年德令哈市每日空氣污染指數(shù)及氣象資料,分析年際變化趨勢,并進一步研究影響其氣象因子,為科學(xué)有效地控制和治理大氣污染提供理論依據(jù)。大氣污染物的濃度由于污染源排放狀況的變化,氣象因子的變化等因素的影響呈現(xiàn)隨機變量的特征,了解這些隨機變量的統(tǒng)計分布對于大氣污染控制、大氣環(huán)境評價以及大氣質(zhì)量標準的制定具有一定的指導(dǎo)意義。
德令哈市AQI指數(shù)和PM2.5資料來源于德令哈市環(huán)境監(jiān)測站,利用德令哈市2015~2018年空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)(逐日空氣質(zhì)量指數(shù)、首要污染物和空氣質(zhì)量等級),空氣質(zhì)量等級說明見表1,分析德令哈市2015~2018年空氣質(zhì)量類別為優(yōu)490d、良831d、輕度污染80d、中度污染23d、重度污染8d、缺測21d。選取輕度污染、中度污染、重度污染各4次為例,分析德令哈市空氣污染的水平時空分布特征及變化規(guī)律,通過對比分析得出氣象要素(氣溫、相對濕度、風(fēng)速、降水量)、天氣環(huán)流形勢與空氣質(zhì)量變化的關(guān)系,分析各種天氣系統(tǒng)、氣流的輻合輻散及大氣運動對于大氣稀釋、擴散污染物的能力影響。研究表明:氣象條件和城市大氣污染密切相關(guān),氣象條件作為影響空氣質(zhì)量環(huán)境重要因素之一,在污染源相對穩(wěn)定的情況下,氣象條件變化對污染物濃度變化影響十分顯著[1]。
表1 空氣質(zhì)量指數(shù)范圍及相應(yīng)的注意事項
空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI指數(shù))是指根據(jù)細顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等6項參數(shù)綜合得出的空氣污染程度及空氣質(zhì)量狀況的表述(熟知的PM2.5、PM10就屬于可吸入顆粒物)
2015~2018年德令哈市空氣質(zhì)量等級以Ⅱ級(良)為主,達到831d,占56.9%;Ι級(優(yōu))次之,為460d,占33.6%;Ⅲ級(輕度污染)80d,占5.6%;Ⅳ級及以上共計31d,僅占2.1%。
統(tǒng)計2018年德令哈市首要污染物,主要有臭氧、PM10和PM2.5。全年臭氧天數(shù)為170d,占46.6%,PM10天數(shù)達到85d,占23.2%,而PM2.5天數(shù)僅占6d。首要污染物在春季和夏季主要以臭氧為主(春季首要污染物為臭氧的日數(shù)主要集中在4月和5月,3月以PM10為主),這可能與4月以后溫度開始回升,對流活動增多以及夏季的持續(xù)高溫和強日照都有利于氧氣向臭氧的轉(zhuǎn)化有關(guān)[1]。在秋季和冬季首要污染物主要為PM10,此外統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),各季空氣質(zhì)量級別在中度污染及以上的首要污染物絕大部分為PM10,這充分說明了德令哈市空氣污染主要由吹風(fēng)沙塵天氣造成。
圖1、圖2、圖3顯示的是AQI指數(shù)、PM2.5、PM10濃度的2015~2018年變化情況(備注:圖1和圖2、圖3異常值經(jīng)處理后作圖),反映出AQI指數(shù)和PM2.5濃度從2015~2018年的平均值、月均最大值和最小值之間的關(guān)系??傮w來看,AQI指數(shù)和PM2.5濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢,年最大值都出現(xiàn)在2015年,AQI指數(shù)為78,PM2.5濃度為38μg/m3。且2015年重度污染天數(shù)達8d,中度污染天數(shù)達7d,輕度污染天數(shù)34d。原因可能是由于近幾年德令哈市高度重視生態(tài)環(huán)境保護工作,深入推進大氣污染綜合整治,有效改善市區(qū)空氣質(zhì)量。分析2015~2018年AQI指數(shù)、PM2.5濃度發(fā)現(xiàn),兩者在春季均有比較明顯的一個峰值,進入夏季之后開始逐步走低。
圖1 2015~2018年AQI指數(shù)年變化情況
圖2 2015~2018年P(guān)M2.5年變化情況
圖3 2015~2018年P(guān)M10年變化情況
統(tǒng)計2018年各個季節(jié)AQI指數(shù)及等級,在春季空氣質(zhì)量以Ⅱ級為主,達到56天,I級為16d,Ⅲ級及以上共計14d。夏季和秋季均以Ⅱ級良為主,分別為78d和93d,說明夏、秋兩季德令哈市空氣質(zhì)量良好。冬季雖然空氣質(zhì)量依然以I級優(yōu)為主(51d),但Ⅲ級及以上天數(shù)逐漸增多。分析發(fā)現(xiàn)春季海西及上游地區(qū)多大風(fēng)沙塵天氣,容易造成局地揚沙或者沙塵遠程輸送[2],PM10濃度劇增,易出現(xiàn)AQI指數(shù)極值。到了夏季,降水開始增多,對空氣的凈化作用明顯[3],而10月底至11月期間受冷空氣活動影響,多吹風(fēng)天氣。
圖4顯示的是AQI指數(shù)和PM2.5、PM10濃度的月變化情況,反映出三者從2015~2018年的月平均值、日均最大值和最小值之間的關(guān)系??傮w來看,AQI指數(shù)和PM2.5、PM10濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢,月均最大值出現(xiàn)在4月,AQI指數(shù)月均最高值為88,而PM2.5濃度月平均最大值達到了40μg/m3,PM10濃度月平均最大值達到118μg/m3,4月AQI指數(shù)日均最大值為116,對應(yīng)PM2.5濃度為42μg/m3,PM10濃度最大達872μg/m3。
原因主要有以下幾個方面:一是該時間段正處于典型春季,氣溫普遍降低,因此機動車燃料的燃燒效率會下降,再加上交通高峰期引擎怠速,從而導(dǎo)致排放量增大[4];二是4月為德令哈市大風(fēng)沙塵天氣高發(fā)期,沙塵天氣導(dǎo)致空氣重度污染,污染物不易稀釋擴散;此外,這個時期氣候干燥,不利于降水的形成,污染物無法通過濕沉降降落至地面。
利用多參數(shù)對數(shù)正態(tài)曲線對德令哈市2015~2018年P(guān)M2.5濃度、AQI指數(shù)進行擬合,結(jié)果顯示如圖4中。PM2.5濃度在20~30μg/m3之間,AQI指數(shù)在40~50之間出現(xiàn)天數(shù)最多,即為空氣質(zhì)量最佳。從AQI指數(shù)與PM2.5濃度、PM10濃度頻數(shù)分布來看PM2.5占79%,PM10占75%,AQI指數(shù)占73%??傮w來看,近幾年德令哈市空氣質(zhì)量以優(yōu)和良的天數(shù)居多。
圖4 AQI指數(shù)與PM2.5、PM10濃度的月變化情況
研究表明,氣象條件對污染物的擴散、稀釋和積累有一定作用,在污染源一定的條件下,污染物的濃度主要取決于氣象條件[5]。逐月分析空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)(表2)。1月對德令哈市空氣質(zhì)量起主要作用的氣象因子為平均氣壓、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、水汽壓。2月除平均氣壓外,AQI指數(shù)與相對濕度、平均氣溫、日降水量、水汽壓,成顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.192~0.732;與相對濕度呈正相關(guān),這可能是因為上游地區(qū)受冷空氣活動易出現(xiàn)吹風(fēng)沙塵天氣,在風(fēng)的引導(dǎo)下沙塵向德令哈市輸入,在降水量不大的情況反而會加重空氣的污染程度。3月AQI指數(shù)與日降水量成正相關(guān),與相對濕度、水汽壓成負相關(guān)。而4月和5月AQI指數(shù)與最大風(fēng)速呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系,進入4月隨著溫度的升高,柴達木低壓開始出現(xiàn)或增強,使得傍晚前后偏東風(fēng)加強,風(fēng)速的增大帶動周邊地面沙塵進入大氣,造成空氣污染在一定的程度上加重。6月、7月AQI指數(shù)并沒有表現(xiàn)出與任一氣象要素有相關(guān)關(guān)系。
表2 2015~2018年德令哈市各月空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)
8月、9月AQI指數(shù)則與水汽壓和相對濕度呈顯著相關(guān)關(guān)系,查閱關(guān)于臭氧的生成機理文獻[6],發(fā)現(xiàn)臭氧的生成與氣象條件密切相關(guān),容易在高溫、強日照條件下發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)而生成臭氧。德令哈市地處柴達木盆地,8月氣溫偏高、日照時間充足、太陽輻射強,加上對流降水活動,這些因素都有可能促進或造成臭氧的生成,進而導(dǎo)致臭氧濃度的上升,AQI指數(shù)變高。從統(tǒng)計的降水日空氣質(zhì)量等級天數(shù)來看,首要污染物臭氧居多,但空氣質(zhì)量多以良為主,這也說明空氣質(zhì)量狀況依然適合大多數(shù)人的正常出行和生活。進入秋季,每個月AQI指數(shù)分別與不同的氣象要素呈顯著的相關(guān)關(guān)系,到了12月隨著高空環(huán)流形勢的穩(wěn)定,AQI指數(shù)更多的與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。
氣溫的高低直接影響到空氣的污染程度,空氣污染較重和污染超標現(xiàn)象往往出現(xiàn)在溫度較低的冬季。當氣溫較高時,上層空氣對流旺盛,有助于污染物的向上擴散和輸送,從而緩解空氣污染。夏季氣溫比較炎熱,加之城市中大量機動車運行,所排放的尾氣在夏季高溫天氣影響下,極易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的氮氧化物和臭氧,造成夏季的空氣污染嚴重。而在冬季地面氣溫與上層空氣溫度相當,使上層空氣熱力對流不顯著,容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,不利于大氣污染物的擴散和稀釋,從而出現(xiàn)了霧霾等重污染天氣。除此之外,冬季進入采暖期,大量煤炭的燃燒,更加劇了空氣的污染程度。
冬季我國大陸受蒙古高氣壓的控制,氣流呈垂直方向做下沉運動,冷空氣活動頻繁,空氣濕度降低,不利于形成云雨天氣,影響污染物的擴散和稀釋。因此高壓控制的天氣容易加劇空氣污染,這就是為什么往往在冬季空氣污染比較嚴重的原因之一。而在夏季氣溫高但氣壓低,空氣對流較旺盛,極易形成云雨天氣,有利于污染物的稀釋和擴散,因此夏季的空氣質(zhì)量普遍偏優(yōu)。從溫度與AQI指數(shù)的關(guān)系來看,夏季氣溫升高,AQI指數(shù)相對穩(wěn)定。
降水可以改善大氣污染情況,它可以清除和沖刷空氣中存留的污染物,而且又可以有效地抑制地面揚塵出現(xiàn)。不同程度的降水量對于空氣污染的改善有不同的作用,一般小雨并不能改善空氣質(zhì)量,小雨雨量不足以稀釋大氣中的污染物,反而會使空氣濕度增大而吸附更多的污染物懸浮在空氣中,造成霧霾天氣使空氣污染加重,只有達到中雨以上的程度才可以改善空氣質(zhì)量。
2018年德令哈市無降水日為287d,其中Ⅱ級良235d,占81.9%,Ⅲ級輕度污染為12d,占3.3%,Ⅳ級中度污染及以上共計4d。分析首要污染物(其中5d首要污染物并列),Ⅱ、Ⅲ級中PM10和臭氧占大多數(shù),Ⅳ級及以上級別主要為PM10。與全年相比可以得出,無降水日更容易出現(xiàn)空氣質(zhì)量Ⅲ級及以上級別,這也從側(cè)面說明降水對空氣的凈化作用。針對春季和夏季首要污染物多為臭氧的情況,參考曲曉黎、張夏琨等人的結(jié)論[5],通過分類日降水量(分為小于1mm、大于1mm、大于3mm、大于5mm和大于10mm)進行討論。2018年出現(xiàn)有效降水日為78d。統(tǒng)計不同量級下空氣質(zhì)量等級及首要污染物分布,可以得出,隨著降水量的增大,空氣質(zhì)量Ⅱ級也相應(yīng)增多,Ⅳ級及以上空氣質(zhì)量級別出現(xiàn)在量級小于1mm的條件下,且降水量越大,首要污染物就越集中為臭氧。
綜上,德令哈市空氣質(zhì)量在無降水日和降水日均以Ⅱ級良為主,無降水日期間首要污染物集中在PM10和臭氧,而當出現(xiàn)降水且量級大時,首要污染物更多為臭氧。
不同季節(jié)空氣濕度不一樣,在夏季空氣濕度達到最高,夏季降水量大,對大氣濕度貢獻率較高,因此夏季空氣質(zhì)量優(yōu)于其他季節(jié),而其他季節(jié)大氣濕度不能達到稀釋標準。相對濕度存在明顯的周期變化,春季相對濕度較小,AQI指數(shù)隨之上升,夏季相對濕度較大,AQI指數(shù)反之較小。
風(fēng)對污染物的疏散和擴散具有重要作用,也具有雙重性。在春季,風(fēng)速較大可以吹散空氣中的污染物,但對于北方或者干燥且植被覆蓋率低的地方來說,會加劇污染。秋冬兩季,風(fēng)速越小,對空氣的污染就越小,反之則加大。風(fēng)場一直是顆粒物濃度的重要影響因子,對于顆粒物的擴散有很大幫助。有研究表明,風(fēng)速和顆粒物濃度呈U型相關(guān),即風(fēng)速不是一直和顆粒物濃度呈線性相關(guān),而是在一定范圍內(nèi),風(fēng)速將會對顆粒物起到擴散稀釋作用,風(fēng)速越大,這種作用就越強。反之,顆粒物濃度就會上升,尤其在靜風(fēng)天氣下,更容易造成顆粒物大量累積,所以在這個范圍內(nèi),風(fēng)速和顆粒物濃度呈負相關(guān)。而當風(fēng)速超過這個范圍之后,便會卷起地面沙塵,增加顆粒物濃度,在這個范圍內(nèi)的風(fēng)速越大,顆粒物濃度就越大。受特殊地形及海拔高度的共同影響,德令哈市常年盛行偏東風(fēng),這種大風(fēng)會卷起沙塵,造成空氣質(zhì)量污染的情況也頻繁發(fā)生。分析2018年12次個例中有9次過程出現(xiàn)5級以上大風(fēng),有6次出現(xiàn)浮塵、揚沙天氣,再次說明德令哈市發(fā)生污染天氣是由大風(fēng)沙塵天氣引起。
大尺度的天氣形勢對氣象要素的分布和變化具有重要的影響作用,環(huán)流形勢的變化極大地影響了大氣地擴散能力、大氣的穩(wěn)定度等[7]。大氣的擴散能力決定了一個地區(qū)的污染物濃度擴散速度,而大氣的穩(wěn)定程度則決定了污染物在該地區(qū)的發(fā)展趨勢,針對污染天氣過程發(fā)展的情況和特點,挑選了2018年共16個典型個例,其中包括空氣質(zhì)量優(yōu)及良的4次,輕度污染4次,中度污染4次,重度污染4次。通過分析發(fā)現(xiàn),空氣質(zhì)量優(yōu)和良的環(huán)流背景一般為典型的西北氣流型或高壓脊控制時出現(xiàn)最多;空氣質(zhì)量污染天氣環(huán)流背景歐亞中高緯為兩槽一脊型居多。以2018年2月8~9日、4月4~5日的重度污染天氣為例,對高空環(huán)流形勢演變、地面實況、物理量場進行分析。
地面河西走廊、海西分別有冷鋒過境,冷高壓與熱低壓之間的相互作用,冷鋒前后的正、負ΔP24、ΔP3氣壓場的最新變化,代表了冷暖空氣演變的最新動態(tài),ΔP3差值越大越有利于大風(fēng)沙塵暴加強,正負ΔP3中心連線的方向代表著冷暖空氣移動的方向,也是大風(fēng)沙塵暴移動的方向,特強沙塵暴出現(xiàn)在地面冷高壓和熱低壓的過渡地帶。正確估計冷鋒過境,也是預(yù)報空氣污染的關(guān)鍵。大風(fēng)沙塵暴多發(fā)生在冷鋒過境時或過境后,冷鋒在午后到前半夜(混合層作用)過境最有利于沙塵暴的發(fā)展加強。大風(fēng)沙塵暴出現(xiàn)前水平溫度梯度、氣壓梯度、變壓梯度越大沙塵暴越強,空氣污染越強。
圖5 2018年4月4日出現(xiàn)天氣現(xiàn)象圖
(1)2018年德令哈市空氣質(zhì)量以Ⅱ級良為主,全年達到235d,占64.4%。AQI指數(shù)有比較明顯的季節(jié)分布特征,春季最高,夏秋兩季空氣質(zhì)量偏好,冬季空氣質(zhì)量多以Ⅰ級優(yōu)為主,但Ⅲ級及以上天數(shù)逐漸增多;首要污染物在春季和夏季主要以臭氧為主,其余時間多以PM10為主,德令哈市空氣質(zhì)量級別在中度及以上首要污染物絕大部分為PM10,說明了主要由吹風(fēng)沙塵天氣造成。
(2)不同月份空氣質(zhì)量指數(shù)與不同氣象要素有比較好的相關(guān)關(guān)系。日降水量在不同月份存在著正、負相關(guān)關(guān)系,這與不同季節(jié)冷空氣活動所帶來得不同天氣現(xiàn)象及其他氣象要素作用有一定的關(guān)聯(lián)。
(3)污染天氣過程等高線密集,梯度大,有明顯的高空急流帶,受動量下傳及冷空氣共同作用,300~700hPa之間形成強烈的輻散下沉,造成地面大風(fēng)天氣,出現(xiàn)沙塵天氣。冷鋒活動是造成污染物濃度日際變化的重要天氣系統(tǒng),冷鋒過境前,污染物濃度逐漸增高,并達到峰值;冷鋒過境后,污染物濃度迅速降低。