李穎敏,范紹佳,張人文 (.中山大學環(huán)境科學與工程學院大氣科學系,廣東 廣州 50275；2.中山市氣象局,廣東 中山 52840)

2008年秋季珠江三角洲污染氣象分析

李穎敏1,2,范紹佳1*,張人文1(1.中山大學環(huán)境科學與工程學院大氣科學系,廣東 廣州 510275；2.中山市氣象局,廣東 中山 528401)

利用2008年10月15日至11月20日珠江三角洲從化、廣州、開平三地的加強觀測資料,分析了加強觀測期間珠江三角洲的污染氣象特征.結果表明,觀測期間,造成珠江三角洲空氣污染的天氣形勢可分為冷鋒前部型、高壓底部型、高壓脊控制型3類.冷鋒前部型易造成珠江三角洲中部和東北部污染;高壓底部型易造成珠江三角洲西南部污染;高壓脊控制型易造成珠江三角洲局地性污染.珠江三角洲城市群污染與盛行東北風且日平均風速小于2m/s有密切關系,大部分時間珠江三角洲西南部出現污染,是由于污染物沿著主導風向輸送并累積造成.

2008年秋季；污染氣象特征；加強觀測；珠江三角洲

珠江三角洲地處廣東省中南部珠江下游,面臨南海,毗鄰港澳.隨著經濟的快速增長,大氣污染問題在珠江三角洲內日趨嚴重.灰霾天氣增多、能見度惡化[1],城市間污染相互影響,已經形成區(qū)域性空氣污染格局[2-3].秋季是珠江三角洲灰霾天氣高發(fā)時期,也是光化學污染最強的季節(jié)[4-5].

空氣污染與氣象條件有直接關系[6－12].關于珠江三角洲地區(qū)的研究中,吳兌等[9]認為灰霾天氣與地面流場、空氣污染物稀釋擴散有關. Physick等[12]將香港總懸浮顆粒物(TSP)與天氣型的關系劃分為7種天氣型.陳訓來等[13]將香港地區(qū)空氣污染典型天氣形勢劃分為熱帶氣旋型、大陸冷高壓型、入海變性高壓型和低壓槽型4類.陳歡歡等[14]認為珠江三角洲典型灰霾過程發(fā)生在每年10月到次年4月,天氣形勢主要是高壓變性出海.

鑒于秋季是珠江三角洲光化學煙霧、灰霾多發(fā)季節(jié),為深入研究掌握秋季該區(qū)域性、復合型大氣污染的規(guī)律,結合國家“863”項目“重點城市群大氣復合污染綜合防治技術與集成示范”,本課題組于2008年10月15日至11月20日在珠江三角洲呈東北－西南走向的從化市天湖、廣州市區(qū)的省環(huán)境監(jiān)測中心樓頂、開平市軍事教育基地設立3個加強監(jiān)測點,組織了一次大規(guī)模環(huán)境空氣質量加密觀測.本研究主要利用加強觀測期間3個監(jiān)測點配套自動氣象站資料等,考察觀測期間珠江三角洲的污染氣象特征.

1 資料來源

本研究所用資料主要來源于4方面:

其一,2008年10月15日～11月20日加強觀測期間從化、廣州、開平自動氣象站資料.3個自動站分別位于珠江三角洲的東北、中部和西南部(圖1),呈東北-西南向,與觀測期間盛行風向一致.自動氣象站為中山大學大氣科學系大氣探測室研制ZDQ-18型,測量要素為逐時風向、風速、溫度、氣壓、相對濕度、輻射、降雨量.

其二,空氣質量資料采用廣東省環(huán)境保護公眾網(http://www.gdepb.gov.cn/)公布粵港珠江三角洲監(jiān)控網從化天湖、廣州麓湖、江門東湖監(jiān)測子站(分別靠近從化、廣州、開平自動氣象站,見圖1)的區(qū)域空氣質量指數(RAQI).

圖1 自動氣象站與環(huán)境監(jiān)測站位置示意Fig.1 Sites of the automatic weather station and environmental monitoring station

區(qū)域空氣質量指數(RAQI)是綜合計算二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)和可吸入顆粒物(PM10)濃度而得出的空氣質量指標,為累加型指數.RAQI不同于空氣污染指數(API),API只反映SO2、NO2、PM10的污染情況.RAQI分5個等級,RAQI在 2～3之間代表該級別地區(qū)內有個別污染物濃度接近或超過國家環(huán)境空氣質量二級標準,在3～4之間代表該級別地區(qū)內普遍有污染物濃度超過國家環(huán)境空氣質量二級標準[15].

本研究將RAQI＞2的時段看作污染時段.

其三,天氣圖資料來自香港科技大學大氣與海岸研究中心網(http://envf.ust.hk/dataview/profile/ current/).

其四,后向軌跡來自美國國家海洋大氣局(NOAA)HYSPLIT 模式(http://www.ready.noaa. Gov/ready/hysplit4.html).

2 結果與分析

根據從化、廣州、開平3個自動氣象站逐時氣象資料及從化天湖、廣州麓湖、江門東湖3個監(jiān)測點同期RAQI資料,分析觀測期間污染基本特征、天氣型及風場對珠江三角洲空氣質量的影響.

2.1 觀測期間珠江三角洲污染基本特征

圖2給出2008年10月15日～11月20日從化天湖、廣州麓湖、江門東湖RAQI變化趨勢.

圖2 加強觀測期間RAQI變化趨勢Fig.2 Regional air quality index(RAQI ) at Conghua, Guangzhou and Kaiping from Oct. 15 to Nov. 20, 2008

由圖 2可見,總的來說,觀測期間江門東湖的 RAQI值比廣州麓湖、從化天湖高.在 37d的觀測期間內,江門東湖 RAQI有18d超過 2,有4d超過3;廣州麓湖RAQI有7d超過2,從化天湖RAQI只有2d超過2,廣州麓湖和從化天湖RAQI變化趨勢較一致.江門東湖RAQI出現峰值時間與廣州麓湖和從化天湖不一致: 如10月15、16日江門東湖RAQI較高,廣州麓湖和從化天湖RAQI較低;10月21～23日,廣州麓湖和從化天湖 RAQI維持高值,而江門東湖RAQI不斷下降.

2.2 觀測期間珠江三角洲污染天氣形勢

天氣形勢是一個地區(qū)大氣整體狀況的表征,空氣污染與特定天氣形勢有密切聯系.分析研究圖2出現RAQI峰值前后的天氣形勢,歸納出觀測期間出現污染時段的天氣形勢主要有3種:冷鋒前部型、高壓底部型、高壓脊控制型.

圖 3給出觀測期間珠江三角洲空氣污染較重4d的天氣圖.

圖3 觀測期間珠江三角洲空氣污染時地面天氣圖Fig.3 Surface weather conditions on Oct. 23, Oct. 26, Oct. 29 and Nov. 16 when PRD with poor air quality

由圖3可見,10月23日影響珠江三角洲的天氣形勢是冷鋒前部型,冷鋒位于華南地區(qū),冷鋒后部等壓線密集,由偏北氣流控制,冷鋒前部是均壓場,主要由偏南氣流控制.此時珠江三角洲西南部為西南風,中部和東北部為東北風且風速較小,污染物易在珠江三角洲中部和東北部累積,造成中部的廣州麓湖和東北部的從化天湖 RAQI較高,而西南部的江門東湖RAQI較低.這種天氣形勢易造成珠江三角洲中部和東北部污染.

10月26日和11月16日天氣形勢基本一致,是高壓底部型,冷空氣經過廣東并南移出海,北方冷高壓中心逐漸南壓,珠江三角洲位于高壓中心邊緣,風速較小,風向為偏北風.由圖 3可看出,內蒙古地區(qū)由冷高壓控制,華南地區(qū)等壓線較平直,地面主要受弱偏北風影響,污染物易沿著主導風向輸送并積累,造成珠江三角洲西南部污染,這兩次過程均造成江門東湖RAQI較高,10月26日RAQI為2.95,11月16日RAQI高達3.52;從化天湖和廣州麓湖RAQI較低,均小于2.

10月 29日天氣形勢是高壓脊控制型,地面冷高壓東移出海,珠江三角洲處于變性高壓脊控制下的下沉區(qū),風速為靜小風,不利于污染物的輸送,易造成污染物排放量大的地區(qū)污染物累積,造成局地污染.這是10月29日廣州麓湖、江門東湖 RAQI較高,從化天湖 RAQI較小的原因.

2.3 觀測期間風場對珠江三角洲空氣質量影響

圖4給出10月15日珠江三角洲西南部污染較重時RAQI區(qū)域分布和08:00風場.從圖4可看出,地面主要為偏北風,風速基本在 0～2m/s,污染物從珠江三角洲東北部輸送到西南部并積聚,導致西南部的RAQI較高.

圖4 2008年10月15日珠江三角洲RAQI區(qū)域分布和08:00地面風場圖Fig.4 Measured RAQI distribution and surface wind at 08:00 over PRD on Oct. 15, 2008

圖5 2008年10月15日08:00從化、廣州、開平48h后向軌跡Fig.5 Backward trajectory of 48h at Conghua Guangzhou and Kaiping ending at 08:00 on Oct.15, 2008

為進一步說明風場對空氣質量影響,圖5給出利用HYSPLIT模式模擬10月15日500m高空以08:00為起點計算到達從化、廣州、開平的48h后向軌跡.

從圖5可見,影響從化、廣州、開平的后向軌跡基本相同,均是從東北方向到達三地,結合圖4地面風場可知,影響珠江三角洲的低空氣流均為弱偏北氣流,弱東北氣流易造成珠江三角洲西南部污染較重.

圖6給出10月23日珠江三角洲中部和東部污染比西南部嚴重時RAQI區(qū)域分布和08:00地面風場.從圖6和圖4可見,10月23日珠江三角洲區(qū)域空氣質量分布形態(tài)與10月15日相反.圖7給出23日08:00為起點計算的48h 500m高空到達從化、廣州和開平的后向軌跡和10月24日08:00廣州24h后向軌跡.

從圖6地面風場可見,10月23日珠江三角洲大部分地區(qū)風速較小,西南部地區(qū)為弱的偏南風及偏西風,中部和東北部主要為弱的偏北風,北部有一股較強的偏北氣流,南北氣流在珠江三角洲中部相遇,在這種地面風場條件下,污染物容易在中部地區(qū)積累.

從圖 7后向軌跡可見,23日前珠江三角洲500m高空氣流從海上過來,從24日08:00后向軌跡可看出,氣流轉為偏北氣流,冷空氣開始進入華南,污染物在珠江三角洲中部堆積.

由圖6和圖7可見,地面和500m高空的風場都會導致珠江三角洲中部地區(qū)污染物累積,形成中部地區(qū)RAQI偏高.

圖6 2008年10月23日珠江三角洲RAQI區(qū)域分布和08:00地面風場Fig.6 Measured RAQI distribution and surface wind at 08:00 over PRD on Oct. 23 2008

圖7 2008年10月23～24日08:00 從化、廣州 、開平后向軌跡Fig.7 Backward trajectory of 48h at Conghua, Guangzhou and Kaiping ending at 08:00 from Oct.23 to Oct.24, 2008

圖8 觀測期間從化、廣州、開平自動站風玫瑰圖Fig.8 Wind direction rose at Conghua, Guangzhou and Kaiping from Oct. 15 to Nov. 20, 2008

圖8給出觀測期間從化、廣州和開平自動站逐時風向數據統(tǒng)計的風玫瑰圖(靜風為風速小于等于0.2m/s).

由圖 8可見,從化主導風為 NE,頻率高達40%;廣州主導風為NNE,頻率為25.48%;開平有2個頻率較高的風向,NNE和 NE頻率分別為26.48%和25.02%;從化靜風頻率為12.35%,廣州為2.28%,開平為6.48%.3個自動站主導風頻、靜風頻率不一致,與從化自動站位于山區(qū)、廣州自動站位于城區(qū)、開平自動站位于較平坦郊區(qū)有關.

由圖9可見,3地風速變化趨勢基本相同.風速＞2m/s時,3地風速最小的是廣州,這與廣州城區(qū)高層建筑對風的阻擋減小作用有關,風速＜2m/s時,風主要受局地影響.廣州風速＜2m/s出現頻率比開平、從化要大,高達68%.

圖9 2008年10月15～11月20日從化、廣州、開平的日平均風速Fig.9 Measured daily wind speed at Conghua, Guangzhou and Kaiping from Oct. 15 to Nov. 20, 2008

統(tǒng)計表明,觀測期間珠江三角洲秋季主導風向為NE,3地風速小于2m/s頻率都在50%以上,導致大部分時間珠江三角洲西南部污染較重,僅當珠江三角洲西南部為偏南風控制時,西南部地區(qū)的空氣質量才較好.

3 結論

3.1 2008年秋季觀測期間,造成珠江三角洲空氣污染較重的天氣型主要有3種:冷鋒前部型、高壓底部型、高壓脊控制型.冷鋒前部型易造成珠江三角洲中部和東北部污染,高壓底部型易造成珠江三角洲西南部污染,高壓脊控制型易造成珠江三角洲局地性污染.

3.2 2008年秋季觀測期間珠江三角洲主導風為東北風,日平均風速小于2m/s的頻率在50%以上,易造成污染物沿著主導風下風向輸送并累積,導致珠江三角洲西南部RAQI偏高.此外,當珠江三角洲西南部為西南風控制,中部和東北部為東北風且風速較小時,污染物易在珠江三角洲中部和東北部累積,導致珠江三角洲中部和東北部RAQI偏高.

[1] 吳 兌,畢雪巖,鄧雪嬌,等.珠江三角洲大氣灰霾導致能見度下降問題研究 [J]. 氣象學報, 2006,64(4):510-517.

[2] 王淑蘭,張遠航,鐘流舉,等.珠江三角洲城市間空氣污染的相互影響 [J]. 中國環(huán)境科學, 2005,25(2):133-137.

[3] 陳 燕,蔣維楣,郭文利,等.珠江三角洲地區(qū)城市群發(fā)展對局地空氣污染物擴散的影響 [J]. 環(huán)境科學學報, 2005,25(5):700-710.

[4] Wang T, Poon C, Kwok Y, et al. Characterizing the temporal variability and emission patterns of pollution plumes in the Pearl River Delta of China [J]. Atmospheric environment, 2003,37(25): 3539-3550.

[5] 范紹佳,王安宇,樊 琦,等.珠江三角洲大氣邊界層概念模型的建立及其應用 [J]. 熱帶氣象學報, 2005,21(3):286-292.

[6] 任陣海,萬本太,虞 統(tǒng),等.不同尺度大氣系統(tǒng)對污染邊界層的影響及其水平流場輸送 [J]. 環(huán)境科學研究, 2004,17(1):7-13.

[7] 王莉莉,王躍思,王迎紅,等.北京夏末秋初不同天氣形勢對大氣污染物濃度的影響 [J]. 中國環(huán)境科學, 2010,30(7):924-930.

[8] 尹 聰,朱 彬,曹云昌,等.秸稈焚燒影響南京空氣質量的成因探討 [J]. 中國環(huán)境科學, 2011,31(2):207-213.

[9] 吳 兌,廖國蓮,鄧雪嬌,等.珠江三角洲灰霾天氣的近地層輸送條件研究 [J]. 應用氣象學報, 2008,19(1):1-9.

[10] Kassomenos P, Flocas H, Lykoudis S, et al. Spatial and temporal characteristics of the relationship between air quality status and mesoscale circulation over an urban Mediterranean basin [J]. Science of the Total Environment, 1998,217(1/2):37-57.

[11] Saskia Buchholza, Jürgen Junka, Andreas Krein,et al. Air pollution characteristics associated with mesoscale atmospheric patterns in northwest continental Europe [J]. Atmospheric Environment, 2010,44:5183-5190.

[12] Physick W L, Goudey R. Estimating an annual-average RSP concentration for Hong Kong using days characteristic of the dominant weather patterns [J]. Atmospheric Environment, 2001, 35:2697-2705.

[13] 陳訓來,范紹佳,李江南,等.香港地區(qū)空氣污染的典型天氣背景形勢 [J]. 熱帶氣象學報, 2008,24(2):195-199.

[14] 陳歡歡,吳 兌,譚浩波,等.珠江三角洲 2001-2008年灰霾天氣過程特征分析 [J]. 熱帶氣象學報, 2010,26(2):147-155.

[15] 張振鈿,鐘流舉,向運榮,等.珠江三角洲空氣監(jiān)控系統(tǒng)建設研究報告 [R]. 廣州:廣東省環(huán)境監(jiān)測中心,2005.

Study on air pollution meteorology over the Pearl River Delta during the autumn of 2008.

LI Ying-min1,2, FAN Shao-jia1*, ZHANG Ren-wen1(1.Department of Atmospheric Science, School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；2.Zhongshan Meteorological Bureau, Zhongshan 528401, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1585～1591

As part of the 3C-STAR (synthesized prevention techniques for air pollution complex and integrated demonstration in key city-cluster region) intensive observation, meteorological and air pollutant concentration measurements were performed in Conghua, Guangzhou and Kaiping in the Pearl River Delta (PRD) on Oct. 15 to Nov. 20, 2008. The features of air pollution meteorology over PRD during the intensive observation were analyzed. It was found that the typical types of weather condition associated with poor air quality over PRD during the intensive observation could be summarized into three types (pre-cold front, bottom of high pressure control, ridge of high pressure control). The pre-cold front type will lead the central and northeastern part of PRD polluted. The bottom of high pressure control type will lead the western part of PRD polluted. The ridge of high pressure control type will result in local air pollution of PRD. The air pollution of the city-cluster of PRD were closely related to the northeasterly prevailing wind with ground wind speed smaller than 2m/s, this situation will lead the southwestern part of PRD polluted for the accumulation of air pollutants transported by the prevailing wind.

autumn of 2008；air pollution meteorology；intensive observation；Pearl River Delta

X16

A

1000-6923(2011)10-1585-07

2010-12-27

國家“863”項目(2006AA06A306);國家自然科學基金資助項目(40875007)

* 責任作者, 教授, eesfsj@mail.sysu.edu.cn

李穎敏(1986-),女,廣東江門人,中山大學環(huán)境科學與工程學院碩士研究生,主要從事大氣環(huán)境方面的研究.發(fā)表論文2篇.