孫田文,張淑敏,吳 寧,戎鴻興

(1.陜西省氣象干部培訓學院,西安 710014;2.銅川市氣象局,陜西銅川 727031)

銅川市空氣污染氣象條件分析

孫田文1,張淑敏2,吳 寧2,戎鴻興2

(1.陜西省氣象干部培訓學院,西安 710014;2.銅川市氣象局,陜西銅川 727031)

統(tǒng)計分析了銅川南、北市區(qū)近10 a空氣污染監(jiān)測資料和對應的氣象資料,并進行相關(guān)分析,結(jié)果表明:銅川市空氣能見度與空氣污染API指數(shù) (I)對應關(guān)系較為復雜,氣溫、氣壓、濕度、風等氣象條件對污染物分布具有綜合性影響。北市區(qū)能見度近3 a有所下降,三種污染物的API指數(shù)I(PM10)、I(SO2)、I(NO2)10 a來緩慢下降,表明空氣質(zhì)量在好轉(zhuǎn);南市區(qū)能見度年際變化不大,I(PM10)變化幅度較大。南、北市區(qū)I(PM10)、I(SO2)、I(NO2)均為夏季最低,冬季最高,春季次之;空氣污染均是PM10最大、SO2次之、NO2最小。相關(guān)分析得出,南市區(qū)I(PM10)與相對濕度反相關(guān)性最好,I(NO2)與日平均風速相關(guān)性最好,I (SO2)與相對濕度相關(guān)性最好;北市區(qū)I(PM10)僅與空氣濕度反相關(guān)顯著。南市區(qū)冬季風越大,能見度越好;而春、夏、秋則相反,風速越大,能見度反而降低。年平均風速較大時,大氣能見度條件相應較好,較大的風速更有利于大氣污染物的擴散;而當相對濕度較大時,大氣能見度較差。

空氣污染;API分指數(shù);能見度;氣象條件

眾所周知,空氣質(zhì)量的優(yōu)劣與氣象條件有一定關(guān)系,大量文獻研究表明,空氣中PM10(含PM2.5)質(zhì)量濃度越高,大氣能見度越低,空氣質(zhì)量越差。龐翻等[1]分析得出空氣污染在靜穩(wěn)天氣條件下加重灰霾的程度。張裕芬等[2]指出在污染源變化不大的情況下,低污染天氣潛勢有利于減輕污染程度,高污染潛勢的天氣則會加大污染程度。司瑤冰等[3]研究表明,城市大氣污染的最重要兩大影響因素是污染物排放和大氣的穩(wěn)定度,導致污染物質(zhì)量濃度變化的主導因素是天氣變化。李春花[4]得出影響西寧大氣污染的氣象因子有動力因子和熱力因子,動力因子主要是冷空氣活動和湍流,熱力因子主要是大氣逆溫和穩(wěn)定度。馮良敏等[5]分析成都地區(qū)13次PM10污染過程氣象條件得出重污染天氣多為下濕上干且濕層較為淺薄的結(jié)構(gòu)。銅川曾經(jīng)以產(chǎn)煤著稱,煤塵污染比較嚴重,曾是全國空氣污染較重的城市之一,20世紀90年代被“譽”為衛(wèi)星上“看不見”的城市。近十余年銅川市委、市政府采取了強有力的治污降霾措施,空氣質(zhì)量較前期有了明顯好轉(zhuǎn)[6]。但是,受氣候變化和城市化進程加快的影響,與全國其他城市一樣,有時也會遇到污染天氣的困擾。本文研究銅川氣象因素與空氣質(zhì)量的關(guān)系,為后期的空氣污染氣象條件預報預警奠定基礎(chǔ),同時為有關(guān)部門治污降霾提供參考。

1 資料來源和方法

采用銅川2003—2012年10 a時間序列,按照北市區(qū)和南市區(qū)兩個區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測站和氣象觀測站的資料進行對比分析,其中北市區(qū)環(huán)境監(jiān)測資料選用王益區(qū)政府監(jiān)測站,南市區(qū)選用新區(qū)管委會監(jiān)測站資料,兩個環(huán)境監(jiān)測站都在人口居住密集區(qū),空氣污染指數(shù)完全能夠代表這個地域的空氣質(zhì)量情況;氣象資料選用與環(huán)境監(jiān)測站位置接近氣象站,北市區(qū)為銅川氣象站(53947),南市區(qū)為耀縣氣象站(57037)。銅川氣象站比王益區(qū)政府環(huán)境監(jiān)測站海拔高200 m,兩站水平距離為3 km,且銅川氣象站處在郊外,四周空曠,環(huán)境監(jiān)測站位于城市區(qū)川道。耀縣氣象站比新區(qū)管委會環(huán)境監(jiān)測站海拔高度低30 m,兩站水平距離為5 km,四周均比較空曠?？諝馕廴举Y料為利用兩個環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測的PM10、SO2、NO2三種污染物質(zhì)量濃度換算后的空氣污染指數(shù)API分指數(shù),分別表示為I(SO2)、I(NO2)、I(PM10);氣象資料為能見度、風、空氣相對濕度等要素。

根據(jù)國家空氣質(zhì)量標準(GB 3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》),空氣污染指數(shù)API劃分為7檔,對應于空氣質(zhì)量的7個級別,指數(shù)越大,級別越高,污染越嚴重,對人體健康的影響也越明顯(表1)。

2 空氣質(zhì)量年際變化和季節(jié)變化

由圖1a可看出,2003—2012年北市區(qū)(王益區(qū)、印臺區(qū))I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)呈下降趨勢。2004年I(PM10)最高達120, 2009年最低為62,2010—2012有緩慢上升趨勢;I(SO2)在2006年僅30,2007年達60,出現(xiàn)明顯波動,2007—2009年呈現(xiàn)降低趨勢,之后又緩慢上升;I(NO2)近10 a來整體變化不大,但2010—2012年有緩慢上升趨勢。北市區(qū)能見度10 a平均為14.3 km,2010、2012年出現(xiàn)明顯降低趨勢,分別為13 km、12 km,其它年份則總體平穩(wěn)?？傮w來看,北市區(qū)年能見度與I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)有一定負相關(guān)性。

由圖1b可看出,2003—2012年南市區(qū)(耀州區(qū)、新區(qū))I(PM10)變化幅度較大,2008—2010年最小,指數(shù)低于60;2004、2012年較大,指數(shù)超過90。I(SO2)呈現(xiàn)兩低三高變化態(tài)勢,2005、2010年最低,2003、2007、2012年較高,指數(shù)變化幅度為20左右。I(NO2) 2003—2008年呈波浪形變化,2009—2012年逐年緩慢上升,但均低于30。南市區(qū)能見度變化平穩(wěn),均值為10.2 km,振幅很小。

從圖2可看出,南、北市區(qū)三個空氣質(zhì)量指數(shù)均為夏季低、冬季高,春季次之,表明空氣質(zhì)量夏季較好,冬季最差,其次是春季。這主要是因為冬、春季靜穩(wěn)天氣偏多,降水偏少,污染物長時間積累,加之太陽輻射弱,空氣垂直運動弱,不利于污染物擴散,造成空氣污染。北市區(qū)能見度6月最大,5月次之,9月最小,2、8、11月也相對較低。南市區(qū)能見度也是6月最大, 4、10月次之;1、8、11月最小。

從圖1和圖2可看出,銅川北、南市區(qū)空氣污染指數(shù)均為I(PM10)明顯偏大、I(SO2)次之、I(NO2)最小,說明PM10是銅川市首要的空氣污染物。

分析表明,銅川市10 a間大氣能見度總體較好,均值在12 km以上,北部好于南部,優(yōu)于全國絕大多數(shù)城市,但總體發(fā)展趨勢仍不容樂觀,北市區(qū)平均能見度大于南市區(qū),近10 a南市區(qū)能見度年變化呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢,空氣污染指數(shù)也呈現(xiàn)增大趨勢;北市區(qū)能見度最近3 a卻略有下降,但空氣污染指數(shù)則呈略降低的趨勢。表明銅川市空氣能見度與空氣污染指數(shù)對應關(guān)系較為復雜,有待于進一步分析研究。

3 氣象要素與空氣污染指數(shù)相關(guān)性分析

3.1 氣象要素與空氣污染指數(shù)季節(jié)變化的相關(guān)性

分別選用1、4、8、11月代表冬、春、夏、秋四季,利用10 a環(huán)境監(jiān)測站的I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)與能見度、相對濕度、風速三種氣象要素分別進行相關(guān)性分析,計算其相關(guān)系數(shù),在樣本數(shù)大于200,通過信度0.05 T檢驗的顯著相關(guān)系數(shù)Rc為0.15,即當相關(guān)系數(shù) (正值表示正相關(guān),負值表示反相關(guān))大于0.15時則認為兩種要素相關(guān)顯著 (或相關(guān)較好)。由表2可知,1月北市區(qū)I(PM10)與相對濕度相關(guān)性最好,表明冬季濕度越大, I(PM10)也增大,污染加重;I(SO2)與能見度相關(guān)顯著,而I(NO2)與三種氣象要素相關(guān)性均不顯著。4月,風速與I(PM10)、I(NO2)相關(guān)顯著,能見度與I(SO2)相關(guān)顯著。8月I(SO2)、I(PM10)與大氣能見度相關(guān)顯著。11月只有I(NO2)與相對濕度相關(guān)顯著,相關(guān)系數(shù)為-0.28,與風速相關(guān)系數(shù)為0.25。結(jié)果表明,不同季節(jié),北市區(qū)三個空氣污染指數(shù)與氣象條件的相關(guān)性不同。除4月外,大氣能見度與空氣相對濕度和風速相關(guān)顯著,與相對濕度呈反相關(guān),與風速呈正相關(guān)。即一般情況下風速越大,能見度越大;濕度越大,能見度越小。4月由于空氣和土壤整體比較干燥,風速大則容易形成浮塵揚沙天氣,導致能見度下降。

南市區(qū)各季節(jié)空氣污染指數(shù)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)明顯大于北市區(qū),各月I(SO2)與大氣能見度相關(guān)系數(shù)均在0.2以上,1月相關(guān)系數(shù)達-0.39。1、8、11月I(PM10)與大氣能見度相關(guān)性好,1月相關(guān)系數(shù)達-0.51,4月較差。相對濕度與1月I(SO2)、I(PM10),11月I(NO2)、I(PM10)相關(guān)性也較好。8月風速與I(NO2)反相關(guān)性最顯著;1月風速與三種污染指數(shù)均為顯著反相關(guān),表明冬季風速越大,污染指數(shù)越小,空氣質(zhì)量越好。南市區(qū)相對濕度對能見度的影響與北市區(qū)一致,各季均為顯著反相關(guān),1月相關(guān)系數(shù)達-0.74。風速與能見度1月為正相關(guān),4、8、11月均為反相關(guān),表明南市區(qū)冬季風越大,能見度越好,而春、夏、秋則相反,風速越大,能見度反而降低。

3.2 I(PM10)對大氣能見度影響分析

銅川三個污染物指數(shù)均為北市區(qū)大于南市區(qū),而平均大氣能見度則是南市區(qū)比北市區(qū)低4.1 km。這種情況可能與觀測站位置有關(guān)。北市區(qū)冬、春季大氣能見度與I(PM10)分布幾乎沒有相關(guān)性,點聚圖 (圖略)上看也沒有規(guī)律可循,這與該地大氣環(huán)境監(jiān)測點與氣象站環(huán)境差異過大有關(guān)系[7],導致北市區(qū)空氣污染指數(shù)與大氣能見度出現(xiàn)了不一致的變化情況。南市區(qū)環(huán)境監(jiān)測站位于新區(qū)的平原上,氣象站位于耀州區(qū)城郊,位置略低,環(huán)境差異不太大,但一定程度上也會出現(xiàn)兩者不一致的情況。從表2可知,南市區(qū)I(PM10)與能見度的反相關(guān)最顯著,為進一步分析南市區(qū)I(PM10)對能見度的影響,制作了10 a 1月逐日能見度與I(PM10)點聚圖,圖3a表明,1月I(PM10)主要在分布50～180之間,大氣能見度則主要在1.5～15.0 km之間。當I(PM10)大于150時,大氣能見度小于15.0 km,當I(PM10)大于200時,能見度低于5 km;當能見度小于10.0 km時,I(PM10)均大于50,而當能見度小于5.0 km時,I (PM10)從38到282都有分布。由此推斷, PM10也不是影響南市區(qū)冬季能見度的最主要因素,氣象條件的變化才是銅川霧、霾形成的主要原因。

3.3 空氣濕度、風速對I(PM10)的影響分析

利用平均風速、相對濕度資料分析對大氣能見度的影響發(fā)現(xiàn),當年平均風速較大時,大氣能見度相應較大,較大的風速更有利于大氣污染物的擴散。而當相對濕度較大時,大氣能見度較小。

相對濕度與I(PM10)總體上呈正相關(guān),相對濕度增大,I(PM10)也隨之增大(圖3b)。日平均風速則與I(PM10)呈反相關(guān)(圖3c)。

銅川2003年空氣污染指數(shù)整體較高,北市區(qū)年均I(PM10)超過100,南市區(qū)I(PM10)接近90,因此以2003年為例對逐日空氣污染指數(shù)與氣象要素做進一步分析,結(jié)果表明(表3): 2003年,南市區(qū)I(PM10)與相對濕度反相關(guān)性最好,I(NO2)與日平均風速相關(guān)最好, I(SO2)與相對濕度反相關(guān)性最好。北市區(qū)I(PM10)僅與相對濕度的反相關(guān)較為顯著; I(SO2)則與三種氣象要素相關(guān)性均比較高,與相對濕度呈0.59的反相關(guān),與能見度和風速正相關(guān);I(NO2)與相對濕度呈0.38的反相關(guān),與能見度和風速有0.2的正相關(guān)。由此可看出, 2003年,相對濕度是影響空氣污染指數(shù)的最主要氣象因素,風速也是影響空氣質(zhì)量指數(shù)的一個重要因素,而能見度與I(PM10)相關(guān)性較小,這與前面的相關(guān)分析基本一致。

4 2013年12月中下旬強霾天氣過程簡要分析

2013年12月18—25日,銅川南市區(qū)出現(xiàn)了較強霾天氣,銅川市氣象臺連續(xù)發(fā)布了霾天氣預報和預警信號,過程期間I(PM10)≥200,達到中度以上污染。耀縣氣象站氣象要素顯示,18—25日,能見度＜5 km(圖4a),無降水,溫度變化平穩(wěn),沒有明顯的冷空氣影響,露點線接近溫度線,溫度露點差很小,說明空氣相對濕度較大,地面一直為均壓場區(qū),風速只有2～4 m/S,空氣污染物得不到擴散,導致嚴重的霾,26日14時開始,氣溫出現(xiàn)了明顯下降,溫度露點差突增,空氣濕度下降,氣壓上升,地面風向由西南變成了偏北,說明有冷空氣入侵,污染物得到有效的擴散,銅川霾天氣結(jié)束[8-9](圖4b)。

5 結(jié)論

利用銅川南、北市區(qū)2003—2012年環(huán)境監(jiān)測站和氣象觀測站資料,研究銅川氣象要素與空氣質(zhì)量的關(guān)系,得出以下結(jié)論。

(1)銅川北市區(qū)年能見度與I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)三種空氣污染指數(shù)有一定負相關(guān)性;空氣質(zhì)量夏季較好,冬季最差,其次是春季。

(2)南市區(qū)能見度變化不大,均在10.2 km左右,I(PM10)變化幅度較大;I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)均是夏季最低,冬季最高,春季次之。

(3)南、北市區(qū)空氣主要污染物均是PM10、其次是SO2,NO2屬于污染最小的因素,PM10是銅川的首要的空氣污染物。

(4)南市區(qū)I(PM10)與相對濕度反相關(guān)性最好,I(NO2)與日平均風速相關(guān)最好,I(SO2)與相對濕度相關(guān)性最好。北市區(qū)I(PM10)僅與空氣濕度反相關(guān)顯著。

(5)南市區(qū)冬季風越大,能見度越好,而春、夏、秋則相反,風速越大,能見度反而降低。

(6)當年平均風速較大時,大氣能見度條件相應較好,較大的風速更有利于大氣污染物的擴散;而當相對濕度較大時,大氣能見度較差。

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1006-4354(2015)05-0027-06

2015-06-08

孫田文(1968—),男,云南永善人,學士,高級工程師,從事氣象業(yè)務管理和科研開發(fā)。

銅川市氣象局2014年霧霾成因分析及預報指標研究支持項目