污染防治重點區(qū)域大氣擴散條件變化趨勢及成因

梅梅，朱蓉

(國家氣候中心，北京 100081)

污染防治重點區(qū)域大氣擴散條件變化趨勢及成因

梅梅，朱蓉

(國家氣候中心，北京 100081)

基于1961—2016年地面常規(guī)氣象觀測資料，通過對大氣污染防治重點區(qū)域“三區(qū)十群”以及哈爾濱和鄭州的大氣擴散條件的歷史變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)：近56年以來，研究區(qū)域的年均大氣通風(fēng)量均呈下降趨勢，西部地區(qū)變化較小，東部地區(qū)普遍下降速度較快，而武漢及其周邊以及陜西關(guān)中地區(qū)下降速度最快；京津冀地區(qū)采暖季的56年均值較低且下降速度較快，平均風(fēng)速和平均14時混合層高度均低于全年水平，大氣擴散能力的下降趨勢較全年更為明顯。對大氣擴散能力下降趨勢的成因研究表明：東亞季風(fēng)、降雨日數(shù)、太陽輻射等氣候背景的變化對大氣污染擴散條件的變化具有重要影響；地面風(fēng)速明顯下降的變化趨勢直接導(dǎo)致了大氣擴散能力的減弱；城市化對城市群地區(qū)地面風(fēng)速下降的影響明顯大于氣候變化的作用。

大氣通風(fēng)量；混合層高度；風(fēng)速；氣候變化；城市化

近年來，我國一些人口密集、工業(yè)發(fā)達的大中型城市及城市群的大氣污染形勢日趨嚴峻，主要污染物是人類排放的氣溶膠和氣態(tài)污染物通過光化學(xué)過程轉(zhuǎn)化形成的二次氣溶膠[1]。普遍認為污染物的排放是造成大氣污染的主要誘因，而氣象條件是污染的觸發(fā)因子[2]。因此，分析污染氣象條件在不同時間尺度上的變化規(guī)律對評估大氣污染防治措施的實施效果十分重要。我國在20世紀80年代末和90年代初提出了通風(fēng)量的計算方法，計算了全國大氣通風(fēng)量的氣候平均分布，給出了全國各地區(qū)大氣環(huán)境容量系數(shù)的氣候平均值，并在此基礎(chǔ)上形成了國家標準[3-4]。本文基于大氣通風(fēng)量的計算，僅從氣象條件角度研究大氣污染防治重點區(qū)域大氣污染擴散條件的歷史變化趨勢并分析成因，以期為大氣污染防治的相關(guān)決策部署提供科學(xué)參考。

1 大氣通風(fēng)量計算方法

選擇大氣污染防治重點區(qū)域“三區(qū)十群”(包括京津冀、長三角、珠三角以及遼寧中部、山東、武漢及其周邊、長株潭、成渝、海峽西岸、山西中北部、陜西關(guān)中、甘寧、新疆烏魯木齊城市群，共涉及19個省、自治區(qū)和直轄市)、哈爾濱市和鄭州市范圍內(nèi)154個具有代表性的國家級地面氣象站的觀測數(shù)據(jù)，時間為1961年1月1日至2016年12月31日。采暖季定義為自然年的1月、2月、11月和12月，共4個月。

大氣通風(fēng)量計算公式如下：

(1)

式中，u為混合層內(nèi)任意高度的風(fēng)速；H為混合層高度。根據(jù)《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法》[5](以下簡稱《標準》)：

(2)

(3)

式中，us為地面觀測風(fēng)速；z1為觀測點離地面高度；z2為任意高度；m為冪指數(shù)，根據(jù)Pasquill大氣穩(wěn)定度類別取值，A類為0.1，B類為0.15，C類為0.20，D類為0.25，E和F類為0.30。當z2≤200 m時，風(fēng)速與高度呈冪指數(shù)關(guān)系；當z2>200 m，至混合層頂時，風(fēng)速取常數(shù)。

根據(jù)《標準》計算混合層高度H。首先計算太陽傾角δ:

δ=[0.006918-0.399912cosθ+0.070257sinθ-0.006758cos2θ+0.000907sin2θ-0.002697cos3θ+0.001480sin3θ]×180/π

(4)

式中，θ=360dn/365，(°)；δ為太陽傾角，(°)；dn為一年中的日期序數(shù)，0，1，2，……，364。

計算太陽高度角h：

h=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos(15t+λ-300)]

(5)

式中，h為太陽高度角，(°)；φ為當?shù)鼐暥龋?°)；t為北京時間，h；λ為當?shù)亟?jīng)度，(°)。

結(jié)合h和云量，通過查表[5]得到太陽輻射等級，進而根據(jù)不同地面風(fēng)速查表[5]得到Pasquill大氣穩(wěn)定度等級。

當大氣穩(wěn)定度為A、B、C和D級時：

(6)

當大氣穩(wěn)定度為E和F級時：

(7)

f=2ωsinφ

(8)

式中，as和bs為混合層系數(shù)(查表可得)[5]；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)；ω為地轉(zhuǎn)角速度，7.29×10-5rad/s；φ為地理緯度，(°)。

需要說明的是，在計算大氣通風(fēng)量日值時，應(yīng)采用一天多次觀測數(shù)據(jù)計算結(jié)果的平均值，但由于地面氣象站02時沒有云量觀測數(shù)據(jù)，本文計算時均采用14時的觀測數(shù)據(jù)計算混合層高度。14時混合層高度接近日最大混合層，能夠反映全天大氣熱力不穩(wěn)定發(fā)展的程度。

2 大氣通風(fēng)量變化趨勢

“三區(qū)十群”、哈爾濱和鄭州1961—2016年的大氣通風(fēng)量歷史變化趨勢如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：京津冀地區(qū)年大氣通風(fēng)量總體呈下降趨勢，平均每10年下降8.5%，1989—1995年呈最大上升趨勢，每年上升2.98%；1972—1978年呈最大下降趨勢，每年下降4.0%。在采暖季，京津冀地區(qū)大氣通風(fēng)量56年均值低于全年水平，且采暖季年均大氣通風(fēng)量呈總體下降趨勢，平均每10年下降11.8%，大于全年的下降幅度，最大上升趨勢出現(xiàn)時段與全年大氣通風(fēng)量相同，每年上升3.8%，最大下降趨勢出現(xiàn)在1979—1985年，每年下降5.9%。長三角和珠三角地區(qū)年大氣通風(fēng)量也均呈下降趨勢，下降速率在研究區(qū)域中處于較快水平。

總體來看，研究區(qū)域的歷史平均大氣通風(fēng)量總體均為下降趨勢，其中下降最快的為武漢及其周邊，其次為陜西關(guān)中地區(qū)，東部地區(qū)普遍下降較快，幅度為5%～14%，以烏魯木齊、甘寧和成渝為主的西部地區(qū)則下降最慢。武漢及其周邊地區(qū)在1976—1982年，以及陜西關(guān)中地區(qū)在2002—2009年，最大下降趨勢的年變率相對其他區(qū)域較大。烏魯木齊在20世紀70年代初至80年代初、90年代末至21世紀初先后經(jīng)歷了兩次先快速上升后再快速下降的明顯波動。從長年代變化來看，大氣污染物稀釋擴散能力在西部地區(qū)基本維持穩(wěn)定，在東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)持續(xù)變差，而在重工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相對集中的武漢、陜西以及東北老工業(yè)基地遼寧中部地區(qū)下降得更為迅速。

2013年國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》以來，污染防治力度加強。相比之前10年，2013—2016年京津冀、長三角、珠三角、哈爾濱、鄭州、山東、武漢及周邊和陜西關(guān)中地區(qū)的平均大氣通風(fēng)量明顯下降，武漢及周邊下降幅度最大，為43.4%，以上地區(qū)大氣擴散條件相對變差；遼寧中部、長株潭、成渝、海峽西岸、山西中北部、甘寧和烏魯木齊的平均大氣通風(fēng)量均為上升，其中成渝地區(qū)上升幅度最大，為19.0%，長株潭地區(qū)變化幅度較小，為1.9%，以上地區(qū)大氣擴散條件普遍有所改善。

表1 1961—2016年大氣污染防治重點區(qū)域大氣通風(fēng)量變化特征

3 大氣擴散條件變化趨勢的成因分析

大氣通風(fēng)量反映了該地大氣擴散條件，下面將從氣候變化、大氣邊界層污染氣象參數(shù)以及城市化效應(yīng)三個主要方面分析大氣擴散條件變化趨勢的成因。

3.1氣候變化背景分析

中國處于東亞季風(fēng)區(qū)，受東亞季風(fēng)活動影響，冬季主要盛行偏北風(fēng)氣流，夏季以偏南風(fēng)氣流為主。據(jù)國家氣候中心監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，1961—2015年，東亞冬季風(fēng)[6]年代際變化特征顯著。在20世紀80年代中期前普遍偏強，而80年代后期偏弱頻率遠高于偏強頻率，2014年和2015年較正常偏弱[7]。東亞冬季風(fēng)的強度能夠反映出冬季污染物擴散的環(huán)流條件，2008—2013年強度均偏強而大氣污染卻較重，說明污染物的排放在此階段較為嚴重，2014年和2015年強度趨于偏弱而大氣污染卻沒有明顯加重，說明2013年以后大氣污染治理具有一定成效。

1961—2015年，中國年平均降雨日數(shù)以每10年4天的速率呈顯著減少趨勢，而年累計暴雨站日數(shù)以每10年4.2%的速率呈顯著增加趨勢[7]。由于降水對大氣污染物的濕清除作用與降水量不是一直保持正相關(guān)，在清除了一定量的污染物以后，雨量與清除效果的關(guān)系就不明顯了。因此，雖然暴雨站日數(shù)在增加，但由于降雨日數(shù)的減少，大氣對污染物的濕清除作用仍是顯著減弱。

1961—2015年，中國平均年日照時數(shù)呈每10年33.8小時的顯著減少趨勢，中國陸地表面接收到的平均太陽年總輻射量呈現(xiàn)每10年11.2 kW·h/m2減少的趨勢[7]。太陽輻射的減弱反應(yīng)出云量增多，混合層高度降低，導(dǎo)致大氣通風(fēng)量降低。氣溶膠能夠散射和吸收輻射，或是增加云形成的凝結(jié)核和改變云的光學(xué)性質(zhì)，因而太陽輻射的減弱可能與大氣中人為排放的氣溶膠增多有關(guān)。氣溶膠光學(xué)厚度是表征氣溶膠對光的衰減作用的重要監(jiān)測指標。中國氣象局監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，北京上甸子、浙江臨安和黑龍江龍鳳山3個大氣本底站的氣溶膠光學(xué)厚度自2004年以來總體均呈現(xiàn)增加趨勢[7]。

3.2大氣邊界層污染氣象參數(shù)的變化

地面風(fēng)速和混合層高度是決定大氣通風(fēng)量變化的兩個關(guān)鍵因子。表2為近56年重點區(qū)域風(fēng)速及混合層高度變化情況。從表2可以看出，各地區(qū)的平均風(fēng)速普遍呈下降趨勢，其中武漢及周邊、遼寧中部和鄭州的絕對變化量最大，而武漢及周邊、陜西關(guān)中、鄭州和遼寧中部的相對變化最大，以上地區(qū)的大氣水平擴散能力減弱明顯，成渝、珠三角基本維持不變。因平均14時混合層高度的數(shù)量級在百、千以上，除武漢及周邊以外，其余各地區(qū)絕對變化量均在30 m以下，變化均較小。成渝、甘寧、烏魯木齊、山西中北部和鄭州的大氣垂直稀釋能力有增強的趨勢，這與楊靜等[8]得到的烏魯木齊1979—2008年混合層高度呈緩增趨勢，且2000—2004年及2007—2008年大氣垂直平均稀釋能力有增強趨勢的結(jié)論相互印證。各地區(qū)的大氣通風(fēng)量和風(fēng)速同步下降，而混合層高度有升有降且變化較小，可以看出風(fēng)速和混合層高度雖然共同影響大氣通風(fēng)量的變化，但風(fēng)速的作用要大于混合層高度。

表2 1961—2016年大氣污染防治重點區(qū)域平均風(fēng)速和14時混合層高度變化特征

京津冀地區(qū)的年均風(fēng)速每10年下降0.1 m/s，相對變率為-4.5%，最大值出現(xiàn)在1972年為2.8 m/s，最小值出現(xiàn)在2003年為1.7 m/s，1989年至今平均每年小幅上升0.3%。而采暖季平均風(fēng)速相對變化趨勢大于全年平均風(fēng)速，最大值出現(xiàn)在1969年為2.7 m/s，最小值出現(xiàn)在2003年為1.5 m/s，也是在1989年以來呈小幅上升趨勢。全年平均14時混合層高度相對變化較小，而采暖季的下降速度快于全年平均水平，2004年之后下降趨勢加快，為每年0.8%。采暖季的平均風(fēng)速和14時混合層高度均低于全年水平，大氣水平和垂直擴散能力的下降趨勢較全年更為明顯。

長三角地區(qū)的平均風(fēng)速每10年下降0.1 m/s，相對變率為-4.7%，平均14時混合層高度每10年下降2.5%。珠三角地區(qū)的平均風(fēng)速下降不明顯，每10年下降0.5%，1979年下降到最低點1.47 m/s，隨后呈現(xiàn)較為規(guī)律的波動上升，在1999年達到最大值2.3 m/s，隨后波動下降。平均14時混合層高度每10年下降2.5%，2006年至今下降速度加快。由此可見，56年以來“三區(qū)”的大氣通風(fēng)量的下降是由地表風(fēng)速和混合層高度的共同下降造成的。

3.3城市化產(chǎn)生的影響

目前，還無法剔除歷史地面氣象觀測資料中城市化的影響，因此城市群范圍內(nèi)風(fēng)速變小的趨勢是氣候變化和城市化兩個因素共同作用的結(jié)果。為了研究城市化對風(fēng)速的影響程度，選取遠離人口聚居區(qū)、受城市化影響較小的氣象站的觀測風(fēng)速進行對比，四個氣象站分別是山東泰山氣象站、甘肅烏鞘嶺氣象站、西藏索縣氣象站和浙江嵊泗氣象站。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這四個地點56年風(fēng)速平均每10年的變化分別為0.2%、-1.3%、-0.4%和-0.2%，表明受氣候變化影響，風(fēng)速的相對變率較小。

長三角地區(qū)的城市化規(guī)模自1990年起至今逐漸呈擴大趨勢。1990—2000年，主要以江蘇省的南京、常州、無錫、蘇州以及上海幾個主要城市的明顯擴張為主；2000—2010年，除上述幾個主要城市繼續(xù)擴張之外，安徽省的馬鞍山市、蕪湖市，浙江省的嘉興市、杭州市以及周邊等地的城市化規(guī)模也明顯擴大；2010—2015年，城市化速度繼續(xù)加快，長三角主要城市逐漸連接成片，尤其以常州—無錫—蘇州一線擴大最為顯著，具體如圖1所示。

長三角地區(qū)風(fēng)速空間分布如圖2所示。可以看出，3 m/s的風(fēng)速等值線從1990—2015年逐漸向海岸線推進。1990年2.2 m/s以下的低風(fēng)速區(qū)集中在浙江中部和安徽東部，2000年該低值區(qū)繼續(xù)向北和向西擴張。2000年南京附近出現(xiàn)2.0 m/s的低值中心；2010年逐漸在上海南部、安徽宣州、浙江杭州西部形成3個集中的低風(fēng)速區(qū)，低值中心達到1.4 m/s；2015年長三角地區(qū)風(fēng)速整體明顯下降，南京附近的低風(fēng)速區(qū)范圍擴大，上海南部低值中心達到1 m/s以下，常州—無錫—蘇州一線風(fēng)速由2010年的2.0～2.6 m/s下降到1.6～2.2 m/s。2010—2015年，常州、無錫、蘇州的平均風(fēng)速均呈快速下降趨勢，6年下降0.2～0.5 m/s，如圖3所示。城市化導(dǎo)致的下墊面粗糙度增加會使風(fēng)速減小，同時觀測站周邊環(huán)境的變化也可能造成風(fēng)速觀測值的減小，相對氣候變化，城市化對于城市風(fēng)速下降的作用明顯較大。前人的一些研究也得到了與本文相似的結(jié)論：張愛英等[9]認為我國地面氣象站記錄的平均風(fēng)速減弱可能受到大尺度大氣環(huán)流變化的影響，更可能與臺站附近觀測環(huán)境變化和城市化等人為因素影響有密切關(guān)系。

圖1 長三角地區(qū)城市群規(guī)模變化遙感圖Fig.1 The remote sensing maps of scale change of urban agglomeration in Yangtze river delta

圖2 長三角地區(qū)風(fēng)速變化分布空間圖Fig.2 The spatial distribution of wind speed variation in Yangtze river delta

圖3 2010—2015年常州、無錫和蘇州風(fēng)速變化Fig.3 Annual wind speed variation in Changzhou, Wuxi and Suzhou during 2010-2015

4 結(jié)論

采用全國大氣污染防治重點區(qū)域內(nèi)154個地面氣象站1961—2016年觀測資料，研究大氣擴散能力的長期變化趨勢，分析其成因，得到如下結(jié)論：

(1)大氣污染物稀釋擴散能力在西部地區(qū)相對維持穩(wěn)定，在東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)持續(xù)下降，而在重工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相對集中的武漢、陜西以及東北老牌工業(yè)基地遼寧中部地區(qū)下降更為迅速，而京津冀采暖季由于取暖燃煤排放煙塵，在大氣水平和垂直擴散能力不斷下降的條件下，更容易造成近地面污染物的堆積而加重空氣污染。

(2)中國受氣候變暖的影響顯著，而氣候背景的變化對大氣污染擴散條件的變化具有重要影響。長年代來看，東亞冬季風(fēng)在2014年和2015年相較2008—2013年趨于偏弱而大氣污染卻沒有明顯加重，說明2013年以后大氣污染治理具有一定成效。由于雨日數(shù)量呈顯著減少趨勢，因此雨水對大氣污染物的沖刷作用減弱。人為排放氣溶膠的增多可能是太陽輻射呈顯著減弱趨勢的原因，太陽輻射的減弱也導(dǎo)致了大氣污染擴散能力的減弱。

(3)1961—2016年，武漢及周邊、陜西關(guān)中、鄭州和遼寧中部地區(qū)風(fēng)速下降幅度較大，大氣水平擴散能力減弱明顯，而成渝、珠三角大氣水平擴散能力基本維持不變。武漢及周邊的混合層高度相對變化較明顯，大氣垂直稀釋能力減弱，而成渝、甘寧、烏魯木齊、山西中北部和鄭州的大氣垂直稀釋能力有一定的增強趨勢。京津冀地區(qū)采暖季的平均風(fēng)速和14時混合層高度均低于全年水平，大氣水平和垂直擴散能力的下降趨勢較全年更為明顯。

(4)1961—2016年各城市群的年均風(fēng)速下降是受氣候變化和城市化兩個因素共同影響，而去除城市化影響，風(fēng)速單純在氣候變化的影響下變化程度較小。以長三角地區(qū)為例，隨著城市規(guī)模不斷擴大，3 m/s的風(fēng)速等值線逐漸向海岸線推進，并逐步在幾個大的城市群周邊形成多個風(fēng)速低值區(qū)，且低值中心逐步變得更低。城市化對于風(fēng)速的下降影響明顯大于氣候變化的作用。

大氣對污染物的擴散能力存在地區(qū)差異，因此在產(chǎn)業(yè)布局和政策制定時要充分考慮以上地區(qū)的大氣通風(fēng)量地理分布和時間分布特征。相較2003—2012年，部分地區(qū)在2013—2016年的大氣擴散條件轉(zhuǎn)差，這對該地的大氣污染治理效率提出了更高的要求。由于城市化對地面風(fēng)速下降有較大的影響，造成城市的大氣擴散能力減弱、同等排放情況下污染發(fā)生的概率增加，因此在城市和城市群的規(guī)劃設(shè)計階段就要將氣象條件充分納入考慮因素當中。

致謝：感謝國家氣候中心孫朝陽博士為本文提供了城市群面積變化資料。

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Variation Trend and Genesis Analysis of Atmospheric Diffusion Conditions in Key Areas for Pollution Control

MEI Mei, ZHU Rong

(National Climate Center, Beijing 100081, China)

In this paper, the surface observation data during 1961-2016 are used for analysis of atmospheric diffusion conditions in key areas for pollution control, including 3 regions, 10 urban agglomerations, Harbin and Zhengzhou. During 1961-2016, the trend of annual mean atmospheric ventilation decreased in all study areas with different speeds. The annual mean atmospheric ventilation declined slowly in the western areas, rapidly in the eastern areas, and the most rapidly in Wuhan and its surrounding area, and Shaanxi Guanzhong area. Compared with the annual mean, the mean ventilation during the heating season in Beijing-Tianjin-Hebei region were lower and declined faster, and the decreasing trend of atmospheric diffusion capacity was more obvious on account of lower average level of wind speed and lower 14 h atmospheric mixed layer height. The results of genesis analysis showed that the atmospheric diffusion capacity was affected significantly by variation of climate factors such as East Asian monsoon, precipitation days and solar radiation, and the decreasing trend of surface wind speed obviously led to weaker atmospheric diffusion capacity. The effect of urbanization on urban wind speed decline was more distinct than that of climate change.

atmospheric ventilation; atmospheric mixed layer height; wind speed; climate change; urbanization

10.14068/j.ceia.2017.05.001

X51

： A

： 2095-6444(2017)05-0001-06

2017-04-21

環(huán)境保護部行業(yè)專項資助“我國大氣重污染的區(qū)域特征與空氣質(zhì)量管理分區(qū)研究”(201509001)

梅梅(1985—)，女，北京人，工程師，碩士，主要從事大氣環(huán)境氣候影響評估和氣象災(zāi)害風(fēng)險管理研究，E-mail：meimei@cma.gov.cn

朱蓉(1963—)，女，北京人，研究員，碩士，主要從事大氣邊界層湍流擴散、城市大氣污染數(shù)值預(yù)報和風(fēng)能資源數(shù)值模擬評估等方面的研究，E-mail：rongzhu@cma.gov.cn