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      固原市空氣質(zhì)量特征及其與氣象條件的關(guān)系

      2019-09-19 02:28:02楊文海韓世昌馬興明
      甘肅農(nóng)業(yè) 2019年9期
      關(guān)鍵詞:固原市氣象條件天數(shù)

      楊文海,韓世昌 ,馬興明

      1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002;

      2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002;

      3.固原市氣象局,寧夏 固原 756000;

      4.涇源縣氣象局,寧夏 涇源 756400

      隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的深入實(shí)施,城市建設(shè)改造和交通運(yùn)輸產(chǎn)生的粉塵污染逐步加大,快速增加的機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生的尾氣污染等日益突出,大氣污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。隨著社會(huì)各界對(duì)大氣污染問(wèn)題的深刻認(rèn)識(shí),一些學(xué)者針對(duì)空氣質(zhì)量、空氣污染的氣象條件等開(kāi)展了相關(guān)研究,如郭立平[1]等分析了河北廊坊市連續(xù)重污染天氣的氣象條件,趙敬國(guó)[2]等對(duì)蘭州市大氣重污染氣象成因進(jìn)行了分析,周賀玲[3]、祁棟林[4]、胡琳[5],邱粲[6]等分別研究了廊坊市、西寧市、西安市、濟(jì)南市空氣質(zhì)量的特征及其與氣象條件的關(guān)系,黃亞林[7]等分析了武漢市PM2.5的時(shí)空分布特征及其與氣象條件的關(guān)系,趙晨曦[8]等分析了北京地區(qū)冬春PM2. 5和PM10污染水平時(shí)空分布及其與氣象條件的關(guān)系,張建忠[9],李文杰[10]等分別分析了北京地區(qū)、京津石三市空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)空分布特征及其與氣象條件的關(guān)系,周兆媛[11]等對(duì)京津冀地區(qū)氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量的影響及未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,冀翠華[12]等對(duì)2001-2012年北京市空氣污染指數(shù)節(jié)氣分布及其與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究。近年來(lái)隨著寧夏能源資源消耗持續(xù)增加,細(xì)顆粒物、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放量顯著增長(zhǎng),冬季霧霾現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn),防治大氣污染形勢(shì)比較嚴(yán)峻,寧夏一些學(xué)者也做了相關(guān)研究[13-17],然而目前關(guān)于寧夏固原市空氣污染的相關(guān)研究還不夠,遠(yuǎn)不能滿足空氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)開(kāi)展和為政府、公眾提供信息服務(wù)的需求。因此,深入研究固原市空氣質(zhì)量特征及其與氣象條件的關(guān)系,為今后開(kāi)展相關(guān)氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

      一、資料與方法

      空氣污染資料為2015年1月至2017年12月固原市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的逐日及逐小時(shí)PM2.5、PM10、O3等主要污染物的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),來(lái)自固原市環(huán)境監(jiān)測(cè)站、固原市新區(qū)、固原市馬園3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),地面風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓等氣象要素資料為固原市國(guó)家基準(zhǔn)氣候觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)。

      根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ633-2012及中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012的規(guī)定,環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)共分為6個(gè)級(jí)別,0~50為一級(jí)(優(yōu)),51~100為二級(jí)(良),101~150為三級(jí)(輕度污染),151~200為四級(jí)(中度污染),201~300為五級(jí)(重度污染),301以上為六級(jí)(嚴(yán)重污染)。

      二、固原市空氣質(zhì)量概況

      (一)固原市區(qū)空氣質(zhì)量狀況

      在選取的2015-2017年固原市1 096個(gè)有效樣本中,固原市空氣質(zhì)量以二級(jí)良為主,共827d,占樣本總數(shù)的75.5%;一級(jí)優(yōu)日數(shù)為149d,占樣本總數(shù)的13.6%;三級(jí)輕度污染日數(shù)為64d,占樣本總數(shù)的5.8%;四級(jí)及以上日數(shù)為56d,占樣本總數(shù)的5.1% 。表1為2015-2017年固原市空氣污染指數(shù)級(jí)別日數(shù)和比例,表1顯示,固原市空氣質(zhì)量以二級(jí)良為主,空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì),重度污染及以上天數(shù)在2016年有明顯增長(zhǎng),但在2017年中度污染及以上天數(shù)明顯減少??梢?jiàn),城市化進(jìn)程的不斷加快對(duì)固原市空氣質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重,但隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題關(guān)注程度的不斷提高以及2017年開(kāi)始的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動(dòng)的展開(kāi),固原市大力開(kāi)展的大氣環(huán)境綜合整治工作收到了良好的效果,空氣質(zhì)量較2016年有明顯改善。

      (二)首要污染物分析

      1.首要污染物年度變化分析。固原市區(qū)除了13.6%的優(yōu)級(jí)天數(shù)外,2015-2017年其余天數(shù)在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告中均報(bào)告有首要污染物。表2列出了2015-2017年固原市空氣質(zhì)量首要污染物的情況,研究時(shí)段內(nèi),影響固原市空氣質(zhì)量最多的污染物是PM10,出現(xiàn)天數(shù)為643d,占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的67.9%;O3為首要污染物的天數(shù)為180d,占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的19%;PM2.5為首要污染物的天數(shù)為112d,占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的11.8%;NO2為首要污染物的天數(shù)最少,僅占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的1%。當(dāng)天同時(shí)出現(xiàn)兩種首要污染物的天數(shù)為3d,均出現(xiàn)在2017年,且當(dāng)天空氣質(zhì)量均為良。

      表1 2015-2017年固原市空氣污染指數(shù)級(jí)別日數(shù)和比例

      表2 2015-2017年固原市空氣質(zhì)量首要污染物情況

      從首要污染物年際變化情況來(lái)看,2015年O3作為首要污染物的天數(shù)占同年非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的5%,2016年O3作為首要污染物的天數(shù)占同年非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的25.3%,2017年O3作為首要污染物的天數(shù)占同年非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的30.6%。因此隨著O3污染呈加重態(tài)勢(shì),對(duì)空氣質(zhì)量的影響不斷增加,對(duì)固原市空氣質(zhì)量污染防治工作提出了新的挑戰(zhàn)。

      2.首要污染物的月變化特征。統(tǒng)計(jì)分析2015-2017年首要污染物出現(xiàn)天數(shù)的月變化(圖1),如圖所示,顆粒物(PM10和PM2.5)和O3成為首要污染物的天數(shù)呈現(xiàn)“此消彼長(zhǎng)”的負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。

      春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10,PM10成為首要污染物的天數(shù)占比約在66%~93%;冬季12月至次年3月PM2.5成為首要污染物的天數(shù)占比約在18%~33%,NO2成為首要污染物的天數(shù)主要集中在12月,占比約10%。3月開(kāi)始,受氣溫光照等條件影響,O3成為首要污染物的天數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),顆粒物的占比開(kāi)始下降,6-7月份O3成為首要污染物的天數(shù)占比超過(guò)50%。9月開(kāi)始O3對(duì)空氣質(zhì)量的影響大幅度下降,PM10與PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量的影響又開(kāi)始加強(qiáng)(見(jiàn)圖1)。

      三、空氣污染與氣象要素相關(guān)性分析

      城市空氣質(zhì)量受很多因素影響,如氣象條件、污染源的種類(lèi)、地形和政府政策等。研究表明,氣象條件對(duì)污染物的擴(kuò)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。表3為2015-2017年固原市不同季節(jié)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI日平均值與同期氣象要素日值之間的相關(guān)關(guān)系。

      圖1 2015-2017年首要污染物出現(xiàn)天數(shù)的月變化

      表3 2015-2017年固原市不同季節(jié)日平均 AQI與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

      從表3可以看出,春季AQI指數(shù)與氣壓(平均、最低)、相對(duì)濕度(平均、最小)呈顯著負(fù)相關(guān);與風(fēng)速(最大、平均)呈顯著正相關(guān)。夏季AQI指數(shù)與氣壓(平均、最高、最低)和相對(duì)濕度(平均、最?。┏曙@著負(fù)相關(guān);與氣溫(平均、最高)、風(fēng)速(最大、平均)呈顯著正相關(guān)。秋季AQI指數(shù)與氣溫(平均、最低)、相對(duì)濕度(平均、最?。┏曙@著負(fù)相關(guān);僅與最大風(fēng)速呈顯著正相關(guān)。冬季與AQI指數(shù)呈正相關(guān)的氣象因子有氣溫(平均、最高、最低)和風(fēng)速(最大、平均),僅與最低氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)。

      不同季節(jié)氣溫對(duì)空氣污染指數(shù)的影響作用不同,夏季AQI指數(shù)與氣溫(平均、最高)呈顯著正相關(guān);秋季AQI指數(shù)與氣溫(平均、最低)呈顯著負(fù)相關(guān);冬季AQI指數(shù)與氣溫(平均、最高、最低)呈顯著正相關(guān)。相對(duì)濕度是影響春季、夏季和秋季空氣污染的主要?dú)庀笠蜃又唬皇嵌究諝馕廴镜闹饕绊懸蜃印?/p>

      四、高污染指數(shù)過(guò)程天氣形勢(shì)分析

      2015-2017年固原市發(fā)生AQI>300的嚴(yán)重污染天數(shù)為9d,其中首要污染物為PM2.5的天數(shù)為1d,首要污染物為PM10的天數(shù)為8d。研究表明,天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和變化會(huì)影響大氣擴(kuò)散條件和污染物傳輸條件,從而改變空氣中的顆粒物的濃度[6]。利用Micaps常規(guī)氣象資料,分析9次嚴(yán)重污染天氣過(guò)程500hPa高空影響系統(tǒng)和地面氣壓形勢(shì)場(chǎng),其配置主要有2種類(lèi)型(表4)。表4中高壓脊前強(qiáng)西北氣流指嚴(yán)重污染過(guò)程發(fā)生期間固原市受500hPa高空高壓脊前強(qiáng)西北氣流(≥16m/s)影響;高氣壓場(chǎng)是指固原市位于高氣壓場(chǎng)偏前部,有冷鋒影響;短波槽是指受貝加爾湖東部大型高空槽底部擴(kuò)散冷空氣影響形成的小型高壓槽;均壓場(chǎng)是指固原市處于對(duì)稱(chēng)的2個(gè)高壓、2個(gè)低壓間的均壓場(chǎng)內(nèi),嚴(yán)重污染過(guò)程期間氣壓場(chǎng)分布比較均勻。

      表1中可見(jiàn),500hPa高空固原市受脊前強(qiáng)西北氣流影響,同時(shí)地面處于高氣壓場(chǎng)前部是嚴(yán)重污染天氣的主要配置類(lèi)型,出現(xiàn)8次,在這種環(huán)流配置下,固原市風(fēng)速較大,8次過(guò)程中有5次固原市出現(xiàn)沙塵天氣;500hPa高空固原市受短波槽后西北氣流影響,同時(shí)地面處于均壓場(chǎng)的配置只出現(xiàn)1次,在此次嚴(yán)重污染天氣發(fā)生前一天受短波槽影響,固原出現(xiàn)對(duì)流性降水,降水結(jié)束后,嚴(yán)重污染天氣發(fā)生期間固原市高空500hPa受短波槽后西北氣流影響,地面氣壓場(chǎng)為均壓場(chǎng)影響,地面風(fēng)速小于3m/s,相對(duì)濕度在50%以上,低層大氣層結(jié)穩(wěn)定,不利于PM2.5擴(kuò)散,導(dǎo)致固原出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣。

      五、結(jié)論

      (一)固原市空氣質(zhì)量以二級(jí)良為主,空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)

      2017年中度污染及以上天數(shù)較2015年和2016年有明顯減少。說(shuō)明固原市城市化進(jìn)程不斷加快對(duì)空氣質(zhì)量影響明顯,但隨著各項(xiàng)大氣環(huán)境綜合整治工作的開(kāi)展,空氣質(zhì)量狀況有了明顯改善。

      (二) PM10是固原市最主要的污染物,作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)最多。

      2015-2017年O3作為首要污染物天數(shù)年際變化呈明顯增加趨勢(shì),O3污染呈加重態(tài)勢(shì),對(duì)空氣質(zhì)量的影響不斷增加。

      (三)首要污染物的月變化特征明顯

      春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10。3月開(kāi)始,受氣溫光照等條件影響,O3成為首要污染物的天數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),夏季固原市首要污染物主要是O3。冬季12月至次年3月PM2.5成為首要污染物的天數(shù)占比較大。NO2成為首要污染物的天數(shù)主要集中在12月。

      (四)不同季節(jié)影響空氣質(zhì)量的氣象因子并不完全相同

      各地面氣象要素與AQI的關(guān)系,以風(fēng)速最密切,其次是相對(duì)濕度;氣壓三要素中以最低氣壓與AQI最相關(guān)。不同季節(jié)氣溫對(duì)AQI的影響作用不同,夏季AQI指數(shù)與氣溫(平均、最高)呈顯著正相關(guān);秋季AQI指數(shù)與氣溫(平均、最低)呈顯著負(fù)相關(guān);冬季AQI指數(shù)與氣溫三要素呈顯著正相關(guān)。

      表4 固原市嚴(yán)重污染天氣的高空、地面環(huán)流形勢(shì)配置

      (五)固原市嚴(yán)重污染過(guò)程對(duì)應(yīng)的典型不利天氣形勢(shì)

      500hPa高空受脊前強(qiáng)西北氣流影響,同時(shí)地面處于高氣壓場(chǎng)前部,多伴有大風(fēng)、沙塵天氣等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。

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