浙江省大氣擴(kuò)散能力的時(shí)空分布特征

毛敏娟，杜榮光，齊冰

(1.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江杭州310008；2.杭州市氣象局，浙江杭州310058)

1 引 言

大氣污染是當(dāng)今人類面臨的重要環(huán)境問題[1-3]?？傮w來說，大氣污染在加劇，尤其在長三角(長江三角洲)、京津冀、珠三角(珠江三角洲)等城市群霾天氣已經(jīng)成為常態(tài)化的天氣現(xiàn)象，影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類的健康。

大氣污染形成原因主要是兩個(gè)方面，即污染物排放及氣象條件。自改革開放以來中國進(jìn)入快速的經(jīng)濟(jì)增長和城市化進(jìn)程中[4]，二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等各種污染物排放大幅增加。近年來，中國投入很大力量實(shí)施污染減排，PM2.5、氮氧化物、二氧化碳等污染物排放量出現(xiàn)下降，但在全球仍居高位。同時(shí)，VOCs、氨等排放的需要加大了減排力度。

在污染物排放相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)，大氣污染程度不同則主要取決于氣象條件。氣象條件對(duì)大氣污染的影響具有兩面性，一方面通過傳輸帶來外部污染物、通過化學(xué)反應(yīng)生成二次污染物等過程加劇大氣污染[5-9]，另一方面通過大氣擴(kuò)散、干濕沉降、化學(xué)自凈等自凈過程消散污染物[10-12]，改善大氣污染狀況。為了研究氣象條件對(duì)大氣污染的影響，相關(guān)學(xué)者開展了很多研究，王躍思等[13]通過分析霾過程獲得重污染形成的氣象條件，毛卓成等[14]分析了持續(xù)東風(fēng)系統(tǒng)下的大氣擴(kuò)散條件，李瓊等[15]分析了Hadley環(huán)流上升支對(duì)臭氧垂直輸送的影響，任燕等[16]分析了不同尺度湍渦對(duì)邊界層和云結(jié)構(gòu)的影響，郁珍艷等[17]利用大氣自凈能力經(jīng)驗(yàn)公式研究了浙江省大氣自凈能力的時(shí)空分布特征，還有就是設(shè)立參數(shù)，根據(jù)大氣擴(kuò)散能力受多個(gè)氣象要素影響的特點(diǎn)，建立其與氣象要素的關(guān)系模型，用于表示大氣的擴(kuò)散能力。范紹佳等[18]利用建立的珠三角大氣邊界層概念模型，解釋地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量變化的原因；楊元琴等[19]建立了空氣質(zhì)量氣象條件參數(shù)PLAM(Parameters linking air-quality and meteorology)預(yù)報(bào)模型，用于評(píng)估氣象條件對(duì)大氣污染的影響；朱蓉等[20]定義了大氣自凈能力指數(shù)，給出了由氣象觀測數(shù)據(jù)計(jì)算大氣自凈能力指數(shù)的方法，分析了全國大氣自凈能力的分布特征；郭淳薇等[21]利用經(jīng)驗(yàn)公式分析了北京地區(qū)近35年大氣容納指數(shù)的變化。無論是經(jīng)驗(yàn)公式還是統(tǒng)計(jì)模型，都存在準(zhǔn)確率較差、適用性受區(qū)域影響等缺點(diǎn)。

浙江省是城市化發(fā)展程度最高的區(qū)域之一[22]，城市化發(fā)展帶來大氣污染物排放增加和下墊面特征改變，進(jìn)而對(duì)氣象條件產(chǎn)生影響，疊加在背景氣象條件上，使該地區(qū)表現(xiàn)出年均氣溫升高，年均日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速及低層云量等下降，降水變得集中等氣候變化現(xiàn)象[23]，氣象條件變得不利于大氣污染物向外擴(kuò)散。在污染物排放增加和氣象條件不利的雙重加持下，自1980年以來，浙江省年均地面水平能見度呈現(xiàn)5～10 km的下降[24]，說明該地區(qū)過去幾十年大氣污染加劇，環(huán)境空氣質(zhì)量總體變差[25]。在當(dāng)前沒有條件完全依靠減排解決大氣污染問題的情況下，研究大氣擴(kuò)散能力的分布和年際變化特征，對(duì)于優(yōu)化城鄉(xiāng)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高大氣環(huán)境承載能力、預(yù)測未來大氣污染發(fā)展趨勢等都具有重要意義。

考慮到在大氣擴(kuò)散、干濕沉降、化學(xué)自凈等方式中，大氣擴(kuò)散對(duì)大氣自凈能力具有決定性作用，該文利用以大氣擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的高斯擴(kuò)散模型[26]，建立能夠綜合體現(xiàn)各種氣象要素作用、不涉及大氣污染物排放影響的大氣擴(kuò)散能力定量評(píng)估方法。利用建立的評(píng)估方法，結(jié)合1980—2014年浙江省氣象觀測數(shù)據(jù)，研究浙江省大氣擴(kuò)散能力分布及年際變化特征。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

浙江省(118～123 °E，27.22～31.52 °N)地處長江三角洲地區(qū)南冀，近幾年經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在全國各省名列4～5名，人均汽車保有量更是位列全國第一，大氣污染物排放來源多樣，且具有自身特點(diǎn)。同時(shí)，受地理位置和地形條件影響，浙江省與周邊地區(qū)大氣對(duì)流充分，因此大氣擴(kuò)散能力對(duì)大氣污染影響明顯。

2.2 數(shù)據(jù)來源及方法簡介

氣象觀測數(shù)據(jù)包括1980—2014年以來浙江省71個(gè)常規(guī)氣象站的氣溫、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、云量等。選擇1980年為研究的起始年，一方面是因?yàn)檫@一年對(duì)地面氣象觀測規(guī)范做了重要變更，另一方面是這一年改革開放真正開始實(shí)施，是大氣污染物排放開始發(fā)生重要改變的年份。使用長序列氣象觀測數(shù)據(jù)具有均一性要求，為了檢驗(yàn)由于觀測規(guī)范變更等原因引起的非正常波動(dòng)，該研究采用了 SNHT、Buishand、Pettitt等方法[27-29]檢驗(yàn)，對(duì)于沒通過均一性檢驗(yàn)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)則通過鄰近站點(diǎn)方差逼近法進(jìn)行重建，如下式：

式中：Sc為某個(gè)非均一性站點(diǎn)待重建年份的氣象要素；S1，……，Sn為符合均一性檢驗(yàn)的鄰近n個(gè)站點(diǎn)相應(yīng)年份的氣象要素值；Xc正常年為沒有出現(xiàn)非正常波動(dòng)年份時(shí)的平均方差。

影響大氣擴(kuò)散能力的氣象要素很多，如云量、風(fēng)場、蒸發(fā)量、降水等。為此，需要找到一個(gè)能夠體現(xiàn)各氣候要素、綜合性評(píng)價(jià)大氣擴(kuò)散能力的參量。該研究采用US EPA推薦、以大氣擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的高斯大氣擴(kuò)散模型[26]，其也是 ADMS、CALPUFF大氣擴(kuò)散模式的基礎(chǔ)，如式(2)所示：

式中：C為大氣中任意點(diǎn)濃度；X為排放源至下風(fēng)向任意點(diǎn)水平方向上的距離；Y為排放源至任意點(diǎn)直角水平方向上的距離；Z為排放源至任意點(diǎn)垂直方向上的距離；Q為源強(qiáng)，表示單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量；σY為水平擴(kuò)散系數(shù)；σZ為垂直擴(kuò)散系數(shù)為大氣平均風(fēng)速；π為圓周率。

式(2)計(jì)算的是源點(diǎn)污染物擴(kuò)散后任意點(diǎn)的濃度，其結(jié)果受污染源強(qiáng)度、任意點(diǎn)相對(duì)于污染源的位置及大氣擴(kuò)散能力3個(gè)方面的影響。該研究關(guān)心的是大氣擴(kuò)散能力，如果將源強(qiáng)歸一化或直接假定為1，任意點(diǎn)則用下風(fēng)向與污染源相對(duì)固定的參考點(diǎn)代替或限定在下風(fēng)向固定大小的落區(qū)，則式(2)計(jì)算的參考點(diǎn)大氣污染物濃度由大氣擴(kuò)散能力決定，該文將其倒數(shù)命名為大氣擴(kuò)散指數(shù)，用于評(píng)估大氣擴(kuò)散能力。計(jì)算時(shí)由云量、風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫等氣象要素劃分大氣穩(wěn)定度等級(jí)，根據(jù)穩(wěn)定度等級(jí)和擴(kuò)散曲線，確定大氣擴(kuò)散參數(shù)，獲得大氣擴(kuò)散指數(shù)。

盡管大氣擴(kuò)散能力評(píng)估方法是各種氣象要素影響的綜合體現(xiàn)，實(shí)際上由于各氣象要素變化幅度及在評(píng)估方法中的權(quán)重差異，它們對(duì)大氣擴(kuò)散能力的影響強(qiáng)度并不相同。表1是1980—2014年各站大氣擴(kuò)散指數(shù)與氣象要素之間的相關(guān)系數(shù)，風(fēng)速與大氣擴(kuò)散指數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)，兩者相關(guān)系數(shù)為0.85，其次是相對(duì)濕度和云量，相關(guān)系數(shù)分別為0.55和0.54，與氣溫的相關(guān)性卻最弱，相關(guān)系數(shù)僅為0.32。風(fēng)速直接體現(xiàn)了大氣動(dòng)力特征，相對(duì)濕度和云量體現(xiàn)了地氣系統(tǒng)的水分循環(huán)和輻射能量平衡，影響著地-氣交換過程中向上發(fā)展的動(dòng)力，其中云是影響大氣擴(kuò)散能力的熱力因素。降水對(duì)大氣污染的影響主要通過濕沉降，是不同于大氣擴(kuò)散的另一種大氣環(huán)境自凈方式，該文的大氣擴(kuò)散能力評(píng)估方法也沒有考慮降水因子，因此大氣擴(kuò)散指數(shù)與它的相關(guān)性不高。

表1 大氣擴(kuò)散指數(shù)與氣象要素之間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 浙江省大氣擴(kuò)散總特征

圖1a是利用2014年氣象要素觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的浙江省年均大氣擴(kuò)散指數(shù)分布圖，浙江省大氣擴(kuò)散指數(shù)分布存在明顯的地區(qū)變化，其中東部沿海地區(qū)的大氣擴(kuò)散指數(shù)最大，麗水地區(qū)最小。杭州地區(qū)、溫州和臺(tái)州內(nèi)陸地區(qū)都屬于大氣擴(kuò)散指數(shù)較小地區(qū)，可能與這些地區(qū)周邊較豐富的山脈地形對(duì)擴(kuò)散的影響有關(guān)。紹興至金華有一條大氣擴(kuò)散指數(shù)較大的區(qū)域帶，這可能是因?yàn)槭芎贾轂硽饬鞯挠绊憽ａ橹莸貐^(qū)較大的大氣擴(kuò)散指數(shù)則可能是這一地區(qū)的氣象站點(diǎn)海拔比較高、風(fēng)速比較大所致?？傮w來說，浙江省大氣擴(kuò)散能力呈北部較南部強(qiáng)、沿海較內(nèi)陸強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖1b為2014年年均PM2.5質(zhì)量濃度分布圖，杭州北部地區(qū)、湖州、嘉興西南地區(qū)、寧波東北地區(qū)、金衢盤地以及臺(tái)州、溫州沿海地區(qū)為PM2.5質(zhì)量濃度高值區(qū)，其中湖州地區(qū)、杭州東北地區(qū)、紹興地區(qū)及寧波地區(qū)西北角有一條PM2.5質(zhì)量濃度明顯偏大的區(qū)域帶。舟山、麗水地區(qū)為PM2.5質(zhì)量濃度低值區(qū)，其中麗水地區(qū)的慶元縣、龍泉市、云和縣、景寧族自治縣一帶PM2.5質(zhì)量濃度最低。此外，杭州淳安地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度也較小?？傮w來說，浙江省PM2.5質(zhì)量濃度呈北部較南部高的特點(diǎn)，與各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[22]。

對(duì)比圖1a、1b可看到，平均狀態(tài)下，除舟山地區(qū)外，大氣擴(kuò)散指數(shù)與大氣污染物PM2.5質(zhì)量濃度落區(qū)非常不一致，尤其是麗水地區(qū)、衢州中心地區(qū)和溫州、臺(tái)州近海地區(qū)反差最明顯。麗水地區(qū)大氣擴(kuò)散能力最弱，但大氣污染物質(zhì)量濃度卻為最低，淳安也是屬于大氣擴(kuò)散能力不強(qiáng)、但大氣污染物質(zhì)量濃度偏低的地區(qū)，說明這些地區(qū)大氣污染物排放量低、生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，所以為了保持這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)越性，必須持續(xù)維持低排放量狀況。相反，溫州和臺(tái)州近海地區(qū)、衢州中心地區(qū)大氣擴(kuò)散能力雖好，大氣污染物質(zhì)量濃度卻較高，說明這些地區(qū)大氣污染物排放量較高、生態(tài)環(huán)境較差。舟山屬于大氣擴(kuò)散能力和環(huán)境空氣質(zhì)量都較好的地區(qū)，是環(huán)境空氣質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求矛盾最不突出的地區(qū)。大氣擴(kuò)散指數(shù)和大氣污染物質(zhì)量濃度落區(qū)的差異說明，平均狀況下，浙江省大部分地區(qū)大氣污染物的排放量大于大氣擴(kuò)散稀釋的污染物量，成為影響大氣污染的主導(dǎo)因素，這意味著當(dāng)氣象條件不理想時(shí)，就有可能出現(xiàn)霾等大氣污染天氣，因此需要實(shí)施進(jìn)一步的減排措施。

不同設(shè)區(qū)市大氣擴(kuò)散指數(shù)的不同更清楚地體現(xiàn)了大氣擴(kuò)散能力分布的差異。整個(gè)浙江省分11個(gè)設(shè)區(qū)市，設(shè)區(qū)市的大氣擴(kuò)散指數(shù)采用設(shè)區(qū)市內(nèi)所有站點(diǎn)的平均結(jié)果。圖2為2014年不同設(shè)區(qū)市年均大氣擴(kuò)散指數(shù)柱狀圖，不同設(shè)區(qū)市大氣擴(kuò)散指數(shù)大小明顯不同，從大到小的順序?yàn)椋褐凵?3.25)＞ 臺(tái)州(2.69)＞ 嘉興(2.22)＞ 寧波(2.19)＞ 衢州(1.75)＞ 金華(1.70)＞ 紹興(1.67)＞ 湖州(1.46)＞ 杭州(1.34)＞ 溫州(1.27)＞ 麗水(0.59)，最強(qiáng)的舟山地區(qū)是最弱的麗水地區(qū)的5倍之上。

3.2 不同時(shí)間尺度浙江省大氣擴(kuò)散特征

不同月份、不同季節(jié)氣象條件皆存在很大差異，這種差異體現(xiàn)在氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)場、云量、降水量、大氣層結(jié)穩(wěn)定度、逆溫等各個(gè)方面。以2014年為例，圖3a～3d分別為與大氣擴(kuò)散指數(shù)計(jì)算相關(guān)的風(fēng)速、相對(duì)濕度、云量、氣溫月均值柱狀圖，月均氣溫、風(fēng)速皆為7月、1月最低；月均相對(duì)濕度、云量6月最大、7月最低。從季節(jié)來看，氣溫和風(fēng)速從大到小順序?yàn)橄?、春、秋、冬季，相?duì)濕度為夏、秋、春、冬季，總云量為春、夏、冬、秋季，低云量為春、冬、夏、秋季。總體來看，浙江省夏季平均氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度都最高，雖然總云量不低，但低層云量所占比例最低；冬季相反，平均氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度都最低，總云量偏低，但低層云量所占比例大；春、秋為過渡時(shí)期，各氣象要素值一般介于冬、夏兩季之間，但總云量和低層云量在秋季都為最少。

除氣象要素，天氣形勢、大氣穩(wěn)定度在更大空間尺度上影響著大氣污染物擴(kuò)散。圖4a～4c分別是浙江省2014年各月逆溫層出現(xiàn)日數(shù)、月均沙氏指數(shù)及高壓系統(tǒng)出現(xiàn)日數(shù)，其中沙氏指數(shù)用于指示大氣穩(wěn)定度，值越大，表示大氣越穩(wěn)定，高壓系統(tǒng)包括高壓控制、高壓前部、高壓后部及高壓底部等。從圖4中可看到，不同月份逆溫層出現(xiàn)日數(shù)、沙氏指數(shù)及高壓天氣出現(xiàn)日數(shù)都不一樣，7月、8月出現(xiàn)逆溫和高壓的日數(shù)最少，2月、1月和12月則最多。夏季出現(xiàn)逆溫和高壓的日數(shù)最少、沙氏指數(shù)最小，冬季逆溫和高壓的日數(shù)最多、沙氏指數(shù)最大，春、秋季則介于兩者之間。由此可見，浙江省夏季氣象條件利于大氣擴(kuò)散，冬季則相反。

圖5是根據(jù)2014年浙江省所有地面氣象站計(jì)算得到的各月平均大氣擴(kuò)散指數(shù)，不同月份氣象條件的差異在大氣擴(kuò)散指數(shù)上得到了很好體現(xiàn)，說明了大氣擴(kuò)散能力評(píng)估方法的合理性。浙江省7月大氣擴(kuò)散指數(shù)最大，達(dá)到4.19，2月最小，僅為1.51。不同季節(jié)從大到小順序依次為夏季(3.37)、秋季(2.73)、春季(2.44)、冬季(1.94)。

浙江省天氣形勢、氣象要素在年際時(shí)間尺度上的變化，該文作者已經(jīng)做過相關(guān)的研究[23,29]。研究結(jié)果表明，高壓天氣出現(xiàn)日數(shù)逐年增多，氣旋和東風(fēng)帶天氣出現(xiàn)日數(shù)逐年下降，氣溫以每10年升高0.12℃的趨勢上升，與全球和近百年浙江省氣溫變化趨勢吻合[30-31]。此外，日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速下降、低層云量上升?？梢姡^去幾十年浙江省氣象條件變化不利于大氣污染物擴(kuò)散。從圖6中1980—2014年大氣擴(kuò)散指數(shù)變化趨勢可見，在過去的35年間，浙江省年均大氣擴(kuò)散指數(shù)下降了1.40左右，下降幅度達(dá)到58.33%左右，其中2000年之后的下降速率較2000年之前的大，與天氣形勢、城市化出現(xiàn)躍變時(shí)間點(diǎn)不謀而合[20]。

圖7 a和7b是1980—2014年浙江省11個(gè)設(shè)區(qū)市年均大氣擴(kuò)散指數(shù)變化曲線，以2000年前后為分界點(diǎn)，不同設(shè)區(qū)市大氣擴(kuò)散指數(shù)變化也分為兩個(gè)階段。與此同時(shí)，由于地理位置及下墊面特征變化不同，不同設(shè)區(qū)市氣象條件長期變化特征的差異導(dǎo)致大氣擴(kuò)散指數(shù)年際變化特征也存在差異。杭州地區(qū)和衢州地區(qū)大氣擴(kuò)散指數(shù)變化特征相似，1980—2000年呈逐漸下降趨勢，2000年后出現(xiàn)躍升后呈有所起伏的下降。紹興地區(qū)大氣擴(kuò)散指數(shù)雖然在2000年后也出現(xiàn)躍升，但2005年后出現(xiàn)大幅度下降。與杭州地區(qū)、衢州地區(qū)相反，溫州地區(qū)、金華地區(qū)、臺(tái)州地區(qū)1980—2002年間起伏下降，此后出現(xiàn)一個(gè)大的下降，溫州地區(qū)甚至下降到與麗水地區(qū)相近的水平，這充分解釋了地處沿海的溫州地區(qū)為什么近幾年大氣污染一直處于比較嚴(yán)重的情況。舟山、嘉興、寧波和湖州四個(gè)地區(qū)1980—2014年間大氣擴(kuò)散指數(shù)總體呈下降趨勢，但下降速率不同，其中湖州地區(qū)的下降速率最大，舟山地區(qū)次之，寧波和嘉興地區(qū)下降速率最小。從這個(gè)結(jié)果來看，雖然舟山地區(qū)的大氣擴(kuò)散能力一直都較其它地區(qū)強(qiáng)，環(huán)境空氣質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾最不突出，但由于近幾年大氣擴(kuò)散指數(shù)的快速下降，使得這個(gè)地區(qū)可能正在失去其大氣擴(kuò)散能力強(qiáng)的優(yōu)勢。麗水地區(qū)的情況則完全不同，過去35年大氣擴(kuò)散能力一直較其它地區(qū)小，下降幅度也最小，但環(huán)境空氣質(zhì)量良好，說明這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境好、大氣污染物排放低[22,32]，同時(shí)由于大氣擴(kuò)散能力弱，持續(xù)的低排放是保持這一地區(qū)良好生態(tài)環(huán)境的唯一途徑。

4 結(jié) 論

本文采用不同于統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)值模擬的大氣擴(kuò)散能力定量評(píng)價(jià)方法，對(duì)浙江省大氣擴(kuò)散能力分布及年際變化特征開展了研究，研究結(jié)果對(duì)浙江省生態(tài)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

(1)浙江省大氣擴(kuò)散能力呈北部較南部強(qiáng)、沿海較內(nèi)陸強(qiáng)的分布特點(diǎn)，不同設(shè)區(qū)市大氣擴(kuò)散指數(shù)從大到小的順序?yàn)椋褐凵?3.25)＞臺(tái)州(2.69)＞嘉興(2.22)＞ 寧波(2.19)＞ 衢州(1.75)＞ 金華(1.70)＞紹興(1.67)＞ 湖州(1.46)＞ 杭州(1.34)＞ 溫州(1.27)＞麗水(0.59)，最大的舟山地區(qū)是最小的麗水地區(qū)的5倍之多。

(2)浙江省7月大氣擴(kuò)散指數(shù)最大，達(dá)到4.19，2月最小，為1.51。不同季節(jié)大氣擴(kuò)散指數(shù)從大到小順序?yàn)橄募?3.37)、秋季(2.73)、春季(2.44)、冬季(1.94)。1980—2014年間大氣擴(kuò)散指數(shù)下降了1.40，幅度為58.33%，2000年之后下降速率較之前大。不同設(shè)區(qū)市大氣擴(kuò)散指數(shù)變化存在較大不同，以溫州、舟山、麗水地區(qū)最特別。溫州地區(qū)大氣擴(kuò)散指數(shù)下降幅度最大，近年大氣污染明顯加??；舟山地區(qū)大氣擴(kuò)散指數(shù)一直較其它地區(qū)大，但近幾年下降明顯，應(yīng)更合理地開發(fā)利用這一地區(qū)；麗水地區(qū)大氣擴(kuò)散指數(shù)及下降幅度都為最小，但環(huán)境空氣質(zhì)量良好，說明這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境好、大氣污染物排放低，同時(shí)由于大氣擴(kuò)散能力弱，持續(xù)的低排放是保持這一地區(qū)良好生態(tài)環(huán)境的唯一途徑。