2013—2022年衡水市大氣環(huán)境容量變化特征分析

張玉婷 吳雁 盧西暢 白詠玉

摘要 基于2013—2022年ERA5再分析資料和饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)地面觀測(cè)資料，采用A值法計(jì)算了衡水市大氣環(huán)境容量，并分析其變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，近10年來，衡水市大氣環(huán)境容量呈波動(dòng)變化，大氣環(huán)境容量較大的年份為2013、2014、2019和2022年，較小的年份為2015、2016、2018和2020年。一年中，春季平均大氣環(huán)境容量最大，為47.64萬t；冬季平均大氣環(huán)境容量最小，為31.33萬t。一天中，02：00、05：00、23：00較小，最小為05：00的12.34萬t，08：00、14：00、20：00較高，最大為08：00 114.61萬t，白天的大氣環(huán)境容量大于夜間。

關(guān)鍵詞 衡水市；大氣環(huán)境容量；A值法；變化趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）09–0-03

隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快以及經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，各類能源和資源被大量消耗，大氣污染問題日漸凸顯，尤其是人類活動(dòng)密集地區(qū)的污染問題尤為嚴(yán)重，部分地區(qū)污染物排放已經(jīng)超過該地區(qū)的大氣環(huán)境容量[1-2]。

大氣環(huán)境容量是指在給定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，在特定的氣象條件和大氣污染物排放特征下，為達(dá)到大氣環(huán)境目標(biāo)值所允許的大氣污染物排放總量的最大值[3-4]。大氣環(huán)境容量核算方法主要包括A值法、模型模擬法、線性優(yōu)化法等[5-6]。其中，A值法基于箱模式理論，計(jì)算過程簡(jiǎn)便、可操作性較強(qiáng)，在《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》中規(guī)定用于計(jì)算污染物排放總量的限值。目前，A值法被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境容量的計(jì)算。

吳蓉等人[7]采用A值法對(duì)安徽省1961—2010年的大氣環(huán)境容量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并分析其變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)近50年安徽省大氣環(huán)境容量系數(shù)呈下降趨勢(shì)，大氣自凈能力降低。高嬋娟等人[8]基于修正A值法對(duì)2018年吉林市城區(qū)的容量系數(shù)（A值）進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)吉林市城區(qū)的A值1月最小，4月最大。李蕊等人[9]利用A值法對(duì)云南省大氣環(huán)境容量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)云南整體大氣自凈能力逐漸減弱。姜景陽(yáng)等[10]使用A值法對(duì)哈爾濱市、綏化市和大慶市的大氣環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這3個(gè)城市非采暖季的環(huán)境容量均高于采暖季。

目前，針對(duì)河北省中南部平原地區(qū)大氣環(huán)境容量時(shí)間變化特征的研究較少。衡水市位于河北省東南部平原地區(qū)，是京津冀的重要組成部分，是我國(guó)大氣污染比較嚴(yán)重的區(qū)域[11]。隨著該市工業(yè)的不斷發(fā)展，大氣污染問題日益凸顯，且衡水所處的地理位置和氣候特征不利于空氣污染物稀釋和擴(kuò)散，使得污染物排放逐漸超出該地區(qū)的大氣環(huán)境承載力，嚴(yán)重影響人們的身體健康和生活環(huán)境[12-15]。從2013年起，國(guó)務(wù)院先后出臺(tái)各項(xiàng)大氣污染防治舉措，并在2017年《大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目》明確指出將京津冀及其周邊地區(qū)的“2+26”個(gè)城市作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，對(duì)其大氣污染防治措施進(jìn)行研究。近年來，在政府和相關(guān)部門的共同努力下，衡水市大氣污染防治取得顯著成效。為持續(xù)深入打好“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，全面提高污染治理水平，持續(xù)改善環(huán)境空氣質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展，對(duì)衡水市開展大氣環(huán)境容量研究具有重大意義。利用ERA5再分析資料及饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)2013—2022年衡水市的大氣環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其時(shí)間變化特征進(jìn)行分析，為相關(guān)部門精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污以及城市未來可持續(xù)化發(fā)展提供重要決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

2019年以來，由于各級(jí)氣象臺(tái)站按照中國(guó)氣象局規(guī)定相繼取消云量觀測(cè)，本研究采取2013—2022年饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)ERA5再分析資料，利用其逐日8個(gè)時(shí)次（02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00和23：00）的總云量、低云量、地面風(fēng)速和小時(shí)降水量等氣象要素?cái)?shù)據(jù)，以饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)數(shù)據(jù)為例，對(duì)衡水市的大氣環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算和分析。由于ERA5再分析資料是空間分辨率為0.25°×0.25°的格點(diǎn)數(shù)據(jù)資料，因此，對(duì)饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)所在格點(diǎn)的4個(gè)ERA5再分析云量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，并將其作為該站點(diǎn)的云量數(shù)據(jù)。

1.2 A值法

結(jié)合徐大海等人[16-17]的研究結(jié)果和國(guó)標(biāo)中關(guān)于大氣環(huán)境容量的計(jì)算方法，采用A值法對(duì)衡水市大氣環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算。Hanna等人通過研究發(fā)現(xiàn)，考慮干沉降、濕沉降和化學(xué)衰變后的單箱模型中，箱中平均濃度為：

C =（1）

式（1）中，C為箱中污染物平均濃度，Hi為混合層厚度，Δx為箱內(nèi)順風(fēng)長(zhǎng)度，Cb為上風(fēng)和進(jìn)入箱內(nèi)的污染物本底濃度，Wr為清洗比，ud為干沉積速度，Tc為污染物半衰減周期。假設(shè)C與大氣污染物濃度的標(biāo)準(zhǔn)限值Cs相等，污染物的半衰減周期足夠長(zhǎng)，且Cb視為0，可

得到：

qs=+（ud+Wr R）Cs（2）

式（2）中，qs為允許排放率密度，假設(shè)研究區(qū)域面積為S，則認(rèn)為Δx =2，在周期時(shí)間T內(nèi)，該區(qū)域允許排放污染物的總量為Qa=qs×S×T，若T為1年，則：

Qa=0.0031536×103Cs［+S（ud+Wr×R）×103］（3）

經(jīng)過處理，最終可得：

Qa=（4）

A=0.0031536×［VE+×（ud+Wr×R）×103］（5）

VE=uHi（6）

式（3）～（6）中，Qa為大氣環(huán)境容量（萬t/年），A為區(qū)域總量控制系數(shù)，Cs為大氣污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度（PM2.5標(biāo)準(zhǔn)濃度限值為75 μg/m3），VE為通風(fēng)量（m2/s），Hi為混合層厚度（m），u為混合層內(nèi)平均風(fēng)速（m/s），Wr為清洗比（取0.17），R為年降水量（mm/h），ud為干沉積速度（m/s），取0.002 m/s，S為區(qū)域面積（km2）。

2 結(jié)果與分析

為評(píng)價(jià)ERA5再分析資料云量數(shù)據(jù)的精度，將2013—2022年ERA5再分析資料中低云量（LCC）、總云量（TCC）數(shù)據(jù)差值到饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)，并將其與本站云量觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果顯示（圖1），在低云量數(shù)據(jù)中，兩者相差一成、兩成、三成之內(nèi)的百分比分別為52%、55%、56%；在總云量數(shù)據(jù)中，兩者相差一成、兩成、三成之內(nèi)的百分比分別為51%、60%、65%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)指標(biāo)，兩者相似程度較高，因此可以用ERA5數(shù)據(jù)代替觀測(cè)數(shù)據(jù)[18-20]。

2.1 大氣環(huán)境容量的年變化特征

將每日8個(gè)時(shí)次（02：00、05：00、08：00、

11：00、14：00、17：00、20：00、23：00）ERA5總云量、低云量數(shù)據(jù)插值到饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)并結(jié)合其觀測(cè)實(shí)況數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)集。經(jīng)計(jì)算得到2013—2022年逐年的大氣環(huán)境容量（圖2）?？梢钥闯觯馑薪?0年大氣環(huán)境容量呈波動(dòng)變化，其中，大氣環(huán)境容量較大的年份為2013、2014、2019和2022年，最大為2022年的71.49萬t，較小的年份為2015、2016、2018和2020年，最小為2015年的31.25萬t。

2.2 大氣環(huán)境容量的季節(jié)變化特征

將每日8個(gè)時(shí)次ERA5數(shù)據(jù)和饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)，按季節(jié)分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月），建立數(shù)據(jù)集，并計(jì)算每個(gè)季節(jié)的大氣環(huán)境容量，最后得到2013—2022年的平均值，分析其季節(jié)變化特征。結(jié)果顯示，衡水市春季、夏季、秋季、冬季大氣環(huán)境容量分別為47.64萬、38.42萬、35.25萬、31.33萬t?？梢钥闯鲆荒曛?，春季大氣環(huán)境容量最大，冬季最小，從春季到冬季呈下降趨勢(shì)（圖3）。

2.3 大氣環(huán)境容量的日變化特征

將2013—2022年ERA5數(shù)據(jù)和相應(yīng)饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)云量觀測(cè)數(shù)據(jù)，分8個(gè)時(shí)次（02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00、23：00）建立數(shù)據(jù)集，分析衡水市大氣環(huán)境容量日變化特征。結(jié)果顯示，8個(gè)時(shí)次中02：00、05：00、23：00較低，最低為05：00的12.34萬t，其次為02：00的26.48萬t；11：00、14：00、17：00較高，最高為14：00的114.56萬t，其次為11：00 89.99萬t。總體來看，白天的大氣環(huán)境容量大于夜間（圖4）。

3 結(jié)論

第一，2013—2022年ERA5再分析

資料中低云量、總云量數(shù)據(jù)與饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)云量觀測(cè)資料相似程度較高，可用ERA5數(shù)據(jù)代替觀測(cè)數(shù)據(jù)。

第二，以饒陽(yáng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)數(shù)據(jù)為例計(jì)算衡水市大氣環(huán)境容量，結(jié)果表明，近10年來衡水市大氣環(huán)境容量呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，其中，大氣環(huán)境容量較大的年份為2013、2014、2019和2022年，最大為2022年的71.49萬t，較小的年份為2015、2016、2018和2020年，最小為2015年的31.25萬t。

第三，一年中衡水市春季大氣環(huán)境容量最大，冬季大氣環(huán)境容量最小，從春季到冬季呈逐漸下降趨勢(shì)。

第四，一天中衡水市02：00、05：00、23：00大氣環(huán)境容量較低，最低為05：00的12.34萬t，08：00、14：00、20：00較大，最大為08：00 114.61萬t，白天的大氣環(huán)境容量大于夜間。

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Analysis on the Variation Characteristics of Atmospheric Environmental Capacity in Hengshui from 2013 to 2022

Zhang Yu-ting et al（Raoyang National Climate Observatory， Raoyang， Hebei 053900）

Abstract Based on the ERA5 reanalysis data and the surface data of the observation station of Raoyang Meteorological Bureau from 2013 to 2022， the atmospheric environmental capacity of Hengshui was calculated by A value method， and its changing trend was analyzed. The results show that the atmospheric environmental capacity of Hengshui has fluctuated in the past 10 years. The higher years were 2013， 2014， 2019 and 2022， and the lower years are 2015， 2016， 2018 and 2020. In a year， the maximum atmospheric environmental capacity in spring was 476 400 tons， and the minimum in winter was 313 300 tons， which gradually decreases from spring to winter. During the day， 02：00， 05：00 and 23：00 are lower， the lowest was 123.4 thousand tons at 05：00， and it was higher at 08：00， 14：00， 20：00， the highest was 1 146.1 thousand tons at 08：00. The atmospheric environmental capacity during the day was higher than that at night.

Key words Hengshui; Atmospheric environmental capacity; A value method; Variation trend