2015～2016年福州市空气污染气象条件对比分析*

2017-08-30福建省气象科学研究所郑秋萍陈彬彬谢祖欣

海峡科学 2017年6期

福建省气象科学研究所王宏郑秋萍陈彬彬谢祖欣

福建省气象科学研究所王宏郑秋萍陈彬彬谢祖欣

利用2015～2016年福州市大气常规污染物浓度监测数据以及气象观测资料，对比分析福州市空气污染气象条件状况及其对空气质量的影响。结果表明，2016年福州市空气污染气象条件好于2015年，特别是6～10月，受副热带高压及其边缘，台风（热带辐合带）及其外围等天气系统影响，空气污染气象条件基本维持在一级，大气扩散条件极好，AQI等级优占95.4%，颗粒物浓度只有年平均值的70%～80%。2016年全市有利于扩散的天气形势占72.4%，较上一年度增加32d，区域污染输送减少5d，非常不利于扩散的天气形势明显减少；全年平均风速2.3m/s，较上一年度增加4.5%；小风日数33d，减少8.3%；大风日数37d，增加5.7%；年总降水量2263.6mm，增加27.3%。从年均值分析看，2016年福州市空气污染气象条件较2015年明显改善，但对于不同的月份，不同的天气过程，空气污染气象条件变化的情况应具体分析，不同气象条件对AQI（空气质量指数）变化的贡献也各不相同。

空气污染气象条件天气形势风速风频降水福州市

0 引言

空气污染气象条件是指从气象学角度出发判别气象因子对于大气污染物的稀释、扩散、清除等能力的强弱。空气污染气象条件潜势预报是环境气象业务的重要组成部分，是预测空气质量变化、霾天气发生发展、重污染天气生消的重要指标。在人类活动日益增多的影响下，区域内的人口、交通、城市布局、能源消费等均发生了显著变化，导致大气环境污染问题日益突出；就空气质量而言，除了基础污染物浓度，外来污染源影响以及化学反应下二次污染物生成等综合影响，气象条件的影响尤为重要，大气扩散条件的好坏直接影响了空气质量的好坏。有研究表明[1]，在相对清洁的地区，在大气环境容量允许的范围内，气象条件对空气质量影响的贡献率在80%～90%，空气质量变化主要取决于气象条件的变化，不利的气象条件可加重源排放致污效果，形成空气污染。王继志等基于北京PM2.5特性和凝结函数fc、湿相当位温θe及气象条件适应加权参数ß等敏感气象条件参数分析，发展了描述和诊断天气条件与空气质量的PLAM (Parameters Linking Air quality and Meteorology)指数方法[2]；邓雪娇等通过边界层观测试验，详细分析了对广州地区典型清洁与污染过程有重大影响的大气湍流与物质交换特征，研究表明不利于污染物平流与扩散的气象条件降低一半，导致污染物的累积可达3～6倍[3]；杨元琴等分析夏季奥运会历史同期与高污染过程关系密切的敏感气象要素和变量，引入适应度函数分级方法，建立北京夏季空气质量气象条件参数预报模型，取得了良好的预报效果[4]；周明煜等研究表明，北京城市大气气溶胶浓度与边界层大气湍流扩散之间存在显著的关系等[5]。

本文利用常规气象观测资料和大气环境监测资料，对比分析了2015～2016年福州市空气污染条件对空气质量的综合影响，从大气环流背景（有利于扩散的天气形势、不利于扩散的天气形势）、水平扩散输送（风速、风频）、垂直湍流交换（层结稳定度）、稀释清除作用（台风、降水）等方面开展，并针对不同的月份、不同的天气过程研究空气污染气象条件变化的主要贡献来源。

1 资料分析与处理

1.1 气象观测资料处理

利用2015～2016年福州（58847）站气象常规观测小时资料，计算20～20时的平均风速、小风日数、静风频率、大风频率、日降水量、相对湿度、能见度等；通过08时福州探空站大气层结剖面图分析925hPa及以下大气层结稳定度、逆温层等；利用地面、850hPa和500hPa高空08时、20时大气环流背景及其演变趋势，开展天气形势归类分析，将其分为有利于扩散的天气形势和不利于扩散的天气形势[5]。

1.2 环境监测资料处理

将2015～2016年福州市5个环境国控城市站点（剔除鼓山对照点）PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO等6种污染物小时浓度资料，计算20～20时不同污染物日平均浓度值，O3日浓度值为各站点8h滑动平均最大值的全市平均。

2 空气质量状况对比

2.1 概况

2.2 PM2.5优良率比较

由于细颗粒物PM2.5是福州大气6种常规污染物中最重要的代表，也是最主要的首要污染物，因此文中用PM2.5浓度代表空气质量的总体状况。2016年PM2.5空气质量分指数（IAQIPM2.5）有270d（73.8%）等级优；91d（24.8%）等级为良，优良率98.6%，较去年升高0.5个百分点；超标（日均值>75μg/m3）共5d，有4次发生在1月，1次发生在4月，年平均超标率1.4%，均为轻度污染，没有出现中度及以上污染天气。

2.3 月浓度比较

2016年总体空气质量好于2015年，只有3月、11月和12月空气质量较2015年同期差（见图1），PM2.5浓度分别高出同期18.8%、17.9%和29.5%。1～2月以及6～10月份均好于2015年同期水平，PM2.5浓度下降了4.9%～32.4%，特别是1月和10月比2015年同期空气质量状况改善明显，分别下降了29.5%和32.4%。

图1 2015～2016年福州市PM2.5月平均浓度值

3 空气染污气象条件对比

3.1 大气环流背景对比分析

根据福州天气形势分型与大气污染物相关分析[6]，有利于扩散的天气形势主要有冷高压脊（排除区域输送）、高压底部、低涡切变（高空槽）、副热带高压及其边缘、台风（热带辐合带）及其外围；不利于扩散的天气形势有高压后部、锋前暖区、地面倒槽、均压场及其他（包含台风外围烈的下沉气流造成污染，冷高压偏北气流引起的区域污染输送等）。

表1是2015～2016年福州市天气形势类型及天数分布，从中可见，2016年有利于扩散的天气形势有265d，占72.4%，比2015年多32d，主要为高压底部、副热带高压及其边缘，台风（热带辐合带）及其外围等天气系统增加，且主要集中在6～10月，这期间福州空气污染气象条件基本维持在一级，大气扩散条件极好，AQI等级优的天数占95.4%，颗粒物浓度只有年平均值的70%～80%。而且与2015年相比，2016年福州受区域污染输送影响减少5d，不利于扩散的天气形势减少23.5%；综上可得，2016年福州市大气环流背景总体上较2015年更有利于大气污染物的扩散和清除，有利于空气质量的改善。

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表1 2015～2016年福州市天气形势类型及天数

3.2 水平扩散能力对比分析

（1）2016年全年平均风速2.3m/s，较上一年度增加4.5%，水平扩散能力有所增强。

（2）小风日数（日平均风速≤1.5m/s）33d，比2015年减少8.3%，其中81.8%的小风日集中发生在1～5月，1月份最多，其次是3月份，期间大气水平扩散能力全年最差，颗粒物浓度是年平均值的1.2～1.3倍，小风时的主导风向为SW、SE；静风（日平均风速≤0.5m/s）频率为0.3%；可见，福州市风速总体是比较有利于水平输送的，静风和小风日数不足全年的10%。

（3）大风日数（日平均风速＞3.0m/s）37d，较上一年度增加5.7%，主要集中在7月、9月台风（热带辐合带）及其外围的大风，对有水平扩散能力的增强有显著贡献，大风时的主导风向为E、NE。

需要说明的是，分析全年的平均风速变化，只是定性描述了大气水平扩散能力的“大概率”状况，但实际决定大气水平扩散能力强弱的不仅是风速的大小和风向的不同，更重要的是风场的辐合与辐散强度，在空气质量数值预报模式的公式里其实没有风速这个因子，有的是风速辐合与风速辐散的因子，风速辐合有利于污染物堆积，弱的上升运动会阻碍高层清洁的空气下沉，导致污染物浓度升高；风速辐散有利于污染物向高层扩散，也有利于污染物的稀释和清除。所以常规认为风速增大对降低污染物浓度有良好的作用，其实这是并不完全正确的观点，只是一个大概率事件。

3.3 垂直交换能力对比分析

通过分析08时V-3θ大气垂直结构，重点分析925hPa及以下大气层结稳定度、逆温层以及相对湿度大小，选择对比分析冬季和春季（1～5月、11～12月）污染物平均浓度较高的月份，排除降水。

（1）2016年1～5月，925hPa及以下大气层结不稳定性高于2015年，垂直交换能力总体较强，垂直交换系数主要表征垂直方向湍流交换的剧烈程度，计算公式如下：

其中K、SI、LI分别为K指数、沙氏指数SI、抬升指数LI。

（2）2016年11～12月，925hPa及以下大气层结稳定度高于2015年、逆温频率有所上升，垂直交换能力下降22%，静稳天气比较多，特别是11月份，空气污染气象条件较差出现了3次因静稳天气导致的污染过程。

但对于垂直交换能力的分析，往往很难得到“常规认知”的结果，因为在众多影响大气扩散能力的因素中，能促进湍流发展的，都将是增强扩散能力的有利条件，而抑制湍流发展的，都将是削弱扩散能力的不利条件。但是，由于各种因素之间存在相互作用，使情况变得更加复杂，有时一种有利条件的增强会削弱另一种有利条件的作用，使两者相互作用的最终结果并不一定有利于扩散能力的增强。

3.4 降水清除能力对比分析

2016年登陆和影响福建省的台风偏多偏强、致灾重，台风“尼伯特”、“莫兰蒂”、“鲇鱼”等造成的暴雨范围之广和雨势之强历史罕见，其次是暴雨洪涝灾害严重，全年降水量2263.6mm，异常偏多，比2015年增加27.3%，大气的清除能力明显强。

自然降水对空气污染物能起到清除和冲刷作用，对降低污染物浓度有一定效果，特别是在降水发生的后期；在降水作用下，大气中的一些气体污染物能够溶解在水中，降低空气中气体污染物的浓度，较大的降水对空气污染粉尘颗粒也起着有效的清除作用，也可在一定程度上抑制地面扬尘发生，但是较小的降水，特别是暖区降水，有时降水量也很大却造成细颗粒物吸湿性增长，导致大气能见度迅速降低，形成强雨雾、浓雾后，大气层结更加稳定，污染物浓度明显上升或造成污染物浓度虚高现象、倒挂现象。相对湿度与污染物的关系也有类似规律，在暖区，湿度越大，会造成细颗粒物吸湿性增长，导致污染物浓度上升。

比如，2016年3月和11月，降水量较2015年同期增长230%和65.7%，但PM2.5浓度值却升高了18.8%和17.8%。其中3月份比较有代表性，2016年3月份有17d出现降水（日降水量≥0.0mm），总降水量132.5mm，降水量区间在0.0～35.5mm，降水量小于7mm的有13d，其中10d降水对污染物的清除作用不明显，颗粒物吸湿性增长导致污染物浓度不降反升，导致3月的PM2.5浓度全年最高。2016年11月有16d出现降水，总降水量100.6mm，降水量较小的（5mm以下）共11d，其中有5d，PM2.5日均浓度较高在32～60μg/m3之间，与3月不同的是，11月的降水多为冷空气主导下的降水，即使降水强度较弱，但随着气温降低，相对湿度下降，污染物浓度都会迅速降低。