北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測分析_王曉云

1、北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測分析王曉云 潘莉卿 呂偉林 軒春怡 高燕虎(北京市 氣象局 , 北京 100089提 要 在北京 城區(qū)布 點實 測 了冬 季 (2000年 1月 26日 2月 2日 主 要 空氣 污 染物 (SO 2、 NO x 濃度的垂直分布以及邊 界層氣象要素的分布 , 并對該時間段 內(nèi)氣象條件 和污染物濃 度 分布之間的關系做了初步分析 。 結果表明 :在 不利于擴 散的氣 象條件 下 , 污 染物濃 度劇增 ; 隨著氣象狀況的交替變化 , 污染物濃 度也呈交替變化的 規(guī)律 ; 在同一 建筑物 的不同 高度 , 污 染物濃度分布存在差別 ; 在同一建筑 物不

2、同朝向處 , 污染物濃 度也存 在差異 , 特別 是在不 利 擴散的氣象條件下 , 空氣質(zhì)量差異可達一個級 別 。 此外 , 城南和城北處的污染物濃度也有 顯 著的差異 。關鍵詞 :北京城區(qū) 污染物濃度 垂 直分布 氣象條件引 言隨著城市化的發(fā)展 , 無疑會帶來一系列新的問題 , 城市空氣污染就是其中重要而突出 的問題之一 。 如今 , 城市空氣污染已不再是一個局地問題 , 而成為區(qū)域性 、 全球性問題 , 它 關系著城市經(jīng)濟 、 社會發(fā)展和人民健康 。 人們已認識到空氣污染是當今世界上所有城市尤其是大都市的一種災難 1。由于城市下墊面具有特殊的性質(zhì) , 使城區(qū)空氣湍流增強 , 對溫度 、 濕

3、度 、 風向 、 風速等 都產(chǎn)生很大影響 , 再加上一些特殊天氣條件 (如大霧 、 逆溫 、 靜風等 使污染物濃度的分布 狀況甚為復雜 。 2000年冬季 , 在北京城區(qū)布點實測了空氣污染物 (SO 2、 NO x 濃度的垂直 分布 , 并結合同步的氣象條件 , 分析了污染物的分布特點 , 為了解城市污染與氣象條件的 關系 、 城市規(guī)劃布局的研究和進一步開展城市空氣污染的預報和防治工作打下基礎2, 3。1 測點布置與觀測儀器通常大氣污染物監(jiān)測只在地面上進行 , 涉及地面以上十幾至幾十米的監(jiān)測很少 。 但 隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展 , 高層建筑物越來越多 , 大氣污染物在近地層的變化狀況已成為人第

4、12卷 3期 2001年 8月 應 用 氣 象 學 報 Q U ART ERL Y JO U RNA L OF A PPL IED M ETEORO LOG Y V ol . 12, No . 3 A ugust 2001由科技部國家重點科技項目 (攻關 計劃 96-920-34-07和國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目 G1999045700共同 資助 。, 08-15們關心的問題 。選取位于城東南的方莊 (50m 和城北健翔橋 (80m 處的二個高層樓房背向交通干 道處設立監(jiān)測點 , 于 2000年 1月 26日至 2月 2日進行了污染物 (SO 2、 NO x 的垂直采樣 觀測 , 采樣高度和

5、污染物種類參見表 1。 污染物觀測儀器的基本性能參見表 2。 另外 , 在 中國科學院大氣物理研究所的 325m 鐵塔對該時間段里的氣象條件進行了同步觀測 。表 1 采樣高度和污染物種類 高度 (m 污染物種類x 2方 莊5有 有 15有 有 50有 有 50(面向交通干道 無 有 健翔橋5無 有 50有 有 80無有表 2 觀測儀器的基本性能M L9850二氧 化硫分析器 M L9841A 型氮 氧化物分析器 量程 02010-6 同左 最低檢測限 0. 0510-9 同左 零漂 1. 010-9/30d 同左 跨漂 0. 5%/30d 1%/30d 響應時間 20120s 30s 操作溫度

6、540 同左2 監(jiān)測結果與初步分析2. 1 氣象條件的觀測結果與分析 在觀測期間 , 重點分析了與 28日較重污染相聯(lián)系的 1月 2728日的逆溫層生消情 況以及逆溫層厚度和強度的時間變化 。 由圖 1溫度廓線 , 可以看出 27日 18:00(北京時 , 下同 貼地逆溫層開始形成 。 隨著時間的推移 , 到 28日 06:00, 已形成厚達 300m 的逆溫 層 。 日出以后 , 逆溫層開始破壞 , 到 10:00, 逆溫層進一步抬高并趨于消散 。圖 1 大氣物理研究所鐵塔近地層 1月 2728日的逆溫層厚度 、 強度 (a ( 厚度 , 強度 和溫度廓線 (b 27日 18:00, 日 2

7、2:00, 28日 01:00, 28日 06:00, 日 10:00 時間變化 從 1月 27日 、 28日的逆溫層厚度和強度的時間變化曲線可看出 , 27日 , 逆溫層厚度 小于 200m , 且大部分時間在 100m 以下 , 強度也較小 ; 到 28日日出前 , 逆溫層厚達 300m , 280 應 用 氣 象 學 報 12卷 止污染物的垂直擴散 , 使污染物長時間滯留在近地層 。2. 2 污染物濃度的監(jiān)測結果與分析(1 污染物濃度的時間變化圖 2為方莊 、 健翔橋不同高度上 SO 2、 NO x 濃度的連續(xù) 24h 變化 , 由圖可見 , 不但同 一污染物濃度在不同高度上的變化趨勢是

8、一致的 , 而且不同污染物濃度變化趨勢也是一致的 , 即都在 1月 28日凌晨至 29日凌晨出現(xiàn)濃度峰值 , 在 2月 2日又出現(xiàn)次高峰 , 而在 1圖 2 方莊 、 建翔橋不同高度 SO 2, NO x 濃度的時間變化 281 3期 王曉云等 :北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測分析 月 29日至 31日出現(xiàn)濃度值的低谷 。 在觀測期間 , 1月 25日受弱冷空氣影響 , 本市出現(xiàn)了 34級偏北風 , 至 26日高空仍 受偏北氣流控制 , 地面受地形槽影響 , 風力減小 。 至 28日 , 因高空受偏西氣流影響 , 風速 小 、 濕度大 、 能見度差 , 再加上較強逆溫層影響 ,

9、 形成不利于污染物擴散的形勢 , 因此 28日 污染物濃度為這幾天中的最高值 。 29日凌晨 , 高空由偏西氣流控制轉為西北氣流控制 , 地面轉受高壓前部影響 , 吹 4、 5級西北風 , 濕度下降 , 能見度好轉 , 氣象條件變得有利于擴 散 , 污染物濃度急劇下降 。 由圖中曲線可見 , 隨天氣形勢轉變 (由有利于擴散轉為不利于 擴散 , 又由不利于擴散轉為利于擴散 , 污染物濃度也存在著高低交替變化 。 這一變化趨 勢說明 , 方莊和健翔橋不同高度的污染物濃度的高低與氣象條件關系十分密切 , 在污染源 基本不變的情況下 , 氣象條件將對污染物濃度產(chǎn)生決定性影響 4, 5。圖 3分別為方莊

10、不同高度上 SO 2、 NO x 濃度的逐時變化曲線 , 從圖中不難看出 , 不同 高度污染物濃度日變化均存在明顯的 “ 雙峰型 ” 特征 , 即分別在 07:0008:00和 19:0023:00前后出現(xiàn)高值區(qū) 。 造成這種分布的原因 , 是由于人類活動 (如上下班高峰汽車尾氣 排放 和逆溫層的生消共同作用形成的 。 在早晨和傍晚時段 , 由于此時逆溫層的存在 , 使 得燃煤和上下班高峰期汽車尾氣排放的污染物不易擴散 , 因此分別在此時段出現(xiàn)了峰值 。 而在 10:0018:00, 由于較強的湍流交換和較高的混合層高度 , 使得污染物被大氣湍流 稀釋 、 擴散 , 因而濃度值較低 。圖 3

11、方莊不同高度 SO 2, NO x 逐時演變 (2000年 1月 26日 2月 2日 (2 污染物濃度的垂直變化圖 4為不同天氣條件下 , 不同時次 NO x 濃度的垂直變化圖 , 在觀測時段內(nèi)的靜穩(wěn)天282 應 用 氣 象 學 報 12卷 氣條件下 , 除 08:00低層 NO x 濃度大于高層外 , 其他時次高層濃度均大于低層 ; 在利于擴 散的條件下 , 白天 5m 處濃度較大 , 50m 次之 , 15m 最小 ; 早晚時 , 50m 處最大 , 5m 次 之 , 15m 最小 。圖 4 靜穩(wěn)天氣 (a 與利于擴散天氣 (b 條件下不同高度處 NO x 濃度對比 (3 同高度不同朝向污

12、染物濃度差異同一建筑物的不同朝向 (面向交通干道和背朝交通干道 污染物濃度存在差別 。 為了 檢驗同一高度不同朝向污染物濃度的差別 , 在方莊芳星園 50m 高度面向和背朝南三環(huán)路圖 5283 3期 王曉云等 :北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測分析 應 用 氣 象 學 報 12 卷 284 的兩個方位各設一采樣點監(jiān)測 SO 2 濃度 。 由圖 5 可見 , 在觀測期間 , 同一高度不同朝向 SO2 的濃度是不同的 。 特別是在靜穩(wěn)天氣條件下 , 不同朝向處污染物濃度具有顯著差 異 , 面向交通干道處污染物濃度高于背朝交通干道處 , 特別是早晨上班高峰時兩者等級差 甚至可達一個級別

13、 。 而在利于擴散氣象條件下 , 兩處差異不大 。 造成這種差異的原因 , 是 因為在靜穩(wěn)天氣條件下 , 同高度不同方位觀測點受其周圍污染排放源影響較大 , 在朝向南 三環(huán)測點 , 由于受三環(huán)路以南居民區(qū)采暖燃煤和三環(huán)路較大的車流量影響 , 故濃度明顯偏 高; 在大風條件下 , 由于有較好的擴散條件 , 因此兩處差異不大 。 ( 4不同地區(qū)污染物濃度的差異 健翔橋位于京城北面 , 而方莊位于京城東南方 。 兩地的 NO x 和 SO2 濃度監(jiān)測結果具 有相似的變化趨勢 。 在有利于擴散的條件下 , 污染物易被稀釋 、擴散 , 故兩地的濃度值都 較低 , 且不相上下 。 但在靜穩(wěn)條件下 , 污染

14、物濃度受環(huán)境條件影響較大 , 由于健翔橋測點 周圍的居民燃煤和汽車流量狀況均好于方莊 , 因此健翔橋的 NO x 日平均濃度要比方莊低 60 % 70 %, SO2 日平均濃度要比方莊低 50 % 左右 。 圖 6 健 翔橋 80 m 、50 m 和 5 m 高 度處 不 同 風 向 風 速 下 SO2 濃 度 (優(yōu) , + 良 , 度污染 , 中度污染 輕 3 期 王曉云等 : 北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測分析 285 ( 5不同穩(wěn)定度條件下的污染物濃度 由圖 2 可看出 , 在靜穩(wěn)氣象條件下( 1 月 28 日 , SO 2 、 NO x 濃度較其它時間段內(nèi)濃度 明顯偏高

15、 , 并出現(xiàn)整個觀測時段內(nèi)的峰值 , 全天 SO 2 濃度均在 3 級以上 。 早晨 05 : 00 09 : 00 , 出現(xiàn)明顯峰值 , 空氣質(zhì)量已達 4 級 , 屬中度污染 。 NOx 日平均濃度也達到了中度 污染的程度 。 而在利于擴散氣象條件下 , 高空轉為西北氣流控制 , 地面轉受高壓前部影響 , 風力達 4 5 級 , 逆溫層消散 。 在這種氣象條件下 , 從 29 日凌晨 01 : 00 起 , SO2 、NO x 濃度驟降 , 全 天都在 2 級水平 , 濃度分布平穩(wěn) , 無明顯的峰值 。 ( 6各高度上污染物濃度與風向 、 風速的關系 為分析各高度上污染物濃度與風向 、 風速

16、的關系 , 選取 1 月 28 日( 不利于擴散 和1 月 29 日( 有利于擴散 兩個典型天氣條件下 , 健翔橋各觀測高度上污染物濃度與大氣物理 研究所鐵塔相應高度風向 、 風速資料進行分析 , 分別繪制 5 m 、 50 m 和 80 m 三個高度的 SO2 濃度與同高度風向 、 風速的關系圖( 見圖 6 。 可看出在風速較小情況下 , 各層 SO2 濃 度與風向無關 , 在各種風向下 , 均可出現(xiàn)輕度( 3 級 以上的污染 。 而當風速較大時 , 且風 向多為西偏北方位時 , 空氣質(zhì)量多為優(yōu)或良 , 較少出現(xiàn) 3 級以上的污染 。 造成這種現(xiàn)象的 原因 , 是由于在天氣靜穩(wěn)條件下 , 風

17、向多為地方性風向( 南北轉換 , 風速較小 , 導致污染物 濃度較高 ; 而在利于擴散條件下 , 受西北氣流控制 , 風向多為西北方向 , 風速較大 , 導致污 染物濃度較低 。 3 結 語 ( 1城區(qū)不同高度上污染物濃度日變化 , 觀測期內(nèi)存在明顯的“ 雙峰型” 特征 , 峰值分 別出現(xiàn)在 07 : 00 08 : 00 和 19 : 00 23 : 00 。 ( 2在靜穩(wěn)氣象條件下 , 城區(qū)污染物濃度出現(xiàn)峰值 , 并隨氣象條件的變化而呈現(xiàn)濃度 高低起伏變化 。 ( 3城區(qū)建筑物鱗次櫛比 , 同一高度不同朝向( 面向交通干道和背朝交通干道 污染 物濃度是有差別的 , 特別是在靜穩(wěn)天氣條件下

18、, 觀測期內(nèi) , 兩處空氣質(zhì)量等級可差一級 。 在有利于擴散條件下 , 兩處濃度差異不大 。 ( 4不同大氣穩(wěn)定度情況對污染物濃度的影響是不同的 。 在靜穩(wěn)氣象條件下 , 污染 物濃度常達高值 , 特別是強度大 、 厚度厚的貼地逆溫層的形成 , 猶如一個厚重的鍋蓋 , 極不 利于污染物擴散 , 使所測地區(qū) SO2 、 NO x 濃度全天在 3 級以上 。 尤其是日出后 , 出現(xiàn)明顯 峰值 , 污染程度達中度污染( 4 級 , 污染程度已相當嚴重 。 影響空氣污染物濃度垂直分布的因子十分復雜 , 本文僅就觀測期得到的資料進行了 初步分析 , 以揭示一些觀測事實 , 而要較全面了解北京污染物垂直分

19、布特征 , 還需進行深 入研究 。 參考 文 獻 1 北京減災協(xié)會 . 城市可持續(xù)發(fā)展與災害防御 . 北京 : 氣象出版社 , 1998 . 應 用 氣 象 學 報 12 卷 286 2 劉耀林 , 劉艷芳 , 梁勤歐 . 城市環(huán)境分析 . 武漢 : 武漢測繪科技大學 , 1999 . 3 楊士弘 . 城市環(huán)境學 . 北京 : 科學出版社 , 1997 . 4 蔣維楣 , 曹文俊 , 蔣瑞賓編著 . 空氣污染氣象學教程 . 北京 : 氣象出版社 , 1993 . 5 劉小紅 , 洪鐘祥 , 李家倫 , 等 . 北京地區(qū)嚴重污染的氣象和化學因子 . 氣候與環(huán)境研究 , 1999 , 4( 3 :

20、 231 236 . RELATIONS BETWEEN PERPENDICULAR DISTRIBUTION OF AIR POLLUTANTS AND WEATHER C ONDITION IN WINTER IN BEIJING URBAN DISTRICTS Wang Xiaoyun Pan Liqing Lu Weilin Xuan Chunyi Gao Yanhu ( Beijing Meteorological Bureau , Beijing 100089 Abstract T he concentration of the main air pollutant s ( SO 2 , NO xwere measured from 26 Jan . to 2 F eb . in 2000 in the Bei