采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關(guān)系_圖文

1、第36卷第6期2008年12月氣 象 科 技M ETEOROLOGICAL SCIENCE AND TECH NOLOGY采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關(guān)系吳振玲 周梁丹 解以揚 孟冬梅 孫玫玲(天津市氣象科學(xué)研究所,天津300074摘要 利用20022005年11、12、1月冬季采暖期N CEP 氣象分析資料和同期日空氣污染物監(jiān)測資料,在開設(shè)的關(guān)鍵區(qū)、識別區(qū)內(nèi),分析區(qū)域污染氣象特征,探討區(qū)域氣象條件對天津大氣污染的影響。采暖期大氣污染高發(fā)是與冬季的污染氣候特征和氣象條件密切相關(guān)的,區(qū)域污染環(huán)流特征、大氣動力特征、熱力條件對污染物的擴散、積累、輸送有著重要的影響。當(dāng)區(qū)域大氣環(huán)流由北到西

2、北氣流向西到西南氣流轉(zhuǎn)換時,大氣穩(wěn)定度逐漸增加,區(qū)域大氣擴散能力隨之減弱,天津大氣污染概率增大。另外,區(qū)域風(fēng)速與天津污染的關(guān)系,在一定程度上反映了華北區(qū)域污染對天津污染的貢獻。關(guān)鍵詞 氣象條件 大氣污染 污染環(huán)流 污染物積累 污染概率國家環(huán)境保護城市顆粒物污染防治重點實驗室開放基金項目 冬春PM 10高發(fā)的空氣污染潛勢自動辨識系統(tǒng) (#PM Lab 2006 08和北京區(qū)域氣象中心科技創(chuàng)新基金項目 環(huán)渤海經(jīng)濟圈空氣污染特征及影響機制研究 (BRM CCX200604共同資助作者簡介:吳振玲,女,高級工程師,從事城市環(huán)境氣象預(yù)報研究,E mail w is elyyn 收稿日期:2007年8月9

3、日;定稿日期:2008年2月27日引言近年來,隨著城市建設(shè)的加快、城市人口的劇增和經(jīng)濟迅猛的發(fā)展,城市大氣污染日趨嚴重已成為環(huán)境惡化所面臨的一個重要問題1,2。大氣污染不僅與人體健康密切相關(guān)3,4,而且對城市投資環(huán)境發(fā)展有著很大的影響。我國華北大部分城市地區(qū),冬季是一年中區(qū)域性和局地性污染最為嚴重的季節(jié),因為華北各城市基本在各類尺度天氣系統(tǒng)的全部或部分控制區(qū)域內(nèi),極易出現(xiàn)華北城市群區(qū)域性同步污染5,體現(xiàn)了特殊地域或地形對空氣質(zhì)量的影響6。多年的監(jiān)測資料表明,初冬11、12月到隆冬1月是天津污染物濃度最高、空氣污染最重的季節(jié)。通過多年的有效治理和對采暖設(shè)施的改造更新,雖然污染物的排放得到一定的控

4、制,但是,冬季空氣污染程度和污染發(fā)生日數(shù)仍然居全年最高。冬季的污染氣候特征和氣象條件是污染高發(fā)的一個重要原因7。季節(jié)性的大氣環(huán)流特征,區(qū)域大氣動力、熱力特征對污染物的擴散、積累、輸送有著重要的影響8。尤其是在冬季區(qū)域穩(wěn)定的天氣形勢下,氣象條件有利于空氣質(zhì)量趨向惡化,污染發(fā)生的可能性增加,污染概率明顯上升。國內(nèi)外在大氣污染預(yù)報中,基本上采用統(tǒng)計預(yù)報與數(shù)值預(yù)報相結(jié)合的方法。目前,在污染預(yù)報業(yè)務(wù)中常用的空氣污染數(shù)值預(yù)報模式是中國氣象科學(xué)研究院研發(fā)的CAPPS 預(yù)報系統(tǒng)9。雖然CAPPS 數(shù)值預(yù)報模式和本地的統(tǒng)計預(yù)報模式對污染物濃度的升降趨勢有較好的預(yù)報效果10,但是,在轉(zhuǎn)折性天氣背景下,其預(yù)報結(jié)果有

5、較為明顯的滯后性,所以對起報空氣污染發(fā)生和污染過程結(jié)束都顯得比較遲緩,尤其是缺乏對未來發(fā)生空氣污染的可能性評估,即污染概率預(yù)報。為了加強大氣污染預(yù)測能力,為環(huán)境管理決策提供及時、準確、全面的預(yù)測信息,加強空氣質(zhì)量管理的調(diào)控,開展空氣污染概率預(yù)報研究是十分必要的。以往空氣質(zhì)量預(yù)測只考慮天津局地的污染氣象條件11,12,對區(qū)域大氣環(huán)流特征、大氣穩(wěn)定度、動力及垂直熱力變化傳輸對污染影響的關(guān)注不夠。實際上,城市大氣環(huán)境存在明顯的多尺度環(huán)流特征。在特定的氣象條件下,不僅局地污染源可以通過污染物的微尺度和區(qū)域尺度擴散傳輸直接造成嚴重污染13,而且污染物還可以跨省、市、地區(qū)遠距離傳輸,如沙塵暴天氣14,15

6、。所以,對區(qū)域空氣污染潛勢的分析有助于理解大氣污染形成的機制。本文選取了20022005年采暖期11、12、1月逐日08:00NCEP 氣象分析資料和同期日空氣污染物監(jiān)測資料,分析研究了區(qū)域污染氣象條件對天津空氣污染的貢獻及其與污染概率的關(guān)系,探討了區(qū)域氣象條件對天津大氣污染的影響。1 天津大氣污染的月際分布特征由于夏冬污染源和氣象條件不同,大氣污染具有明顯的季節(jié)特征。從圖1月污染日變化可以看出,冬季12月污染日數(shù)達到全年最高峰,20022005年累計出現(xiàn)60天,其后逐漸下降到7月最低值,4年累計出現(xiàn)3次。冬季采暖期間11、12、1月污染最重,累計4年污染天數(shù)為156天,占4年總污染日的49.

7、4%;其次為冬末和春季,夏季最輕,秋季污染開始加重。圖2各季污染物濃度對比,進一步顯示了不同季節(jié)污染物濃度的變化。以夏季污染物平均濃度為標(biāo)準,11、12、1月PM 10、SO 2、N O 23種污染物的月平均濃度都達到了全年最高值。PM 10月平均濃度為152m g/m 3, 超出了大氣污染評定標(biāo)準150mg /m 3;SO 2月平均濃度為142mg /m 3,是夏季SO 2月平均濃度的594%。春季35月PM10月平均濃度略低于11、12、1月,尤其是SO 2月平均濃度下降了398%。2 區(qū)域氣象條件分析方法簡介多年空氣質(zhì)量預(yù)報經(jīng)驗表明,在115!120!E 、37.5!42.5!N 范圍內(nèi)

8、的大氣環(huán)流及物理量特征與大氣污染有十分密切關(guān)系;而在80!150!E 、20!60!N 范圍內(nèi),可以比較完整地分析影響本市的地面天氣系統(tǒng)。在上述兩個區(qū)域開設(shè)兩個窗口,分別定義為關(guān)鍵區(qū)和識別區(qū),用于特征物理量的計算和850hPa 環(huán)流及地面天氣形勢識別分析。選取地面氣溫(T s 、850hPa 溫度(T 850、850hPa 風(fēng)向(W d 、地面氣壓(P s 、地面風(fēng)速(V s 。利用下式計算關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的區(qū)域垂直平均氣溫差( T ,并利用其結(jié)果分析低空大氣的穩(wěn)定度。T =(Ni =1Tsi-Ni=1T850i/N式中N 為區(qū)域高空站數(shù)。2.1 污染天氣系統(tǒng)分型為了便于計算機識別,對已建立的地面污染

9、天氣學(xué)概念模型進行了定義。2.1.1 地面天氣系統(tǒng)分型地面天氣系統(tǒng)共分9類,分別為低壓前、鞍形場、高壓前部、華北地形槽、均壓場、華北弱低壓、弱高壓、強高壓、偏東高壓底部。不屬于上述類型的稱為非典型。9類天氣系統(tǒng)做了必要的量化定義。如,華北弱低壓:低壓中心在115!117.5!E 、37.5!42.5!N 范圍內(nèi),沒有標(biāo)準等值線封閉,或雖有等值線封閉,但低壓中心值與等值線差小于或等于5hPa 。2.1.2 850hPa 高度場環(huán)流分型根據(jù)統(tǒng)計的污染環(huán)流特點,定義了5類低空環(huán)流類型,5種類型之外的環(huán)流稱為非典型氣流。a.西邊附近有弱槽:在110!115!E 、35!45!N 內(nèi)有槽,槽線上的高度值

10、與其東西兩側(cè)(每側(cè)兩點的平均值差小于等于36gpm,槽線長度為24格點距離。b.西邊附近有脊:在110!115!E 、35!45!N 內(nèi)有脊,且脊線長度所占格點數(shù)3個以上。c.西北氣流:無a 、b 型槽、脊,在37.5!42.5!N 、110!120!E 內(nèi)290!#平均風(fēng)向360!。d.偏西氣流:無a 、b 型槽、脊,在37.5!42.5!N 、687第6期 吳振玲等:采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關(guān)系110!120!E內(nèi)260!#平均風(fēng)向290!。e.西南氣流:無a、b型槽、脊,在37.5!42.5!N、110!120!E內(nèi)180!#平均風(fēng)向4以后,污染概率呈快速下降趨勢,且低于平

11、均概率。值得注意的是,當(dāng) T#0,低空大氣處于穩(wěn)定或中性層結(jié)的條件下,污染概率達到了56.8%,對實際污染預(yù)報有較好的指導(dǎo)性。污染概率與 T 的相關(guān)系數(shù)達到了-0.95672,置信度檢驗通過了99% 。圖3 污染概率隨垂直平均溫差( T的變化3.2.2 大氣穩(wěn)定度對污染的影響實際預(yù)報中,通?？梢岳梦粶靥荻葋砼袆e大氣的垂直穩(wěn)定度,其表達式為:Z=T(r d-r688氣 象 科 技 第36卷其中為位溫,r d為干絕熱直減率,r為氣溫的垂直遞減率,T為周圍空氣溫度。在近地層,由于下墊面的直接影響,溫度垂直梯度很大,即r r d,且與T相差很小,因此近地層Z%TZ。所以這里可粗略地利用 TZ=- T

12、來判定區(qū)域低空大氣穩(wěn)定度,區(qū)域 T0、 T=0分別表示區(qū)域大氣處于穩(wěn)定、不穩(wěn)定和中性。從上述區(qū)域 T和污染概率的統(tǒng)計關(guān)系中可以看出,當(dāng) T#0時,區(qū)域大氣在逆溫或中性層結(jié)下,沒有垂直向下的湍流傳送,所以近地層污染物大量堆積,大氣最容易發(fā)生空氣污染,污染概率最高,達56.8%;0 T#4,區(qū)域大氣有弱不穩(wěn)定層結(jié)時,垂直擾動很弱,使近地層大氣的擴散能力偏弱,再加上天津冬季100m左右的低層大氣經(jīng)常有逆溫存在17,弱的垂直擾動無法完全破壞低層的逆溫,所以區(qū)域弱的不穩(wěn)定層結(jié)仍有利于近地層污染物聚集,比較容易發(fā)生污染,污染概率較高,達44.3%;46不穩(wěn)定層結(jié)下,不易發(fā)生污染,污染概率很低。污染概率隨大

13、氣區(qū)域穩(wěn)定度的變化趨勢符合污染氣象學(xué)原理,反映了低空大氣的氣溫垂直分布對湍流活動強弱的直接影響以及支配空氣污染的散布作用。同時低空大氣穩(wěn)定度分析對污染預(yù)報有較好的參考價值。3.3 地面天氣形勢與污染概率關(guān)系地面天氣形勢分析讓我們更直觀地看清不同天氣背景下發(fā)生污染的可能性。表2給出的地面形勢與污染概率關(guān)系顯示,在低壓前、鞍形場、高壓前部、華北地形槽、均壓場5類地面天氣形勢下,地面發(fā)生空氣污染的可能性較大,其所對應(yīng)的污染概率分別為100%、50%、50%、42.3%、41.8%,高于或接近總體概率43.3%。在弱高壓、華北弱低壓2類地面天氣形勢下,有可能引發(fā)污染,但污染概率下降到總體概率以下。在偏

14、東高壓底部、強高壓的天氣形勢下,不易發(fā)生污染,污染概率為0。污染概率隨地面天氣形勢特征分布規(guī)律,從另一側(cè)面較好地印證了污染環(huán)流和區(qū)域大氣穩(wěn)定度對污染的影響。表2 地面形勢與大氣污染的關(guān)系3.4 區(qū)域地面風(fēng)場與大氣污染的關(guān)系冬季邊界層輻合風(fēng)場垂直伸展高度較低18,地面風(fēng)場在很大程度上代表了冬季邊界層大氣污染物輸送場。如表3區(qū)域地面風(fēng)與污染概率所示,區(qū)域地面風(fēng)速達到1級及以下5級及以上的次數(shù)很少,風(fēng)速頻率較高的集中在24級,占總樣本87.9%。可以說,區(qū)域靜風(fēng)、微風(fēng)及大風(fēng)的頻率相對較低,出現(xiàn)的次數(shù)不足1/3。污染風(fēng)向頻率以偏北風(fēng)居多,其風(fēng)向頻率為91,而偏南風(fēng)頻率只有42次,污染風(fēng)向頻率的南北風(fēng)分

15、布客觀地反映出冬季污染與其污染氣候背景和特征是分不開的。在采暖前3個月里,96.3%的污染都發(fā)生在區(qū)域風(fēng)速4級以下,共有127次。當(dāng)區(qū)域風(fēng)速為2級以下或3、4級時,污染概率十分接近。當(dāng)區(qū)域風(fēng)速為34級時,無論是偏南風(fēng)還是偏北風(fēng)都比較有利于天津發(fā)生污染,污染概率較高。這種區(qū)域污染風(fēng)場特征可能反映了蘇福慶19等人提出的冬季大氣污染物輸送匯及其擺動是造成某些地區(qū)污染物匯聚、形成重污染區(qū)的主要背景場的論點,其中冬季1月華北大氣輸送匯和流場圖(圖略19,20可以解釋由于天津在華北地區(qū)的特殊地理位置,34級的區(qū)域風(fēng)速更適宜污染物的遷移和輸送,使大氣污染物匯聚在天津附近,因而造成天津污染概率較高。689第6

16、期 吳振玲等:采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關(guān)系表3 區(qū)域地面風(fēng)與大氣污染的關(guān)系風(fēng)力風(fēng)速頻數(shù)污染風(fēng)向頻數(shù)偏北風(fēng)偏南風(fēng)污染頻數(shù)污染物平均濃度/(mg&m-3PM10SO2NO2污染概率/%區(qū)域的靜風(fēng)或微風(fēng)時,區(qū)域大氣流動很弱,有利于局地區(qū)域污染物的聚集和積累,此時,SO2濃度相對最高;當(dāng)區(qū)域風(fēng)力達到34級時,區(qū)域大氣流動增強時,區(qū)域污染物輸送作用可能是天津污染概率增加的原因之一,此時,PM10濃度最高。4 小結(jié)采暖期大氣污染高發(fā)是與冬季的污染氣候特征和氣象條件密切相關(guān)的,隨著區(qū)域污染環(huán)流的轉(zhuǎn)換、垂直變溫的變化、地面天氣系統(tǒng)及風(fēng)場的演變,區(qū)域的污染潛勢對污染物的擴散、積累和輸送有著不同的影

17、響,大氣污染概率也隨之變化。(1冬季區(qū)域污染環(huán)流特征明顯,當(dāng)850hPa 環(huán)流型為西邊附近有脊時,污染概率最低;西邊附近有槽時,污染概率最高,其污染概率達到61.8%,可預(yù)報性較強。(2污染概率與冬季區(qū)域垂直變溫 T分布關(guān)系密切,其相關(guān)系數(shù)達到了-0.95672,相關(guān)性很好。 T越小,大氣越穩(wěn)定,垂直向下的大氣交換越少,近地層湍流活動越弱,對污染物積累正的貢獻越大,污染概率越高,尤其是 T#4的區(qū)間內(nèi)。(3在大陸冷高壓停滯時間較長的冬季氣候背景下,隨著冷高壓減弱、變性而轉(zhuǎn)為低壓的過程,污染概率逐漸增大。在低壓前、鞍形場、高壓前部、華北地形槽、均壓場5類地面污染天氣系統(tǒng)控制下,污染物不易擴散,容

18、易誘發(fā)大氣污染,污染概率較高。(4區(qū)域風(fēng)場對污染物的擴散、積累、傳輸有影響。區(qū)域風(fēng)速偏小不利于污染物輸送,有利于局地污染物積累;當(dāng)區(qū)域風(fēng)速增大到34級時,有利于區(qū)域PM10輸送,天津污染概率較高,從另一個側(cè)面證實了華北區(qū)域大氣污染物輸送對天津污染的貢獻。參考文獻1 王西琴,李芬.天津市經(jīng)濟增長與環(huán)境污染水平關(guān)系J.地理研究,2005,24(6:834 842.2 錢華,王冰妍.上海大氣環(huán)境質(zhì)量影響因素分析J.環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué),21(3:245 247.對策J.中國人口&資源與環(huán)境,2003,13(6:86 90.污染與居民日死亡數(shù)的相關(guān)分析J.衛(wèi)生研究,2004,33(3: 293 297.析.

19、氣象科技,2005,33(6:543 547.6 劉玉蘭,肖云清.銀川市空氣質(zhì)量超標(biāo)的天氣形勢分析J.氣象科學(xué),2003,23(4:460 466.7 司瑤冰,宮春寧,鄭有飛,呼和浩特市大氣污染與天氣氣候的關(guān)系J.氣象科技,2005,33(2:173 177.及尺度特征J.中國科學(xué)(D輯,2005,35(增刊:1 19.9 朱蓉,徐大海,孫明華.CAPPS預(yù)報方法研究J.氣象,2001,27(6:10 16.10朱育強,幾種空氣質(zhì)量預(yù)報方法的預(yù)報效果對比分析J.氣象,2004,30(10:30 32.11王長友,朱玉強,等.天津城市空氣污染預(yù)報G(城市氣象服務(wù)科學(xué)討論會學(xué)術(shù)論文集,2001,3

20、53 356.12吳振玲,謝以揚.2003年冬季空氣質(zhì)量趨勢預(yù)測方法J.氣象,2005,31(10:47 50.13喬致奇.大氣環(huán)境和環(huán)境評價M.北京:氣象出版社,1998:112.響域J.中國科學(xué)(D輯,2004,34(10:958 96.15張迪,孫繼松,王華,2004年北京市沙塵天氣對空氣質(zhì)量影響的對比分析J.氣象科技,2005,33(6:533 537.16蔣緯楣,曹文俊,姜瑞賓.空氣污染氣象學(xué)教程M.北京:氣象出版社,1993:8 17.J.氣象,2003,29:12 16.邊界層輸匯J.環(huán)境科學(xué)研究,2004,17(1:22 33.19任陣海,蘇福慶.大氣輸送的環(huán)境背景場J.大氣科

21、學(xué),1998,22(9:454 459.690氣 象 科 技 第36卷第6期 吳振玲等: 采暖期間區(qū) 域氣象條件與天津大氣污染概率關(guān)系 691 Relationship between Regional Weather Condition and Pollution Probability During Heating Season in Tianjin W u Zhenling Zhou L iang dan Xie Yiyang M eng Dong mei Sun M eiling ( T ianjin Inst itute of M eteor olog y, T ianjin 300

22、074 Abstract: T he regional w eat her charact erist ics in t he key and t arg et areas ar e analy zed t o st udy t heir ef fects on air pollut io n in T ianjin using t he N CEP re analysis dat a and daily air po llut ant observat ions during the heat ing seaso n in wint er s f rom 2002 t o 2005. T h

23、e r esults show t hat high air pollutio n in heat ing seasons is asso ciated w it h clim at ic char act eristics and w eat her condit ions, such as t he regional atm ospher ic circulat ion and dy namic and t her mal charact erist ics, w hich af fect t he dif fusion, accum ulat ion, and t ranspo rt a

24、t ion of air po llutant s. Especially, t he influence of regional w ind velocit y o n aer ial pollutant s reflect s the cont ribut ion of area pollution in No rt h China to air pollut io n in T ianjin and enhances t he t ranspo rt at ion converg ence o f pollut ant s. T he at mosphere dif fusion w e

25、akens and t he pollut ant s are easy to accum ulat e w hile t her e is w ind dir ection change fro m no rt h o r no rthw est t o w est or so ut hw est. T he po llut ion pro babilit y increases w it h t he rise o f atm osphere instabilit y. Key words: met eorolo gy co ndit ion, air po llut ion, po llut ant s accum ulat ion, pollut ion probabilit y 新的研究表明