武漢市空氣質量與氣象條件的關系及氣象預報方法研究

張翠榮，柳戊弼，江 鴻

(武漢公共氣象服務中心，湖北武漢 430040)

?

武漢市空氣質量與氣象條件的關系及氣象預報方法研究

張翠榮，柳戊弼，江 鴻

(武漢公共氣象服務中心，湖北武漢 430040)

利用2013～2014年武漢市空氣質量指數和氣象要素因子，分析了武漢市環境空氣質量分布特征以及氣象要素因子對空氣質量的影響。結果表明，武漢市空氣質量嚴重污染天氣占全年的4%；近10年(2005～2014年)武漢市PM10、SO2污染物濃度逐年下降，首要污染物以細顆粒物為主。武漢市空氣質量變化與氣溫、低云量、平均風速、降水量等氣象因子相關性最好，均呈明顯的負相關性。利用數理統計方法，選用與空氣質量指數相關性較好的氣象因子制作逐日空氣質量指數多元回歸預測方程，可結合氣象預報產品及時制作空氣質量預報。

空氣質量指數；污染；氣象因子；相關性；多元回歸

城市空氣質量的好壞不僅與城市地形和城市建設有關，與季節及氣象條件關系也十分密切[1]。武漢地處我國中部，作為近年我國經濟高速發展的城市，城市大氣污染物排放量不可避免地不斷增加。但在污染源排放量無明顯變化的情況下，風向、風速、降雨、氣壓、溫度、云量等氣象條件則直接影響空氣質量的好壞。筆者通過對武漢市2013～2014年空氣質量和氣象要素的分析，初步揭示武漢市空氣質量分布特征及其與氣象因子的關系，在不考慮外源污染物輸入的情況下，結合氣象要素數值預報，從氣象角度研究空氣質量的預報方法。

1　資料來源與研究方法

采用武漢市環境監測中心站監測的六要素空氣質量小時、日平均AQI指數，武漢市氣象局國家基本觀測站觀測的地面氣溫、風、降水、氣壓、云量等資料，武漢市氣象局國家基本觀測站觀測的高空高度、風、氣溫等資料，對2013～2014年空氣質量和氣象要素進行分析，在不考慮外源污染物輸入的情況下，結合氣象要素數值預報，從氣象角度研究空氣質量的預報方法。

2　空氣質量變化趨勢分析

2.12013和2014年空氣質量分布特征空氣質量指數(air quality index，AQI)[2-3]是用來定量描述空氣質量水平的數值，是一個取值范圍在0～500的無量綱數。環境空氣污染物的種類很多，常見的有二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳、臭氧和懸浮顆粒物。懸浮顆粒物中，直徑小于10 μm的稱為PM10，直徑小于2.5 μm的稱為PM2.5。AQI指數是把每天觀測的各種不同污染物的濃度折算成一個統一的指數，并把其中AQI最大的一種污染物定為首要污染物，這個最大的AQI指數定為當日的AQI指數(表1)。

表1　AQI指數分級技術指標

武漢市空氣質量主要以良和輕度污染天氣為主，2013年武漢市空氣質量良天數達140 d，輕度污染天數達104 d，分別占全年總數的38%和28%，其次是中度和重度污染天氣，而空氣質量優的天氣僅有20 d，占全年的5%，嚴重污染天氣15 d，占全年的4%。2014年空氣質量各級分布情況和2013年類似，但優良天氣以及輕度污染天氣較2013年有所增加，分別達30、152、123 d，所占比例分別為8%、42%、34%。中度污染、重度污染、嚴重污染天氣有所減少(圖1～2)。

2.2近10年大氣污染物及優良率歷年變化趨勢近10年(2005～2014年)武漢市PM10、SO2污染物濃度逐年下降，NO2呈波動上升態勢，PM2.5呈下降趨勢。2005～2012年，按照GB3095—1996評價，空氣質量優良天數和優良率逐年上升，2013年執行新標準，環境空氣質量優良天數明顯減少，優良率大幅下降，首要污染物逐漸從可吸入顆粒物為主，轉為細顆粒物為主(圖3、4)。

注：a.2013年，b.2014年。Note：a.The year of 2013；b，The year of 2014.圖1　2013和2014年武漢市空氣質量分布Fig.1　Distribution of air quality in Wuhan City in 2013 to 2014

注：a.2013年，b.2014年。Note：a.The year of 2013；b，The year of 2014.圖2　2013和2014年武漢市空氣質量分布百分比Fig.2　Percentage of air quality distribution in Wuhan City in 2013 to 2014

圖3　近10年空氣質量優良率變化趨勢Fig.3　Change trend of excellence rate of air quality in recent 10 years

圖4　近10年污染物濃度變化趨勢Fig.4　Change trend of pollutant concentration in recent 10 years

2.3空氣質量季節變化特征選取2013～2014年武漢市空氣質量AQI指數分級，統計武漢市各季節各級空氣質量天數和所占百分比，結果見表2。其中，春季指2013年3月1日至5月31日，2014年3月1日至5月31日，共184 d；夏季指2013年6月1日至8月31日，2014年6月1日至8月31日，共184 d；夏季指2013年9月1日至11月30日，2014年9月1日至11月30日，共182 d；夏季指2013年1月1日至2月28日，2013年12月1日到2014年2月28日，2014年12月1日到12月31日，共180 d。

由表2可知，武漢市嚴重污染天氣主要發生在秋冬季節，春夏季節無嚴重污染天氣發生；夏季空氣質量最好，優良天數頻率達73%；從全年看，春季空氣質量逐漸轉好，夏季最好，從夏季到秋季空氣質量又逐漸變差，到冬季空氣質量最差。

表2　2013～2014年武漢市空氣質量季節變化

3　氣象條件對空氣質量的影響

3.1氣象因子與空氣質量的相關性選取2013～2014年武漢市逐日地面觀測氣象要素與武漢市逐日空氣質量AQI指數進行相關分析，選取相關性好的氣象因子。日平均氣溫T與AQI指數的相關系數為0.458 36，日最高氣溫Tmax分別為0.360 42，日最低氣溫Tmin為與AQI指數的相關系數為0.502 49，日平均低云量S低云量與AQI指數的相關系數為0.321 28，日平均風速F與AQI指數的相關系數為0.243 89，日降水量R與AQI指數的相關系數為0.225 92。

3.2氣象因子對空氣質量影響原因分析

3.2.1氣溫對空氣質量的影響。由上述相關性分析可知，氣溫與空氣質量有較好的負相關性，這與空氣質量的季節變化規律一致。氣溫從春天到夏天逐漸升高，之后從夏天到秋天逐漸降低，冬天達到全年最低氣溫，對應春季空氣質量逐漸轉好，夏季達到最好，從夏季到秋季空氣質量又逐漸變差，到冬季空氣質量最差。

從單個大氣狀況比較穩定的情況下，空氣質量轉變過程來看(不涉及天氣形勢大的轉變，如強冷空氣南下，空氣質量必定好轉，但氣溫也必定降低)，也有一定的參考性，如2013年1月6日到2月3日的持續污染天氣過程中，空氣質量AQI指數越大，氣溫越低，趨勢呈明顯的負相關(圖5)。

3.2.2低云量對空氣質量的影響。低云量和空氣質量呈較好的負相關。低云一般指云底高度在2 500 m以下，包括積云、積雨云、層積云、層云和雨層云在內5個云屬，低云多由水滴組成，厚的或垂直發展旺盛的低云則由水滴、過冷水滴、冰晶混合組成。大部分低云均可能產生降水，雨層云常有連續性降水，積雨云多有陣性降水，有時降水量很大。因此，低云一般代表天氣的轉折性變化，代表有降水天氣過程發生，必然會使空氣質量朝著好的方向轉變，低云量越多，天氣變化越劇烈，可能對應更強或更持續的降水天氣，空氣質量好轉的情況越明顯。

圖5　空氣質量和氣溫變化趨勢Fig.5　Change trend of air quality and temperature

3.2.3風速對空氣質量的影響。風速越大，代表空氣流動性越強，即大氣擴散條件越好，越有利于大氣中污染物的擴散和稀釋，對空氣質量的改變有明顯作用，呈較好的負相關性。由圖6可知，2013年1月1日至1月12日的過程平均

圖6　平均風速與空氣質量演變趨勢Fig.6　Evolution trend of average wind speed and air quality

風速和空氣質量負相關性較好，而2013年2月27日至3月11日的過程相關性略差，會有滯后性現象出現，特別是轉折性天氣出現時，如3月10日空氣質量達到重度污染，平均風速也達到4級，第2天3月11日空氣質量明顯好轉，達到等級良。

3.2.4降水對空氣質量的影響。通過統計2013～2014年逐日降水量和對應空氣質量AQI指數，發現降水對空氣質量的影響與降水強度的關系較明顯。降水天氣對應的空氣質量達到優良的比率均在50%以上，合計達70%；隨著降水強度的增大，優良天氣的比率逐漸增大，當降水強度達到暴雨量級時，全部為優良等級天氣；降水天氣過程發生時中度污染以上的天氣比率均不足5%；僅有3次嚴重污染天氣過程，有2次發生在秋季，1次發生在冬季(表3)。

在降水過程發生時，空氣中污染物濃度增加，空氣質量變差，出現嚴重污染天氣現象，其主要原因是降水強度不夠，未達到較好的洗刷空氣的效果，反而一些弱降水天氣過程會因為引起近地面擾動加強，而使近地面空氣中的懸浮物增多，空氣質量相應地變差。

表3　各級降水量對應的空氣質量

4　空氣質量氣象因子多元回歸預測方程

4.1年逐日AQI指數預測 利用統計方法對選取的相關性好的氣象因子做逐日AQI值預測方程：AQI=67.43+0.65AQI前一日-5.1T+2.77Tmax+1.44Tmin-2.9S低云量-6.78F-0.25R，方程樣本數為728個，復相關系數為0.81，置信度95%，F=200.76，P=1.3E-164。其中，T、Tmax、Tmin分別為日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫，取氣象臺每日發布的公共天氣預報24 h預測值，S低云量、F、R分別為日平均低云量、日平均風速、日降水量，取歐洲細網格24 h預報值。

4.2季逐日AQI指數預測

AQI春=129.02+0.42AQI前一日-6.33T+2.04%max+1.37Tmin-2.45S低云量-2.00F-0.59R-0.64A-3.05SI+0.69K-2.07LI+1.98IC+5.71ITI

AQI夏=58.19+0.47AQI前一日-2.27T +3.77max-2.26Tmin-3.2S低云量-5.4F+0.02R-0.08A+0.51SI-0.02K -0.73LI+0.23IC-75.14ITI

AQI秋=105.98+0.55AQI前一日-0.44T +0.02Tmax-0.24Tmin-6.7S低云量-9.67F-0.36R-0.34A-5.54SI+0.4K+0.44LI+2.34IC-47.85ITI

AQI冬=94.65+0.67AQI前一日-11.77T +5.49Tmax+4.97Tmin-1.84S低云量-10.77F-2.37R-0.22A -3.0SI+0.6K+0.13LI+4.51IC+148.5ITI

4.3強對流天氣氣象因子對預報方程的訂正利用統計方法對選取的相關性好的氣象因子所做的逐日AQI值預測方程，采用的氣象因子均是日平均資料，對天氣變化較劇烈的強對流天氣，如強降水、大風等持續時間短、影響大的天氣過程，一天之內空氣質量可能變化特別大，方程在預報時效和預報結果上可能不準確也無法達到需求。選取與空氣質量變化相關性好的大風和降水量2種氣象因子，分析逐小時風速和降水量對應空氣質量指數變化情況，歸納其變化規律，可作為強對流天氣狀況下多元回歸預測方程的質量控制閾值。

4.3.1風速小時變化域值。風速和空氣質量有較好的負相關性，但在實際天氣過程中常會有滯后現象發生，加之方程所使用的風速為平均風速，不能及時地反映風速變化對空氣質量的影響，為了提高方程預測空氣質量的準確性，對重污染過程小時風速的變化對應空氣質量指數的變化進行分析。

4.3.1.1重污染過程逐小時風速域值。選取2013～2014年武漢市觀象臺逐小時風速資料和2013～2014年武漢市環境監測站逐小時空氣質量指數進行統計分析。其中，空氣質量指數選取AQI指數大于200以上的重污染天氣過程。

分析2013～2014年武漢市重污染(空氣污染AQI指數達到200以上)過程小時風速資料，可見武漢市重污染過程小時風速集中在3 m/s以下，所占比例達90%。其中，風速在1 m/s以下的重污染次數(樣本個數2 200個)最多，達945次，所占比例達43.0%，其次為風速2 m/s以下達693次，所占比例31.5%，風速在3 m/s以下的達341次，所占比例15.5%；而風速在3 m/s以上的所占比例不足10%。表明武漢市重污染天氣與對應風速成反比，重污染天氣多出現在風速較小的情況下，90%以上的重污染天氣過程發生在風速小于3 m/s的情況下，而風速達8 m/s以上時基本無重污染天氣發生(表4)。

由此可知，重污染過程小時風速閾值：F≤3 m/s重污染過程持續，3 m/s8 m/s重污染過程結束。

表4小時風速重污染過程統計

Table 4Statistics of serious pollution process of hourly wind speed

風速Windspeedm/s重污染過程次數Timesofseriouspollutionprocess∥次頻次Frequency%194543.0269331.5334115.541305.95512.36241.17120.5830.19.510.0

4.3.1.2重污染過程逐3 h風速域值。根據實際日常業務工作情況，一般氣象預報產品的時間間隔均為3 h，因此，選取2013～2014年武漢市觀象臺逐3 h風速資料和2013～2014年武漢市環境監測站逐3 h空氣質量指數進行統計分析。其中，空氣質量指數選取AQI指數大于200以上的重污染天氣過程。

結合風力等級的規定，按照風力等級標準來統計逐3 h風力對應的重污染天氣過程，其中，0～1.5 m/s為靜風或1級風，1.6～3.3 m/s為2級風，3.4～5.4 m/s為3級風，5.5～7.9 m/s為4級風，8.0 m/s以上為5級風。由表6可知，隨著風力的增大，重污染過程逐漸減少，當風力達到3級以上時，重污染過程已不足10%，發生5級以上大風時，無重污染過程發生(表5)。

表5　逐3 h風速重污染過程統計

由此可知，重污染過程逐3 h風速閾值：F≤1.5 m/s(0～1級風)過程持續或加強，1.6 m/s8.0 m/s(5級)AQI<100(轉為優良天氣)。

4.3.2降水量小時變化域值。降水量和空氣質量有較好的負相關性，但在實際天氣過程中降水過程一般不是均勻發生，表現為明顯的時間分布不均勻，一天內不同時段的降水量差異很大，而方程所使用的降水量為日總量，不能及時地反映降水量的變化對空氣質量的影響，為了提高方程預測空氣質量的準確性，對重污染過程小時降水量的變化對應空氣質量指數的變化進行分析。

4.3.2.1降水量小時變化域值。選取2013～2014年武漢市觀象臺逐小時降水量資料和2013～2014年武漢市環境監測站逐小時空氣質量指數進行統計分析。其中，空氣質量指數選取AQI指數大于200以上的重污染天氣過程。

分析2013～2014年武漢市重污染(空氣污染AQI指數達到200以上)過程小時降水量資料，可見武漢市重污染天氣過程基本發生在無降水發生的天氣，當有降水發生時重污染天氣過程明顯減少，小時降水量在0.1～2.0 mm的小雨過程，武漢市發生重污染天氣的次數為114次(總樣本數2 201次)，頻率為5.2%，而隨著小時降水量的增大，重污染天氣很少發生，頻數不足1%(表6)。

表6小時降水量重污染過程統計

Table 6Statistics of serious pollution process of hourly precipitation

降水量Precipitationmm重污染過程次數Timesofseriouspollutionprocess∥次頻次Frequency%0206693.90.1～2.01145.22.1～5.0150.75.1～10.060.3

由此可知，重污染過程小時降水量閾值：R=0 mm重污染過程持續，0.1 mm10 mm重污染過程結束。

4.3.2.2重污染過程逐3 h降水量域值。根據實際日常業務工作情況，一般數值預報產品的時間間隔均為3 h，因此，選取2013～2014年武漢市觀象臺逐3 h降水量資料和2013～2014年武漢市環境監測站逐3 h空氣質量指數進行統計分析。其中，空氣質量指數選取AQI指數大于200以上的重污染天氣過程。

武漢市重污染過程逐3 h降水量統計情況和逐小時相差不大，重污染天氣過程基本發生在無降水發生的天氣，當有降水發生時重污染天氣過程明顯減少，3 h降水量在0.1 mm以上的降水過程，武漢市發生重污染天氣的頻率不足10%，而隨著3 h降水量的增大，重污染天氣大幅減少，降水量超過5 mm以上時，基本無降水天氣過程發生(表7)。

表7　逐3 h降水量重污染過程

由此可知，重污染過程逐3 h降水量閾值：R=0 mm 過程持續，0.1 mm5 mmAQI<100(轉為優良天氣)。

5　小結

該研究結果表明，武漢市空氣質量主要以良和輕度污染天氣為主；空氣質量嚴重污染天氣占全年的4%；近10年(2005～2014年)武漢市PM10、SO2污染物濃度逐年下降，NO2呈波動上升態勢，PM2.5呈下降趨勢。首要污染物逐漸從可吸入顆粒物為主，轉為細顆粒物為主。武漢市嚴重污染天氣主要發生在秋冬季節，春夏季節無嚴重污染天氣發生；夏季空氣質量最好，優良天數頻率達73%；從全年看，春季空氣質量逐漸轉好，夏季最好，從夏季到秋季空氣質量又逐漸變差，到冬季空氣質量最差。

武漢市空氣質量變化與氣溫、低云量、平均風速、降水量等氣象因子相關性最好，均呈明顯的負相關性。氣溫從春天到夏天逐漸升高，之后從夏天到秋天逐漸降低，冬天達到全年最低氣溫，對應春季空氣質量逐漸轉好，夏季達到最好，從夏季到秋季空氣質量又逐漸變差，到冬季空氣質量最差。 在單個大氣狀況比較穩定的情況下，氣溫降低，空氣質量將有所好轉，趨勢呈明顯的負相關。低云量和空氣質量呈較好的負相關。低云量越多，天氣變化越劇烈，可能對應更強或更持續的降水天氣，空氣質量好轉的情況越明顯。風速越大，空氣流動性越強，大氣擴散條件越好，越有利于大氣中污染物的擴散和稀釋，對空氣質量的改變有明顯作用，呈較好的負相關性。降水有利于污染物的濕沉降，有利于空氣質量的好轉。同時降水對空氣質量的影響與降水強度的關系比較明顯。隨著降水強度的增大，優良天氣的比率逐漸增大，當降水天氣過程對應降水強度達到暴雨量級時，全部為優良等級天氣。

該研究結合常規天氣預報產品和常用數值預報產品，給出了空氣質量氣象因子多元回歸預測方程，結合氣象預報產品及時制作空氣質量預報。同時針對強對流天氣分析了逐小時和逐3 h風速和降水量對應空氣質量指數的變化情況，歸納其變化規律，可作為強對流天氣狀況下多元回歸預測方程的質量控制氣象因子閾值，當3 h風速超過8 m/s(5級風)，降水量超過5 mm時，重污染天氣結束，轉為優良天氣。

[1] 代玉田,王麗,張優琴,等.德州市區空氣質量與氣象條件的關系[J].安徽農業科學,2016(1):281-284.

[2] 中華人民共和國環境保護部.環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)：HJ633—2012[S].北京：中國環境科學出版社，2012.

[3] 張書余.城市環境氣象預報技術[M].北京：氣象出版社，2002：119-121.

Relationship between Wuhan Air Quality and Meteorological Conditions and Meteorological Forecasting Method

ZHANG Cui-rong, LIU Wu-bi, JIANG Hong

(Wuhan Public Weather Service Center, Wuhan, Hubei 430040)

Air quality index and meteorological factors in Wuhan City in 2013-2014 were used to analyze the distribution characteristics of environmental air quality in Wuhan City, as well as the effects of meteorological factors on air quality and meteorological factors. Result showed that the number of seriously polluted days in Wuhan was 4% of a year. In recent 10 years (2005-2014), the concentration of PM10 and SO2pollutants in Wuhan City decreased year by year. The main pollutant was fine particulate. Changes in air quality in Wuhan City had the optimal correlation with temperature, low cloud cover, average wind speed, precipitation and other meteorological factors, showing a significant negative correlation. Mathematical statistics method was adopted. Meteorological factors having relatively good correlation with air quality index were selected to establish the daily AQI multiple regression prediction equation. Air quality forecast was carried out by using meteorological forecast products.

Air quality index; Pollution; Meteorological factors; Correlation; Multiple Regression

湖北省環境保護廳環保科研項目(2014HB06)。

張翠榮(1971-)，女，湖北漢川人，高級工程師，從事城市環境氣象預報與服務。

2016-05-11

S 181.3

A

0517-6611(2016)20-184-06