氣象資料在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

.福州市環(huán)境監(jiān)測站 .三明市沙縣氣象局 黃 鑫 王成翔

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氣象資料在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

1.福州市環(huán)境監(jiān)測站 2.三明市沙縣氣象局 黃 鑫1王成翔2

近年來，空氣污染日漸嚴(yán)重，并影響了人類的生存環(huán)境。天氣因素對空氣質(zhì)量有顯著影響，準(zhǔn)確利用氣象資料對空氣質(zhì)量進(jìn)行預(yù)報(bào)至關(guān)重要。該文結(jié)合具體空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)個例，探討如何利用氣象資料中常見的高空分析圖、單點(diǎn)時(shí)空剖面圖和氣象物理量數(shù)據(jù)對污染物濃度及濃度變化趨勢進(jìn)行分析，以便更準(zhǔn)確地開展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

氣象資料 污染物濃度 時(shí)空剖面圖 物理量

1 概述

世界衛(wèi)生組織在2005年制定“全球空氣質(zhì)量準(zhǔn)則”時(shí)提出，清潔的空氣是人類健康和福祉的基本需求。然而空氣污染在全球范圍內(nèi)仍然對健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，尤其是城市氣溶膠污染帶來的直接和間接危害已嚴(yán)重影響人們的生存環(huán)境。氣象專家和醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10μm以上的顆粒物（即PM10），會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5～10μm，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5μm以下的細(xì)顆粒物（即PM2.5），直徑相當(dāng)于人類頭發(fā)的1/10大小，不易被阻擋，其被吸入人體后會直接進(jìn)入支氣管，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管病等疾病。另外PM10在酸沉降、氣候強(qiáng)迫、大氣化學(xué)過程等方面具有重要作用。楊德保等人研究分析得出，蘭州和福州的城市空氣污染物濃度變化與氣象條件有顯著的相關(guān)關(guān)系。任振海、蘇福慶等從中尺度天氣系統(tǒng)、近地層小尺度局地系統(tǒng)和大氣邊界層結(jié)構(gòu)入手解析了大氣的輸送作用對重污染形成的重要貢獻(xiàn)。朱佳雷、王體健等對江蘇省一次重霾污染天氣分析發(fā)現(xiàn)，其污染與大范圍秋收秸稈集中燃造成大量污染物排放有密切關(guān)系，平穩(wěn)的高空環(huán)流形勢、暖平流、地面高壓場分布為污染天氣的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的氣象條件。由此可見，在空氣質(zhì)量問題的研究中，如何有效利用氣象資料，準(zhǔn)確分析判斷氣象因素對空氣質(zhì)量的影響非常重要。本文主要討論在進(jìn)行空氣質(zhì)量分析和污染物濃度預(yù)報(bào)時(shí)如何有效運(yùn)用氣象資料，涉及到的個例均為近年來福州市的典型個例。

2 高空分析圖的應(yīng)用

大氣污染物的聚集和擴(kuò)散受實(shí)時(shí)風(fēng)的影響很大，水平風(fēng)向直接決定了污染物的去向，垂直風(fēng)向關(guān)系到大氣環(huán)境的擴(kuò)散條件（下沉氣流使污染物聚集，上升氣流利于污染物擴(kuò)散）。而風(fēng)速的大小對污染物擴(kuò)散速度有直接的作用。同時(shí)，近地面層濕度低有利于污染物擴(kuò)散，近地面層濕度大而未降水，容易造成污染物聚集濃度升高。氣象高空分析圖可反映大范圍內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速以及濕度變化。結(jié)合分析各層高空圖預(yù)測大范圍內(nèi)大氣形勢變化即晴雨情況，給空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供相對宏觀而準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

2015年1月5～6日，福州市出現(xiàn)了一次輕度污染過程，主要污染物為PM2.5。我們對歐洲中心1月4日預(yù)報(bào)的該時(shí)段500hPa和850hPa高空資料（如圖1）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：5～6日，福州市500hPa受高空脊控制，脊區(qū)為下沉氣流，不利于空氣擴(kuò)散。850hPa，5日受到西南氣流影響，風(fēng)力和濕度條件一般；6日，長江中下游的切變南壓至浙、贛一帶，福州位于切變南側(cè)，濕度明顯增大至80%～90%，但未有降水，風(fēng)力減弱。綜合分析5～6日福州上空大氣環(huán)流形勢，西南風(fēng)影響，近地面層濕度大，離切變線較遠(yuǎn)，無降水，這些因素造成了污染物的堆積，導(dǎo)致福州出現(xiàn)輕度污染。

2015年1月5日20點(diǎn)500hPa風(fēng)場 2015年1月6日8點(diǎn)500hPa風(fēng)場

2015年1月5日20點(diǎn)850hPa風(fēng)場+濕度場 2015年1月6日8點(diǎn)850hPa風(fēng)場+濕度場

圖1 2015年1月5～6日預(yù)報(bào)圖（1月4日起報(bào)）

3 剖面產(chǎn)品的應(yīng)用

結(jié)合多層高空圖分析可以判斷天氣環(huán)流總體形勢，從而預(yù)測氣象因素對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。而剖面圖可以更直觀地反映不同高度天氣要素隨時(shí)間的變化，對于預(yù)報(bào)污染物的水平或垂直走向都有十分重要的作用。

2016年第17號臺風(fēng)“鲇魚”對福州造成巨大的風(fēng)雨影響，同時(shí)洗滌了福州上空的空氣，污染物濃度迅速降低，空氣質(zhì)量顯著提高。圖2為福州市9月27日～10月4日模式預(yù)報(bào)剖面圖。該剖面圖為模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，分為兩個部分，第一部分為該時(shí)效內(nèi)福州站上空風(fēng)速風(fēng)向時(shí)空變化剖面圖，第二部分為溫度以及PM2.5濃度時(shí)空預(yù)報(bào)剖面圖。分析下圖可知，27日，福州市高層受西北氣流控制，中低層為偏北氣流控制。隨著臺風(fēng)的不斷靠近，可以明顯看出28日福州市上空風(fēng)速明顯增大，風(fēng)向也轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。臺風(fēng)于28日凌晨登陸惠安后，繼續(xù)向西北方向移動，由下圖可清楚看出福州市上空風(fēng)向風(fēng)速的變化：風(fēng)速緩慢減弱，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)。29日后期隨著臺風(fēng)遠(yuǎn)離減弱，風(fēng)速也明顯減弱。對應(yīng)分析PM2.5濃度變化趨勢預(yù)報(bào)剖面圖，可以看出模式預(yù)報(bào)的PM2.5濃度是伴隨著臺風(fēng)的移動而改變的。在臺風(fēng)靠近福州直至登陸后一天內(nèi)，PM2.5濃度均在20μg/ m3以下。這印證了大規(guī)模的風(fēng)雨天氣對降低空氣中的污染物濃度有著十分有效的作用。30日后，臺風(fēng)繼續(xù)西行減弱，福州上空風(fēng)速減弱明顯并轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，近地面層的PM2.5濃度明顯上升。由于臺風(fēng)影響仍然存在，福州仍有降水天氣，PM2.5濃度沒有超過30μg/m3。可以看出，在有明顯天氣系統(tǒng)影響某地區(qū)時(shí)，通過單點(diǎn)時(shí)空剖面預(yù)報(bào)圖可以直觀而準(zhǔn)確地分析天氣系統(tǒng)對該地區(qū)帶來的天氣變化以及天氣變化對該地區(qū)污染物濃度的影響。

圖2 2016年9月27日～10月4日福州站預(yù)報(bào)模式剖面圖

4 氣象物理量資料的應(yīng)用

在專業(yè)天氣預(yù)報(bào)中，經(jīng)常運(yùn)用多種物理量分析相結(jié)合的方式判斷未來大氣穩(wěn)定度，從而預(yù)測未來發(fā)生各種強(qiáng)天氣現(xiàn)象的可能性。應(yīng)用氣象物理量資料可判斷降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、產(chǎn)生雷暴的可能性以及大氣穩(wěn)定度等，這些氣象因素對于污染物的擴(kuò)散程度有很大的影響。因此，氣象物理量資料分析是空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

4.1 垂直速度

大氣垂直運(yùn)動是分析大氣流動狀態(tài)經(jīng)?？紤]的一個重要物理量。垂直速度通常是指大尺度的，而且并不是直接觀測得到的物理量，而是通過一系列公式計(jì)算出來的。在某一高度上，垂直速度為正值時(shí)，表示該高度大氣為下沉運(yùn)動；垂直速度為負(fù)值時(shí)，表示該高度大氣為上升運(yùn)動。垂直速度的絕對值越大，則表示該高度上升或下沉運(yùn)動越強(qiáng)烈，即大氣的垂直對流越明顯。運(yùn)用于環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)時(shí)，垂直速度為正值時(shí)，氣流下沉，造成污染物堆積，空氣質(zhì)量變差；垂直速度為負(fù)值時(shí)，氣流上升，促使污染物擴(kuò)散，空氣質(zhì)量變好。

4.2 散度

散度可用于表征空間各點(diǎn)矢量場發(fā)散的強(qiáng)弱程度。分析大氣運(yùn)動時(shí)通常使用水平散度，水平散度是指空氣在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上的膨脹量，亦表征空間各點(diǎn)在水平方向上發(fā)散的強(qiáng)弱程度。分布在不同地點(diǎn)的空氣移動方向常常是不一致的，當(dāng)散度大于0時(shí)，表示該點(diǎn)空氣發(fā)散，即輻散；當(dāng)散度小于0時(shí)，表示該點(diǎn)空氣聚集，即輻合。

空氣中的污染物主要分布在大氣的近地面層，而近地面層大氣水平流動遠(yuǎn)大于垂直運(yùn)動大氣水平方向的流動。因此，可以通過判斷大氣水平方向上的輻合或輻散來分析空氣中污染物的走向。在分析水平散度預(yù)報(bào)圖時(shí)，某一水平區(qū)域內(nèi)，散度大于0為輻散，污染物隨空氣擴(kuò)散；散度小于0為輻合，污染物隨空氣聚集。

4.3 水汽通量散度

當(dāng)水平輸送進(jìn)某一地區(qū)的水汽大于水平輸送出某一地區(qū)的水汽時(shí)，為水汽水平輻合，反之即為水汽的水平輻散。在單位體積內(nèi)，水汽水平輻合輻散的大小用水平水汽通量散度來表示。水汽通量散度是指單位時(shí)間匯入單位體積或從該體積輻散出的水汽量，水汽通量散度是一個向量，由水平運(yùn)動而引起單位時(shí)間內(nèi)、單位體積中水汽任一地點(diǎn)的水汽通量散度，均可由風(fēng)、溫度和比濕資料計(jì)算出來，并可繪成等值線圖，用以表示廣大范圍內(nèi)的水汽通量散度場。

水汽通量散度為正的地區(qū)，表示水汽自該地區(qū)的四周輻散，稱該地區(qū)為水汽源，在這種情況下，水汽源的濕度減??；水汽通量散度為負(fù)的地區(qū)，表示四周有水汽向該地區(qū)匯集，稱該地區(qū)為水汽匯，濕度增大。近地面層濕度對污染物濃度變化起到了重要作用，水汽源不斷向四周輸送水汽的過程中，濕度在持續(xù)減小，有利于污染物的擴(kuò)散，因此通常水汽源的污染物濃度呈降低趨勢。而對于水汽匯，應(yīng)結(jié)合天氣形勢分析，若水汽匯上空有降水系統(tǒng)靠近，則降水概率大，對空氣起到清潔作用，污染物濃度降低；若水汽匯上空大氣環(huán)流形勢穩(wěn)定，無明顯降水系統(tǒng)，則降水概率小，近地面層的高濕度環(huán)境不利于污染物擴(kuò)散，污染物濃度升高。

5 結(jié)論

綜上所述，氣象條件對污染物濃度的變化有很大影響。在進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)時(shí)，首先使用高空分析預(yù)報(bào)圖分析大氣環(huán)流背景，判斷總體天氣形勢，對降水可能性和溫、壓、濕、風(fēng)等四個天氣要素進(jìn)行初步預(yù)測；然后通過單點(diǎn)時(shí)空剖面預(yù)報(bào)圖精細(xì)分析天氣系統(tǒng)對某地區(qū)帶來的天氣變化過程以及該地區(qū)污染物濃度變化；最后，結(jié)合前兩步預(yù)報(bào)的具體天氣情況，適當(dāng)選取若干氣象物理量分析，輔助判斷污染物濃度變化情況，加強(qiáng)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)論的準(zhǔn)確性。

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