湖州市大氣擴散能力與氣象條件的關系

向華 毛敏娟 繆麗娜 李洪權 梁明珠 張喜亮

摘要：利用浙江省氣科所高斯模式的大氣擴散指數資料、湖州國家基本站地面觀測資料和湖州市環境保護監測中心站的環境監測資料，分析了2013年湖州大氣擴散指數的變化特征以及與氣象各因子的相關性，結果表明：①大氣擴散指數與AQI之間呈明顯負相關，能較好地表征大氣擴散能力的強弱；②在決定大氣擴散能力強弱的氣象因子中，風速是最主要的，其次是降水量；③排除風的影響，有降水情況下，降水量是大氣擴散能力決定性的因素，降水量越大，大氣擴散能力越強，降水量越小，大氣擴散能力越小；無降水情況下，大氣擴散指數與相對濕度和氣壓呈負相關，與平均氣溫呈正相關；④混合層高度與大氣擴散指數有很高的相關性，可以作為衡量大氣擴散能力的一個重要指標。

關鍵詞：大氣擴散能力；大氣擴散指數；混合層高度

中圖分類號：P4

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10001603

1 引言

當前我國大氣污染形勢嚴峻，國家和社會各界高度關注，環境氣象儼然成了當今時代的焦點。有效地防止大氣污染的途徑，除了采用除塵及廢氣凈化裝置等各種工程技術手段外，還需充分利用大氣的湍流混合作用對污染物的擴散稀釋能力，即大氣的自凈能力。大氣擴散是指將一定量的含有有害物質的氣體排入高空，借大氣湍流和分子運動，向大氣中低濃度區域遷移，從而把有害物質稀釋到容許濃度以下的過程。在污染源排放相對穩定的條件下，大氣擴散能力的強弱直接決定著空氣質量的好壞，與人們的生活息息相關[1]。就大氣污染成因而言，污染是主因，氣象是誘因。歷史上發生過的重大空氣污染危害事件，都是在不利于污染物擴散的氣象條件下發生的。為了掌握污染物的擴散規律，以便采取有效措施防治大氣污染的形成，必須了解氣象條件對大氣擴散的影響，以及局部氣象因素與地形地貌狀況之間的關系[2]。

目前大氣擴散能力的衡量沒有一個確定的標準，通過大氣擴散模式計算大氣擴散指數是一種行之有效的方法。大氣擴散模式的種類很多，按模式理論的發展途徑可分為統計理論模式、K理論模式和相似理論模式。按模擬的時間尺度可分為短期平均及長期平均濃度模式；按污染源的形態又可分為點源、線源、面源、體源、多源或復合源模式。盡管大氣擴散模式的種類繁多，但從應用角度出發，在實際工作中使用的大氣擴散模式多屬高斯模式及高斯模式的變形[3]。

近年來，針對空氣質量與氣象條件關系的研究很多，但對大氣擴散與氣象條件的關系研究卻很少。馬香香等對幾種大氣污染擴散模式應用進行了比較[4]。王偉平等用高斯模式估算了臺州電廠一期工程的SO2濃度分布[5]。王文等則介紹了基于高斯模式的幾個主要擴散模型，并比較了它們的優劣，指出了開發新模型需解決的問題[6]。胡春梅等根據重慶市地面常規要素、L波段雷達探測資料風速和溫度與API的相關性，建立了空氣污染擴散條件的綜合氣象指數[7]。陳宣慶等在對Turner大氣擴散等級的分類方法進行部分修正的基礎上，對長春市大氣擴散能力進行了定級分類，并分析了其氣候特征，對長春市大氣擴散能力做了初步評價[8]。

此外，環保部門和氣象部門一直緊密合作，雙方不僅加強信息共享，充分發揮信息資源效益，還對規范實施了標準化，聯合開展重污染天氣監測預警業務和基于AQI（空氣質量指數）的預報，建立定期交流機制，完善會商機制和重大信息協調機制，不斷把兩部門在信息共享、預警服務甚至科研等方面的合作推向深入，更好地履行職責、服務社會。雙方還根據“大氣十條”要求，深化開展針對重污染天氣的預報預測預警工作，建立重污染天氣監測預警體系。

2 資料與方法

大氣擴散能力資料采用浙江省氣象科學研究所根據高斯模式計算出的大氣擴散指數，是定量描述大氣擴散能力的無量綱指數，在此取湖州（站號：58450）2013年1～12月逐日資料。同時用到的混合層高度數據也是該模式計算輸出產品。

氣象資料采用同時段湖州國家基本觀測站地面觀測逐日資料。

空氣質量資料采用同時段湖州市環境保護監測中心監測獲得的AQI及PM2.5等逐日資料。2013年之前，環保部門采用空氣污染指數API來表示空氣污染狀況，2013年起則啟用空氣質量指數AQI來表示空氣質量狀況。根據環境保護部《環境空氣質量指數（AQI）技術規定》分級方法，空氣質量指數（AQI）劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六檔，分別對應于空氣質量的六個級別：優、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染，指數越大，級別越高，說明污染越嚴重，對人體健康的影響也越明顯。

首先對2013年湖州大氣擴散指數及AQI數據進行月平均處理，分析其月際變化特征。然后對逐日大氣擴散指數與對應的氣象要素數據進行相關分析，并將樣本分為有降水樣本和無降水樣本，分別研究了大氣擴散指數與氣象條件之間的關系。此外，還將環境氣象中衍生的重要參數混合層高度與大氣擴散指數進行了相關分析，得出了其對大氣擴散能力的影響。

3 大氣擴散指數的月際變化特征

圖1為2013年湖州大氣擴散指數和AQI的月平均值的逐月變化，可見，2013年湖州大氣擴散指數的月變化較為明顯，除3～5月和8月、10月大氣擴散指數較高大于等于3之外，其他月份均低于3。其中4月最高，達到了3.5，這主要是因為春季日照充足，回暖明顯，湍流活動相對比較旺盛；8月次之，達到了3.3，則是因為盛夏季節天氣炎熱，熱力不穩定條件好，云團易發展，對流活動頻繁所致。1月和11～12月大氣擴散指數則處于一個低谷期，表明晚秋到隆冬季節里，多冷性高壓控制，大氣層結較為穩定，且風力較小、降水較少，大氣擴散能力明顯變弱。

另外，從圖1還可以看出，AQI的變化與大氣擴散指數的變化基本趨于相反，AQI值越高，即空氣質量越差，大氣擴散指數則越小，即大氣擴散能力越弱；AQI值越小，即空氣質量越好，大氣擴散指數則越大，即大氣擴散能力越強。經計算，大氣擴散指數與AQI之間的相關系數達到了-0.32，兩者呈顯著負相關，這也印證了大氣擴散能力的強弱直接影響著空氣質量的好壞。

4 大氣擴散能力與氣象條件的關系

4.1 大氣擴散指數與各氣象因子的關系

在氣象學中，氣象要素是指用于描述的物理狀態與現象的物理量，包括氣壓、氣溫、濕度、云、風、能見度以及太陽輻射等。這些要素都能從觀測直接獲得，并隨著時間經常變化，彼此之間相互制約。不同的氣象要素組合呈現不同的氣象特征，因此對污染物在大氣中的輸送擴散產生不同的影響。其中風和大氣不規則的湍流運動是直接影響大氣污染物擴散的氣象因素，而氣溫的垂直分布又制約著風場與湍流結構。

采用湖州市2013年逐日大氣擴散指數及地面觀測資料，對大氣擴散指數與各氣象要素進行了相關性分析（表1）。從2013年全年樣本分析來看，與大氣擴散指數相關性較好的氣象因子有平均氣壓、最低氣溫、降水量、最低氣壓、平均風速，且均通過了0.01的顯著性檢驗。其中相關性最好的為平均風速，相關系數達到了0.96，其次為降水量，相關系數為0.35。

由表1可以看出，降水量對于大氣擴散能力的影響是較為顯著的，為了進一步研究，將2013年全年樣本再分為有雨樣本（152個）和無雨樣本（215個），分別計算各氣象因子與大氣擴散指數的相關性。可以看出，有雨樣本中，氣象因子中還是平均風速與大氣擴散能力的相關性最好，相關系數同樣達到了0.96，此外則是降水量和蒸發量相關性較好，相關系數分別達到了0.38和0.27，且均通過了0.01的顯著性檢驗，而其他氣象因子都沒有通過顯著性檢驗。這說明，在有降雨的情況下，假設排除風的影響，則降水量是大氣擴散能力決定性的因素，降水量越大，大氣擴散能力越強，降水量越小，大氣擴散能力越小。無雨樣本中，大氣擴散指數相關性較好的氣象因子有平均氣壓、平均氣溫、相對濕度、日照時數、平均風速，且均通過了0.01的顯著性檢驗。其中相關性最好的還是平均風速，相關系數也達到了0.96。

大氣擴散能力與氣象條件息息相關，大的天氣系統決定了大氣擴散能力的整體背景，而風、壓、濕及降水等氣象條件的細微變化直接導致了大氣擴散能力的強弱變化。從以上與大氣擴散指數的相關性可見，風速為正相關，風力增大有助于大氣擴散；相對濕度為負相關，濕度高有利于氣溶膠粒徑增大并在空氣中滯留；氣壓為負相關，高氣壓時，氣流下沉，容易形成逆溫，低氣壓時，氣流上升，容易擴散。溫度為正相關，溫度高整體上有利于擴散，雖然溫度高同時也有助于二次污染物的形成。降水量為正相關，降水有助于沖刷空氣中的污染物。

4.2 大氣擴散指數與混合層高度的關系

大氣邊界層中的空氣明顯地受地面摩擦或熱力作用的影響，因而在某個高度的穩定層下會出現顯著的垂直混合，造成混合層。大氣混合層高度與逆溫的形成和消散過程有密切關系，混合層底面對煙氣的向上擴散起著抑制作用，混合層高度的變化影響著大氣污染物的濃度分布，它是影響大氣擴散的一個重要因素。

通過計算2013年全年樣本中混合層高度與大氣擴散指數的相關性，得出兩者的相關系數高達0.92，且通過了0.01的顯著性檢驗，表明混合層高度與大氣擴散能力呈明顯正相關。這也充分印證了混合層高度是衡量大氣擴散能力的一個重要指標，混合層高度越高，大氣擴散能力越強，混合層高度越低，大氣擴散能力越弱。

5 結語

（1）2013年湖州大氣擴散指數的月變化較為明顯，3～5月和8月、10月大氣擴散指數較高，1月和11～12月較低，表明春、夏季大氣擴散能力較強，秋、冬季擴散能力較弱。

（2）AQI的變化與大氣擴散指數的變化基本趨于相反，兩者呈顯著負相關，說明大氣擴散能力的強弱直接影響著空氣質量的好壞。

（3）在決定大氣擴散能力強弱的氣象因子中，風速是最主要的，其次是降水量。排除風的影響，有降水情況下，降水量是大氣擴散能力決定性的因素，降水量越大，大氣擴散能力越強，降水量越小，大氣擴散能力越小；無降水情況下，決定大氣擴散能力的氣象因子較多，主要有相對濕度、氣壓和平均氣溫，大氣擴散指數與相對濕度和氣壓呈負相關，與平均氣溫呈正相關。

（4）混合層高度與大氣擴散指數有很高的正相關性，可以作為衡量大氣擴散能力的一個重要指標。

參考文獻：

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