基于大氣污染預(yù)測模式的氣象參數(shù)分析與應(yīng)用

黃高平 殷偉偉 張明明

摘要：結(jié)合大氣環(huán)評預(yù)測模式要求，闡述了氣象資料應(yīng)用的意義，在分析了氣象參數(shù)與大氣環(huán)境污染關(guān)系的基礎(chǔ)上，詳細闡明了AERMOD模式氣象預(yù)處理中地面風(fēng)場的作用；針對常規(guī)氣象要素不同觀測周期的問題，分析了不同觀測年限統(tǒng)計數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果的影響；并采用實際案例進行預(yù)測分析，提出了建議，使氣象參數(shù)更為真實地反映評價區(qū)的氣象現(xiàn)狀，其預(yù)測的結(jié)果更加符合評價區(qū)大氣擴散的實際情況。

關(guān)鍵詞：預(yù)測模式；氣象參數(shù)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計；分析應(yīng)用

中圖分類號：X831

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10005604

1 引言

在建設(shè)項目的環(huán)境影響評價中，大氣環(huán)境影響預(yù)測是大氣環(huán)境影響評價的重要內(nèi)容。根據(jù)環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則《大氣環(huán)境》（HJ 2.2-2008）的相關(guān)要求，對于各級評價項目，均應(yīng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)20年以上的主要氣象資料，對于評價工作等級為二級以上的建設(shè)項目，需要采用進一步預(yù)測模式進行預(yù)測[1]，在運行預(yù)測模式前還應(yīng)對輸入的氣象資料進行預(yù)處理，因此，氣象資料作為預(yù)測模式的輸入?yún)?shù)對于大氣環(huán)境影響評價來說是不可缺少的科學(xué)依據(jù)之一。

廣義的氣象參數(shù)是影響其他事物發(fā)展變化的氣象原因或條件，它可以是某一種氣象要素或是其變化，也可以是多種氣象要素的綜合或變化。根據(jù)多年與大氣環(huán)評單位合作經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，氣象參數(shù)的統(tǒng)計和應(yīng)用對大氣環(huán)境影響預(yù)測的結(jié)果會出現(xiàn)一定的偏差。為此，采用項目案例就大氣環(huán)評預(yù)測中氣象資料的統(tǒng)計及氣象參數(shù)的應(yīng)用進行分析和探討，從而得出完善大氣環(huán)境影響評價結(jié)果的建議。

2 項目及預(yù)測模式基本情況

2.1 項目概述

案例選用池州市生活垃圾焚燒發(fā)電項目，項目所在地位于池州市城區(qū)外圍西南約13 km處，廠界四周目前均為林地，廠界周邊500 m范圍內(nèi)無居民居住點、學(xué)校、醫(yī)院等敏感點。

根據(jù)工程分析，項目大氣預(yù)測的預(yù)測因子為SO2、PM10、HCl、NO2、CO、二噁英類、H2S和NH3，總量控制因子為SO2、NOx。項目大氣環(huán)境影響評價等級為二級，評價預(yù)測模式采用環(huán)評中較普遍使用的AERMOD模式系統(tǒng)，評價范圍以項目鍋爐煙囪為中心點，東西向長6 km、南北向長6 km的正方形區(qū)域。

2.2 模式運行所需基本氣象參數(shù)

AERMOD 運行需要兩個基本的氣象數(shù)據(jù)文件：地面氣象數(shù)據(jù)文件及探空廓線數(shù)據(jù)文件。地面氣象參數(shù)至少包括氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、云量4種氣象要素資料。由于項目與位于池州市城區(qū)內(nèi)的氣象站水平距離不超過20 km，池州氣象站作為距離項目最近的地面氣象觀測站，滿足大氣導(dǎo)則中評價范圍小于50 km的條件，氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速氣象參數(shù)可直接采用池州氣象站觀測的地面氣象資料。鑒于自2014年1月1日起，國家一般氣象站取消了云量觀測及池州當(dāng)?shù)貨]有高空氣象探測站，故云量資料和高空氣象探測資料采用從國家環(huán)保部環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室數(shù)據(jù)服務(wù)平臺上獲取的數(shù)據(jù)。

3 氣象參數(shù)分析與統(tǒng)計

3.1 氣溫

氣象部門所說的氣溫是指空氣的溫度。氣溫是決定煙氣抬升的一個因素[2]，是影響大氣污染基本的氣象參數(shù)之一。氣溫的垂直分布決定著大氣的穩(wěn)定度，大氣的穩(wěn)定程度又影響著對流層湍流的強度[3]。一般說來，在對流層中，氣溫分布的規(guī)律是隨著高度的增加而遞減，大約為每升高100 m，氣溫下降0.6℃，因此，近地層氣溫較能近似反映標準大氣環(huán)境下垂直大氣溫度的基本情況。事實上，有時大氣出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，氣溫分布與正常情況相反，形成逆溫層[3]。當(dāng)逆溫層出現(xiàn)時，阻礙煙流向上和向下擴散，使得污染物稀釋能力減慢，在空中停留的時間較長。由此可見，在污染物擴散計算中，低空溫度廓線數(shù)據(jù)顯得尤為重要。

目前，一般地面氣象觀測站沒有低空溫度廓線這類資料，模式中通常是根據(jù)各種其他參數(shù)間接估計得到的。因此，對于溫度參數(shù)，在常規(guī)地面氣象資料分析過程中，僅需統(tǒng)計長期地面氣象資料中每月平均氣溫的變化情況。該例的氣溫參數(shù)采用池州市地面氣象觀測站近20年（1996～2015年）的氣象資料統(tǒng)計，見表1。

3.2 風(fēng)向和風(fēng)向頻率

氣象上把風(fēng)吹來的方向確定為風(fēng)的方向。風(fēng)向決定著污染物輸送的方向，其影響是第一位的。

風(fēng)向的測量單位，通常用16個方位來表示，也可用角度表示。為了表示某個方向的風(fēng)出現(xiàn)的頻率，通常用風(fēng)向頻率這個量，風(fēng)向頻率為某段時間內(nèi)某方向風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)占各方向風(fēng)出現(xiàn)的總次數(shù)的百分比。

每個風(fēng)向頻率計算出來后可以用風(fēng)向玫瑰圖來進行直觀的表達，它是根據(jù)多年平均統(tǒng)計的各個風(fēng)向并按一定比例繪制而得。由計算出來的風(fēng)向頻率或者從風(fēng)向玫瑰圖上，可以知道哪種風(fēng)向比較多，哪種風(fēng)向最少，出現(xiàn)較多的風(fēng)向稱之為主導(dǎo)風(fēng)向。在大氣環(huán)評中定義的主導(dǎo)風(fēng)向較為嚴格，認為主導(dǎo)風(fēng)向是指風(fēng)頻最大的風(fēng)向角的范圍，要求達到連續(xù)450左右，對于以16個方位角表示的風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向一般是指連續(xù)2～3個風(fēng)向角的范圍，其風(fēng)向角風(fēng)頻之和應(yīng)大于30%，且應(yīng)指出主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)有明顯的優(yōu)勢，否則可稱沒有主導(dǎo)風(fēng)向或主導(dǎo)風(fēng)向不明顯。

在氣象上，常見的統(tǒng)計風(fēng)向頻率一般為30年，也有統(tǒng)計近20年、10年、1年的，統(tǒng)計的時次有4次定時、24次定時等，取決于氣象站的觀測時次，由于不同觀測周期觀測的總次數(shù)不同，影響到統(tǒng)計風(fēng)向頻率的平均值[4]。

實際評價工作中，對于評價等級為二級的項目，導(dǎo)則中要求，氣象資料的調(diào)查年限為20年以上，但在預(yù)測模式中環(huán)評單位大多采用的資料年限為近3年內(nèi)的至少1年的統(tǒng)計資料，顯然，兩種年限時段不同，其統(tǒng)計值也不同。以池州市2015年全年的逐時風(fēng)向頻率平均值和1996～2015年20年的逐時風(fēng)向頻率平均值進行對比分析，見表2。

由表2可見，兩種不同觀測年限的風(fēng)向頻率有所差異，其不一致的主要表現(xiàn)在NE、ENE和E方位上，其頻率值相差達到6 %、 -4 %和-5 %，其余風(fēng)向頻率偏差不大，相差在3 %以下。這與池州氣象觀測站所處的地理位置及地形有關(guān)，也與池州市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)特征明顯等因素有關(guān)。

圖1是利用上述兩個不同觀測年限風(fēng)向資料統(tǒng)計繪制的風(fēng)向頻率玫瑰圖。從圖上更為直觀地顯示出各方位風(fēng)向頻率的差異， 除NE、ENE、E風(fēng)向外， 其他風(fēng)向頻率差別不大， 由此可以推斷出該區(qū)域內(nèi)近年來的主導(dǎo)風(fēng)向為NE，而較長年份的主導(dǎo)風(fēng)向為ENE。

風(fēng)向頻率相差比較明顯的原因，緣于1年時段觀測的平均風(fēng)向值隨機成分較大，而20年時段的觀測值反映了當(dāng)?shù)氐某Ｄ隊顟B(tài)， 較能準確地反映風(fēng)向的變化規(guī)律，資料的年代越長，其參數(shù)統(tǒng)計值就越真。因此，在大氣環(huán)評預(yù)測模式中，風(fēng)向取值應(yīng)盡量采用年限較長的統(tǒng)計資料，才能更為真實地反映當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。

3.3 風(fēng)速

風(fēng)速是指空氣在單位時間內(nèi)移動的水平距離（m/s），風(fēng)速越大，單位時間內(nèi)污染物被輸送的距離就越大，污染物的擴散稀釋能力就越強，污染物濃度就會越低；風(fēng)速越小，情況則相反[5]。因此，風(fēng)速的大小關(guān)系著從污染源排入大氣的污染物質(zhì)向下風(fēng)向傳輸?shù)木嚯x，是影響大氣環(huán)境預(yù)測結(jié)果的主要氣象參數(shù)。

從氣象臺站獲得的風(fēng)速資料一般有兩種表達方式，一種是有數(shù)值的，一種是用字母C（靜風(fēng)）表示的。通常風(fēng)速的統(tǒng)計需統(tǒng)計月平均風(fēng)速隨月份的變化和季小時平均風(fēng)速的變化，即對多年氣象資料的風(fēng)速按相同月份和不同季節(jié)每天同一時間進行平均，求得每月和不同季節(jié)逐時的平均風(fēng)速，見表3。

事實上，在進行污染物長期平均濃度的預(yù)測中，通常是使用一段時間內(nèi)風(fēng)向?qū)?yīng)的逐時平均風(fēng)速進行統(tǒng)計計算的。如同風(fēng)向資料統(tǒng)計一樣，氣象上，各風(fēng)向的逐時平均風(fēng)速也有不同年限的觀測統(tǒng)計值，如表4。

由表4可知， 1年時段觀測值比20年時段觀測值平均風(fēng)速高， 兩者相差在0.0 ～ 0.7 m/s 之間，其中NNE、NNW、NE方位的平均風(fēng)速差值較大，在0.5 m/s以上，其余方位的差值均在 0.4 m/s 以下。因此可見，不同觀測周期觀測的數(shù)據(jù)是有差異的，在進行平均風(fēng)速統(tǒng)計時，應(yīng)選取與風(fēng)向相同周期的資料，這樣才能保證其具有代表性。

此外，以表4與表2進行對比，或從圖2風(fēng)速玫瑰圖上，還可以看出，風(fēng)向頻率大的方位對應(yīng)的逐時平均風(fēng)速明顯大于其他方位對應(yīng)的平均風(fēng)速，NE、ENE作為主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)向頻率大，其對應(yīng)的平均風(fēng)速也相對大一些。

3.4 風(fēng)與污染系數(shù)

從上述風(fēng)向、風(fēng)速與空氣污染分析中，可以得出結(jié)論：污染物總是分布在風(fēng)的下風(fēng)向，風(fēng)向、風(fēng)速共同影響著污染物的擴散。當(dāng)有風(fēng)時，排放到大氣中的污染物將向下風(fēng)向輸送，而不會影響到上風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速增大時，單位時間內(nèi)污染物被輸送的距離就越遠，單位體積空氣中污染物的濃度就越低。因此，在空氣污染氣象學(xué)中，為了說明污染物和風(fēng)向、風(fēng)速之間的關(guān)系，常使用污染系數(shù)的概念，它是指風(fēng)向頻率和平均風(fēng)速的比值，

污染系數(shù)= 風(fēng)向頻率/平均風(fēng)速[6]

污染系數(shù)綜合了風(fēng)向、風(fēng)速的作用，某方位的風(fēng)向頻率大，風(fēng)速小，該方位的污染系數(shù)就大，說明其下風(fēng)向的空氣污染就重。所以，相對于接受體來說，污染源應(yīng)該設(shè)在污染系數(shù)最大方位的下側(cè)。

以該案氣象資料統(tǒng)計分析，風(fēng)向頻率大的方位風(fēng)速相對較大，空氣污染系數(shù)表現(xiàn)為NE、ENE方位明顯大于SW方位。因此，在項目規(guī)劃和設(shè)計工件中，考慮到氣象條件與空氣污染系數(shù)的關(guān)系，項目選址在城區(qū)的SW方位，即城區(qū)的下風(fēng)向方位，符合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。

4 預(yù)測應(yīng)用分析

根據(jù)預(yù)測模式要求，該案以項目評價區(qū)域內(nèi)的8個濃度分布嵌套網(wǎng)格點為預(yù)測點，對其在典型氣象條件下的逐時、逐日和長期氣象條件下的SO2小時濃度、日均濃度、年均濃度預(yù)測結(jié)果直方圖進行分析（圖3）。

圖3 各預(yù)測點SO2貢獻濃度預(yù)測結(jié)果

由圖3可知， 由于預(yù)測時段的不同，造成污染源對各環(huán)境敏感點的貢獻濃度值存在明顯的差異，具體表現(xiàn)為：區(qū)域小時貢獻濃度偏大，日均貢獻濃度次之，年均貢獻濃度偏小。從圖3中還可以看出，小時貢獻濃度除風(fēng)向上方偏小外，各預(yù)測點差異不大；日均貢獻濃度相差較大，位于項目下風(fēng)向區(qū)域的SW、S、W方位污染預(yù)測點濃度值明顯大于風(fēng)向上方的各預(yù)測點；而其年均貢獻濃度值整體偏小，這與污染源影響區(qū)域內(nèi)污染物隨風(fēng)擴散道理相一致。

5 結(jié)論及建議

在大氣環(huán)境影響評價過程中，運行預(yù)測模式需要輸入氣象數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在使用前必須進行統(tǒng)計分析。同一氣象參數(shù)不同年限、不同時次的統(tǒng)計結(jié)果存在一定的差異，從而一定程度上影響大氣污染預(yù)測的結(jié)果。因此，建議在進行大氣環(huán)境影響預(yù)測時，應(yīng)根據(jù)污染分析要求進行統(tǒng)計處理，保證使用的氣象資料準確性、科學(xué)性。同時，應(yīng)盡量選用評價項目所在地較長時段連續(xù)觀測的氣象資料，且資料的年代越長越好，其預(yù)測的結(jié)果才更符合評價區(qū)大氣擴散的實際情況。

風(fēng)向、風(fēng)速是預(yù)測模式的重要氣象參數(shù)，風(fēng)向指示污染物的去向和行蹤，風(fēng)速決定污染物的直接稀釋和輸送速率，因此，選擇廠址時要充分考慮污染源與環(huán)境保護區(qū)的位置和關(guān)系，由于污染物總是分布在風(fēng)的下風(fēng)向，首先考慮的應(yīng)是風(fēng)向，最簡單的方法是依據(jù)風(fēng)向頻率圖，確定當(dāng)?shù)氐某Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向。作為對大氣污染有影響的生活垃圾焚燒發(fā)電項目，工程選址在城市主導(dǎo)風(fēng)向的下方是符合大氣環(huán)境保護要求的。

參考文獻：

[1]

國家環(huán)保部.環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—大氣環(huán)境：HJ2.2-2008[S].北京：國家環(huán)保部，2008.

[2]國家環(huán)保部.環(huán)境影響評價技術(shù)方法：HJ/T2.2-93[S]. 北京：中國環(huán)境出版社， 1993.

[3]盛裴軒.大氣物理學(xué)[M].北京：氣象出版社，2003：166～169.

[4]中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院.基層臺站氣象數(shù)據(jù)分析與服務(wù)產(chǎn)品加工[M].北京：氣象出版社， 2016：69～74.

[5]蔣維楣.空氣污染氣象學(xué)教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，1993：9～13.

[6]李宗愷.空氣污染氣象學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，1985：532～534.