2015～2016年福州市空氣污染氣象條件對比分析*

福建省氣象科學研究所 王 宏 鄭秋萍 陳彬彬 謝祖欣

2015～2016年福州市空氣污染氣象條件對比分析*

福建省氣象科學研究所 王 宏 鄭秋萍 陳彬彬 謝祖欣

利用2015～2016年福州市大氣常規污染物濃度監測數據以及氣象觀測資料，對比分析福州市空氣污染氣象條件狀況及其對空氣質量的影響。結果表明，2016年福州市空氣污染氣象條件好于2015年，特別是6～10月，受副熱帶高壓及其邊緣，臺風（熱帶輻合帶）及其外圍等天氣系統影響，空氣污染氣象條件基本維持在一級，大氣擴散條件極好，AQI等級優占95.4%，顆粒物濃度只有年平均值的70%～80%。2016年全市有利于擴散的天氣形勢占72.4%，較上一年度增加32d，區域污染輸送減少5d，非常不利于擴散的天氣形勢明顯減少；全年平均風速2.3m/s，較上一年度增加4.5%；小風日數33d，減少8.3%；大風日數37d，增加5.7%；年總降水量2263.6mm，增加27.3%。從年均值分析看，2016年福州市空氣污染氣象條件較2015年明顯改善，但對于不同的月份，不同的天氣過程，空氣污染氣象條件變化的情況應具體分析，不同氣象條件對AQI（空氣質量指數）變化的貢獻也各不相同。

空氣污染 氣象條件 天氣形勢 風速 風頻 降水 福州市

0 引言

空氣污染氣象條件是指從氣象學角度出發判別氣象因子對于大氣污染物的稀釋、擴散、清除等能力的強弱。空氣污染氣象條件潛勢預報是環境氣象業務的重要組成部分，是預測空氣質量變化、霾天氣發生發展、重污染天氣生消的重要指標。在人類活動日益增多的影響下，區域內的人口、交通、城市布局、能源消費等均發生了顯著變化，導致大氣環境污染問題日益突出；就空氣質量而言，除了基礎污染物濃度，外來污染源影響以及化學反應下二次污染物生成等綜合影響，氣象條件的影響尤為重要，大氣擴散條件的好壞直接影響了空氣質量的好壞。有研究表明[1]，在相對清潔的地區，在大氣環境容量允許的范圍內，氣象條件對空氣質量影響的貢獻率在80%～90%，空氣質量變化主要取決于氣象條件的變化，不利的氣象條件可加重源排放致污效果，形成空氣污染。王繼志等基于北京PM2.5特性和凝結函數fc、濕相當位溫θe及氣象條件適應加權參數?等敏感氣象條件參數分析，發展了描述和診斷天氣條件與空氣質量的PLAM (Parameters Linking Air quality and Meteorology)指數方法[2]；鄧雪嬌等通過邊界層觀測試驗，詳細分析了對廣州地區典型清潔與污染過程有重大影響的大氣湍流與物質交換特征，研究表明不利于污染物平流與擴散的氣象條件降低一半，導致污染物的累積可達3～6倍[3]；楊元琴等分析夏季奧運會歷史同期與高污染過程關系密切的敏感氣象要素和變量，引入適應度函數分級方法，建立北京夏季空氣質量氣象條件參數預報模型，取得了良好的預報效果[4]；周明煜等研究表明，北京城市大氣氣溶膠濃度與邊界層大氣湍流擴散之間存在顯著的關系等[5]。

本文利用常規氣象觀測資料和大氣環境監測資料，對比分析了2015～2016年福州市空氣污染條件對空氣質量的綜合影響，從大氣環流背景（有利于擴散的天氣形勢、不利于擴散的天氣形勢）、水平擴散輸送（風速、風頻）、垂直湍流交換（層結穩定度）、稀釋清除作用（臺風、降水）等方面開展，并針對不同的月份、不同的天氣過程研究空氣污染氣象條件變化的主要貢獻來源。

1 資料分析與處理

1.1 氣象觀測資料處理

利用2015～2016年福州（58847）站氣象常規觀測小時資料，計算20～20時的平均風速、小風日數、靜風頻率、大風頻率、日降水量、相對濕度、能見度等；通過08時福州探空站大氣層結剖面圖分析925hPa及以下大氣層結穩定度、逆溫層等；利用地面、850hPa和500hPa高空08時、20時大氣環流背景及其演變趨勢，開展天氣形勢歸類分析，將其分為有利于擴散的天氣形勢和不利于擴散的天氣形勢[5]。

1.2 環境監測資料處理

將2015～2016年福州市5個環境國控城市站點（剔除鼓山對照點）PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO等6種污染物小時濃度資料，計算20～20時不同污染物日平均濃度值，O3日濃度值為各站點8h滑動平均最大值的全市平均。

2 空氣質量狀況對比

2.1 概況

2.2 PM2.5優良率比較

由于細顆粒物PM2.5是福州大氣6種常規污染物中最重要的代表，也是最主要的首要污染物，因此文中用PM2.5濃度代表空氣質量的總體狀況。2016年PM2.5空氣質量分指數（IAQIPM2.5）有270d（73.8%）等級優；91d（24.8%）等級為良，優良率98.6%，較去年升高0.5個百分點；超標（日均值>75μg/m3）共5d，有4次發生在1月，1次發生在4月，年平均超標率1.4%，均為輕度污染，沒有出現中度及以上污染天氣。

2.3 月濃度比較

2016年總體空氣質量好于2015年，只有3月、11月和12月空氣質量較2015年同期差（見圖1），PM2.5濃度分別高出同期18.8%、17.9%和29.5%。1～2月以及6～10月份均好于2015年同期水平，PM2.5濃度下降了4.9%～32.4%，特別是1月和10月比2015年同期空氣質量狀況改善明顯，分別下降了29.5%和32.4%。

圖1 2015～2016年福州市PM2.5月平均濃度值

3 空氣染污氣象條件對比

3.1 大氣環流背景對比分析

根據福州天氣形勢分型與大氣污染物相關分析[6]，有利于擴散的天氣形勢主要有冷高壓脊（排除區域輸送）、高壓底部、低渦切變（高空槽）、副熱帶高壓及其邊緣、臺風（熱帶輻合帶）及其外圍；不利于擴散的天氣形勢有高壓后部、鋒前暖區、地面倒槽、均壓場及其他（包含臺風外圍烈的下沉氣流造成污染，冷高壓偏北氣流引起的區域污染輸送等）。

表1是2015～2016年福州市天氣形勢類型及天數分布，從中可見，2016年有利于擴散的天氣形勢有265d，占72.4%，比2015年多32d，主要為高壓底部、副熱帶高壓及其邊緣，臺風（熱帶輻合帶）及其外圍等天氣系統增加，且主要集中在6～10月，這期間福州空氣污染氣象條件基本維持在一級，大氣擴散條件極好，AQI等級優的天數占95.4%，顆粒物濃度只有年平均值的70%～80%。而且與2015年相比，2016年福州受區域污染輸送影響減少5d，不利于擴散的天氣形勢減少23.5%；綜上可得，2016年福州市大氣環流背景總體上較2015年更有利于大氣污染物的擴散和清除，有利于空氣質量的改善。

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表1 2015～2016年福州市天氣形勢類型及天數

3.2 水平擴散能力對比分析

（1）2016年全年平均風速2.3m/s，較上一年度增加4.5%，水平擴散能力有所增強。

（2）小風日數（日平均風速≤1.5m/s）33d，比2015年減少8.3%，其中81.8%的小風日集中發生在1～5月，1月份最多，其次是3月份，期間大氣水平擴散能力全年最差，顆粒物濃度是年平均值的1.2～1.3倍，小風時的主導風向為SW、SE；靜風（日平均風速≤0.5m/s）頻率為0.3%；可見，福州市風速總體是比較有利于水平輸送的，靜風和小風日數不足全年的10%。

（3）大風日數（日平均風速＞3.0m/s）37d，較上一年度增加5.7%，主要集中在7月、9月臺風（熱帶輻合帶）及其外圍的大風，對有水平擴散能力的增強有顯著貢獻，大風時的主導風向為E、NE。

需要說明的是，分析全年的平均風速變化，只是定性描述了大氣水平擴散能力的“大概率”狀況，但實際決定大氣水平擴散能力強弱的不僅是風速的大小和風向的不同，更重要的是風場的輻合與輻散強度，在空氣質量數值預報模式的公式里其實沒有風速這個因子，有的是風速輻合與風速輻散的因子，風速輻合有利于污染物堆積，弱的上升運動會阻礙高層清潔的空氣下沉，導致污染物濃度升高；風速輻散有利于污染物向高層擴散，也有利于污染物的稀釋和清除。所以常規認為風速增大對降低污染物濃度有良好的作用，其實這是并不完全正確的觀點，只是一個大概率事件。

3.3 垂直交換能力對比分析

通過分析08時V-3θ大氣垂直結構，重點分析925hPa及以下大氣層結穩定度、逆溫層以及相對濕度大小，選擇對比分析冬季和春季（1～5月、11～12月）污染物平均濃度較高的月份，排除降水。

（1）2016年1～5月，925hPa及以下大氣層結不穩定性高于2015年，垂直交換能力總體較強，垂直交換系數主要表征垂直方向湍流交換的劇烈程度，計算公式如下：

其中K、SI、LI分別為K指數、沙氏指數SI、抬升指數LI。

（2）2016年11～12月，925hPa及以下大氣層結穩定度高于2015年、逆溫頻率有所上升，垂直交換能力下降22%，靜穩天氣比較多，特別是11月份，空氣污染氣象條件較差出現了3次因靜穩天氣導致的污染過程。

但對于垂直交換能力的分析，往往很難得到“常規認知”的結果，因為在眾多影響大氣擴散能力的因素中，能促進湍流發展的，都將是增強擴散能力的有利條件，而抑制湍流發展的，都將是削弱擴散能力的不利條件。但是，由于各種因素之間存在相互作用，使情況變得更加復雜，有時一種有利條件的增強會削弱另一種有利條件的作用，使兩者相互作用的最終結果并不一定有利于擴散能力的增強。

3.4 降水清除能力對比分析

2016年登陸和影響福建省的臺風偏多偏強、致災重，臺風“尼伯特”、“莫蘭蒂”、“鲇魚”等造成的暴雨范圍之廣和雨勢之強歷史罕見，其次是暴雨洪澇災害嚴重，全年降水量2263.6mm，異常偏多，比2015年增加27.3%，大氣的清除能力明顯強。

自然降水對空氣污染物能起到清除和沖刷作用，對降低污染物濃度有一定效果，特別是在降水發生的后期；在降水作用下，大氣中的一些氣體污染物能夠溶解在水中，降低空氣中氣體污染物的濃度，較大的降水對空氣污染粉塵顆粒也起著有效的清除作用，也可在一定程度上抑制地面揚塵發生，但是較小的降水，特別是暖區降水，有時降水量也很大卻造成細顆粒物吸濕性增長，導致大氣能見度迅速降低，形成強雨霧、濃霧后，大氣層結更加穩定，污染物濃度明顯上升或造成污染物濃度虛高現象、倒掛現象。相對濕度與污染物的關系也有類似規律，在暖區，濕度越大，會造成細顆粒物吸濕性增長，導致污染物濃度上升。

比如，2016年3月和11月，降水量較2015年同期增長230%和65.7%，但PM2.5濃度值卻升高了18.8%和17.8%。其中3月份比較有代表性，2016年3月份有17d出現降水（日降水量≥0.0mm），總降水量132.5mm，降水量區間在0.0～35.5mm，降水量小于7mm的有13d，其中10d降水對污染物的清除作用不明顯，顆粒物吸濕性增長導致污染物濃度不降反升，導致3月的PM2.5濃度全年最高。2016年11月有16d出現降水，總降水量100.6mm，降水量較小的（5mm以下）共11d，其中有5d，PM2.5日均濃度較高在32～60μg/m3之間，與3月不同的是，11月的降水多為冷空氣主導下的降水，即使降水強度較弱，但隨著氣溫降低，相對濕度下降，污染物濃度都會迅速降低。

4 結果與討論

（1）2016年福州市空氣質量較2015年明顯改善，作為一個相對清潔的區域，空氣污染氣象條件的改善對空氣質量的提升貢獻率是非常大的。

（2）2016年福州市有利于擴散的天氣形勢增加了13.7%，區域輸送導致的污染日數明顯下降；全年風速有所增加，降水量明顯增加，冬春季節大氣垂直交換能力有所增強，以上對空氣污染氣象條件中水平擴散、垂直湍流交換和大氣的清除作用有直接貢獻，提升了福州市空氣污染氣象條件等級。

（3）有關與空氣污染氣象條件的研究是非常復雜的，它涉及的邊界層氣象學是環境氣象學科皇冠上的明珠，存在很多科學難題需要解決。

在人類、動植物共同生存的近地層，影響大氣污染物濃度變化的因子相當復雜，本文得出的結論較淺顯，或者是常識中的大概率事件。

[1] 張人禾,李強,張若楠.2013年1月中國東部持續性強霧霾天氣產生的氣象條件分析[J].中國科學:地球科學，2014，44（1）:27–36.

[2] 王繼志,楊元琴,李怡,等.北京PM2.5濃度變化的氣象條件PLAM指數診斷和預測研究[C]. 中國氣象學會年會論文集, 2012.

[3] 鄧雪嬌,李菲,吳兌,等.廣州地區典型清潔過程與污染過程的大氣湍流與物質交換特征[J].中國環境科學,2011,31(9):1424-1430.

[4] 楊元琴,王繼志,侯青,等.北京夏季空氣質量的氣象指數預報[J].應用氣象學報,2009,20(6):649-655.

[5] 周明煜,姚文清,徐祥德,等.北京城市大氣邊界層低層垂直動力和熱力特征及其與污染物濃度關系的研究[J].中國科學D輯:地球科學,2005,35(增刊I):20-30.

[6] 王宏,林長城,隋平,等.福州天氣形勢分型與大氣污染物相關分析[J].氣象與環境學報,2008,24(6):7-11.

[7] 廖碧婷，吳兌，陳靜，等.灰霾天氣變化特征及垂直交換系數的預報應用[J].熱帶氣象學報，2012，28(3):417-424.

福建省氣象局開放式科學基金（2014K04）、國家自然科學基金（海峽兩岸科技合作聯合基金）（U1405235）共同資助。