2017年陜西氣象條件對大氣環(huán)境質(zhì)量影響分析

張 俠，胡 琳，王 琦，杜怡心

(陜西省氣候中心,西安 710014)

近年來，城市大氣環(huán)境污染問題日趨嚴重，霾天氣現(xiàn)象增多[1]，嚴重威脅著社會可持續(xù)發(fā)展和人們身體健康。對大氣環(huán)境污染的特征及氣象條件影響因素的研究，一直是眾多學者關(guān)心的焦點問題。在大氣污染排放源穩(wěn)定的前提下，氣象條件是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的一個主要因素。國內(nèi)外開展了大量氣象條件對大氣環(huán)境質(zhì)量影響的研究工作，如David等[2]研究了氣象因素對PM2.5質(zhì)量濃度的影響，結(jié)果表明溫度低于0 ℃，相對濕度大于50%，風速為輕風時PM2.5質(zhì)量濃度較大；寧海文等[3]分析了西安市大氣污染特征與氣象條件的關(guān)系，結(jié)果表明污染物質(zhì)量濃度與氣象條件密切相關(guān) ,但在不同的季節(jié)與污染物相關(guān)緊密的氣象要素不同；鄧霞君等[4]對空氣污染指數(shù)API與氣象要素的相關(guān)性進行分析時指出，降水和風對空氣污染的凈化作用明顯；陳摯秋等[5]對2014年重慶市大氣污染物濃度變化特征及其與氣象條件的關(guān)系研究表明，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與相對濕度、氣壓正相關(guān)，與降水量、風速、氣溫和日照負相關(guān)；馬曉華等[6]對關(guān)中地區(qū)一次霾天氣過程分析表明，逆溫層持續(xù)存在、風速偏小、大氣混合層高度持續(xù)低是霾天氣持續(xù)的重要原因。陜西省由于地理位置特殊，地勢南北高，中部低。境內(nèi)氣候差異很大，復雜多樣的地形地貌及氣候特點使得大氣污染形成機理極為復雜。特別是關(guān)中地區(qū)冬季霾現(xiàn)象尤其嚴重，2017年3月陜西省發(fā)布了《陜西省2017年鐵腕治霾“1+9”行動方案》。本研究通過詳細分析氣象條件對陜西省大氣環(huán)境質(zhì)量的影響，可為省政府治霾工作提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

2017年1月1日—7月31日陜西省十地市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI資料來源于中華人民共和國環(huán)保部網(wǎng)站，臭氧質(zhì)量濃度資料來源于陜西省空氣質(zhì)量實時發(fā)布系統(tǒng)網(wǎng)站；2017年1月1日—7月31日陜西省十地市風速、溫度、相對濕度、日照時數(shù)等數(shù)據(jù)來源于地面氣象臺站的氣象觀測資料。

采用常規(guī)統(tǒng)計分析方法，分析空氣質(zhì)量的時間變化特征，并分別分析冬春季和夏季空氣污染氣象條件特征。

2 環(huán)境空氣質(zhì)量概況

2017年1—7月，全省城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)在87～187 d之間(表1)。陜南城市空氣質(zhì)量最好，陜北次之，關(guān)中最差。商洛優(yōu)良天數(shù)最多，咸陽最少；西安、咸陽和渭南均出現(xiàn)了10 d以上的嚴重污染天氣，漢中和安康未出現(xiàn)嚴重污染天氣，其他城市嚴重污染天氣為3 d及以下。與2016年同期相比全省城市空氣質(zhì)量較差。2017年1—3月全省污染天氣首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，5—7月首要污染物為臭氧。

表1 2017-01-01—07-31全省各地市空氣質(zhì)量 d

2.1 霾出現(xiàn)次數(shù)及范圍

根據(jù)氣象資料統(tǒng)計：2017年1—7月全省共出現(xiàn)霾2 283站次，涉及96個區(qū)縣。從各月分布(表2)來看，1月最多出現(xiàn)霾955站次，涉及91個區(qū)縣，霾影響范圍最大且持續(xù)時間最長；其次為2月，共出現(xiàn)霾774站次，涉及87個區(qū)縣；3月開始霾影響范圍開始減少且持續(xù)時間和強度明顯減輕；4—7月霾天氣較少。1—3月霾主要出現(xiàn)在關(guān)中，其中寶雞最多出現(xiàn)53 d，西安、楊凌、潼關(guān)、寶雞、蒲城等地超過40 d。霾天氣過程期間關(guān)中大部分城市空氣質(zhì)量持續(xù)為嚴重污染等級。

表2 2017年全省霾出現(xiàn)次數(shù)及范圍

2.2 5—7月臭氧污染基本特征

2017年5—7月全省平均臭氧超標日數(shù)共29 d，較上年同期增加9 d(表3)，主要分布在陜北和關(guān)中。關(guān)中污染最重，咸陽、西安臭氧超標日分別為54 d和48 d，遠大于上年同期的36 d和26 d；榆林出現(xiàn)44 d，較上年增加21 d。臭氧超標日主要出現(xiàn)在6月和7月。

表3 2016年、2017年全省各市5—7月臭氧超標日數(shù)對比 d

3 1—3月污染氣象條件分析

3.1 風速

由表4 可看出，2017年1—3月全省平均風速較上年同期偏小，小風日數(shù)較上年同期略增多，其中關(guān)中增多1～11 d，陜北增多1～4 d，陜南增多0～3 d。1—3月全省各市平均風速均在3.0 m/s以下且小風頻率較高，空氣流動緩慢，近地面形成的各種污染物不易向外水平擴散，造成了污染物不斷積聚，使污染天氣得以長時間維持。

2017年1—3月，全省共出現(xiàn)4次中等以上強度冷空氣活動，較上年同期明顯偏少，分別為1月19—20日、1月29—31日、2月20—21日和3月10—13日(表5)。其中2月的冷空氣過程為入冬以來最強的一次。20日涇河站24 h降溫2.1 ℃，48 h降溫10.1 ℃；安康站24 h降溫2.7 ℃，48 h降溫9.6 ℃；延安站24 h降溫6.2 ℃，48 h降溫11.8 ℃。全省空氣質(zhì)量得到明顯改善。

1—3月，全省冷空氣活動較上年同期減少3次，強度偏弱不利于污染物擴散。

表4 2016年、2017年1—3月全省各市平均風速和小風日數(shù)

表5 2016年、2017年1—3月全省冷空氣活動情況

3.2 混合層高度

混合層高度表征污染物在垂直方向被輸送擴散所能達到的高度，是反映污染物在垂直方向擴散能力的重要參數(shù)[7]。表6為全省主要站點2017年和2016年1—3月平均混合層高度，由表6可見，除榆林和鳳翔站外，其余站點2017年混合層高度與上年同期相比均有所降低。1—3月全省平均混合層高度為898 m，與上年同期相比降低22 m。混合層高度偏低，大氣垂直擴散能力較差。1月1—4日持續(xù)大范圍霾天氣過程期間，西安、咸陽、渭南空氣質(zhì)量持續(xù)為嚴重污染等級，1—4日西安平均混合層高度僅為413 m，4日西安AQI指數(shù)高達484，混合層厚度僅為260 m。

表6 2017年、2016年陜西1—3月平均混合層高度 m

4 5—7月污染氣象條件分析

4.1 氣溫

相對于2016年，2017年 5—7月關(guān)中和陜北氣溫有較大升高。平均最高氣溫榆林升高2.1 ℃，西安升高1.8 ℃。日最高氣溫大于30 ℃和大于35 ℃日數(shù)也明顯增多。大于30 ℃日數(shù)，榆林增多最明顯，為23 d；其次為延安和西安，分別為13 d和8 d。大于35 ℃日數(shù)，渭南增多最明顯，為12 d；其次為西安和銅川，分別為11 d和10 d。榆林、西安、咸陽、渭南和銅川氣溫增幅較大與臭氧超標日數(shù)增加趨勢一致。

臭氧平均質(zhì)量濃度和臭氧超標率基本隨日平均氣溫、日最高氣溫升高而升高(圖1)。西安和咸陽當日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃時，臭氧平均質(zhì)量濃度超過200 μg/m3，超標率超過80%；而當日平均氣溫≤20 ℃或日最高氣溫≤25 ℃時，未出現(xiàn)臭氧超標。渭南當日平均氣溫在25～30 ℃或日最高氣溫在30～35 ℃時，臭氧超標率超過60%；日平均氣溫≤15 ℃或日最高氣溫≤17 ℃時，未出現(xiàn)臭氧超標。分析表明臭氧質(zhì)量濃度與高溫顯著正相關(guān)。

圖1 西安2017年5—7月臭氧質(zhì)量濃度和日最高氣溫逐日變化曲線

4.2 日照

根據(jù)臭氧質(zhì)量濃度資料和日照時數(shù)資料統(tǒng)計分析，臭氧超標日與非超標日日照時數(shù)存在顯著差異，超標日和非超標日差異在40%。日照時數(shù)≥6 h時，各市臭氧平均質(zhì)量濃度和臭氧超標率均較高，日照時數(shù)≥10 h時臭氧超標率最高，日照時數(shù)<2 h時，臭氧超標率小于15%。關(guān)中地區(qū)咸陽和渭南日照時數(shù)在8～10 h時臭氧超標率最高，臭氧平均質(zhì)量濃度超過160 μg/m3；西安、寶雞和銅川日照時數(shù)≥10 h時臭氧超標率最高，臭氧平均質(zhì)量濃度超過140 μg/m3。

4.3 相對濕度

2017年5—7月，陜北和關(guān)中平均相對濕度較上年同期有較大幅度降低，其中榆林降幅達18.7%，渭南次之降幅為14.9%。陜南降幅較小(圖2)。西安、咸陽、渭南和銅川臭氧超標日平均相對濕度較非超標日均有近20%的降幅。2017年5—7月關(guān)中城市臭氧平均質(zhì)量濃度和臭氧超標率隨日平均相對濕度的升高而降低。當相對濕度<60.0%時，臭氧平均質(zhì)量濃度在140 μg/m3以上；當相對濕度≥70.0%時，臭氧超標率明顯降低；而當相對濕度≥80.0%時，各市均未出現(xiàn)臭氧超標。由于大氣中的水汽影響太陽紫外輻射從而減緩光化學反應(yīng)，且高濕度是形成濕清除的重要指標，因此高濕條件不利于臭氧的積累。

圖2 2017年、2016年5—7月全省各市平均相對濕度

5 結(jié)論

(1)2017年1—7月全省城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)在87～187 d之間，與2016年同期相比空氣質(zhì)量較差。其中1—3月和5—7月大氣污染比較嚴重，主要出現(xiàn)在關(guān)中。1—3月全省首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，關(guān)中大部分城市出現(xiàn)超過40 d的霾天氣。霾天氣過程期間空氣質(zhì)量持續(xù)為嚴重污染等級。5—7月首要污染物為臭氧，全省平均臭氧超標日數(shù)共29 d，較上年同期增加9 d。

(2)1—3月全省各市平均風速均在3.0 m/s以下且小風頻率較高；全省冷空氣活動較上年同期減少3次且強度偏弱；全省平均混合層高度與上年同期相比降低22 m。平均風速小，小風日數(shù)增多，冷空氣活動次數(shù)減少且強度偏弱，混合層高度偏低，是顆粒物污染過程增多的主要因素。

(3)5—7月關(guān)中和陜北氣溫較上年同期有較大升高，臭氧質(zhì)量濃度與高溫顯著正相關(guān)，當日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃時，臭氧顯著超標。臭氧質(zhì)量濃度隨日照時數(shù)增加而升高，日照時數(shù)≥6 h時，各市臭氧平均質(zhì)量濃度均較高，日照時數(shù)≥10 h時臭氧超標率最高。臭氧質(zhì)量濃度隨日平均相對濕度的升高而降低，當相對濕度<60.0%時，臭氧平均質(zhì)量濃度超過140 μg/m3；當相對濕度≥70.0%時，臭氧超標率明顯降低。氣溫偏高，日照充足，濕度減小是造成臭氧超標日增多的主要因素。

[1] 宋連春,高榮,李瑩,等.1961—2012年中國冬半年霾日數(shù)的變化特征及氣候成因分析[J].氣候變化研究進展,2013,9(5)：313-318.

[2] WHITEMAN C D，HOCH S W，HOREL J D，et al.Relationship between particulate air pollution and meteorological variables in Utah's Salt Lake Valley[J].Atmospheric Environment，2014，94：742-753.

[3] 寧海文,吳息.西安市區(qū)大氣污染時空變化特征及其與氣象條件關(guān)系[J].陜西氣象,2005(2)：17-20.

[4] 鄧霞君,廖良清.胡桂萍.近10年中國主要城市空氣API及與氣象因子相關(guān)性分析[J].環(huán)境科學與技術(shù),2013,36(9)：70-80.

[5] 陳摯秋,王建力.楊平恒.2014年重慶市大氣污染物濃度變化特征及其與氣象條件的關(guān)系[J].西南大學學報(自然科學版),2016,38(10)：147-153.

[6] 馬曉華,黃少妮,張科翔,等.關(guān)中地區(qū)一次霾天氣過程分析[J].陜西氣象,2017(4)：10-13.

[7] 王琦,張俠,張文靜.MM5/CALMET系統(tǒng)對陜西大氣穩(wěn)定度的模擬[J].陜西氣象,2017(5)：23-26.