寧波北侖港區(qū)空氣質(zhì)量特征及污染空氣成因分析

俞科愛 董群 陳從夷 朱佳敏 陳磊

(1.寧波市北侖區(qū)氣象局,浙江 寧波 315826;2.民航寧波空管站氣象臺,浙江 寧波 315000;3.慈溪市氣象局,浙江 寧波 315300)

0 引 言

經(jīng)濟發(fā)展、地形地貌、氣候條件對城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-3]。隨著長三角經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的逐步加快，大氣環(huán)境污染已成為突出的環(huán)境問題，最明顯表現(xiàn)為城市能見度變差、霾日明顯增多、且程度加重、范圍擴大[4-5]，治氣已經(jīng)成為事關(guān)國計民生、事關(guān)可持續(xù)發(fā)展的突出問題之一。寧波北侖港位于長三角地區(qū)最東端，經(jīng)過30多年的開發(fā)建設，已成為能接卸化工、煤炭、鐵礦石、原油、集裝箱等17類近百個品種的國際樞紐綜合現(xiàn)代化深水大港，與世界100多個國家和地區(qū)的600多個港口有密切貿(mào)易往來，是全國擁有大型和特大型深水泊位最多的港口，2018年港域貨物吞吐量達5.8億 t。發(fā)達的港口物流、船舶運輸、臨港企業(yè)，使得空氣污染成因較為復雜。

風、湍流是決定污染物在大氣中稀釋擴散的最直接最本質(zhì)的因素。風速越大,湍流越強,污染物擴散速度越快,污染物濃度越低；大氣穩(wěn)定度影響大氣污染物的擴散能力。與大氣污染關(guān)系密切的氣象要素主要有氣溫、氣壓、空氣濕度、風、降水、日照等。趙敬國等認為西北風較東北風更有利于蘭州市污染物擴散[6]，溫度、風速和相對濕度是影響北京空氣質(zhì)量的主要氣象因素[7]，秋冬季重度霾發(fā)生時主要氣象條件是貼地逆溫和地面4m/s以下的風速[8]。郁珍艷等認為浙江省大氣自凈能力春夏季沿海地區(qū)小、內(nèi)陸大，風速較小、風向轉(zhuǎn)西北風時杭嘉湖、寧紹等易出現(xiàn)中度及以上污染空氣[9]。在浙江省開展空氣污染與氣象條件的關(guān)系研究總體還較少。浙江省經(jīng)濟增速快、地形復雜，空氣質(zhì)量狀況和變化各地差異較大。本文運用2016—2018年資料，統(tǒng)計分析寧波北侖港空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系，為空氣污染防治提供科學依據(jù)。

1 空氣質(zhì)量特征

1.1 空氣質(zhì)量等級

2016—2018年北侖區(qū)空氣質(zhì)量總體呈逐年轉(zhuǎn)好趨勢，優(yōu)良空氣明顯增加，中度到重度污染天氣偶有發(fā)生，沒有出現(xiàn)嚴重污染天氣。這3 a空氣質(zhì)量優(yōu)良率分別92.5%、93.9%、95.2%，輕度污染53 d，中度污染5 d、重度污染2 d，日均最大AQI為280。統(tǒng)計表明，北侖區(qū)空氣質(zhì)量呈現(xiàn)夏季好、春季次之、秋冬季最差的明顯季節(jié)特征，圖1可見，7月AQI最低僅40，12月最高為99，其中，4月和7—9月空氣質(zhì)量優(yōu)良率達100%，11—12月和1—2月出現(xiàn)污染空氣概率81.1%，中度和重度污染空氣出現(xiàn)1—2月。首要污染物主要是NO2，占53.6%，絕大多數(shù)出現(xiàn)在空氣質(zhì)量為良的日期；其次是PM2.5，占23.4%，主要出現(xiàn)在空氣質(zhì)量為輕度污染-重度污染的日期；再次是PM10，占22.8%，主要出現(xiàn)在空氣質(zhì)量為良的日期。一般來說，11—12月和1—2月首要污染物是PM2.5的概率較大，2—5月和10月首要污染物是PM10概率較大，2月和8月首要污染物是NO2的可能性較小。

圖1 2016—2018年北侖區(qū)空氣質(zhì)量等級日數(shù)月分布

AQI日變化特征在各個季節(jié)并不完全相同，見圖2。首先，冬夏季日變化較明顯，AQI最大振幅約10，而春秋季則僅5；其次，冬夏季日變化雖均為雙峰雙谷型變化，但基本呈反位相變化，冬季為后半夜上升、前半夜降低，上午上升、下午降低的日變化特征，即冬季凌晨(3—4時)和傍晚前后(17時)較低，中午(11時)和夜間(21時—1時)較大，而夏季則是后半夜下降、前半夜上升，白天先降(8—10時為谷值)后升(14—15時為峰值)，之后再緩慢降低的日變化特征。

圖2 2016—2018的北侖區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)日分布

1.2 3類污染物濃度

北侖區(qū)SO2、NO2、PM2.5濃度整體呈下降趨勢，但波動較大，年平均濃度分別為12.8、42.4、36.3 μg/m3。污染物濃度具有明顯時間變化特征(圖略)，即夏季最低、秋季略高、春冬季最高，1月SO2濃度達到最高17.0 μg/m3，8月降到最低8.4 μg/m3；12月NO2和PM2.5濃度達到最高59.0 μg/m3，55.9 μg/m3，8月降到最低22.3 μg/m3、22.9 μg/m3。三類污染物濃度日變化不相同，NO2變化振幅明顯大于PM2.5，具體為SO2單峰單谷型，先升后降，峰值出現(xiàn)在中午12時，谷值在半夜24時；NO2和PM2.5為雙峰雙谷型，峰值出現(xiàn)在9—11時、20—22時，谷值在3—5時、16時。

1.3 對比統(tǒng)計

北侖區(qū)與寧波市3類污染物濃度基本呈相同變化特征，即年變化總體呈下降趨勢，但北侖區(qū)波動略大。SO2、NO2比寧波市偏高0.3 μg/m3、3.0 μg/m3，PM2.5比寧波市偏低5.1 μg/m3。季節(jié)變化趨勢對比表明(圖略)，兩地均表現(xiàn)為夏秋季濃度較低、春冬季較高，但北侖區(qū)SO2、NO2濃度偏高主要出現(xiàn)在上半年，特別是春季，寧波市區(qū)PM2.5偏高則在秋冬季，12月最高；污染物濃度日變化兩地則基本一致。

2 污染成因分析

2.1 空氣質(zhì)量等級與氣象要素的統(tǒng)計關(guān)系

表1為2016—2018年北侖區(qū)的日平均風速、溫度、露點溫度、氣壓、相對濕度、能見度、平均水汽壓、雨量等8個氣象因子與AQI的相關(guān)分析，統(tǒng)計表明：風速是各季AQI相關(guān)性最大的要素，呈負相關(guān)，即風速越大AQI越小，但其他氣象要素與各季AQI相關(guān)性并不一致，秋季雨量、平均氣溫、露點溫度、水汽壓和氣壓均對AQI存在較明顯的相關(guān)性，與平均氣溫負相關(guān)系數(shù)最高-0.498，說明氣象要素對秋季AQI影響最復雜，其中氣溫變化是主要因素之一；冬季能見度與AQI相關(guān)性最高。另外，秋冬季的降水與空氣質(zhì)量的呈負相關(guān)性明顯于春夏季。

表1 2016—2018年北侖區(qū)氣象要素與空氣質(zhì)量指數(shù)相關(guān)統(tǒng)計表

備注：**置信度為0.01時，相關(guān)性是顯著的；*置信度為0.05時，相關(guān)性是顯著的。

降水有利空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)。圖3可見，雨日情況下，空氣質(zhì)量優(yōu)時的平均日雨量在4.5 mm以上，空氣質(zhì)量為良時的平均日雨量為3.1 mm以上，輕度到中度污染時的日雨量在1.5 mm以下，尤其是冬季，日雨量在1.3 mm時仍有可能出現(xiàn)中度污染，重度污染時一般發(fā)生在無雨日。

北侖區(qū)夏秋季的輕度污染空氣濕度比空氣質(zhì)量為優(yōu)良的明顯增大，平均相對濕度由78%增大到84%，而冬季則相反，空氣質(zhì)量由優(yōu)到輕度污染轉(zhuǎn)差時，濕度明顯下降，但隨著污染加重，濕度又明顯增大，重度污染時平均濕度最大為76%，輕度污染時濕度最小為71%。另外，空氣質(zhì)量越差，大氣能見度越低，特別是秋冬季表現(xiàn)尤為明顯，空氣質(zhì)量為優(yōu)良的平均能見度為24.9 km，污染天氣時能見度明顯下降，平均為10.3 km，重度污染時平均能見度僅為6 km。

2.2 污染系數(shù)

運用徐大海、俎鐵林等提出的含靜風效應的污染系數(shù)α計算方法[10]，即

α=16×fi/ui+f0×4/3

其中，fi為各風向出現(xiàn)頻率,f0為靜風頻率,ui為各風向的平均風速。

圖4為2016—2018年北侖區(qū)大氣污染系數(shù)玫瑰圖，圖4中可見，NNE和NE方位的大氣污染系數(shù)最小為0.42，SSE方位的最大為1.08，四方位滑動累積最小值所在方位是最小污染方位，說明原點的源對此方位內(nèi)污染最輕，最小污染方位下風方位為最輕污染范圍。統(tǒng)計表明，北侖區(qū)四方位滑動累積最小方位是NNW—NE，累積值為1.8，最大值的方位是SSE—SW，累積值為3.52。即來自西南偏南方位的風向?qū)Ρ眮鰠^(qū)大氣污染最小，偏北到東北方位污染最大。

圖3 2016—2018年北侖區(qū)空氣質(zhì)量等級與雨量的分布圖

圖4 2016—2018年北侖區(qū)大氣污染系數(shù)風向玫瑰圖

2.3 對比分析

以2016—2018年易出現(xiàn)污染天氣的冬季為例，小時整點AQI>150、AQI≤50分別代表污染空氣、清潔空氣。圖5可見，污染空氣的風向主要來自第四象限，其中，西北偏西風、西風頻率最高，占污染空氣41.9%，此兩類風向的平均AQI為203；清潔空氣的風向離散性比較大，特別是第一、二象限風向明顯增多。北侖以南的海上來風能明顯改善北侖區(qū)空氣質(zhì)量。值得關(guān)注的是，東北偏北風向雖然頻率不高，僅2.4%，但這類風向的AQI有時是最大，平均達210，有時卻是AQI最小，僅28，有待于進一步分析研究。

圖5 北侖區(qū)清潔空氣(a,c,e)與污染空氣(b,d,f)的風頻(a,b)、風速(c,d)、AQI(e,f)玫瑰圖

3 結(jié) 語

1)北侖區(qū)空氣質(zhì)量總體逐年轉(zhuǎn)好、環(huán)境狀況日益改善，但中度到重度污染偶有發(fā)生；首要污染物主要是NO2，占53.6%；其次是PM2.5、PM10分別占23.4%、22.8%，PM2.5濃度較寧波市偏低，但NO2、SO2濃度偏高。這與北侖地理位置及北侖港口發(fā)達交通物流有關(guān)。

2)空氣質(zhì)量呈夏季好、春季次之、秋冬季最差的明顯季節(jié)特征，但各季的AQI日變化不同，春夏季不明顯，冬夏季為較明顯的雙峰雙谷型，但冬季為后半夜上升、前半夜降低，上午上升、下午降低，夏季則反之。3類污染物濃度日變化特征亦不同，SO2最高值出現(xiàn)中午12時，最低在半夜，NO2最高值出現(xiàn)在夜里至次日早上，最低在15—16時，PM2.5最高值出現(xiàn)在8—9時，最低在16時。

3)降水有利空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，重度污染一般發(fā)生在無雨日，3 mm以上的雨日污染空氣概率明顯降低；中度污染時，隨著污染加重，空氣濕度隨之增加；空氣質(zhì)量越差，大氣能見度越低，優(yōu)良空氣平均能見度為24.9 km，污染天氣能見度下降到10.3 km，重度污染能見度僅為6 km。

4)風與AQI相關(guān)性最大，西南偏南風對北侖區(qū)大氣污染最小，偏北到東北風污染最大。東北偏北風控制下空氣質(zhì)量的兩極化可能與港區(qū)海陸風氣候特征有關(guān)，需要進一步分析研究。