連續(xù)強對流天氣下重污染擴散概率預報研究

李華 宮明曉 劉路花

關鍵詞：連續(xù)強對流天氣；重污染擴散概率；等級分類；要素

前言

在連續(xù)強對流天氣條件下，重污染的擴散與傳輸復雜且不可預測，對城市居民的生活質(zhì)量和健康產(chǎn)生了重大的威脅。大量的能源消耗和工業(yè)排放對空氣質(zhì)量造成了極大的危害，重污染環(huán)境現(xiàn)象頻繁地出現(xiàn)。連續(xù)強對流天氣與普通天氣存在較大差異，短時間內(nèi)變化較快、且通常出現(xiàn)在部分區(qū)域，加大了重污染擴散概率預報的難度，因此需要進一步加強對重污染擴散概率預報的研究。

文獻[3]提出化學天氣數(shù)值預報系統(tǒng)模式對銀川市區(qū)重污染天氣預報效果檢驗研究，根據(jù)中國氣象局化學天氣數(shù)值預報系統(tǒng)模式，評估該模式在銀川市區(qū)重污染天氣預報方面的準確性。文獻[4]提出一次連續(xù)PM2.5重污染天氣特征分析及長期預報方法研究，通過利用2020年1月銀川市持續(xù)重污染天氣的多源觀測資料，對當時的氣象條件、擴散特征以及前期環(huán)流指數(shù)特征進行了綜合分析。雖然上述方面取得一定進展，但是無法滿足需求，且隨著工業(yè)的發(fā)展連續(xù)重污染氣象頻發(fā)，會對重污染擴散概率預報產(chǎn)生影響，在此背景下提出連續(xù)強對流天氣下重污染擴散概率預報方法。連續(xù)強對流天氣下重污染的擴散問題是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，通過深入研究，減少重污染帶來的風險和危害。

1重污染擴散概率預報要素分析

連續(xù)重污染環(huán)境是已經(jīng)發(fā)生多次、嚴重的污染事件，造成環(huán)境持續(xù)遭受破壞和污染的狀態(tài)，是當前全球面臨的嚴峻環(huán)境問題之一，由于工業(yè)化、城市化和交通化進程的快速發(fā)展，大量的廢氣、污水和固體廢棄物直接或間接地排放到大氣、水體和土壤中，導致環(huán)境質(zhì)量不斷惡化。連續(xù)重污染環(huán)境對人類健康和社會經(jīng)濟發(fā)展都造成了嚴重的影響；同時，連續(xù)重污染環(huán)境還對大自然造成了嚴重的傷害，對地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定性也產(chǎn)生了嚴重的破壞。因此分析重污染擴散概率預報要素，減少污染物的產(chǎn)生和排放，已經(jīng)成為了解決重污染環(huán)境問題的必要手段。

重污染擴散概率預報要素分析是指對影響重污染擴散的各種因素進行分析，以確定對重污染擴散概率的影響程度。連續(xù)強對流天氣下重污染擴散概率預報方法將污染劃分為以下三個等級：

（1）重度污染等級，此時的平均風速為每秒1.75米；

（2）中度污染等級，此時的平均風速為每秒1.9米；

（3）輕度污染等級，此時的平均風速為每秒2.15米。

污染等級隨著風速的增大而減小，重度污染和輕度污染中，空氣質(zhì)量指數(shù)與風速的相關性較?。惠p度污染中，空氣質(zhì)量指數(shù)與風速的相關性較大。在三個等級下，重污染擴散概率預報具體要素內(nèi)容如下所示：

1.1污染源要素

污染源的位置、強度和類型也是重要的要素。距離監(jiān)測站點近且污染源強度大的地區(qū)，會增加重污染擴散的風險，此外不同類型的污染物會對大氣環(huán)流和擴散過程產(chǎn)生不同影響。

1.2地理要素

地形和地理條件對重污染擴散概率也有重要影響，主要包括山脈、水體、城市建筑物等地理特征會對空氣流動產(chǎn)生阻礙或引導作用，從而影響污染物的擴散過程。

首先是山脈：山脈的存在會改變空氣流動的路徑和強度。當污染物遇到山脈時，會受到地理地貌的阻擋，導致空氣無法順利流通，從而加劇了污染物在山區(qū)的積累和擴散的困難。其次是水體：水體具有質(zhì)量和熱容量大的特點，可以吸收和釋放大量的熱量，從而調(diào)節(jié)周邊地區(qū)的溫度。水體還會形成局地的濕潤環(huán)境，使得污染物在水體附近容易積聚。最后城市建筑物也對重污染擴散概率產(chǎn)生影響：高樓大廈、道路網(wǎng)絡和其他建筑結構會改變城市內(nèi)部的氣流模式，形成“峽谷效應”或“熱島效應”，導致空氣在城市中停滯，使污染物積累并加劇重污染的發(fā)生概率。

1.3氣象要素

氣象是重污染擴散概率預報中至關重要的因素之一，主要包括溫度、濕度、風速和風向等。高溫高濕、低風速和不利的風向條件有助于污染物滯留和積累，導致重污染擴散概率增加。

首先是溫度。高溫條件會加速大氣中的物質(zhì)運動，使得污染物更容易被稀釋和擴散。相反，低溫條件會減緩物質(zhì)的擴散速度，導致污染物在空氣中的停留時間延長，增加重污染的可能性。

其次是濕度。高濕度會增加空氣中的水蒸氣含量，使得污染物與水汽相互作用形成氣溶膠，從而增加了污染物的滯留能力。當濕度較低時，污染物更容易被擴散和稀釋，降低了重污染的風險。

風速和風向也是影響重污染擴散概率的重要因素。一般來說，較高的風速有助于將污染物迅速帶走，減少其在特定地區(qū)內(nèi)停留的時間，從而降低了污染物積累的機會。

1.4大氣壓強指標要素

在重污染擴散概率預報中，需要考慮大氣壓強的水平和垂直分布，以及它們的變化趨勢。大氣壓強的水平和垂直分布會影響空氣的運動和污染物的擴散，大氣壓強的變化趨勢反映出空氣的運動和變化，從而影響污染物的擴散和濃度分布。

通過對重污染擴散概率預報要素進行分析，可以實現(xiàn)連續(xù)強對流天氣下的重污染擴散概率預報。

2實現(xiàn)連續(xù)強對流天氣下重污染擴散概率預報

通過上述對重污染擴散概率預報要素進行分析，可以得出更為準確的重污染擴散概率預報結果。當某地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)強對流天氣時，此時的環(huán)境條件可通過物理特征量描述。強對流天氣通常指的是由于空氣強烈的垂直運動而導致的天氣現(xiàn)象，這些天氣現(xiàn)象會對大氣中的污染物濃度和分布產(chǎn)生影響，從而可能導致重污染的發(fā)生。首先，強對流天氣會導致大氣中的污染物垂直混合，將地面附近的污染物帶到高空，從而擴大了污染物的影響范圍。同時，強對流天氣也會帶來強風，使得地面附近的污染物更容易擴散，從而增加了污染物的濃度。其次，強對流天氣還可能引發(fā)雷電等氣象現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會產(chǎn)生大量的氮氧化物和揮發(fā)性有機物等二次污染物，進一步加重污染程度。此外，強對流天氣還可能對大氣中的顆粒物產(chǎn)生影響。如大風會將地面的灰塵、沙粒等顆粒物吹起，使得空氣中的顆粒物濃度增加，從而加重了大氣污染的程度。重污染擴散概率預報方法在連續(xù)強對流天氣下氣象要素的變化情況建立重污染擴散概率預報框架，見圖1。

選取具有代表性較強的對流參數(shù)建立重污染擴散概率預報概率，具體過程如下：

步驟一：在環(huán)境物理參數(shù)的基礎上采用模糊矩陣評價方法建立評價矩陣，計算環(huán)境物理參數(shù)對應的權重，根據(jù)計算結果選取權重較高的環(huán)境物理參數(shù)；

步驟二：如果步驟一中選取的環(huán)境物理參數(shù)中存在0～6km、0～3km、0～1km垂直風切變，大氣整層可降水量、0℃、零下20℃則不需要展開處理，如果不包含上述參數(shù)，需要在選取的環(huán)境物理參數(shù)中，將上述參數(shù)按照權重大小替換掉原始參數(shù)，在此基礎上建立評價矩陣。

步驟三：當環(huán)境物理參數(shù)值為c時，假設g表示強對流天氣在該地區(qū)發(fā)生的重污染擴散概率預報結果，表示為式（1）：

3應用案例分析

為實現(xiàn)對連續(xù)強對流天氣下重污染擴散概率預報研究的檢測，進行污染物分布數(shù)據(jù)的采集，此過程見圖2。

按照圖2所示的方式，進行污染物分布數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場監(jiān)測的布置，在此基礎上，布置采集點。在實驗過程中，根據(jù)預期的對流天氣條件，設置合適的溫度和濕度，模擬對流天氣中的風速和風向，通過設備模擬風場。同時設置合適的污染源強度和位置，以模擬污染物的擴散。為了模擬連續(xù)強對流天氣下重污染的擴散情況，需要滿足以下條件：

（1）連續(xù)強對流天氣數(shù)據(jù)：使用過去記錄的連續(xù)強對流天氣觀測數(shù)據(jù)，以及其他相關氣象數(shù)據(jù)。

（2）輸入連續(xù)強對流天氣數(shù)據(jù)：將過去記錄的連續(xù)強對流天氣數(shù)據(jù)輸入到實驗設備中，確保實驗條件與真實情況盡可能接近。

研究區(qū)域地面風速較小，平均風速為1.65m/s～3.34m/s，靜風頻率為0.46%。以研究區(qū)域的高密度逐時觀測數(shù)據(jù)作為依據(jù)，分析風速在不同污染類型下的變化情況，分析結果見圖3。

由圖3可知，平均風速在不同污染類型情況下的變化趨勢均屬于“單峰型”，輕度污染類型變化情況明顯比其他兩種污染類型更為顯著，峰值具體出現(xiàn)在中午12：00至晚上20：00。

在不同污染類型下連續(xù)強對流天氣下重污染擴散概率預報研究方法根據(jù)風向頻率，獲取風向與污染類型之間的關系，分析結果見圖4。

由圖4可知，在西北偏北和偏西的氣流控制下大氣污染濃度低于其他氣流控制情況下的濃度，此時空氣屬于輕度污染狀態(tài)；在東南和西北氣流均衡控制條件下，污染區(qū)在大氣中的濃度較高，此時空氣屬于中度污染；在東南和東南偏南氣流控制條件下，污染物在大氣中的濃度高于其他條件下的濃度，此時空氣屬于重度污染。

采用設計的方法對某省的重污染擴散概率預報進行研究，該省平均降雨量為8毫米～15毫米，降雨量分布不均勻，夏季、冬季重污染擴散變化情況見圖5。

通過分析圖5可知，重污染擴散情況受到多種因素的影響，夏季的高溫高濕氣候條件下，大氣穩(wěn)定度相對較低，導致污染物容易積累和滯留，尤其是在靜風天氣下，污染物擴散受阻。相比之下，冬季的低溫和較干燥的氣候條件會導致大氣較為穩(wěn)定，逆溫現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，使得污染物難以擴散。這種差異主要是由于夏季高溫高濕的天氣和污染源活動的增加，以及冬季低溫低濕的氣候和供暖需求導致的污染源排放所致。因此，在重污染擴散概率預報中，需要考慮氣象條件和污染源的共同影響。在連續(xù)強對流天氣下，所提方法能夠反映出實際情況，并與實際結果相符，表明所提出的方法具有較高的預報精度。

4結束語

研究重污染的擴散概率預報方法具有重要的現(xiàn)實意義，為此文章提出連續(xù)強對流天氣下重污染的擴散概率預報方法。輕度污染類型變化情況明顯比中度污染類型、重度污染類型更為顯著；在西北偏北和偏西的氣流控制下，空氣屬于輕度污染狀態(tài)；在東南和西北氣流均衡控制條件下，空氣屬于中度污染；在東南和東南偏南氣流控制條件，空氣屬于重度污染。采用所提方法預報夏季和冬季重污染擴散情況，經(jīng)驗證，預報結果與實際變化強度相符，所提方法具有較高的預報精度。通過對重污染擴散概率預報的研究，可以更好地掌握重污染在特定天氣條件下的擴散規(guī)律，為城市空氣質(zhì)量管理和環(huán)境保護提供科學依據(jù)和決策支持。