北京地区三级以上污染日的气象影响因子初步分析

书书书第２６卷第３期２０１０年６月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２６Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ２０１０收稿日期：２０１０－０１－１８；修订日期：２０１０－０４－２０。基金项目：国家自然科学基金项目“中国大气本底站总日射表热偏移物理机制及订正方法研究”资助。作者简介：李德平，女，１９７７年生，工程师，主要从事大气成分和地面观测工作。通信作者：程兴宏，[e-mail]。北京地区三级以上污染日的气象影响因子初步分析李德平１　程兴宏２　于永涛１　曹海维１　李栋１　许仕清１（１北京市观象台，北京１０００８９；２国家气候中心，北京１０００８１）　　摘　要：依据２００１—２００７年北京市环境保护局公布的ＳＯ２、ＮＯ２和ＰＭ１０日平均空气质量等级大于或等于三级以上的污染日作为样本，统计分析了污染日３种污染物指数与同期南郊观象台（近郊区）的地面和探空气象要素的相关关系。同时采用Ｈｙｓｐｌｉｔ４后向轨迹分析方法，对出现四级以上污染的重污染日污染源进行了初步探讨。结果表明：风向是造成上述３种污染物出现重污染的主要原因之一；污染日存在两重或多重逆温层，而且逆温层较低较厚，垂直对流和水平扩散作用较弱，湿沉降作用较小，因此污染物不易扩散和输送，堆积在近地面，造成重污染。北京西南、东南部地区以及沙尘暴过程内蒙古、河北北部是造成重污染天气的主要输送源地。研究结果可为北京重污染过程的预警预测及其综合防治提供科学依据。关键词：三级污染日；污染物；气象影响因子；Ｈｙｓｐｌｉｔ４；北京　　中图分类号：Ｘ５１　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２０１０）０３－０００７－０７１　引言近年来北京地区空气质量总体上逐年有所好转，但由于北京特殊的地理条件以及城市规模较大、人口众多、生产活动频繁、能源消耗密集，污染物排放量大和排放强度相对集中，在污染源没有得到明显改善和控制的情况下，一旦遇到不利的气象条件并且维持较长时间时，污染物将不断累积，空气质量随之逐渐变差，甚至会达到重度污染。研究表明［１－５］，之所以造成污染物空间非均匀分布是因为污染排放源强和大气边界层动力、热力结构的共同作用。气象条件对污染物的扩散、稀释和累积有一定作用，在污染源强一定的条件下，污染物浓度的大小主要取决于气象条件。王淑英等［１］对北京地区ＰＭ１０污染日变化特征的研究表明，小风、高湿、逆温等稳定的气象条件是造成秋、冬季ＰＭ１０较重污染的主要原因。李国翠等［２］对石家庄大气污染与沙尘天气的关系进行了分析，ＰＭ１０浓度与风速呈正相关，污染的严重程度主要取决于风速大小和强风持续时间，ＰＭ１０浓度与南风呈反相关。张宝贵等［３］利用多因子分析和多元回归模型，对１９９８—２００４年秦皇岛市城区空气污染物浓度逐日监测数据及气象要素进行分析。结果表明：上游西北地区是对秦皇岛市空气质量影响最大的污染源地，ＳＯ２和ＰＭ１０的浓度受风场影响大，ＮＯ２最小。苏福庆等［６］研究指出在稳定天气条件下，北京市外来污染物各类尺度的输入通道流场分为边界层西南气流、东南气流和东风气流风带型，其中对形成北京输送汇风带的统计表明，西南风带汇发生频率占４５％，东南风带汇占３６％，东风风带汇占１９％。徐晓峰等［７］分析了造成２００４年１０月７—１０日北京地区出现的一次明显的持续重污染过程的气象条件，结果表明该次持续重污染过程是由本地的污染源和大尺度的天气背景与局地的气象条件共同造成的。长时间近地面处于静风或低风速条件和风场的辐合是造成该次连续数日重污染过程的重要原因之一。黄忠等［８］利用乌鲁木齐市近年来的空气污染监测资料和同期气象观测资料，研究乌鲁木齐市重污染天气的变化特征及其与气象条件的关系，结果表明乌鲁木齐市冬季时常会出现静风、稳定的高压气旋和无雪等天气现象，促使了重污染天气的形成。另外，在春季特定的条件下，大风天气携带大量沙尘及城市扬尘，形成沙尘暴，可造成重污染天气。上述诸多研究通过个例分析，研究了造成重污染过程的相关气象条件，即稳定天气过程大气边界层特殊的动力和热力结构以及北方城市春季沙尘暴天气过程。本文统计分析了２００１—２００７年北京地区空气质量达三级及以上污染时ＳＯ２、ＮＯ２、ＰＭ１０３种污染物指数与同期南郊观象台观测的地面和探空气象要素的相关关系。并采用Ｈｙｓｐｌｉｔ后向轨迹分析方法，分别讨论了稳定天气和春季沙尘暴过程造成北京地区重污染过程的污染源地。本文研究结果可为北京重污染过程的预警预测及其综合防治提供科学依据。８　　　　气象与环境学报第２６卷　２　资料来源所用ＳＯ２、ＮＯ２和ＰＭ１０资料均来源于北京市环境保护局；气象探空资料来源于北京南郊观象台。３　结果分析引起空气污染的污染物主要有：烟尘、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧和挥发性有机化合物等。目前，我国规定空气质量报告中必须监测的污染物有３项：ＳＯ２、ＮＯ２和ＰＭ１０，这是根据全国城市污染情况及现有技术水平而确定的。首要污染物是指污染最重的污染物，首要污染物的污染指数即为空气污染指数，当污染指数ＡＰＩ值小于５０时，不报告首要污染物（以“－”表示）。本文首先统计了２００１年１月—２００７年３月北京空气质量日报中各种首要污染物出现的概率（表１）。由表１可以看出，北京市的首要污染物以表１　２００１年１月—２００７年３月北京空气质量日报中各种首要污染物出现的概率首要污染物首要污染物出现日数／ｄ首要污染物出现概率／（％）ＳＯ２２０４８８３ＰＭ１０１９４０８４０２－１６５７１５ＰＭ１０为主，在２３０９ｄ中有１９４０ｄ的首要污染物为ＰＭ１０，出现概率为８４０２％；而ＳＯ２作为首要污染物的出现概率仅为８８３％，其出现日数与空气质量为优的日数相当，而且出现日期为每年１１月至翌年３月，这是因为在进入采暖季后由于燃煤供暖，增加了空气中ＳＯ２的排放量。因此，本文在地面和探空气象要素的统计分析中均以ＰＭ１０出现三级及以上的污染日为污染分析样本，共计８１４ｄ。另外本文选取污染等级为一级和二级的日期为清洁日分析样本，共计３３０ｄ。　　本文挑选上述污染日（８１４ｄ）与清洁日（３３０ｄ）北京南郊观象台地面和探空气象要素进行分季节对比统计分析。统计的气象要素主要包括地面观测的气压、温度、风向、风速和湿度等要素以及探空资料中的观测高度和气温。３１　污染日地面观测气象要素变化３１１　风向统计图１给出了２００１年１月—２００７年３月ＰＭ１０ＡＰＩ指数达三级及以上污染时，南郊观象台地面观测的风向频率分布。由图１可以看出，ＰＭ１０达到三级及以上污染时，ＳＷ和ＥＮＥ出现频率最大，均为１１％，ＳＳＷ和ＮＥ出现频率次之，均为１０％。而南郊观象台常年主导风向为ＥＮＥ和ＷＳＷ。因此，风向是图１　２００１年１月—２００７年３月北京地区ＰＭ１０ＡＰＩ指数达三级及以上污染时南郊观象台地面观测的风向频率分布造成北京地区出现三级及以上污染的主要原因之一。３１２　地面其他要素统计为了分析影响北京地区出现三级及以上污染日的地面气象因素，本文对比分析了２００１年１月—２００７年３月四个季节ＰＭ１０ＡＰＩ指数达三级及以上的污染日（８１４ｄ）以及污染等级为一级和二级的清洁日（３３０ｄ）南郊观象台观测的地面气象要素的统计特征。表２和表３分别给出了四个季节污染日和表２　四季污染日南郊观象台观测的地面气象要素统计气象要素平均数值及各季节样本数春季（２４０ｄ）夏季（１３６ｄ）秋季（２２６ｄ）冬季（２１２ｄ）平均气压／ｈＰａ１００７９５１００１５７１０１５０４１０２０８６平均气温／℃１４９３２６７５１２６５０００平均风速／（ｍ·ｓ－１）０８５０７７０８１０８６平均相对湿度／（％）４４６７６４５９平均低云量／成１２２２总降水量／ｍｍ４１６３１９２６８９０表３　四季清洁日南郊观象台观测的地面气象要素统计气象要素平均数值及各季节样本数春季（３８ｄ）夏季（４９ｄ）秋季（７８ｄ）冬季（１９０ｄ）平均气压／ｈＰａ１０１８７４１００３２４１０１９６９１０２６０９平均气温／℃８０６２３７６１０２１－２４５平均风速／（ｍ·ｓ－１）０８５０７７０９３０９４平均相对湿度／（％）３８６６４４３７平均低云量／成１４１１总降水量／ｍｍ１１０８４０５２１９２９１６９清洁日南郊观象台观测的地面气象要素的统计特征。对比分析表２和表３中各气象要素的统计值可看出，春季６个气象要素中差异最大的是总降水量，　第３期李德平等：北京地区三级以上污染日的气象影响因子初步分析９　　　　其次是气温、相对湿度和气压，而风速和低云量差别不大。春季污染日总降水量比清洁日少６９２ｍｍ，是污染日总降水量的１６６倍；污染日平均气温比清洁日高６８７℃，占污染日平均气温的４６％；污染日平均相对湿度比清洁日高６％，占污染日平均相对湿度的１３％；污染日平均气压比清洁日低１０８５ｈＰａ。上述分析发现，降水少，湿沉降作用较弱是造成春季北京出现三级及以上污染的主要原因，另外高温高湿和低压控制造成垂直对流作用较弱，污染物易堆积在近地层，亦是造成三级及以上污染的可能原因之一。夏季６个气象要素中差异最大的是总降水量，其次是低云量，而气温、气压、风速和相对湿度差别不大。夏季污染日总降水量比清洁日少３７３３ｍｍ，是污染日总降水量的１１７０倍；污染日低云量比清洁日少２成，即少１００倍。上述结果表明，云量较少造成对流性降水明显偏少，湿沉降作用明显偏弱是造成夏季北京出现三级及以上污染的主要原因。秋季与冬季类似，６个气象要素中差异最大的是总降水量，其次是风速和相对湿度，而气压、气温和低云量差别不大。秋季污染日总降水量比清洁日少１６６１ｍｍ，是污染日总降水量的６１９倍；冬季污染日总降水量比清洁日少７９ｍｍ，是污染日总降水量的８７％。秋季污染日平均风速比清洁日低０１２ｍ·ｓ－１；冬季污染日平均风速比清洁日低００８ｍ·ｓ－１。秋季污染日平均相对湿度比清洁日高２０％，占污染日平均相对湿度的３１％；冬季污染日平均相对湿度比清洁日高２２％，占污染日平均相对湿度的３７％。秋季污染日平均气压比清洁日低４６５ｈＰａ，平均气温比清洁日高２４４℃，低云量较清洁日多１成。冬季污染日平均气压比清洁日低５２３ｈＰａ，平均气温比清洁日高２４５℃，低云量较清洁日多１成。由上述结果可发现，秋季和冬季降水少，湿沉降作用较弱；风速较小，水平扩散作用较弱是造成秋冬季节北京出现三级及以上污染的主要原因；高温高湿、低压控制和云量较多造成垂直对流作用较弱，污染物易堆积在近地层，亦是造成三级及以上污染的可能原因之一。由上述对比分析结果可看出，影响北京地区出现三级及以上污染的地面气象条件有一定差异；造成各季节北京地区出现三级及以上污染日的主要气象影响因子是降水，其次是风速。原因是降水少造成湿沉降作用较弱，风速小造成水平扩散作用较弱，污染物不易扩散和输送，易堆积在近地面，从而造成中度或重度污染。另外气压、气温、相对湿度和云量配合形成高温高湿天气，并伴有低压控制，而且云量较多时亦可能造成三级及以上污染。３１３　四级以上污染日气象要素统计２００１—２００７年北京地区出现四级及以上重污染有１０７ｄ，而且首要污染物均是ＰＭ１０。从降水日看，１０７ｄ中只有９ｄ有降水，即２００１年１月１８日、２００１年２月２２日、２００４年１２月３日、２００６年４月２６日、２００６年５月１７日、２００７年３月２３日、２００７年６月１９日、２００７年１２月２８日和２００７年１２月１０日。９ｄ降水量较少，分别为０４、０２、０６、０６、０５、１２、１０、１１ｍｍ和１９ｍｍ。从统计结果发现，除降水量少于三级污染日的情况外，其他气象要素统计值与三级污染日的气象要素值差异不大。由此可见，造成北京出现四级及以上重污染的主要原因之一是降水较少或没有，湿沉降作用较弱或没有湿沉降，污染物易堆积在近地层。３２　污染日探空资料统计逆温层存在与否或是否存在多重逆温层是决定大气污染状