北京地區(qū)低空風_溫度層結(jié)對大氣污染物垂直分布影響初探

1、北京地區(qū)低空風、溫度層結(jié)對大氣污染物垂直分布影響初探張薔趙淑艷金永利(北京市氣象局人工影響天氣辦公室, 北京100089提要2001年1月512日,2月21日3月1染物(二氧化硫、氮氧化物 與氣象要素垂直探測, 歷時16天83次( 邊界層垂直溫、壓、濕、m 濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)306個。染物垂直分布影響等等; 月日、溫度層225。觀測。關(guān)鍵詞:大氣污染物垂直分布氣象條件探測1大氣污染物監(jiān)測方案(1 儀器設(shè)備選用青島嶗山分析儀器廠生產(chǎn)的大氣空中采樣器, 該采樣器為具有延時功能的自動采樣器。由系留飛艇攜帶至100m 和500m 高度進行空中大氣采樣, 由于系留飛艇同時攜帶有美國生產(chǎn)的大氣自動探測探頭, 地

2、面自動平臺上可準確的接收到高度、風向、風速、溫度、濕度等連續(xù)的相關(guān)數(shù)據(jù), 因此可以準確的定位采樣高度。每個樣品定時采樣時間為30min 。(2 分析方法采用國家規(guī)定標準分析方法對二氧化硫和氮氧化物進行分析。二氧化硫選用鹽酸副玫瑰苯胺比色法; 氮氧化物選用鹽酸奈乙二胺比色法分析。(3 采樣設(shè)定分不同高度一天進行8次采樣測定, 規(guī)定高度為地面、100m 和500m 。白天和夜間都進行污染物大氣采樣。2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析2001年1、2月份在北京方莊居住小區(qū)內(nèi)進行了不同高度大氣污染物的監(jiān)測, 共獲取有效監(jiān)測數(shù)據(jù)306個, 其中二氧化硫141個1, 氮氧化物165個, 在二氧化硫141組數(shù)據(jù)第13卷特刊20

3、02年1月應(yīng)用氣象學(xué)報JOURNAL OF APPL IED METEOROLO GICAL SCIENCE Vol. 13,Suppl.January 2002本項研究得到北京市自然科學(xué)基金(編號8981002 和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目:首都北京及周邊地區(qū)大氣、水、土環(huán)境污染機理與調(diào)控原理(項目編號:G1999045700 共同資助。2001208203收到,2001210218收到修改稿。中, 地面監(jiān)測數(shù)據(jù)68個,100m 有38個,500m 有35個。165個氮氧化物監(jiān)測數(shù)據(jù)中, 地面監(jiān)測有76個,100m 有43個,500m 有46個。141組二氧化硫監(jiān)測數(shù)據(jù)中地面監(jiān)測濃度值有6

4、組超過國家二級標準任何一次平均濃度值(0. 5mg/m 3 , 超標率為4. 3%1。165個氮氧化物監(jiān)測數(shù)據(jù)中, 有40次濃度值超過國家二級標準任何一次平均濃度值(0. 15mg/m 3 , 超標率達24. 2%(詳見表1 。表1監(jiān)測期間污染物超標情況統(tǒng)計二氧化硫氮氧化物地面100m500m地面100m500m數(shù)據(jù)組超標組數(shù)超標率數(shù)據(jù)組超標組數(shù)超標率數(shù)據(jù)組超標組數(shù)超標率數(shù)據(jù)超標組數(shù)超標數(shù)據(jù)組超標組超標數(shù)超標組數(shù)超標率1月3031016001526. 21002月3837. 92220625. 02528. 0表, , 而在100m 和500m 兩個高度監(jiān)測。氮氧化物不僅在地面出現(xiàn)平均濃度值超

5、標, 且在 100 m 和500m 兩個高度也出現(xiàn)平均濃度值超標。氮氧化物濃度值在100m 和500m 兩個高度超標率2月分別達25. 0%、8. 0%,1月100m 高度氮氧化物濃度值超標率達26. 3%。由監(jiān)測資料可知:該地區(qū)監(jiān)測期間空氣中主要污染物是氮氧化物。二氧化硫平均濃度日變化由圖1所示:圖中地面監(jiān)測小時平均濃度高值發(fā)生在04:00左右, 其值達0. 39mg/m 3。次高峰在22:00左右出現(xiàn), 平均濃度值為0. 294mg/m 3; 100m 處在18:00左右出現(xiàn)最大平均濃度值為0. 195mg/m 3; 次高峰出現(xiàn)在06:00左右, 平均濃度達0. 177mg/m 3。500

6、m 高度在12:00出現(xiàn)較為明顯的濃度高峰(注:該高峰值僅為一次平均濃度值 , 次高峰值出現(xiàn)在18:00。圖12001年1、2月方莊小區(qū)不同高度SO 2平均濃度日變化應(yīng)用氣象學(xué)報13卷由圖1所示監(jiān)測結(jié)果可知:該地區(qū)二氧化硫污染物地面濃度(1. 5m 呼吸道高度 夜間污染較白天嚴重;100m 和500m 高度濃度監(jiān)測值明顯低于地面值。氮氧化物平均濃度日變化由圖2所示:地面平均濃度高峰值發(fā)生在12:00左右, 濃度值為0. 443mg/m 3, 100m 高度濃度高峰值出現(xiàn)在12:00左右, 平均濃度值為0. 25mg/m 3,500m 高度平均濃度高峰值在02:00、24:00 。由圖2所示監(jiān)測

7、結(jié)果可知:地面和100m 氮氧化物污染物高峰濃度出現(xiàn)在白天,500m 平均濃度值夜間大于白天。地面平均濃度值高于100m 、500m 平均濃度值。圖3給出監(jiān)測期間不同高度SO 2逐日濃度分布圖。由圖可見:污染濃度分布21月12日18:00左右, 出現(xiàn)了第一期觀測期間的最大值, 地面濃度值為0. 76mg/m 3, 該值達到了國家環(huán)境質(zhì)量二級標準1. 52倍。2月27日06:00左右又出現(xiàn)了第二期觀測期間的最大平均濃度值, 該值為1. 329mg/m 3, 是國家環(huán)境質(zhì)量二級標準的2. 66倍 。圖3監(jiān)測期間1、2月份S02濃度圖4給出監(jiān)測期間內(nèi)不同高度NO X 逐日濃度分布圖, 由圖可見:1月

8、12日20:00左右同樣出現(xiàn)了地面平均濃度最大值為0. 437mg/m 3, 為國家環(huán)境質(zhì)量二級標準2. 85倍。2月28日01:00左右地面濃度值為0. 703mg/m 3, 為國家環(huán)境質(zhì)量二級標準的5. 26倍。特刊張薔等:北京地區(qū)低空風、溫度層結(jié)對大氣污染物垂直分布影響初探對于造成高濃度污染的氣象條件需進一步的分析 。圖42001年1、2月份NO x 濃度3(1 1月, 地面弱輻合區(qū), 不利于大氣污染物擴散從02:00開始近地面層200m 以下, 相對濕度大于65%,200m 至500m 相對濕度明顯小于地面值, 而500m 以上相對濕度隨高度增高而逐漸增大。隨著時間的變化, 地面至50

9、0m 整層相對濕度增加,08:00低層300m 以下相對濕度大于70%。300500m 層, 相對濕度隨高度增加雖然遞減, 但其值大于65%, 而在500m 以上, 隨高度仍在逐漸增大。17:00地面至700m 相對濕度均大于60%, 而700m 以上相對濕度明顯的呈遞減。20:00地面至500m 高度層相對濕度變化不大。500m 以上相對濕度明顯的減小。溫度層結(jié)02:00, 在200450m 存在著一個近似等溫層;08:00開始在近低層280500m 左右生成低層逆溫, 隨著時間的推移, 逆溫層底逐漸發(fā)展到800m 左右。20:00, 在420600m 左右有一強度=3. 4/100m 的低

10、層逆溫。觀測數(shù)據(jù)表明全天受近地層逆溫層影響, 嚴重阻礙低層大氣污染物的垂直向上輸送。低空風02:0004:00, 在200m 以下風速較小, 而200800m 這一層風速逐漸增大到10m/s 。08:0014:00低層“靜穩(wěn)”小風層增厚達400550m ;20:00之后,800m 以下最大風速6m/s (圖5 。綜上所述,1月12日由于地面為弱輻合區(qū), 當日有零星小雪, 低層濕度大, 全天在低層有一逆溫層, 大氣呈一穩(wěn)定層結(jié), 且風速水平和垂直擴散能力較差, 污染物不易擴散, 在18:00左右造成污染物高濃度值發(fā)生。(2 2月27日北京地區(qū)天氣形勢為高空偏南轉(zhuǎn)偏北, 地面處于冷鋒前, 不利于大

11、氣污染物擴散。相對濕度02:00開始相對濕度地面小于高層。05:00在300800m 相對濕度隨高度遞減。11:00300m 以上濕度明顯減小。20:00相對濕度由地面向上呈遞減。應(yīng)用氣象學(xué)報13卷 圖52001年1 62001年2月27日觀測時次風向和風速圖02m 高度存在一逆溫層,08:00消失。20:00由地面100m , 強度r =2. 2/100m , 且100300m 有一等溫層。低空風02:0005:00,300m 以下風速隨高度增加。08:0014:00800m 以下整層風速減小,19:0022:00整層低層風都比較大,19:00300m 陣風達10m/s 。300m 以上風速

12、增加減緩(圖6 ?？梢?2月27日由于地面為冷鋒前弱輻合區(qū), 不利于大氣污染物擴散, 風速水平和垂直擴散能力較差, 易造成空氣污染。(3 2月2526日本次垂直大氣污染物監(jiān)測中, 平均地面濃度高于空中100m 和500m 的濃度, 2月25日、26日地面和100m 高度上二氧化硫和氮氧化物濃度值均出現(xiàn)100m 濃度值高于地面濃度現(xiàn)象, 為此我們對這兩天的天氣形勢與邊界層氣象條件進行分析研究。北京地區(qū)天氣形勢為高空偏北氣流, 地面弱高壓型轉(zhuǎn)高空槽前偏南氣流, 地面高壓后部下沉區(qū)污染物不利于擴散。相對濕度25日01:00開始地面至200m 高度相對濕度遞減;11:00,600m 以上相對濕度遞增, 隨著時間逐漸增厚, 并維持到26日02:00時出現(xiàn)了70m 以下遞減,70m 以上仍然遞增。26日05:00仍然為250m 下相對濕度遞增,250m 以上遞減,08:00,500m 以下遞增,500m 以上遞減。26日13:00相對濕度在800m 以上為隨高度遞增, 直至26日23:00。溫度層結(jié)24日23:00, 開始近地層生成輻射逆溫,25日02:00逆溫層加厚, 強度增大,05:00輻射逆溫頂高200m , 強度r =2. 4/100m 。08:00輻射逆溫被破壞形成低層逆溫