采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關系_圖文

1、第36卷第6期2008年12月氣 象 科 技M ETEOROLOGICAL SCIENCE AND TECH NOLOGY采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關系吳振玲 周梁丹 解以揚 孟冬梅 孫玫玲(天津市氣象科學研究所,天津300074摘要 利用20022005年11、12、1月冬季采暖期N CEP 氣象分析資料和同期日空氣污染物監(jiān)測資料,在開設的關鍵區(qū)、識別區(qū)內,分析區(qū)域污染氣象特征,探討區(qū)域氣象條件對天津大氣污染的影響。采暖期大氣污染高發(fā)是與冬季的污染氣候特征和氣象條件密切相關的,區(qū)域污染環(huán)流特征、大氣動力特征、熱力條件對污染物的擴散、積累、輸送有著重要的影響。當區(qū)域大氣環(huán)流由北到西

2、北氣流向西到西南氣流轉換時,大氣穩(wěn)定度逐漸增加,區(qū)域大氣擴散能力隨之減弱,天津大氣污染概率增大。另外,區(qū)域風速與天津污染的關系,在一定程度上反映了華北區(qū)域污染對天津污染的貢獻。關鍵詞 氣象條件 大氣污染 污染環(huán)流 污染物積累 污染概率國家環(huán)境保護城市顆粒物污染防治重點實驗室開放基金項目 冬春PM 10高發(fā)的空氣污染潛勢自動辨識系統(tǒng) (#PM Lab 2006 08和北京區(qū)域氣象中心科技創(chuàng)新基金項目 環(huán)渤海經濟圈空氣污染特征及影響機制研究 (BRM CCX200604共同資助作者簡介:吳振玲,女,高級工程師,從事城市環(huán)境氣象預報研究,E mail w is elyyn 收稿日期:2007年8月9

3、日;定稿日期:2008年2月27日引言近年來,隨著城市建設的加快、城市人口的劇增和經濟迅猛的發(fā)展,城市大氣污染日趨嚴重已成為環(huán)境惡化所面臨的一個重要問題1,2。大氣污染不僅與人體健康密切相關3,4,而且對城市投資環(huán)境發(fā)展有著很大的影響。我國華北大部分城市地區(qū),冬季是一年中區(qū)域性和局地性污染最為嚴重的季節(jié),因為華北各城市基本在各類尺度天氣系統(tǒng)的全部或部分控制區(qū)域內,極易出現(xiàn)華北城市群區(qū)域性同步污染5,體現(xiàn)了特殊地域或地形對空氣質量的影響6。多年的監(jiān)測資料表明,初冬11、12月到隆冬1月是天津污染物濃度最高、空氣污染最重的季節(jié)。通過多年的有效治理和對采暖設施的改造更新,雖然污染物的排放得到一定的控

4、制,但是,冬季空氣污染程度和污染發(fā)生日數(shù)仍然居全年最高。冬季的污染氣候特征和氣象條件是污染高發(fā)的一個重要原因7。季節(jié)性的大氣環(huán)流特征,區(qū)域大氣動力、熱力特征對污染物的擴散、積累、輸送有著重要的影響8。尤其是在冬季區(qū)域穩(wěn)定的天氣形勢下,氣象條件有利于空氣質量趨向惡化,污染發(fā)生的可能性增加,污染概率明顯上升。國內外在大氣污染預報中,基本上采用統(tǒng)計預報與數(shù)值預報相結合的方法。目前,在污染預報業(yè)務中常用的空氣污染數(shù)值預報模式是中國氣象科學研究院研發(fā)的CAPPS 預報系統(tǒng)9。雖然CAPPS 數(shù)值預報模式和本地的統(tǒng)計預報模式對污染物濃度的升降趨勢有較好的預報效果10,但是,在轉折性天氣背景下,其預報結果有

5、較為明顯的滯后性,所以對起報空氣污染發(fā)生和污染過程結束都顯得比較遲緩,尤其是缺乏對未來發(fā)生空氣污染的可能性評估,即污染概率預報。為了加強大氣污染預測能力,為環(huán)境管理決策提供及時、準確、全面的預測信息,加強空氣質量管理的調控,開展空氣污染概率預報研究是十分必要的。以往空氣質量預測只考慮天津局地的污染氣象條件11,12,對區(qū)域大氣環(huán)流特征、大氣穩(wěn)定度、動力及垂直熱力變化傳輸對污染影響的關注不夠。實際上,城市大氣環(huán)境存在明顯的多尺度環(huán)流特征。在特定的氣象條件下,不僅局地污染源可以通過污染物的微尺度和區(qū)域尺度擴散傳輸直接造成嚴重污染13,而且污染物還可以跨省、市、地區(qū)遠距離傳輸,如沙塵暴天氣14,15

6、。所以,對區(qū)域空氣污染潛勢的分析有助于理解大氣污染形成的機制。本文選取了20022005年采暖期11、12、1月逐日08:00NCEP 氣象分析資料和同期日空氣污染物監(jiān)測資料,分析研究了區(qū)域污染氣象條件對天津空氣污染的貢獻及其與污染概率的關系,探討了區(qū)域氣象條件對天津大氣污染的影響。1 天津大氣污染的月際分布特征由于夏冬污染源和氣象條件不同,大氣污染具有明顯的季節(jié)特征。從圖1月污染日變化可以看出,冬季12月污染日數(shù)達到全年最高峰,20022005年累計出現(xiàn)60天,其后逐漸下降到7月最低值,4年累計出現(xiàn)3次。冬季采暖期間11、12、1月污染最重,累計4年污染天數(shù)為156天,占4年總污染日的49.

7、4%;其次為冬末和春季,夏季最輕,秋季污染開始加重。圖2各季污染物濃度對比,進一步顯示了不同季節(jié)污染物濃度的變化。以夏季污染物平均濃度為標準,11、12、1月PM 10、SO 2、N O 23種污染物的月平均濃度都達到了全年最高值。PM 10月平均濃度為152m g/m 3, 超出了大氣污染評定標準150mg /m 3;SO 2月平均濃度為142mg /m 3,是夏季SO 2月平均濃度的594%。春季35月PM10月平均濃度略低于11、12、1月,尤其是SO 2月平均濃度下降了398%。2 區(qū)域氣象條件分析方法簡介多年空氣質量預報經驗表明,在115!120!E 、37.5!42.5!N 范圍內

8、的大氣環(huán)流及物理量特征與大氣污染有十分密切關系;而在80!150!E 、20!60!N 范圍內,可以比較完整地分析影響本市的地面天氣系統(tǒng)。在上述兩個區(qū)域開設兩個窗口,分別定義為關鍵區(qū)和識別區(qū),用于特征物理量的計算和850hPa 環(huán)流及地面天氣形勢識別分析。選取地面氣溫(T s 、850hPa 溫度(T 850、850hPa 風向(W d 、地面氣壓(P s 、地面風速(V s 。利用下式計算關鍵區(qū)內的區(qū)域垂直平均氣溫差( T ,并利用其結果分析低空大氣的穩(wěn)定度。T =(Ni =1Tsi-Ni=1T850i/N式中N 為區(qū)域高空站數(shù)。2.1 污染天氣系統(tǒng)分型為了便于計算機識別,對已建立的地面污染

9、天氣學概念模型進行了定義。2.1.1 地面天氣系統(tǒng)分型地面天氣系統(tǒng)共分9類,分別為低壓前、鞍形場、高壓前部、華北地形槽、均壓場、華北弱低壓、弱高壓、強高壓、偏東高壓底部。不屬于上述類型的稱為非典型。9類天氣系統(tǒng)做了必要的量化定義。如,華北弱低壓:低壓中心在115!117.5!E 、37.5!42.5!N 范圍內,沒有標準等值線封閉,或雖有等值線封閉,但低壓中心值與等值線差小于或等于5hPa 。2.1.2 850hPa 高度場環(huán)流分型根據(jù)統(tǒng)計的污染環(huán)流特點,定義了5類低空環(huán)流類型,5種類型之外的環(huán)流稱為非典型氣流。a.西邊附近有弱槽:在110!115!E 、35!45!N 內有槽,槽線上的高度值

10、與其東西兩側(每側兩點的平均值差小于等于36gpm,槽線長度為24格點距離。b.西邊附近有脊:在110!115!E 、35!45!N 內有脊,且脊線長度所占格點數(shù)3個以上。c.西北氣流:無a 、b 型槽、脊,在37.5!42.5!N 、110!120!E 內290!#平均風向360!。d.偏西氣流:無a 、b 型槽、脊,在37.5!42.5!N 、687第6期 吳振玲等:采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關系110!120!E內260!#平均風向290!。e.西南氣流:無a、b型槽、脊,在37.5!42.5!N、110!120!E內180!#平均風向4以后,污染概率呈快速下降趨勢,且低于平

11、均概率。值得注意的是,當 T#0,低空大氣處于穩(wěn)定或中性層結的條件下,污染概率達到了56.8%,對實際污染預報有較好的指導性。污染概率與 T 的相關系數(shù)達到了-0.95672,置信度檢驗通過了99% 。圖3 污染概率隨垂直平均溫差( T的變化3.2.2 大氣穩(wěn)定度對污染的影響實際預報中,通?？梢岳梦粶靥荻葋砼袆e大氣的垂直穩(wěn)定度,其表達式為:Z=T(r d-r688氣 象 科 技 第36卷其中為位溫,r d為干絕熱直減率,r為氣溫的垂直遞減率,T為周圍空氣溫度。在近地層,由于下墊面的直接影響,溫度垂直梯度很大,即r r d,且與T相差很小,因此近地層Z%TZ。所以這里可粗略地利用 TZ=- T

12、來判定區(qū)域低空大氣穩(wěn)定度,區(qū)域 T0、 T=0分別表示區(qū)域大氣處于穩(wěn)定、不穩(wěn)定和中性。從上述區(qū)域 T和污染概率的統(tǒng)計關系中可以看出,當 T#0時,區(qū)域大氣在逆溫或中性層結下,沒有垂直向下的湍流傳送,所以近地層污染物大量堆積,大氣最容易發(fā)生空氣污染,污染概率最高,達56.8%;0 T#4,區(qū)域大氣有弱不穩(wěn)定層結時,垂直擾動很弱,使近地層大氣的擴散能力偏弱,再加上天津冬季100m左右的低層大氣經常有逆溫存在17,弱的垂直擾動無法完全破壞低層的逆溫,所以區(qū)域弱的不穩(wěn)定層結仍有利于近地層污染物聚集,比較容易發(fā)生污染,污染概率較高,達44.3%;46不穩(wěn)定層結下,不易發(fā)生污染,污染概率很低。污染概率隨大

13、氣區(qū)域穩(wěn)定度的變化趨勢符合污染氣象學原理,反映了低空大氣的氣溫垂直分布對湍流活動強弱的直接影響以及支配空氣污染的散布作用。同時低空大氣穩(wěn)定度分析對污染預報有較好的參考價值。3.3 地面天氣形勢與污染概率關系地面天氣形勢分析讓我們更直觀地看清不同天氣背景下發(fā)生污染的可能性。表2給出的地面形勢與污染概率關系顯示,在低壓前、鞍形場、高壓前部、華北地形槽、均壓場5類地面天氣形勢下,地面發(fā)生空氣污染的可能性較大,其所對應的污染概率分別為100%、50%、50%、42.3%、41.8%,高于或接近總體概率43.3%。在弱高壓、華北弱低壓2類地面天氣形勢下,有可能引發(fā)污染,但污染概率下降到總體概率以下。在偏

14、東高壓底部、強高壓的天氣形勢下,不易發(fā)生污染,污染概率為0。污染概率隨地面天氣形勢特征分布規(guī)律,從另一側面較好地印證了污染環(huán)流和區(qū)域大氣穩(wěn)定度對污染的影響。表2 地面形勢與大氣污染的關系3.4 區(qū)域地面風場與大氣污染的關系冬季邊界層輻合風場垂直伸展高度較低18,地面風場在很大程度上代表了冬季邊界層大氣污染物輸送場。如表3區(qū)域地面風與污染概率所示,區(qū)域地面風速達到1級及以下5級及以上的次數(shù)很少,風速頻率較高的集中在24級,占總樣本87.9%。可以說,區(qū)域靜風、微風及大風的頻率相對較低,出現(xiàn)的次數(shù)不足1/3。污染風向頻率以偏北風居多,其風向頻率為91,而偏南風頻率只有42次,污染風向頻率的南北風分

15、布客觀地反映出冬季污染與其污染氣候背景和特征是分不開的。在采暖前3個月里,96.3%的污染都發(fā)生在區(qū)域風速4級以下,共有127次。當區(qū)域風速為2級以下或3、4級時,污染概率十分接近。當區(qū)域風速為34級時,無論是偏南風還是偏北風都比較有利于天津發(fā)生污染,污染概率較高。這種區(qū)域污染風場特征可能反映了蘇福慶19等人提出的冬季大氣污染物輸送匯及其擺動是造成某些地區(qū)污染物匯聚、形成重污染區(qū)的主要背景場的論點,其中冬季1月華北大氣輸送匯和流場圖(圖略19,20可以解釋由于天津在華北地區(qū)的特殊地理位置,34級的區(qū)域風速更適宜污染物的遷移和輸送,使大氣污染物匯聚在天津附近,因而造成天津污染概率較高。689第6

16、期 吳振玲等:采暖期間區(qū)域氣象條件與天津大氣污染概率關系表3 區(qū)域地面風與大氣污染的關系風力風速頻數(shù)污染風向頻數(shù)偏北風偏南風污染頻數(shù)污染物平均濃度/(mg&m-3PM10SO2NO2污染概率/%區(qū)域的靜風或微風時,區(qū)域大氣流動很弱,有利于局地區(qū)域污染物的聚集和積累,此時,SO2濃度相對最高;當區(qū)域風力達到34級時,區(qū)域大氣流動增強時,區(qū)域污染物輸送作用可能是天津污染概率增加的原因之一,此時,PM10濃度最高。4 小結采暖期大氣污染高發(fā)是與冬季的污染氣候特征和氣象條件密切相關的,隨著區(qū)域污染環(huán)流的轉換、垂直變溫的變化、地面天氣系統(tǒng)及風場的演變,區(qū)域的污染潛勢對污染物的擴散、積累和輸送有著不同的影

17、響,大氣污染概率也隨之變化。(1冬季區(qū)域污染環(huán)流特征明顯,當850hPa 環(huán)流型為西邊附近有脊時,污染概率最低;西邊附近有槽時,污染概率最高,其污染概率達到61.8%,可預報性較強。(2污染概率與冬季區(qū)域垂直變溫 T分布關系密切,其相關系數(shù)達到了-0.95672,相關性很好。 T越小,大氣越穩(wěn)定,垂直向下的大氣交換越少,近地層湍流活動越弱,對污染物積累正的貢獻越大,污染概率越高,尤其是 T#4的區(qū)間內。(3在大陸冷高壓停滯時間較長的冬季氣候背景下,隨著冷高壓減弱、變性而轉為低壓的過程,污染概率逐漸增大。在低壓前、鞍形場、高壓前部、華北地形槽、均壓場5類地面污染天氣系統(tǒng)控制下,污染物不易擴散,容

18、易誘發(fā)大氣污染,污染概率較高。(4區(qū)域風場對污染物的擴散、積累、傳輸有影響。區(qū)域風速偏小不利于污染物輸送,有利于局地污染物積累;當區(qū)域風速增大到34級時,有利于區(qū)域PM10輸送,天津污染概率較高,從另一個側面證實了華北區(qū)域大氣污染物輸送對天津污染的貢獻。參考文獻1 王西琴,李芬.天津市經濟增長與環(huán)境污染水平關系J.地理研究,2005,24(6:834 842.2 錢華,王冰妍.上海大氣環(huán)境質量影響因素分析J.環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學,21(3:245 247.對策J.中國人口&資源與環(huán)境,2003,13(6:86 90.污染與居民日死亡數(shù)的相關分析J.衛(wèi)生研究,2004,33(3: 293 297.析.

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21、學,1998,22(9:454 459.690氣 象 科 技 第36卷第6期 吳振玲等: 采暖期間區(qū) 域氣象條件與天津大氣污染概率關系 691 Relationship between Regional Weather Condition and Pollution Probability During Heating Season in Tianjin W u Zhenling Zhou L iang dan Xie Yiyang M eng Dong mei Sun M eiling ( T ianjin Inst itute of M eteor olog y, T ianjin 300

22、074 Abstract: T he regional w eat her charact erist ics in t he key and t arg et areas ar e analy zed t o st udy t heir ef fects on air pollut io n in T ianjin using t he N CEP re analysis dat a and daily air po llut ant observat ions during the heat ing seaso n in wint er s f rom 2002 t o 2005. T h

23、e r esults show t hat high air pollutio n in heat ing seasons is asso ciated w it h clim at ic char act eristics and w eat her condit ions, such as t he regional atm ospher ic circulat ion and dy namic and t her mal charact erist ics, w hich af fect t he dif fusion, accum ulat ion, and t ranspo rt a

24、t ion of air po llutant s. Especially, t he influence of regional w ind velocit y o n aer ial pollutant s reflect s the cont ribut ion of area pollution in No rt h China to air pollut io n in T ianjin and enhances t he t ranspo rt at ion converg ence o f pollut ant s. T he at mosphere dif fusion w e

25、akens and t he pollut ant s are easy to accum ulat e w hile t her e is w ind dir ection change fro m no rt h o r no rthw est t o w est or so ut hw est. T he po llut ion pro babilit y increases w it h t he rise o f atm osphere instabilit y. Key words: met eorolo gy co ndit ion, air po llut ion, po llut ant s accum ulat ion, pollut ion probabilit y 新的研究表明