福州大气污染日与气象条件关系

李 岩，郑东旗，龚振斌，吴启树

(福州市气象局，福建 福州350008)

随着我国城市化进程的加快，各类环境问题日益凸显［1］。大气的严重污染不仅造成环境恶化，也给人类健康带来重大影响［2－3］，已日益成为社会公众关心的热点。根据现有的环境监测数据分析，除了污染物的排放和输送外，气象条件的变化对城市空气质量的影响也相当明显［4］。气象条件既有利于城市大气污染物的扩散，也可能造成大气污染物的局部堆集。大气污染是人类污染的排放与天气条件的综合作用。本文利用2008 －2012年福州市环境监测资料、气象资料，对造成城市空气质量达到污染日等级以上的天气现象进行分析，以期为污染日预报和预防提供参考。

1 资料来源

城市空气质量资料取自2008 －2012年福州环境监测站的大气污染物观测资料，主要分析对象为PM10、SO2和NO2等。城市空气质量的每日监测结果——空气污染指数(air pollution index，API)取自每日福州国控监测点数据的算术平均值。根据环境保护部规定:API ＞100 为污染日，API ＞300 为重污染日。2008 －2012年福州市大气污染日共41 d，重污染日共2 d。

气象资料选取2008 －2012年福州大气污染日地面气象要素，08 时、20 时海平面气压场和850、500 hPa 高度图及气象探空资料。为便于统计分析，本文选取天气图中20° －35°N、110° －125°E 为关键区。

2 结果与分析

2.1 福州大气污染日的时间分布

福州各季节大气污染日分布情况为:春季19 d，占污染日总天数44%;夏季2 d，占4.7%;秋季1 d，占2.3%;冬季21 d，占49%。福州各月大气污染日分布见图1。由图1 可知，福州3月大气污染日百分比最大，占25.6%;1月次之，占18.6%;7 －10月未见大气污染日。

图1 福州大气污染日的月分布Fig.1 Monthly distribution of the air pollution days in Fuzhou

福州冬春季逆温现象频繁且逆温层较厚，空气层结稳定，特别是3、4月冷空气势力较弱时，低层大气多属静稳大气，扩散条件相对较差，且地面多为偏北风，会带来北面工业污染，导致大气污染日天数相对较多。而夏秋季逆温现象少，大气层结稳定性差，低层湍流交换强，午后多雷阵雨，易于污染物扩散。同时，夏季及早秋风力较大且多为源自洋面的洁净东南气流，因此大气污染较少。

2.2 天气形势对大气污染日的影响

2.2.1 500 hPa 大气环流背景 分析2008 －2012年福州大气污染日500 hPa 大气环流背景发现，大气污染日我国35°N 以南中低纬度500 hPa 环流系统均为纬向分布，环流平直，华南多为偏西气流和西南气流控制，且中低纬度等高线稀疏。35°N 以北可以是纬向环流，也可以是经向环流，但经向环流时，冷空气主要在高纬度活动，路径偏北、偏东。说明福州大气污染日发生时，500 hPa 关键区处在弱暖平流控制或冷空气活动较弱的天气背景下。

2.2.2 海平面气压场 近地层空气活动与大气污染关系密切。本研究以海平面气压场为主，结合850 hPa 高度场，分析海平面气压场对大气污染日的影响。出现大气污染日的海平面气压场形势包括:大陆高压脊型、变性冷高压前部型、变性冷高压底部型或后部型、锋前暖区型、均压场型、地面倒槽暖区型。与同期无污染日同形天气形势相比较，前5 种天气形势出现大气污染日时，850 hPa 关键区等高线稀疏，天气系统活动较弱，冷空气势力不强(图2，850 hPa 高度场)。而地面倒槽暖区型出现时，倒槽内的低压主体沿长江东移，或少动，福州处在地面倒槽暖区东侧边缘地带。

2008 －2012年福州市各月海平面气压场大气污染日天数及频率见表1。(1)大陆高压脊型。由表1可知，大陆高压脊型控制出现大气污染日天数最多，占47%，主要出现在冬季(33%)，其次为春季(14%)。在海平面气压场关键区，陆地受大陆高压脊控制，福建省位于高压前部，850 hPa 高度场关键区等高线稀疏(图2)。冷空气前锋有一股弱冷空气先从近地层向南扩散，或冷空气不断从低层加压补充南下。弱冷气团与上层空气容易产生逆温层，大气层结稳定，不利于污染物垂直扩散。另外，北方冷空气侵入，地面偏北风力较大，会引导北方的污染物南下。

图2 2009年4月26日08 时850 hPa 高度场与海平面气压场Fig.2 850 hPa height field and sea-level pressure field at 08:00 on 26 April，2009

表1 2008 －2012年福州市各月海平面气压场大气污染日天数及频率Table 1 Air pollution days and frequency in the sea-level pressure field in different months in Fuzhou City from 2008 to 2012

(2)变性冷高压型。变性冷高压控制出现大气污染日的天数占28%，包括东移的变性冷高压前部及变性冷高压底部或后部，春、秋、冬季都可能发生。变性冷高压沿长江流域东移，此时冷空气势力较弱，冷高压减弱，大气层结稳定，风速小，不利于污染物的垂直输送和水平扩散。该形势下大气污染日的天数占12%。福州处于变性冷高压底部或后部，高压主体入海，冷空气从海上南下回流到福建，风向以偏东、偏南风为主，天气回暖，湿度大，逆温出现率高，易造成大气污染物浓度升高，形成污染日天气。该形势下大气污染日的天数占16%。

(3)均压场型。在两弱天气系统交接处，海平面处于均压场。此时，近地面存在弱辐合场，湿度增大，逆温出现率高，大气静风或微风，属静稳大气，气体交流不畅，污染物扩散困难，容易原地堆积。这种天气形势下大气污染日天数占5%，多发生于冬末与春季。

(4)锋前暖区型。当海平面有一弱冷锋从北向南缓慢压向福州，或福州位于静止锋暖区内，其受锋前西南暖湿气流影响，地面存在弱的辐合上升气流，空气温度高、湿度大，地面风力很小，极易产生逆温层，大气层结稳定，大气污染物容易聚集且扩散困难。该天气形势下大气污染日天数占2%。

(5)地面倒槽暖区型。长江流域地面倒槽发展，福州处在地面倒槽边缘地带，有时850 hPa 处在海上高压边缘。此时，地面倒槽边缘微弱辐合上升暖湿气流，温度高、湿度大且常伴有较强的逆温，海上高压边缘的下沉气流也有利于逆温的产生，这些因素导致大气污染物不易扩散，多发生于冬末与春季。该天气形势下大气污染日天数占18%。

2.3 污染日气象要素的垂直结构特征

2.3.1 风 风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子。风向决定着大气污染物的输送方向，风速则影响其扩散稀释快慢，特别是低层风向、风速的变化直接影响空气污染物的聚散及各处的浓度分布。分析福州2008 －2012年大气污染日探空观测风的垂直分布资料，93%近地层存在风向突变。风向突变是指大气风向随高度迅速变化，也可看成两气团交界面。福州市属于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻岭环抱，海拨高度1000 m 左右，围住下层气团，使下层气团不易随上层气团移动。近地层下层气团风速较小，58%的污染日，925 hPa 以下气层的平均风速＜2 m·s－1，最大平均风速不超过5.7 m·s－1，08 时静风风频为30%。大气污染日地面平均风速为1.9 m·s－1，小于常年平均风速(2.6 m·s－1)。群山围绕着近地层下层气团内产生的污染物，垂直与水平扩散受阻，污染物就近堆积，造成大气污染日天气。近地层风向突变情况、风速大小可作为福州污染日天气预报的参考因素。

2.3.2 温度 层结稳定度与空气污染物扩散呈反相关。逆温是决定大气稀释扩散能力的重要因子。当逆温生成时，湍流运动受到抑制，尤其湍流垂直运动难以发展，大气扩散能力减弱，污染物向下卷夹，造成近地层污染物的大量积累［5］。2008 －2012年福州大气污染日近地层均存在逆温层或等温层且大部分逆温层或等温层底部出现在925 hPa 以下，污染物无法向上扩散，导致大气污染物在近地层堆积，从而造成污染日天气。因此，逆温层、等温层可作为福州大气污染日天气预报的参考因素。

2.3.3 湿度 湿层是指大气中相对湿度≥80%的某层大气。2008 －2012年大气污染日近地层湿度垂直分布情况表明，福州大气污染日近地层(850 hPa 以下)基本上存在湿层。其中，77%湿层底层出现在1000 hPa 左右，非常接近地面。78%湿层中最大相对湿度大于95%，14%湿层中最大相对湿度达100%，但均未达到形成降水。

湿层空气湿度大，水汽含量高，有利于水汽在气溶胶粒子上凝结。气溶胶粒子在湿层中迅速变湿，吸湿性增强，微风条件下可碰撞增大。吴兑［6］研究表明，湿层中污染源产生的霾滴，一定条件下会向雾滴转化形成雾霾天气。福州近地层存在湿层，在有利的气象条件下，如夜间辐射降温幅度较大，容易使空气达到饱和凝结形成雾。雾的出现使空气中污染物扩散困难，加重了大气污染。且雾滴与霾粒相互转化，形成持续雾霾天气，雾霾形成后，大气稳定度高，更加不利于污染物的消除，形成恶性循环［1］。因此，适度的湿度条件有利于污染天气的发生，即近地层湿层存在有利污染天气形成。

2.4 大气逆温层及风向突变的月际分布

850 hPa 以下近地层各月出现逆温层及风向突变的概率分布见图3。由图3 可知，1 －5月及10 －12月出现逆温层及风向突变的概率较高，6 －9月福州出现逆温层及风向突变的概率很低。比较图1、3 可知，大气污染日出现概率月际分布与850 hPa 以下近地层出现逆温层及风向突变的月际分布相似，这进一步佐证了850 hPa 以下近地层是否出现逆温层及风向突变是福州大气污染日预报的一个重要指标。

图3 福州850 hPa 以下大气出现逆温层及风向突变概率的月分布Fig.3 Probability of inversion layer and wind mutation occurring in the atmosphere below 850 hPa in different months in Fuzhou

2.5 大气污染日气温和风速与30年平均值比较

2008 －2012年福州大气污染日的最高气温、最低气温、日平均气温及日平均风速与同期30年平均最高气温、最低气温、平均日平均气温及平均日平均风速比较见表2。由表2 可知，福州大气污染日日最高气温86%高于同期30年平均日最高气温，日最低气温84%高于同期30年平均日最低气温，日平均气温86%高于同期30年平均日平均气温，日平均风速75%低于30年平均日平均风速。

综上所述，大气污染日影响福州的冷空气势力较弱，近地层大气气温较常年偏高，风力较常年偏小。

表2 2008 －2012年福州大气污染日气温、风速与30年污染日历史气温、风速比较Table 2 Comparison of temperature and wind speed on air pollution days in Fuzhou in the period from 2008 to 2012 and the past 30 years d

3 小结与讨论

本研究表明，(1)福州大气污染日多发生在500 hPa 高度场关键区在弱暖平流控制或冷空气活动较弱的天气背景下。(2)850 hPa 高度场关键区等高线稀疏，天气系统不明显。(3)易发生大气污染日海平面主要气压场类型有:大陆高压脊型、变性冷高压前部型、变性冷高压底部型或后部型、锋前暖区型、均压场型、地面倒槽暖区型。(4)大气污染日福州近地层存在逆温层和风向突变层，近地层与上层气流交流不畅。近地层大气气温较高，一般为静风或风速较小，是静稳大气，污染物的水平与垂直扩散能力较低。逆温层、风向突变层可作为福州大气污染日天气预报的参考因素。(5)近地层湿层的存在有利于污染天气形成。

本文对福州外来大气污染影响等考虑甚少，同时，城市间空气污染的相互影响在应用过程中还有待进一步研究。

［1］吕效谱，成海容，王祖武，等.中国大范围雾霾期间大气污染特征分析［J］. 湖南科技大学学报:自然科学版，2013，28(3):104 －110.

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［3］谢鹏，刘晓云，刘兆荣，等.不同控制指标下的大气PM10浓度对人的健康影响——以2006年珠江三角洲地区为例［J］.中国环境科学，2010，30(1):25 －29.

［4］林长城，王宏，陈彬彬，等.福州和厦门大气污染物突变特征与气象条件的关系［J］.福建农林大学学报:自然科学版，2013，42(2):189 －194.

［5］齐冰，刘寿东，杜荣光，等.杭州地区气候环境要素对霾天气影响特征分析［J］.气象，2012，38(10):1225 －1231.

［6］吴兑.再论相对湿度对区别都市霾与雾(轻雾)的意义［J］.广东气象，2006(1):9 －13.