铜川市空气污染气象条件分析

孙田文,张淑敏,吴 宁,戎鸿兴

(1.陕西省气象干部培训学院,西安 710014;2.铜川市气象局,陕西铜川 727031)

铜川市空气污染气象条件分析

孙田文1,张淑敏2,吴 宁2,戎鸿兴2

(1.陕西省气象干部培训学院,西安 710014;2.铜川市气象局,陕西铜川 727031)

统计分析了铜川南、北市区近10 a空气污染监测资料和对应的气象资料,并进行相关分析,结果表明:铜川市空气能见度与空气污染API指数 (I)对应关系较为复杂,气温、气压、湿度、风等气象条件对污染物分布具有综合性影响。北市区能见度近3 a有所下降,三种污染物的API指数I(PM10)、I(SO2)、I(NO2)10 a来缓慢下降,表明空气质量在好转;南市区能见度年际变化不大,I(PM10)变化幅度较大。南、北市区I(PM10)、I(SO2)、I(NO2)均为夏季最低,冬季最高,春季次之;空气污染均是PM10最大、SO2次之、NO2最小。相关分析得出,南市区I(PM10)与相对湿度反相关性最好,I(NO2)与日平均风速相关性最好,I (SO2)与相对湿度相关性最好;北市区I(PM10)仅与空气湿度反相关显著。南市区冬季风越大,能见度越好;而春、夏、秋则相反,风速越大,能见度反而降低。年平均风速较大时,大气能见度条件相应较好,较大的风速更有利于大气污染物的扩散;而当相对湿度较大时,大气能见度较差。

空气污染;API分指数;能见度;气象条件

众所周知,空气质量的优劣与气象条件有一定关系,大量文献研究表明,空气中PM10(含PM2.5)质量浓度越高,大气能见度越低,空气质量越差。庞翻等[1]分析得出空气污染在静稳天气条件下加重灰霾的程度。张裕芬等[2]指出在污染源变化不大的情况下,低污染天气潜势有利于减轻污染程度,高污染潜势的天气则会加大污染程度。司瑶冰等[3]研究表明,城市大气污染的最重要两大影响因素是污染物排放和大气的稳定度,导致污染物质量浓度变化的主导因素是天气变化。李春花[4]得出影响西宁大气污染的气象因子有动力因子和热力因子,动力因子主要是冷空气活动和湍流,热力因子主要是大气逆温和稳定度。冯良敏等[5]分析成都地区13次PM10污染过程气象条件得出重污染天气多为下湿上干且湿层较为浅薄的结构。铜川曾经以产煤著称,煤尘污染比较严重,曾是全国空气污染较重的城市之一,20世纪90年代被“誉”为卫星上“看不见”的城市。近十余年铜川市委、市政府采取了强有力的治污降霾措施,空气质量较前期有了明显好转[6]。但是,受气候变化和城市化进程加快的影响,与全国其他城市一样,有时也会遇到污染天气的困扰。本文研究铜川气象因素与空气质量的关系,为后期的空气污染气象条件预报预警奠定基础,同时为有关部门治污降霾提供参考。

1 资料来源和方法

采用铜川2003—2012年10 a时间序列,按照北市区和南市区两个区域的环境监测站和气象观测站的资料进行对比分析,其中北市区环境监测资料选用王益区政府监测站,南市区选用新区管委会监测站资料,两个环境监测站都在人口居住密集区,空气污染指数完全能够代表这个地域的空气质量情况;气象资料选用与环境监测站位置接近气象站,北市区为铜川气象站(53947),南市区为耀县气象站(57037)。铜川气象站比王益区政府环境监测站海拔高200 m,两站水平距离为3 km,且铜川气象站处在郊外,四周空旷,环境监测站位于城市区川道。耀县气象站比新区管委会环境监测站海拔高度低30 m,两站水平距离为5 km,四周均比较空旷。空气污染资料为利用两个环境监测站监测的PM10、SO2、NO2三种污染物质量浓度换算后的空气污染指数API分指数,分别表示为I(SO2)、I(NO2)、I(PM10);气象资料为能见度、风、空气相对湿度等要素。

根据国家空气质量标准(GB 3095—1996《环境空气质量标准》),空气污染指数API划分为7档,对应于空气质量的7个级别,指数越大,级别越高,污染越严重,对人体健康的影响也越明显(表1)。

2 空气质量年际变化和季节变化

由图1a可看出,2003—2012年北市区(王益区、印台区)I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)呈下降趋势。2004年I(PM10)最高达120, 2009年最低为62,2010—2012有缓慢上升趋势;I(SO2)在2006年仅30,2007年达60,出现明显波动,2007—2009年呈现降低趋势,之后又缓慢上升;I(NO2)近10 a来整体变化不大,但2010—2012年有缓慢上升趋势。北市区能见度10 a平均为14.3 km,2010、2012年出现明显降低趋势,分别为13 km、12 km,其它年份则总体平稳。总体来看,北市区年能见度与I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)有一定负相关性。

由图1b可看出,2003—2012年南市区(耀州区、新区)I(PM10)变化幅度较大,2008—2010年最小,指数低于60;2004、2012年较大,指数超过90。I(SO2)呈现两低三高变化态势,2005、2010年最低,2003、2007、2012年较高,指数变化幅度为20左右。I(NO2) 2003—2008年呈波浪形变化,2009—2012年逐年缓慢上升,但均低于30。南市区能见度变化平稳,均值为10.2 km,振幅很小。

从图2可看出,南、北市区三个空气质量指数均为夏季低、冬季高,春季次之,表明空气质量夏季较好,冬季最差,其次是春季。这主要是因为冬、春季静稳天气偏多,降水偏少,污染物长时间积累,加之太阳辐射弱,空气垂直运动弱,不利于污染物扩散,造成空气污染。北市区能见度6月最大,5月次之,9月最小,2、8、11月也相对较低。南市区能见度也是6月最大, 4、10月次之;1、8、11月最小。

从图1和图2可看出,铜川北、南市区空气污染指数均为I(PM10)明显偏大、I(SO2)次之、I(NO2)最小,说明PM10是铜川市首要的空气污染物。

分析表明,铜川市10 a间大气能见度总体较好,均值在12 km以上,北部好于南部,优于全国绝大多数城市,但总体发展趋势仍不容乐观,北市区平均能见度大于南市区,近10 a南市区能见度年变化呈现缓慢增大的趋势,空气污染指数也呈现增大趋势;北市区能见度最近3 a却略有下降,但空气污染指数则呈略降低的趋势。表明铜川市空气能见度与空气污染指数对应关系较为复杂,有待于进一步分析研究。

3 气象要素与空气污染指数相关性分析

3.1 气象要素与空气污染指数季节变化的相关性

分别选用1、4、8、11月代表冬、春、夏、秋四季,利用10 a环境监测站的I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)与能见度、相对湿度、风速三种气象要素分别进行相关性分析,计算其相关系数,在样本数大于200,通过信度0.05 T检验的显著相关系数Rc为0.15,即当相关系数 (正值表示正相关,负值表示反相关)大于0.15时则认为两种要素相关显著 (或相关较好)。由表2可知,1月北市区I(PM10)与相对湿度相关性最好,表明冬季湿度越大, I(PM10)也增大,污染加重;I(SO2)与能见度相关显著,而I(NO2)与三种气象要素相关性均不显著。4月,风速与I(PM10)、I(NO2)相关显著,能见度与I(SO2)相关显著。8月I(SO2)、I(PM10)与大气能见度相关显著。11月只有I(NO2)与相对湿度相关显著,相关系数为-0.28,与风速相关系数为0.25。结果表明,不同季节,北市区三个空气污染指数与气象条件的相关性不同。除4月外,大气能见度与空气相对湿度和风速相关显著,与相对湿度呈反相关,与风速呈正相关。即一般情况下风速越大,能见度越大;湿度越大,能见度越小。4月由于空气和土壤整体比较干燥,风速大则容易形成浮尘扬沙天气,导致能见度下降。

南市区各季节空气污染指数与气象要素的相关系数明显大于北市区,各月I(SO2)与大气能见度相关系数均在0.2以上,1月相关系数达-0.39。1、8、11月I(PM10)与大气能见度相关性好,1月相关系数达-0.51,4月较差。相对湿度与1月I(SO2)、I(PM10),11月I(NO2)、I(PM10)相关性也较好。8月风速与I(NO2)反相关性最显著;1月风速与三种污染指数均为显著反相关,表明冬季风速越大,污染指数越小,空气质量越好。南市区相对湿度对能见度的影响与北市区一致,各季均为显著反相关,1月相关系数达-0.74。风速与能见度1月为正相关,4、8、11月均为反相关,表明南市区冬季风越大,能见度越好,而春、夏、秋则相反,风速越大,能见度反而降低。

3.2 I(PM10)对大气能见度影响分析

铜川三个污染物指数均为北市区大于南市区,而平均大气能见度则是南市区比北市区低4.1 km。这种情况可能与观测站位置有关。北市区冬、春季大气能见度与I(PM10)分布几乎没有相关性,点聚图 (图略)上看也没有规律可循,这与该地大气环境监测点与气象站环境差异过大有关系[7],导致北市区空气污染指数与大气能见度出现了不一致的变化情况。南市区环境监测站位于新区的平原上,气象站位于耀州区城郊,位置略低,环境差异不太大,但一定程度上也会出现两者不一致的情况。从表2可知,南市区I(PM10)与能见度的反相关最显著,为进一步分析南市区I(PM10)对能见度的影响,制作了10 a 1月逐日能见度与I(PM10)点聚图,图3a表明,1月I(PM10)主要在分布50～180之间,大气能见度则主要在1.5～15.0 km之间。当I(PM10)大于150时,大气能见度小于15.0 km,当I(PM10)大于200时,能见度低于5 km;当能见度小于10.0 km时,I(PM10)均大于50,而当能见度小于5.0 km时,I (PM10)从38到282都有分布。由此推断, PM10也不是影响南市区冬季能见度的最主要因素,气象条件的变化才是铜川雾、霾形成的主要原因。

3.3 空气湿度、风速对I(PM10)的影响分析

利用平均风速、相对湿度资料分析对大气能见度的影响发现,当年平均风速较大时,大气能见度相应较大,较大的风速更有利于大气污染物的扩散。而当相对湿度较大时,大气能见度较小。

相对湿度与I(PM10)总体上呈正相关,相对湿度增大,I(PM10)也随之增大(图3b)。日平均风速则与I(PM10)呈反相关(图3c)。

铜川2003年空气污染指数整体较高,北市区年均I(PM10)超过100,南市区I(PM10)接近90,因此以2003年为例对逐日空气污染指数与气象要素做进一步分析,结果表明(表3): 2003年,南市区I(PM10)与相对湿度反相关性最好,I(NO2)与日平均风速相关最好, I(SO2)与相对湿度反相关性最好。北市区I(PM10)仅与相对湿度的反相关较为显著; I(SO2)则与三种气象要素相关性均比较高,与相对湿度呈0.59的反相关,与能见度和风速正相关;I(NO2)与相对湿度呈0.38的反相关,与能见度和风速有0.2的正相关。由此可看出, 2003年,相对湿度是影响空气污染指数的最主要气象因素,风速也是影响空气质量指数的一个重要因素,而能见度与I(PM10)相关性较小,这与前面的相关分析基本一致。

4 2013年12月中下旬强霾天气过程简要分析

2013年12月18—25日,铜川南市区出现了较强霾天气,铜川市气象台连续发布了霾天气预报和预警信号,过程期间I(PM10)≥200,达到中度以上污染。耀县气象站气象要素显示,18—25日,能见度＜5 km(图4a),无降水,温度变化平稳,没有明显的冷空气影响,露点线接近温度线,温度露点差很小,说明空气相对湿度较大,地面一直为均压场区,风速只有2～4 m/S,空气污染物得不到扩散,导致严重的霾,26日14时开始,气温出现了明显下降,温度露点差突增,空气湿度下降,气压上升,地面风向由西南变成了偏北,说明有冷空气入侵,污染物得到有效的扩散,铜川霾天气结束[8-9](图4b)。

5 结论

利用铜川南、北市区2003—2012年环境监测站和气象观测站资料,研究铜川气象要素与空气质量的关系,得出以下结论。

(1)铜川北市区年能见度与I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)三种空气污染指数有一定负相关性;空气质量夏季较好,冬季最差,其次是春季。

(2)南市区能见度变化不大,均在10.2 km左右,I(PM10)变化幅度较大;I(SO2)、I(NO2)、I(PM10)均是夏季最低,冬季最高,春季次之。

(3)南、北市区空气主要污染物均是PM10、其次是SO2,NO2属于污染最小的因素,PM10是铜川的首要的空气污染物。

(4)南市区I(PM10)与相对湿度反相关性最好,I(NO2)与日平均风速相关最好,I(SO2)与相对湿度相关性最好。北市区I(PM10)仅与空气湿度反相关显著。

(5)南市区冬季风越大,能见度越好,而春、夏、秋则相反,风速越大,能见度反而降低。

(6)当年平均风速较大时,大气能见度条件相应较好,较大的风速更有利于大气污染物的扩散;而当相对湿度较大时,大气能见度较差。

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1006-4354(2015)05-0027-06

2015-06-08

孙田文(1968—),男,云南永善人,学士,高级工程师,从事气象业务管理和科研开发。

铜川市气象局2014年雾霾成因分析及预报指标研究支持项目