不同天气形势下福建省环境空气质量特征研究

福建省环境监测中心站预报预警中心 黄艳艳

1 概述

大气污染是较为突出的环境问题，危害人体健康、影响植物生长、影响气候变化等，给居民生活带来严重的不利影响[1-3]。随着社会经济发展，公众环保意识逐渐提高，对环境空气质量的优劣日益关注[4]，预知环境空气质量变化已成为公众的迫切需求。

20世纪70年代起，美国开始做大气污染数值预报，发展至今，国内许多大中城市已开展空气质量预报业务[4]。运用数值预报模型，成功为北京奥运会、上海世博会等空气质量服务提供了有力的保障[5-12]。

数值模式可以直观展现污染物浓度变化情况，但各种模型中存在着预报的不确定性，增加了环境空气质量预报的难度[13]，福州市的环境空气质量预报早有涉及该模式[14-17]。就福建省而言，环境空气质量预报工作处于起步发展阶段[18]，为了精准把握环境空气质量变化情况，需要准确认识不同天气形势下大气污染物的浓度情况，因此对不同天气形势下环境空气质量的变化特征及其在空气质量预报中的作用进行讨论十分必要。

2 资料与处理

本文采用以下资料作分析研究：

（1）2014年9月～2015年8月福建省9个设区市PM10、PM2.5逐日浓度；

（2）2014年9月～2015年8月NCEP/NCAR再分析逐日高度场、风场（垂直方向为 17层，分辨率为 2.5°×2.5°）资料。

其中，PM10、PM2.5浓度资料按照（《环境空气质量标准》（GB3095-2012）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）等规范进行修约，对于因断电、仪器设备故障等造成的有效数据不足情况作无效数据处理。

在福建省为期近2年的重点城市及全省的环境空气质量预报过程中发现，福建省冬半年（9月到次年2月）首要污染物主要为PM2.5；夏半年（3～8月）首要污染物为PM10或O3。在下文分析中，冬半年所选个例污染物浓度以 PM2.5为代表，下半年污染物浓度以PM10为代表。

3 不同天气形势下污染物浓度变化特征

大气污染物变化与气象条件有着密切关系，大气污染物在不同季节、不同天气形势下的时空特征是不同的。根据500 hPa高空图、850 hPa高空图和地面天气图，将影响福建省的环流控制系统分为8类，分析不同天气形势下福建省大气污染物浓度时空变化特征，以期寻找出典型天气过程中大气污染物分布特征，为福建省环境空气质量预报、大气污染防治等提供有力依据。

3.1 高空脊

高空脊前一般为负涡度平流，有下沉运动，利于污染物堆积[19]。2015年1月5～6日，福建省受高空脊系统影响（图1），1月4日，福建省处于高空脊前西北气流带控制；5～6日为高空脊控制；6日傍晚高空脊东移入海，福建省处于脊后西南气流带控制，高空脊影响过程结束。

4日，福建省处于脊前西北气流带控制，各地区 PM2.5浓度较低，空气质量处于优良水平（见图2）；5日，受高空脊过程影响，各设区市PM2.5浓度上升；6日，东部沿海一带出现逆温现象，东部沿海城市及南平市PM2.5浓度较5日有所增加，而漳州、三明、龙岩6日为脊后西南气流带控制，局地扩散条件较5日有所改善，污染物浓度较5日略有减少或相当；5～6日为高空脊控制，各设区市空气质量处于轻度污染水平，多个时段达到中至重度污染；7日，高空脊影响过程结束，各设区市污染物浓度下降，处于优良水平。

图1 2015年1月5—6日500 hPa平均高度场（单位：gpm）

图2 2015年1月4-7日福建省各设区市PM2.5逐日浓度变化（单位：μg/m3）

3.2 暖区辐合

福建省受暖区辐合影响时，高低空受一致的西南气流控制（见图3），大气层结稳定，不利扩散。

2015年4月17～20日，福建省受暖区辐合影响，多个设区市空气质量处于良的水平，多个时段出现轻度污染事件（见图 4）。暖区辐合影响初期，龙岩、漳州污染物浓度较高；随着辐合带向东北推进，18日，龙岩浓度开始下降，东部及北部城市污染物浓度上升；19日，仅三明、南平、宁德污染物浓度较高；20日，暖区辐合影响结束，受切变线南压影响，出现降水，污染物浓度下降, 空气质量为优良水平。

图3 2015年4月27-30日850 hPa平均风场（单位：m/s）

图4 2015年4月17-20日福建省各设区市PM2.5逐日浓度变化（单位：μg/m3）

3.3 高空槽

2015年 1月 21～23日福建省受高空槽过境影响，21日位于槽前；22日高空槽东移受槽区系统影响；23日高空槽东移入海，影响过程结束，转为脊前西北气流带控制（见图 5）。

2015年1月21～23日高空槽影响过程中，福建省各设区市空气质量处于良的水平（见图6）。1月21日，福建省位于高空槽前，除龙岩外，各设区市PM2.5浓度较20日上升，这是因为福建省低层主要受西北风控制，上游地区江西省发生污染事件，受污染物传输影响，加之本地扩散条件不利，各设区市PM2.5浓度上升；22日处于槽区，低层仍为西北风，个别城市PM2.5浓度已下降；23日，福建省转为脊前西北气流带控制，出现逆温现象，不利扩散，PM2.5浓度继续升高；此次高空槽过境，没有产生有效降水，同时受外来污染物输送及本地逆温条件的影响，PM2.5浓度没有得到有效改善。可见，有效降水是影响大气污染物浓度的关键因子。

图5 2015年1月20-23日500hPa平均高度场（单位：gpm）

图6 2015年1月20-23日福建省各设区市PM2.5逐日浓度变化（单位：μg/m3）

3.4 副热带高压及其边缘

副热带高压为暖性高压，在其控制下，天气晴热、大气热力和动力条件好，利于大气污染物的垂直和水平扩散，污染物浓度较低。2015年6月21—24日，福建省为副热带高压及其边缘控制（见图7），PM10浓度基本在50 μg/m3以下，空气质量处于优的水平（见图8）。

图7 2015年6月21-24日500hPa平均高度场（单位：gpm）

图8 2015年6月21-24日福建省各设区市PM10逐日浓度变化（单位：μg/m3）

3.5 台风

福建省受台风影响，易出现强降水过程，利于大气污染物扩散。福建省处于台风外围气流影响，虽然无降水或降水微弱，但会出现大风，大气水平扩散能力强。根据台风不同的登陆路径，将台风分为三种，以“灿鸿”为代表的北部台风、以“苏迪罗”为代表的中部台风和以“莲花”为代表的南部台风。

2015年7月9—12日，福建省受北部台风“灿鸿”影响，各设区市空气质量多优。2015年7月9日，福建省受“灿鸿”外围东北气流影响，风力较大，扩散条件较好，PM10维持较低浓度（见图9）。10日，受东北风影响，风力减弱，PM10浓度累积升高。11日，随着台风北进，北部城市风速持续增加，南平、宁德、三明PM10浓度降低；福州、泉州一带风速较其西北部弱，呈辐合场，PM10浓度升高。12日，随着台风继续北上减弱，福建省受西北风控制，风力减弱，各设区市PM10浓度上升。

图9 2015年7月9-12日福建省各设区市PM10逐日浓度变化（单位：μg/m3）

图10 为福建省受中部台风“苏迪罗”登陆影响时各设区市PM10逐日浓度变化。8日22时10分，“苏迪罗”在莆田秀屿区登陆（8日福州市PM10数据缺失），8月7—10日，各设区市污染物浓度维持在50 μg/m3以下，空气质量处于优的水平。7日，受台风外围东北气流影响，风速较大；8—9日，受台风登陆影响，风速加大，同时全省范围内产生暴雨、大暴雨天气，污染物浓度降低明显；10日，台风继续北上减弱，影响过程结束，福建省转为副热带高压边缘控制，空气质量维持优的水平。

图10 2015年8月7-10日福建省各设区市PM10逐日浓度变化（单位：μg/m3）

受南部台风“莲花”影响时，风力增加，大气扩散条件较好，空气质量维持优的水平，并且 8日福建省沿海南部城市污染物浓度明显降低。

3.6 西北、西南、平直西风气流带

福建省位于低纬度地区，多受偏西气流带控制，包括西北气流带、西南气流带和平直西风气流带。

在冬半年，京津冀等地区采暖情况下，污染加重，福建省在西北气流带控制下，低层为偏北风，易受北方污染物传输影响，污染物浓度较高，空气质量为良至轻度污染水平，个别时段达到中至重度污染。2015年1月23—27日，福建省为西北气流带控制，受外源及本地污染物叠加影响，部分城市出现轻度污染，个别时段达到中至重度污染。

在冬末春初，福建省高层受西南气流带控制，低层受西南风影响，易受暖湿气流控制，大气层结相对稳定，风力弱，易出现局部逆温现象，扩散条件较差，各设区市多个时段污染物浓度较高，空气质量达轻至中度污染。2015年3月14—19日为西南气流带控制，福建省部分地区多个时段达轻至中度污染。

在平直西风气流带控制下，低层风速较小、湿度较大，大气扩散条件不利。2015年5月6—7日为平直西风气流带控制，福建省部分设区市空气质量多个时段达轻至中度污染。

4 结论

本文对福建省不同天气形势下环境空气质量变化特征进行探讨，得到以下结论：

4.1 影响福建省的天气形势主要有 8类，其中，高空脊、暖区辐合为不利扩散的环流形势；高空槽、副热带高压及其边缘、台风及其外围为有利扩散的环流形势；西北、西南、平直西风气流带在不同的季节，其扩散能力不同。

4.2 高空脊影响过程中，福建省多个设区市空气质量处于轻度污染水平。受暖区辐合影响时，多个设区市空气质量处于良的水平，多个时段出现轻度污染。

4.3 高空槽影响过程中，若在此过程中产生有效降水，各设区市空气质量处于良的水平。福建省受副热带高压及其边缘气流控制及台风影响时，空气质量处于优的水平。

4.4 福建省受西北气流带控制时，若出现在冬半年，各设区市空气质量为良至轻度污染水平，个别时段达中至重度污染。在冬末春初，受西南气流带控制时，各设区市多个时段空气质量达轻至中度污染。在平直西风气流带控制下，各设区市空气质量多个时段达轻至中度污染。受研究资料年限和对环境空气质量采取有效管控措施等影响，环境空气质量亦在变化。在实际预报业务中，了解不同环流形势下污染物浓度时空变化特征非常重要，并结合实际情况，将其更好地应用于环境空气质量预报中。

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