杭州AQI的分布特征及其与气象条件相关性分析

张霏燕　黄　哲　查　贲　沈杭峰

(1.临安市气象局，浙江 临安 311300；2.杭州市气象局，浙江 杭州 310051)



杭州AQI的分布特征及其与气象条件相关性分析

张霏燕1黄哲1查贲1沈杭峰2

(1.临安市气象局，浙江 临安 311300；2.杭州市气象局，浙江 杭州 310051)

根据杭州市2013—2015年的空气质量日报资料，分析了杭州市空气质量特征及其与气象要素的关系，并从气象因素分析了杭州重污染日发生的原因。结果表明：1)杭州市近3年平均AQI为97，良好率为63%，7月杭州空气质量最好，1月空气质量状况最差，近3年杭州的空气质量状况总体有所改善；2)杭州市首要污染物主要为PM2.5和O3，在6—9月，首要污染物主要为O3，在其他月份，首要污染物主要为PM2.5；3)杭州AQI与气象要素密切相关，且不同的时段所依赖的气象因子也不同；4)杭州重污染日时，地面风速小，且68%的重污染日低空存在逆温,71%的重污染日低层存在下沉运动；5)杭州重污染的典型地面形势主要有冷空气影响型、高压影响型和倒槽型3类。

杭州市AQI；PM2.5；重污染日；气象特征

0　引　言

20世纪以来随着现代工业及交通运输业等的快速发展，城市空气污染日益严重，空气污染能够降低能见度、影响植物生长、损坏文物古迹，在一定程度上影响了人们的生活质量，甚至危害人类健康[1-2]。大气污染已成为国家和人们十分关注的重大问题。随着空气质量预报业务的开展，国内很多研究和业务人员对空气质量进行了研究。尹承美等[3]发现济南市冬季、春季空气质量比夏季、秋季差，污染最轻的是8月，污染最重的是12月或1月。郑红等[4]发现哈尔滨市冬季是四季中大气污染最重的季节，而1月又是冬季污染最重的月份。魏玉香等[5-8]研究发现空气污染与气象条件关系密切，气象要素制约着空气污染物的稀释、扩散、传输和转化过程，进而影响空气污染物的分布及污染物浓度。李琼等[9]研究发现污染物浓度不仅与当天的天气类型有着密切的关系，而且与前几天的天气类型的持续时间、地面气压场等天气要素有关。

目前城市空气污染的研究虽然已取得了很大进展，但由于各大城市的地理位置、污染源分布及气象条件的差异，应当根据本地情况研究分析当地的污染特征、气象条件及其与污染浓度的关系，因此，开展杭州空气质量的研究十分必要。同时AQI超过200(空气质量为重度污染或严重污染)的天气对人们的工作、生活和健康危害很大，研究其发生的气象条件，可为制作重污染预报提供科学依据，因此本文还着重分析了杭州重污染日的气象特征。

1　资料来源

杭州市环境监测站2013年1月—2015年12月空气质量指数(AQI)、细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、SO2、NO2、O3、CO浓度的逐日平均值。地面气象资料为杭州市基准站(站号58457)同期的逐日平均气压、气温(日平均、日最高、日最低)、降水、相对湿度、风速(平均风速、极大风速)等8种地面气象资料。美国国家环境预测中心/国家大气环境中心(NCEP/NCAR)发布的水平分布率为2．5°×2．5°的日平均全球再分析资料。

2　结果分析

2.1空气质量特征分析

2.1.1空气质量的时间变化特征

从AQI的年平均值可以看出总的空气质量状况。杭州市近3年平均AQI为97，良好率为63%，近3年AQI均值呈下降趋势，良好率有所上升，表明杭州的空气质量状况总体有所改善。轻度污染及以上的天数每年平均为135 d，其中重度污染及以上天数每年平均为10 d。近3年优、良和轻度污染的天数呈起伏状态，中度污染及以上天数明显下降，见表1。

表1　2013—2015年杭州市不同空气质量级别所占天数

而从近3年AQI月平均分布情况也可以看出(图1)，2013年冬季AQI值明显高于其他两年，表明2013年冬季杭州的空气质量较差，这主要是由于2013年杭州冬季长期处于高压控制，天气静稳，有利于污染物的堆积；2014年开始AQI的起伏趋于平缓。AQI小于平均值的月份基本集中在3—10月份，谷值主要出现在7月，AQI大于平均值的月份基本集中在11月—2月份，峰值大多出现在12月或1月。从空气质量为优或良、轻度污染及以上的日数的月际变化图上(图2)也可以看出7月空气质量达到良好的日数最多，良好率为76%，1月空气污染最重，2月次之，良好率分别为27%和35%。

图1　2013—2015年月平均AQI的时间分布图

图2　空气质量为优或良、轻度污染及以上日数的月际变化

2.1.2首要污染物

首要污染物是指当AQI大于50时空气中最主要的一种污染物。由表2可见，杭州市的首要污染物有PM2.5、PM10、O3和NO2，其中首要污染物为PM2.5的天数最多，共出现520 d，远远大于其他几种污染物，其次是O3，共252 d，而NO2和PM10的天数分别为131 d和99 d。近3年，PM2.5的天数呈现下降趋势，但是O3的天数却在不断上升。另外，从图3中我们可以看到PM2.5和O3的月分布也呈现此消彼长的现象：在6—9月，首要污染物主要为O3，而在其他月份，首要污染物主要为PM2.5。O3和PM2.5反映的都是复合型空气污染，两者之间关系密切：春夏季节，日照增强，空气中氮氧化物和挥发性有机物便发生光化学反应生成O3，而此时污染扩散条件变化，包括风大、雨多等，PM2.5较好扩散。与之相反，秋冬时期，逆温天气、静稳天气增多，大气扩散条件差，污染物(特别是PM2.5)累积难以扩散，导致PM2.5浓度高，却较少产生O3。

表2　2013—2015年杭州市首要污染物所占天数

图3　杭州首要污染物的月分布情况(单位：d)

今后随着对PM2.5的治理力度加大，空气能见度提高，O3污染治理问题会愈发凸显。环保专家指出，O3污染治理将是大气治理新挑战，会比PM2.5治理的难度更大。PM10和PM2.5可通过控制扬尘、禁烧秸秆、禁燃鞭炮等措施进行治理，但O3是通过光照二次生成的污染物，一次排放控制不能达到治理目的，更讲究氮氧化物和挥发性有机物的协同控制。因此应加快调整优化产业结构和能源结构，推进清洁能源的使用，最大限度地削减污染物排放量。

2.2杭州空气质量与气象因子的关系

从前面的分析我们发现AQI具有冬强夏弱的特点，故我们分冬(10—3月)、夏半年(4—9月)分别寻找它们与地面气象要素之间的关系(表3)。

从总的时段来看，AQI与气温(日平均、最高、最低)，相对湿度，雨量及风速呈显著的负相关，与气压和日较差呈现显著的正相关，反映了当气压低(地面低槽发展)，温度高，风速大，湿度大，有利于污染物的扩散，降水起到一定的冲刷作用，导致污染物浓度降低。反之，气压高(冷空气影响)，温度低，风速小，湿度小，无降水，不利于污染物的扩散，污染物浓度升高。

而从分时段来看，在冬半年，AQI与雨量和极大风速呈现稳定的显著性负相关，与日较差呈现稳定的显著性正相关，说明冬半年污染物浓度主要受雨量、极大风速和日较差的影响：当有降水、阵风明显、气温日变化小时(一般天气较为恶劣时)，有利于污染物的扩散，反之，无降水，阵风小，气温日变化大时(天气较为静稳)，不利于污染物的扩散。在夏半年，AQI与相对湿度、雨量、风速呈稳定的显著性负相关，与日较差呈稳定的显著性正相关，说明夏季空气质量的好坏除了依赖于降水、风速和日较差的的变化外，还与相对湿度有着明显的相关。

表3　不同时段杭州AQI与同期地面气象要素之间的相关系数

注：*表示通过0.05显著性水平检验，△表示通过0.01显著性水平检验

2.3杭州重度及以上污染日的气象条件分析

2013—2015年杭州共出现重度以上污染31 d(表4)，产生污染的首要污染物均为PM2.5。污染事件主要产生在1月和12月，少数出现在11月和2月。

2.3.1风速

重污染日地面平均风速均小于等于3.3 m/s(2级)(表4)，表明重污染日时地面风速较小，不利于大气污染物水平扩散。

2.3.2大气垂直特征

从表4可以看出，杭州31个重污染日有21天出现了不同程度的逆温现象，占全部重污染日数的68%。用NCEP/NCAR再分析资料，分析重污染日期间的大气垂直运动变化，发现杭州31个重污染日大气低层的850 hPa或925 hPa有22 d存在下沉运动, 占全部重污染日数的71%。

表4　杭州重污染日的气象特征

2.3.3天气形势

我们对杭州31个重污染日的地面天气形势进行了分析(表4)，发现杭州重污染时的海平面气压场分布主要有3种类型：冷空气影响型、高压影响型和倒槽型。

1) 冷空气影响型的污染机制

杭州重污染日有16次是属于冷空气影响型，占总数的52%，为最主要的污染形势。从16次冷空气影响过程的海平面气压场和风场合成分布图中可以看到(图4a),高压中心位于新西伯利亚到贝加尔湖一带，中心最高气压达到1040 hPa，杭州主要受冷空气南下影响，导致北方污染气团随着冷空气南下传输，大大影响了杭州本地空气质量。低空850 hPa(图4b)杭州上空为偏北气流，且存在风速的弱辐合，有利于污染物的停滞和积累。

2)高压影响型的污染机制

杭州重污染日有12次是属于高压影响型，占总数的39%。图5为12次高压影响过程的海平面气压场和风场的合成分布，我们发现，新西伯利亚到贝加尔湖一带仍为高压控制，但与上述的冷空气影响过程相比，高压强度明显偏弱，中心最大值为1034 hPa,杭州距离高压中心较远，处于高压边缘，地面等压线稀疏，气压梯度力和风速较小，且容易出现逆温层(12次高压影响型有10次存在逆温)，使得本地工业排放和人类活动造成的污染物无法扩散。

3)倒槽型的污染机制

该污染型出现次数较小，近3年仅出现3次。分析表明(表5)，倒槽型的污染出现前一天杭州均为重度污染，污染物积累较重，倒槽出现当天地面风力小(风速小于2.0 m/s)，且存在逆温层，同时也无降水，不利于前期积累的污染物扩散。

图5　杭州12次高压影响型的海平面气压场和风场的合成分布

3　结　语

1)杭州市近3年平均AQI为97，良好率为63%，近3年AQI均值呈下降趋势，良好率有所上升，中度污染及以上天数明显下降，表明杭州的空气质量状况总体有所改善。杭州7月空气质量最好，1月空气质量状况最差，

2)杭州市首要污染物主要为PM2.5和O3，在6—9月，首要污染物主要为O3，而在其他月份，首要污染物主要为PM2.5。O3污染治理比PM2.5治理难度更大，应加快调整优化产业结构和能源结构，推进清洁能源的使用，最大限度地削减污染物排放量。

3)杭州AQI与气象要素密切相关，且不同的时段所依赖的气象因子也不同，可根据不同的季节，建立不同的空气质量预报模型，从而提高准确性。

4)杭州重污染日时，地面风速小，且68%的重污染日低空存在逆温,71%的重污染日低层存在下沉运动。

5)杭州重污染的地面天气形势有3类：冷空气影响型、高压影响型和倒槽型，其中冷空气影响型出现频率最高。冷空气影响型表现为北方污染气团随冷空气南下传输，且低空存在风速弱辐合，有列于污染物的停滞和堆积。高压影响型表现为地面等压线稀疏，气压梯度力和风速较小，且容易出现逆温层，使污染物扩散能力差。倒槽型表现为前一天为重度污染，当天地面风速小，无降水，且存在逆温层，不利于前期积累的污染物扩散。

[1]陈秉衡,洪传洁,阚海东.城市大气污染健康危险度评价的方法第一讲绪论[J].环境与健康杂志,2004,21(2):112-113.

[2] Qian Z G, He Q C, Lin H M, et al. Association of daily cause-specific mortality with ambient particle air pollution in Wuhan, China[J]. Environmental Research, 2007, 105(3):380-389.

[3]尹承美,于丽娟,高帆.2001—2010年济南市空气质量特征分析[J].现代农业科技,2012(3):27-32.

[4]郑红,郑凯,张桂华,等.哈尔滨冬季大气污染及逆温对污染物扩散影响[J].自然灾害学报,2005,14(4):39-43.

[5]魏玉香,童尧青,银燕,等.南京SO2,NO2和PM10变化特征及其与气象条件的关系[J].大气科学学报,2009,32(3):451-457．

[6]钟幼军,国世友.哈尔滨冬季重污染日气象特征[J].气象与环境学报,2013,29(1):23-27.

[7]纪忠萍,罗森波,邝建新，等.广州市空气污染的变化特征及预报[J].热带气象学报,2006,22(6):574-581.

[8]张国琏,甄新蓉,谈建国，等.影响上海市空气质量的地面天气类型及气象要素分析[J].热带气象学报,2010,26(1):638-643.

[9]李琼,李福娇,叶燕翔，等.珠江三角洲地区天气类型与污染潜势及污染浓度的关系[J].热带气象学报,1999,15(4):363-369.

[10]王新,杨晓霞,刘焕彬.济南市空气质量特征分析[J].气象科技,2007,35(6):803-808.

[11]杨素英,赵秀勇,刘宁微.北京秋季一次重污染天气过程的成因分析[J].气象与环境学报,2010,26(5):13-16.

2016-03-28