气象资料在空气质量预报中的应用

.福州市环境监测站 .三明市沙县气象局 黄 鑫 王成翔



气象资料在空气质量预报中的应用

1.福州市环境监测站 2.三明市沙县气象局 黄 鑫1王成翔2

近年来，空气污染日渐严重，并影响了人类的生存环境。天气因素对空气质量有显著影响，准确利用气象资料对空气质量进行预报至关重要。该文结合具体空气质量预报个例，探讨如何利用气象资料中常见的高空分析图、单点时空剖面图和气象物理量数据对污染物浓度及浓度变化趋势进行分析，以便更准确地开展空气质量预报。

气象资料 污染物浓度 时空剖面图 物理量

1 概述

世界卫生组织在2005年制定“全球空气质量准则”时提出，清洁的空气是人类健康和福祉的基本需求。然而空气污染在全球范围内仍然对健康构成了严重威胁，尤其是城市气溶胶污染带来的直接和间接危害已严重影响人们的生存环境。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10μm以上的颗粒物（即PM10），会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5～10μm，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5μm以下的细颗粒物（即PM2.5），直径相当于人类头发的1/10大小，不易被阻挡，其被吸入人体后会直接进入支气管，引发哮喘、支气管炎和心血管病等疾病。另外PM10在酸沉降、气候强迫、大气化学过程等方面具有重要作用。杨德保等人研究分析得出，兰州和福州的城市空气污染物浓度变化与气象条件有显著的相关关系。任振海、苏福庆等从中尺度天气系统、近地层小尺度局地系统和大气边界层结构入手解析了大气的输送作用对重污染形成的重要贡献。朱佳雷、王体健等对江苏省一次重霾污染天气分析发现，其污染与大范围秋收秸秆集中燃造成大量污染物排放有密切关系，平稳的高空环流形势、暖平流、地面高压场分布为污染天气的发生、发展提供了有利的气象条件。由此可见，在空气质量问题的研究中，如何有效利用气象资料，准确分析判断气象因素对空气质量的影响非常重要。本文主要讨论在进行空气质量分析和污染物浓度预报时如何有效运用气象资料，涉及到的个例均为近年来福州市的典型个例。

2 高空分析图的应用

大气污染物的聚集和扩散受实时风的影响很大，水平风向直接决定了污染物的去向，垂直风向关系到大气环境的扩散条件（下沉气流使污染物聚集，上升气流利于污染物扩散）。而风速的大小对污染物扩散速度有直接的作用。同时，近地面层湿度低有利于污染物扩散，近地面层湿度大而未降水，容易造成污染物聚集浓度升高。气象高空分析图可反映大范围内风向、风速以及湿度变化。结合分析各层高空图预测大范围内大气形势变化即晴雨情况，给空气质量预报提供相对宏观而准确的参考依据。

2015年1月5～6日，福州市出现了一次轻度污染过程，主要污染物为PM2.5。我们对欧洲中心1月4日预报的该时段500hPa和850hPa高空资料（如图1）进行分析发现：5～6日，福州市500hPa受高空脊控制，脊区为下沉气流，不利于空气扩散。850hPa，5日受到西南气流影响，风力和湿度条件一般；6日，长江中下游的切变南压至浙、赣一带，福州位于切变南侧，湿度明显增大至80%～90%，但未有降水，风力减弱。综合分析5～6日福州上空大气环流形势，西南风影响，近地面层湿度大，离切变线较远，无降水，这些因素造成了污染物的堆积，导致福州出现轻度污染。

2015年1月5日20点500hPa风场 2015年1月6日8点500hPa风场

2015年1月5日20点850hPa风场+湿度场 2015年1月6日8点850hPa风场+湿度场

图1 2015年1月5～6日预报图（1月4日起报）

3 剖面产品的应用

结合多层高空图分析可以判断天气环流总体形势，从而预测气象因素对环境空气质量的影响。而剖面图可以更直观地反映不同高度天气要素随时间的变化，对于预报污染物的水平或垂直走向都有十分重要的作用。

2016年第17号台风“鲇鱼”对福州造成巨大的风雨影响，同时洗涤了福州上空的空气，污染物浓度迅速降低，空气质量显著提高。图2为福州市9月27日～10月4日模式预报剖面图。该剖面图为模式预报产品，分为两个部分，第一部分为该时效内福州站上空风速风向时空变化剖面图，第二部分为温度以及PM2.5浓度时空预报剖面图。分析下图可知，27日，福州市高层受西北气流控制，中低层为偏北气流控制。随着台风的不断靠近，可以明显看出28日福州市上空风速明显增大，风向也转为偏北风。台风于28日凌晨登陆惠安后，继续向西北方向移动，由下图可清楚看出福州市上空风向风速的变化：风速缓慢减弱，风向逐渐转为偏南风。29日后期随着台风远离减弱，风速也明显减弱。对应分析PM2.5浓度变化趋势预报剖面图，可以看出模式预报的PM2.5浓度是伴随着台风的移动而改变的。在台风靠近福州直至登陆后一天内，PM2.5浓度均在20μg/ m3以下。这印证了大规模的风雨天气对降低空气中的污染物浓度有着十分有效的作用。30日后，台风继续西行减弱，福州上空风速减弱明显并转为偏东风，近地面层的PM2.5浓度明显上升。由于台风影响仍然存在，福州仍有降水天气，PM2.5浓度没有超过30μg/m3。可以看出，在有明显天气系统影响某地区时，通过单点时空剖面预报图可以直观而准确地分析天气系统对该地区带来的天气变化以及天气变化对该地区污染物浓度的影响。

图2 2016年9月27日～10月4日福州站预报模式剖面图

4 气象物理量资料的应用

在专业天气预报中，经常运用多种物理量分析相结合的方式判断未来大气稳定度，从而预测未来发生各种强天气现象的可能性。应用气象物理量资料可判断降雨强度、持续时间、产生雷暴的可能性以及大气稳定度等，这些气象因素对于污染物的扩散程度有很大的影响。因此，气象物理量资料分析是空气质量预报过程中必不可少的一个环节。

4.1 垂直速度

大气垂直运动是分析大气流动状态经常考虑的一个重要物理量。垂直速度通常是指大尺度的，而且并不是直接观测得到的物理量，而是通过一系列公式计算出来的。在某一高度上，垂直速度为正值时，表示该高度大气为下沉运动；垂直速度为负值时，表示该高度大气为上升运动。垂直速度的绝对值越大，则表示该高度上升或下沉运动越强烈，即大气的垂直对流越明显。运用于环境空气质量预报时，垂直速度为正值时，气流下沉，造成污染物堆积，空气质量变差；垂直速度为负值时，气流上升，促使污染物扩散，空气质量变好。

4.2 散度

散度可用于表征空间各点矢量场发散的强弱程度。分析大气运动时通常使用水平散度，水平散度是指空气在单位时间内、单位面积上的膨胀量，亦表征空间各点在水平方向上发散的强弱程度。分布在不同地点的空气移动方向常常是不一致的，当散度大于0时，表示该点空气发散，即辐散；当散度小于0时，表示该点空气聚集，即辐合。

空气中的污染物主要分布在大气的近地面层，而近地面层大气水平流动远大于垂直运动大气水平方向的流动。因此，可以通过判断大气水平方向上的辐合或辐散来分析空气中污染物的走向。在分析水平散度预报图时，某一水平区域内，散度大于0为辐散，污染物随空气扩散；散度小于0为辐合，污染物随空气聚集。

4.3 水汽通量散度

当水平输送进某一地区的水汽大于水平输送出某一地区的水汽时，为水汽水平辐合，反之即为水汽的水平辐散。在单位体积内，水汽水平辐合辐散的大小用水平水汽通量散度来表示。水汽通量散度是指单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量，水汽通量散度是一个向量，由水平运动而引起单位时间内、单位体积中水汽任一地点的水汽通量散度，均可由风、温度和比湿资料计算出来，并可绘成等值线图，用以表示广大范围内的水汽通量散度场。

水汽通量散度为正的地区，表示水汽自该地区的四周辐散，称该地区为水汽源，在这种情况下，水汽源的湿度减小；水汽通量散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集，称该地区为水汽汇，湿度增大。近地面层湿度对污染物浓度变化起到了重要作用，水汽源不断向四周输送水汽的过程中，湿度在持续减小，有利于污染物的扩散，因此通常水汽源的污染物浓度呈降低趋势。而对于水汽汇，应结合天气形势分析，若水汽汇上空有降水系统靠近，则降水概率大，对空气起到清洁作用，污染物浓度降低；若水汽汇上空大气环流形势稳定，无明显降水系统，则降水概率小，近地面层的高湿度环境不利于污染物扩散，污染物浓度升高。

5 结论

综上所述，气象条件对污染物浓度的变化有很大影响。在进行空气质量预报时，首先使用高空分析预报图分析大气环流背景，判断总体天气形势，对降水可能性和温、压、湿、风等四个天气要素进行初步预测；然后通过单点时空剖面预报图精细分析天气系统对某地区带来的天气变化过程以及该地区污染物浓度变化；最后，结合前两步预报的具体天气情况，适当选取若干气象物理量分析，辅助判断污染物浓度变化情况，加强空气质量预报结论的准确性。

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