污染防治重点区域大气扩散条件变化趋势及成因

梅梅，朱蓉

(国家气候中心，北京 100081)

污染防治重点区域大气扩散条件变化趋势及成因

梅梅，朱蓉

(国家气候中心，北京 100081)

基于1961—2016年地面常规气象观测资料，通过对大气污染防治重点区域“三区十群”以及哈尔滨和郑州的大气扩散条件的历史变化趋势分析发现：近56年以来，研究区域的年均大气通风量均呈下降趋势，西部地区变化较小，东部地区普遍下降速度较快，而武汉及其周边以及陕西关中地区下降速度最快；京津冀地区采暖季的56年均值较低且下降速度较快，平均风速和平均14时混合层高度均低于全年水平，大气扩散能力的下降趋势较全年更为明显。对大气扩散能力下降趋势的成因研究表明：东亚季风、降雨日数、太阳辐射等气候背景的变化对大气污染扩散条件的变化具有重要影响；地面风速明显下降的变化趋势直接导致了大气扩散能力的减弱；城市化对城市群地区地面风速下降的影响明显大于气候变化的作用。

大气通风量；混合层高度；风速；气候变化；城市化

近年来，我国一些人口密集、工业发达的大中型城市及城市群的大气污染形势日趋严峻，主要污染物是人类排放的气溶胶和气态污染物通过光化学过程转化形成的二次气溶胶[1]。普遍认为污染物的排放是造成大气污染的主要诱因，而气象条件是污染的触发因子[2]。因此，分析污染气象条件在不同时间尺度上的变化规律对评估大气污染防治措施的实施效果十分重要。我国在20世纪80年代末和90年代初提出了通风量的计算方法，计算了全国大气通风量的气候平均分布，给出了全国各地区大气环境容量系数的气候平均值，并在此基础上形成了国家标准[3-4]。本文基于大气通风量的计算，仅从气象条件角度研究大气污染防治重点区域大气污染扩散条件的历史变化趋势并分析成因，以期为大气污染防治的相关决策部署提供科学参考。

1 大气通风量计算方法

选择大气污染防治重点区域“三区十群”(包括京津冀、长三角、珠三角以及辽宁中部、山东、武汉及其周边、长株潭、成渝、海峡西岸、山西中北部、陕西关中、甘宁、新疆乌鲁木齐城市群，共涉及19个省、自治区和直辖市)、哈尔滨市和郑州市范围内154个具有代表性的国家级地面气象站的观测数据，时间为1961年1月1日至2016年12月31日。采暖季定义为自然年的1月、2月、11月和12月，共4个月。

大气通风量计算公式如下：

(1)

式中，u为混合层内任意高度的风速；H为混合层高度。根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》[5](以下简称《标准》)：

(2)

(3)

式中，us为地面观测风速；z1为观测点离地面高度；z2为任意高度；m为幂指数，根据Pasquill大气稳定度类别取值，A类为0.1，B类为0.15，C类为0.20，D类为0.25，E和F类为0.30。当z2≤200 m时，风速与高度呈幂指数关系；当z2>200 m，至混合层顶时，风速取常数。

根据《标准》计算混合层高度H。首先计算太阳倾角δ:

δ=[0.006918-0.399912cosθ+0.070257sinθ-0.006758cos2θ+0.000907sin2θ-0.002697cos3θ+0.001480sin3θ]×180/π

(4)

式中，θ=360dn/365，(°)；δ为太阳倾角，(°)；dn为一年中的日期序数，0，1，2，……，364。

计算太阳高度角h：

h=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos(15t+λ-300)]

(5)

式中，h为太阳高度角，(°)；φ为当地纬度，(°)；t为北京时间，h；λ为当地经度，(°)。

结合h和云量，通过查表[5]得到太阳辐射等级，进而根据不同地面风速查表[5]得到Pasquill大气稳定度等级。

当大气稳定度为A、B、C和D级时：

(6)

当大气稳定度为E和F级时：

(7)

f=2ωsinφ

(8)

式中，as和bs为混合层系数(查表可得)[5]；f为地转参数；ω为地转角速度，7.29×10-5rad/s；φ为地理纬度，(°)。

需要说明的是，在计算大气通风量日值时，应采用一天多次观测数据计算结果的平均值，但由于地面气象站02时没有云量观测数据，本文计算时均采用14时的观测数据计算混合层高度。14时混合层高度接近日最大混合层，能够反映全天大气热力不稳定发展的程度。

2 大气通风量变化趋势

“三区十群”、哈尔滨和郑州1961—2016年的大气通风量历史变化趋势如表1所示。可以发现：京津冀地区年大气通风量总体呈下降趋势，平均每10年下降8.5%，1989—1995年呈最大上升趋势，每年上升2.98%；1972—1978年呈最大下降趋势，每年下降4.0%。在采暖季，京津冀地区大气通风量56年均值低于全年水平，且采暖季年均大气通风量呈总体下降趋势，平均每10年下降11.8%，大于全年的下降幅度，最大上升趋势出现时段与全年大气通风量相同，每年上升3.8%，最大下降趋势出现在1979—1985年，每年下降5.9%。长三角和珠三角地区年大气通风量也均呈下降趋势，下降速率在研究区域中处于较快水平。

总体来看，研究区域的历史平均大气通风量总体均为下降趋势，其中下降最快的为武汉及其周边，其次为陕西关中地区，东部地区普遍下降较快，幅度为5%～14%，以乌鲁木齐、甘宁和成渝为主的西部地区则下降最慢。武汉及其周边地区在1976—1982年，以及陕西关中地区在2002—2009年，最大下降趋势的年变率相对其他区域较大。乌鲁木齐在20世纪70年代初至80年代初、90年代末至21世纪初先后经历了两次先快速上升后再快速下降的明显波动。从长年代变化来看，大气污染物稀释扩散能力在西部地区基本维持稳定，在东部经济发达地区持续变差，而在重工业和高新技术产业相对集中的武汉、陕西以及东北老工业基地辽宁中部地区下降得更为迅速。

2013年国务院发布《大气污染防治行动计划》以来，污染防治力度加强。相比之前10年，2013—2016年京津冀、长三角、珠三角、哈尔滨、郑州、山东、武汉及周边和陕西关中地区的平均大气通风量明显下降，武汉及周边下降幅度最大，为43.4%，以上地区大气扩散条件相对变差；辽宁中部、长株潭、成渝、海峡西岸、山西中北部、甘宁和乌鲁木齐的平均大气通风量均为上升，其中成渝地区上升幅度最大，为19.0%，长株潭地区变化幅度较小，为1.9%，以上地区大气扩散条件普遍有所改善。

表1 1961—2016年大气污染防治重点区域大气通风量变化特征

3 大气扩散条件变化趋势的成因分析

大气通风量反映了该地大气扩散条件，下面将从气候变化、大气边界层污染气象参数以及城市化效应三个主要方面分析大气扩散条件变化趋势的成因。

3.1气候变化背景分析

中国处于东亚季风区，受东亚季风活动影响，冬季主要盛行偏北风气流，夏季以偏南风气流为主。据国家气候中心监测数据显示，1961—2015年，东亚冬季风[6]年代际变化特征显著。在20世纪80年代中期前普遍偏强，而80年代后期偏弱频率远高于偏强频率，2014年和2015年较正常偏弱[7]。东亚冬季风的强度能够反映出冬季污染物扩散的环流条件，2008—2013年强度均偏强而大气污染却较重，说明污染物的排放在此阶段较为严重，2014年和2015年强度趋于偏弱而大气污染却没有明显加重，说明2013年以后大气污染治理具有一定成效。

1961—2015年，中国年平均降雨日数以每10年4天的速率呈显著减少趋势，而年累计暴雨站日数以每10年4.2%的速率呈显著增加趋势[7]。由于降水对大气污染物的湿清除作用与降水量不是一直保持正相关，在清除了一定量的污染物以后，雨量与清除效果的关系就不明显了。因此，虽然暴雨站日数在增加，但由于降雨日数的减少，大气对污染物的湿清除作用仍是显著减弱。

1961—2015年，中国平均年日照时数呈每10年33.8小时的显著减少趋势，中国陆地表面接收到的平均太阳年总辐射量呈现每10年11.2 kW·h/m2减少的趋势[7]。太阳辐射的减弱反应出云量增多，混合层高度降低，导致大气通风量降低。气溶胶能够散射和吸收辐射，或是增加云形成的凝结核和改变云的光学性质，因而太阳辐射的减弱可能与大气中人为排放的气溶胶增多有关。气溶胶光学厚度是表征气溶胶对光的衰减作用的重要监测指标。中国气象局监测数据表明，北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山3个大气本底站的气溶胶光学厚度自2004年以来总体均呈现增加趋势[7]。

3.2大气边界层污染气象参数的变化

地面风速和混合层高度是决定大气通风量变化的两个关键因子。表2为近56年重点区域风速及混合层高度变化情况。从表2可以看出，各地区的平均风速普遍呈下降趋势，其中武汉及周边、辽宁中部和郑州的绝对变化量最大，而武汉及周边、陕西关中、郑州和辽宁中部的相对变化最大，以上地区的大气水平扩散能力减弱明显，成渝、珠三角基本维持不变。因平均14时混合层高度的数量级在百、千以上，除武汉及周边以外，其余各地区绝对变化量均在30 m以下，变化均较小。成渝、甘宁、乌鲁木齐、山西中北部和郑州的大气垂直稀释能力有增强的趋势，这与杨静等[8]得到的乌鲁木齐1979—2008年混合层高度呈缓增趋势，且2000—2004年及2007—2008年大气垂直平均稀释能力有增强趋势的结论相互印证。各地区的大气通风量和风速同步下降，而混合层高度有升有降且变化较小，可以看出风速和混合层高度虽然共同影响大气通风量的变化，但风速的作用要大于混合层高度。

表2 1961—2016年大气污染防治重点区域平均风速和14时混合层高度变化特征

京津冀地区的年均风速每10年下降0.1 m/s，相对变率为-4.5%，最大值出现在1972年为2.8 m/s，最小值出现在2003年为1.7 m/s，1989年至今平均每年小幅上升0.3%。而采暖季平均风速相对变化趋势大于全年平均风速，最大值出现在1969年为2.7 m/s，最小值出现在2003年为1.5 m/s，也是在1989年以来呈小幅上升趋势。全年平均14时混合层高度相对变化较小，而采暖季的下降速度快于全年平均水平，2004年之后下降趋势加快，为每年0.8%。采暖季的平均风速和14时混合层高度均低于全年水平，大气水平和垂直扩散能力的下降趋势较全年更为明显。

长三角地区的平均风速每10年下降0.1 m/s，相对变率为-4.7%，平均14时混合层高度每10年下降2.5%。珠三角地区的平均风速下降不明显，每10年下降0.5%，1979年下降到最低点1.47 m/s，随后呈现较为规律的波动上升，在1999年达到最大值2.3 m/s，随后波动下降。平均14时混合层高度每10年下降2.5%，2006年至今下降速度加快。由此可见，56年以来“三区”的大气通风量的下降是由地表风速和混合层高度的共同下降造成的。

3.3城市化产生的影响

目前，还无法剔除历史地面气象观测资料中城市化的影响，因此城市群范围内风速变小的趋势是气候变化和城市化两个因素共同作用的结果。为了研究城市化对风速的影响程度，选取远离人口聚居区、受城市化影响较小的气象站的观测风速进行对比，四个气象站分别是山东泰山气象站、甘肃乌鞘岭气象站、西藏索县气象站和浙江嵊泗气象站。结果发现这四个地点56年风速平均每10年的变化分别为0.2%、-1.3%、-0.4%和-0.2%，表明受气候变化影响，风速的相对变率较小。

长三角地区的城市化规模自1990年起至今逐渐呈扩大趋势。1990—2000年，主要以江苏省的南京、常州、无锡、苏州以及上海几个主要城市的明显扩张为主；2000—2010年，除上述几个主要城市继续扩张之外，安徽省的马鞍山市、芜湖市，浙江省的嘉兴市、杭州市以及周边等地的城市化规模也明显扩大；2010—2015年，城市化速度继续加快，长三角主要城市逐渐连接成片，尤其以常州—无锡—苏州一线扩大最为显著，具体如图1所示。

长三角地区风速空间分布如图2所示。可以看出，3 m/s的风速等值线从1990—2015年逐渐向海岸线推进。1990年2.2 m/s以下的低风速区集中在浙江中部和安徽东部，2000年该低值区继续向北和向西扩张。2000年南京附近出现2.0 m/s的低值中心；2010年逐渐在上海南部、安徽宣州、浙江杭州西部形成3个集中的低风速区，低值中心达到1.4 m/s；2015年长三角地区风速整体明显下降，南京附近的低风速区范围扩大，上海南部低值中心达到1 m/s以下，常州—无锡—苏州一线风速由2010年的2.0～2.6 m/s下降到1.6～2.2 m/s。2010—2015年，常州、无锡、苏州的平均风速均呈快速下降趋势，6年下降0.2～0.5 m/s，如图3所示。城市化导致的下垫面粗糙度增加会使风速减小，同时观测站周边环境的变化也可能造成风速观测值的减小，相对气候变化，城市化对于城市风速下降的作用明显较大。前人的一些研究也得到了与本文相似的结论：张爱英等[9]认为我国地面气象站记录的平均风速减弱可能受到大尺度大气环流变化的影响，更可能与台站附近观测环境变化和城市化等人为因素影响有密切关系。

图1 长三角地区城市群规模变化遥感图Fig.1 The remote sensing maps of scale change of urban agglomeration in Yangtze river delta

图2 长三角地区风速变化分布空间图Fig.2 The spatial distribution of wind speed variation in Yangtze river delta

图3 2010—2015年常州、无锡和苏州风速变化Fig.3 Annual wind speed variation in Changzhou, Wuxi and Suzhou during 2010-2015

4 结论

采用全国大气污染防治重点区域内154个地面气象站1961—2016年观测资料，研究大气扩散能力的长期变化趋势，分析其成因，得到如下结论：

(1)大气污染物稀释扩散能力在西部地区相对维持稳定，在东部经济发达地区持续下降，而在重工业和高新技术产业相对集中的武汉、陕西以及东北老牌工业基地辽宁中部地区下降更为迅速，而京津冀采暖季由于取暖燃煤排放烟尘，在大气水平和垂直扩散能力不断下降的条件下，更容易造成近地面污染物的堆积而加重空气污染。

(2)中国受气候变暖的影响显著，而气候背景的变化对大气污染扩散条件的变化具有重要影响。长年代来看，东亚冬季风在2014年和2015年相较2008—2013年趋于偏弱而大气污染却没有明显加重，说明2013年以后大气污染治理具有一定成效。由于雨日数量呈显著减少趋势，因此雨水对大气污染物的冲刷作用减弱。人为排放气溶胶的增多可能是太阳辐射呈显著减弱趋势的原因，太阳辐射的减弱也导致了大气污染扩散能力的减弱。

(3)1961—2016年，武汉及周边、陕西关中、郑州和辽宁中部地区风速下降幅度较大，大气水平扩散能力减弱明显，而成渝、珠三角大气水平扩散能力基本维持不变。武汉及周边的混合层高度相对变化较明显，大气垂直稀释能力减弱，而成渝、甘宁、乌鲁木齐、山西中北部和郑州的大气垂直稀释能力有一定的增强趋势。京津冀地区采暖季的平均风速和14时混合层高度均低于全年水平，大气水平和垂直扩散能力的下降趋势较全年更为明显。

(4)1961—2016年各城市群的年均风速下降是受气候变化和城市化两个因素共同影响，而去除城市化影响，风速单纯在气候变化的影响下变化程度较小。以长三角地区为例，随着城市规模不断扩大，3 m/s的风速等值线逐渐向海岸线推进，并逐步在几个大的城市群周边形成多个风速低值区，且低值中心逐步变得更低。城市化对于风速的下降影响明显大于气候变化的作用。

大气对污染物的扩散能力存在地区差异，因此在产业布局和政策制定时要充分考虑以上地区的大气通风量地理分布和时间分布特征。相较2003—2012年，部分地区在2013—2016年的大气扩散条件转差，这对该地的大气污染治理效率提出了更高的要求。由于城市化对地面风速下降有较大的影响，造成城市的大气扩散能力减弱、同等排放情况下污染发生的概率增加，因此在城市和城市群的规划设计阶段就要将气象条件充分纳入考虑因素当中。

致谢：感谢国家气候中心孙朝阳博士为本文提供了城市群面积变化资料。

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[5] 国家技术监督局, 国家环境保护局. 制定地方大气污染物排放标准的技术方法：GB/T 13201—1991[S]. 北京: 中国标准出版社, 1991.

[6] 刘实, 王启, 朱艳峰, 等. 东亚冬季风指数：QX/T 144—2011[S]. 北京: 气象出版社, 2011.

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Variation Trend and Genesis Analysis of Atmospheric Diffusion Conditions in Key Areas for Pollution Control

MEI Mei, ZHU Rong

(National Climate Center, Beijing 100081, China)

In this paper, the surface observation data during 1961-2016 are used for analysis of atmospheric diffusion conditions in key areas for pollution control, including 3 regions, 10 urban agglomerations, Harbin and Zhengzhou. During 1961-2016, the trend of annual mean atmospheric ventilation decreased in all study areas with different speeds. The annual mean atmospheric ventilation declined slowly in the western areas, rapidly in the eastern areas, and the most rapidly in Wuhan and its surrounding area, and Shaanxi Guanzhong area. Compared with the annual mean, the mean ventilation during the heating season in Beijing-Tianjin-Hebei region were lower and declined faster, and the decreasing trend of atmospheric diffusion capacity was more obvious on account of lower average level of wind speed and lower 14 h atmospheric mixed layer height. The results of genesis analysis showed that the atmospheric diffusion capacity was affected significantly by variation of climate factors such as East Asian monsoon, precipitation days and solar radiation, and the decreasing trend of surface wind speed obviously led to weaker atmospheric diffusion capacity. The effect of urbanization on urban wind speed decline was more distinct than that of climate change.

atmospheric ventilation; atmospheric mixed layer height; wind speed; climate change; urbanization

10.14068/j.ceia.2017.05.001

X51

： A

： 2095-6444(2017)05-0001-06

2017-04-21

环境保护部行业专项资助“我国大气重污染的区域特征与空气质量管理分区研究”(201509001)

梅梅(1985—)，女，北京人，工程师，硕士，主要从事大气环境气候影响评估和气象灾害风险管理研究，E-mail：meimei@cma.gov.cn

朱蓉(1963—)，女，北京人，研究员，硕士，主要从事大气边界层湍流扩散、城市大气污染数值预报和风能资源数值模拟评估等方面的研究，E-mail：rongzhu@cma.gov.cn