成都平原经济区秋冬季大气自净能力研究

白 舸，倪长健

(1.成都信息工程大学大气科学学院;成都 610225;2.高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225)

前 言

随着社会经济的高速发展，城市的空气污染问题也越来越严重。研究表明，影响环境空气质量的因素主要有两个方面，一是自然和人类活动的排放，二是气象条件。近年来，许多学者针对气象条件与空气污染之间的关系开展了广泛研究[1-4]。部分学者通过分析空气污染对应的天气形势，对容易导致空气污染的天气形势特征进行了总结。例如PearceJ L[5]研究了澳大利亚墨尔本地区的天气环流类型与大气污染的关系。He J[6]等在环流背景和气象因子的相关性研究中发现高空500hPa西风纬向指数高、近地面高低压系统弱、大气层结稳定、弱风和近地气流辐合对峙等是重霾过程发生的典型天气条件。陈梁勋[7]对绵阳市大气污染严重时的环流背景进行了天气学分型。蒋婉婷[8]等归纳发现四川盆地重污染天气发生时主要对应两种环流形势。除此之外，对大气环境承载力的定量研究也备受关注。其中大气环境容量[9-10]作为一个地方产业布局、污染排放总量控制以及有关的环保政策制定的重要依据一直以来受到了广泛的研究[11～13]，其中A-P值法应用最为广泛[14-15]。赵姗姗[16](2005年)利用新的气象资料(1971～2000)重新计算了A值，简化了大气环境容量的研究算法，分析了30年来全国的空气自洁能力分布通过不断地研究和完善，国家标准化管理委员会颁布了大气自净能力指数GB/T 34299-2017[17]。朱蓉[18]等采用这种方法研究2013～2017年京津冀地区秋冬季大气重污染过程得到大气自净能力指数与空气质量指数AQI成反比，还利用大气自净能力指数评估了2014年被禁APEC会议期间大气污染防治效果。张天宇[19]等研究了重庆主城区1951～2018年大气自净能力的长期变化特征及其影响因子，并发现大气自净能力和空气质量有着良好的相关性。

成都平原经济区位于四川盆地西部，由成都、德阳、绵阳、眉山、乐山、资阳、遂宁、雅安八市组成，工业和建筑业高度发达、人口密集，经济发展与环境保护之间存在着尖锐的矛盾。近年来，成都平原经济区冬季雾霾严重，严重影响了人们的生活与生产，引起了社会各界广泛关注。本文以成都平原经济区为研究对象，从气象角度出发，结合2014～2018年冬季的气象观测数据和环境监测数据，计算大气自净能力指数，探讨大气自净能力与空气质量之间的关系，为科学分析该区域大气自净能力时空变化[20-21]，合理利用大气自净能力指数，评估环保防治措施提供有力的依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本文选取了成都平原经济区(成都、德阳、绵阳、眉山、乐山、资阳、遂宁、雅安)2014～2018年秋冬季(11月、12月、次年1月、2月)一日4次(02、08、14和20时)的地面气象观测资料以及欧洲中心ERA-Interim资料，水平分辨率为0.25°*0.25°，范围取北半球的低云量和总云量资料。此外，还使用了环境气象数据中心的空气质量AQI日监测数据。

1.2 方法

大气自净能力指数是指由于大气自身运动对大气中污染物的扩散、稀释和湿清除能力。相较于大气环境容量而言，大气自净能力指数与大气污染排放量和空气质量没有任何关系，仅仅表示大气自身运动对大气污染物的通风扩散能力和降水清除能力。大气自净能力指数越大，表示大气对污染物的清除能力更强，反之，清除能力较弱。计算方法如下：

(1)

式(1)中，ASI表示大气自净能力指数(单位：t*(h*km2)-1)；Wr为雨洗常数取1.9*10-5[22]；R为单位时间的降水量(单位：mm/h)；单位面积S取统一值100 km2，Cs为PM2.5达标浓度0.075 mg/m3，VE为大气通风量，其计算方法为：

(2)

式(2)中u(z)为大气边界层内的风速，随离地面高度的变化而变化，其数学表达式为：

(3)

式(3)中，Z表示高度(单位：m)，u10表示10m高度上的平均风速(单位：m/s)。计算大气通风量VE首先需要计算混合层高度H，本文根据国家标准(GB/T 13201-91)[23]中附录B及附录E中规定的方法，利用常规地面气象观测资料，计算出混合层高度[24-25]，进而算出大气通风量，最后得到大气自净能力指数。

2 结果分析

2.1 大气自净能力的特征

2.1.1 时间变化

基于前述方法，计算成都平原经济区2014～2018年秋冬季(11月、12月、次年1月、2月)每日02、08、14、20时的大气自净能力指数。将五年来成都平原经济区各城市秋冬季大气自净能力指数做平均得到图1，从图中可以得出14时的平均大气自净能力指数指数要明显高于其他时间段，这是由于下午太阳辐射较强，边界层内对流较强烈，且风速大于其他时间段，混合层高度较高，大气通风扩散能力最强；通常02时的风速最小，混合层高度最低，所以02时的平均大气自净能力指数最小。整体来看，2014～2018年秋冬季绵阳地区大气自净能力最强，眉山、雅安的大气自净能力指数，明显地低于其他地区。

图1 成都平原经济区大气自净能力指数日变化

根据大气自净能力指数GB/T 34299-2017[9]国标分级，当大气自净能力小于等于3 t*(h*km2)-1时，气象条件极不利于污染物扩散，本文将一日之中小于3 t*(h*km2)-1计为一个低大气自净能力时次，大气自净能力指数日平均小于3 t*(h*km2)-1定义为一个低大气自净能力日。一日之中低大气自净能力时次所占比例分别如表1所示，低大气自净能力次数占比和大气自净能力的日变化相符合。大气自净能力指数越强，占比越小，反之亦然。

表1 成都平原经济区低大气自净能力时次占比

结合表中数据分析，各市02时低大气自净能力次数都占到70%以上，此后占比逐渐减小，14时低大气自净能力日最少，20时低大气自净能力日数增多仅次于02时。

成都地区秋冬季静稳天气多发，污染物扩散能力差。图2给出了成都经济平原区各城市秋冬季(11月、12月、次年1月、2月)平均年大气自净能力指数和低大气自净能力日占比五年来的变化。图中可以看出，成都、绵阳大气自净能力较好，说明大气对污染物的清除效果较好，眉山、雅安大气自净能力最差，说明大气对污染物的清楚效果较差。除此之外，大气自净能力指数和低大气自净能力日占比成反比，说明冬季当大气自净能力指数越大，大气对污染物的清除能力越强，低大气自净能力日明显减少。

图2 成都平原经济区大气自净能力指数及低大气自净能力日占比年变化

2.1.2 空间变化

将五年来每日四次的大气自净能力指数综合，得到了成都平原经济区各区域的空间变化，从图3中可以看出，成都平原经济区大气自净能力指数整体呈现西南低东北高的走势，北部绵阳地区大气自净能力最好，南部乐山、雅安大气自净能力最差。德阳和遂宁两个地区大气自净能力要低于成都和资阳地区，结合下文所提到的影响因子分析，德阳地区冬季的平均风速小于成都地区，且混合层高度也小于成都地区，虽然遂宁冬季的平均风速和成都地区相近但混合层高度小于成都和德阳地区，均在350m以下，因此遂宁的大气自净能力低于成都和德阳地区。

图3 成都平原经济区大气自净能力空间分布图

2.2 影响因子分析

2.2.1 混合层高度

大气混合层高度是影响大气扩散的重要因素之一，表征了污染物在垂直方向稀释和扩散的最大范围，其对空气质量评估和污染物的分布起着重要的作用。五年来，成都平原经济区秋冬季混合层高度变化在200～500m之间。大气自净能力指数和混合层高度之间有密切的关系，表2中描述了成都平原经济区各城市冬季年均大气自净能力指数和混合层高度的相关性都在0.9左右，两者成正相关，并且通过了α=0.01的显著性检验。前人研究指出，一天之中最大混合层高度出现在14时，从月平均来看，最大值出现在2 月份，最小出现在12月份。这也可以很好的解释一日之中14时大气自净能力最强，秋冬季2月大气自净能力越强。

表2 大气自净能力与混合层高度的相关性

2.2.2 风速

风对污染物的扩散有着至关重要的作用，风速决定了污染物的扩散范围和稀释程度。成都平原经济区处于四川盆地西部，常年处于小风或者静风状态。研究表明，秋冬季成都平原经济区10m平均风速小于2m/s，年际变化不明显，其中绵阳地区风速最大，眉山、乐山、雅安地区风速小于1m/s。从月变化来看，通常2月份平均风速会高于其它月份。如表3中所示，在研究区域内风速与大气自净能力指数的相关性都在0.7以上并且通过了α=0.01的显著性检验，说明风速与大气自净能力的相关性极高，其中雅安的相关性最好，其次是眉山、乐山地区，都达到了0.8以上，反而绵阳地区相对较低。眉山、乐山、雅安地区处于西南部，近年来大气自净能力都处于较弱状态，说明风速对于区域冬季大气污染物的扩散起着非常重要的作用。

表3 大气自净能力与风速的相关性

2.2.3 降水

降水对污染物能起到清除和冲刷的作用，降低了大气中污染气体的浓度，是影响大气自净能力的一个重要因素，但只有中到大雨或连续性降水才会对空气质量有明显的改善，弱降水对污染物的清除作用并不明显。2014～2018年以来成都平原经济区秋冬季降水多为小雨(0.1～9.9mm)，且降雨日较少，除雅安外，其余城市秋冬季月降水量不足20mm，成都平原经济区日均降水量和大气自净能力指数之间的相关性极小，由此可见冬季发生污染时降水对污染物的清楚能力甚微，就成都平原经济区而言，降水与大气自净能力的相关性不大。

2.3 大气自净能力指数与空气质量的关系

利用环境气象数据中心的小时空气质量监测数据，把成都平原经济区各城市2014-2018年秋冬季每日14时大气自净能力指数与空气质量指数AQI进行对比分析。由图4发现成都、德阳、乐山、眉山、绵阳、遂宁、雅安、资阳的小时ASI指数与对应的日AQI指数成幂指数的反相关关系，相关系数在0.3左右。与其他地区研究相比较[1-2]，低于京津冀地区，与重庆主城区相仿。说明大气自净能力指数能较好的表明成都平原经济区冬季气象条件与空气质量之间的关系。大气自净能力指数大时，AQI指数越小即环境空气质量越好；大气自净能力指数越小，AQI指数越大即环境空气质量越差。

图4 成都平原经济区冬季日均大气自净能力指数与空气质量指数AQI的对比

3 结 论

为进一步了解成都平原经济区秋冬季空气质量与气候条件的关系，本文利用2014～2018年秋冬季气象观测数据和环境监测数据，计算了大气自净能力指数，并对其时间和空间特征进行研究，探讨大气自净能力指数与空气质量指数之间的关系，主要结论如下：

3.1 成都平原经济区秋冬季大气自净能力指数具有日变化特征，夜晚混合层降低，大气通风扩散能力变小,大气自净能力最小，午间相反，大气自净能力指数最大；从月变化来看，冬季12月份的大气自净能力最弱，2月大气自净能力最强。

3.2 成都平原经济区大气自净能力指数的空间变化总体上表现为西南低东北高的走势，说明绵阳大气自净能力最强，乐山、雅安、眉山地区大气自净能力较差。

3.3 从混合层高度、风速和降水三个方面分析了对成都平原经济区大气自净能力指数的影响，结果表明混合层高度与大气自净能力指数的关系最密切，其次风速与大气自净能力指数的相关性也非常显著，降水的影响甚微。

3.4 2014～2018年冬秋季成都平原经济区各城市的大气自净能力指数与空气质量指数AQI都具有显著的幂指数的反相关关系。说明大气自净能力强时，空气质量较好，反之亦然。