广西主要城市空气质量的气象要素阈值及大气环流分析

黄翠银，莫雨淳，何莉阳，陈 丹

（1.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022；2.广西壮族自治区气象台，南宁 530022；3.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022）

引言

随着生活水平的提高，人们越发关注大气污染对公众健康、社会生产生活的影响，对大气污染预测要求也日益提高。为了探索大气污染发生发展规律及其影响机理，国内学者作了大量研究并取得不少成果［1-14］：掌握了各地空气污染时空变化特征及其趋势，空气污染情况下气象要素特点，气象条件对空气污染物扩散稀释、湍流沉降的影响，以及气候变化下空气污染的变化特点等。研究内容多数是针对短时间或1a 期内的污染数据，对于10a 以上的数据研究较少。近年来，各省气象部门陆续开展月尺度大气污染扩散气象条件趋势预测及月内大气污染过程起止时间和强度的预测。

2013 年之前南宁、北海、桂林3 市开展对二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入颗粒物（PM10）等3 种大气污染物的监测，2013 年之后逐渐增加到对6 种大气污染物的监测。为掌握前后大气污染物监测变化引起的空气质量及首要污染物的差异，本文对2002 年4 月1 日—2013 年3 月30 日南宁市、北海市、桂林市空气质量进行分析，统计各级空气质量的关键气象要素阈值及污染过程的大气环流特征，以满足新增的大气污染延伸期-月尺度预测日益精细化的业务需求。

1 数据和方法

文中使用的大气污染物数据来源于南宁、桂林、北海3 市环保局的监测数据，包括2002 年4 月1日—2013 年3 月30 日SO2、NO2和PM10等3 种大气污染物的逐日监测值。利用《环境气象学与特种气象预报》［15］空气污染分指数计算方法，对3 种污染物进行计算，其中最大的分指数即为该市的空气污染指数（Air Pollution Index，API），引起最大API 的污染物定义为该市的首要污染物。当API≤50，空气质量为1 级，空气质量优；50＜API≤100，空气质量为2 级，空气质量良；100＜API≤200，空气质量为3级，空气质量状况为轻度污染；200＜API≤300，空气质量为4 级，空气质量状况为中度污染；API＞300，空气质量为5 级，空气质量状况为重污染。

利用相关系数公式（1）分别计算3 市气象要素和API 的相关系数r。x1，x2，……，xn和y1，y2，……，yn分别为逐日气象要素和API 值，为气象要素、API 的平均值。对通过显著性检验的要素利用百分位的四分位法确定各等级空气质量过程的阈值。各市有4017 个样本，0.001、0.05、0.1 显著性检验的相关系数临界值分别为0.104、0.062、0.052。

2 三市空气质量分析

2.1 南宁市空气质量分析

南宁市4017 个逐日API 数据中，最大值为186，出现在2013 年1 月15 日，为轻度污染，没有出现中度及以上等级的大气污染。3 级空气质量日数有135d，轻度污染日数占总日数3.36%；2 级空气质量日数共2293d，占总日数57.08%；1 级空气质量日数为1589d，占39.56%。南宁市空气质量3 级、2 级日数是3 市最多。

135d 轻度污染天数中，128d 首要污染物为PM10，占污染天数的94.81%，5d 为NO2，2d 为SO2。南宁市各月污染总日数及API 月平均变化如图1：5—8 月API＜50，空气质量较好，除了5 月有2d 污染外，其余月份污染日数为0；污染日数从9 月开始递增，12 月到达顶峰，翌年1 月开始递减，2 月急剧减少。轻度污染日数最多的月份为12 月、1 月和11月，分别为36d、33d 和21d。秋冬春季，月均API＞50共8 个月，其中10—12 月、1 月及3 月API＞60，最高的12 月API 为73。

2.2 北海市空气质量分析

北海市月际空气质量变化中，4—9 月API＜50，空气质量总体较好（图2），7 月API 为32，空气质量全年最好；其余月份API＞50，12 月API 最高63，但比南宁市明显偏低。日API 最大值为125，出现在2010 年11 月6 日，为轻度污染。北海市轻度污染日数共16d，为3 市最少，占总日数0.39%。污染日数最多是1 月和11 月，均为5d，12 月3d，4 月和2 月分别为2d 和1d。2 级空气质量日数为1867d，占总日数的45.46%；1 级空气质量日数2224d，占54.15%。北海市2 级、3 级空气质量的首要污染物均为PM10。

2.3 桂林市空气质量分析

桂林市有5 个月月均API≥50，分别为1 月、3月以及10—12 月，总体空气质量3 市最好，最高值54 出现在12 月，月API 最小值41，出现在5 月和7月（图3）。桂林市日API 最大值、次大值分别为191和148，出现在2011 年2 月3 日、4 日，处于中国农历新年初一、初二。轻度污染日数共48d，占总日数1.19%，首要污染物以PM10为主，占91.67%，其次是SO2和NO2，分别为44d、3d 和1d。桂林市大气污染主要出现在10 月至翌年4 月，污染天数为5～9d，最大值9d 出现在10 月，6 月有1d，其余月份的日空气质量为优良状态。2 级、1 级空气质量日数分别为1469d 和2500d，占总日数36.57%和62.24%，3 市中1 级日数最多。

汛期降水较多的月份，3 市空气质量普遍较好。从各等级空气质量分布来看，轻度污染日数南宁市最多，北海市最少；2 级空气质量日数南宁市最多，桂林市最少；1 级桂林市最多，南宁市最少。首要污染物3 市均是PM10最多。

3 三市空气质量的气象要素阈值

利用相关系数公式（1）计算3 市逐日降水量、气温、相对湿度、风速、日照时数等气象要素和API 的相关系数，对通过显著性检验的要素利用百分位四分位法确定2 级和3 级空气质量过程的阈值，为了减少空报率，选择四分之一分位数和四分之三分位数气象要素值作为各等级空气质量的临界值。

3.1 南宁市气象要素阈值

计算发现，南宁市气象要素与API 相关性从高到低依次为最低气温、平均风速、最大风速、平均气温、降水量、相对湿度、最高气温，相关系数分别为－0.420、－0.382、－0.330、－0.314、－0.246、－0.237、－0.170，通过0.001 的显著性检验。当最低气温范围在8.6～15.1℃、最高气温20.6～27.7℃、平均气温13.9～19.9℃，平均风速0.8～1.2m·s-1、最大风速2.4～3.5m·s-1、平均相对湿度70%～80%且无降水时，南宁市空气质量易为3级即轻度污染状态。空气质量2 级时，南宁市最低气温12.2～22℃、最高气温21.2～31.5℃、平均气温为15.5～25.9℃，平均风速0.9～1.7m·s-1、最大风速2.8～4.2m·s-1，日降水量0～0.1mm 且平均相对湿度72%～84%（表1）。可见，相对于空气质量2 级，3 级时南宁市气温更低、风速更小、相对湿度稍低且无降水，这样的气象要素组合不利于大气污染物的扩散稀释。

表1 南宁市2、3 级空气质量过程的高相关气象要素阈值

3.2 北海市气象要素阈值

北海市气象要素与API 相关通过0.001 显著性检验的分别有最低气温、平均气温、最高气温、相对湿度、降水量，相关系数分别为－0.421、－0.386、－0.304、－0.272、－0.215，日照时数相关系数－0.065，通过0.05 显著性检验。北海市地处广西南部沿海地区，API 与气象要素的相关性与南宁市有一定的差异：北海市风力普遍较大，相关性降低，相关较高的是气温和水汽。当最低气温为12.4～18.0℃、最高气温21.4～25.3℃、平均气温15.6～21.0℃、日照时数1.7～8.4h、平均相对湿度64%～80%且无降水时，北海市空气质量可能达到3 级（表2）；最低气温13.7～22.4℃、最高气温21.8～29.4℃、平均气温16.9～25.2℃、日照时数0.4～8.2h、平均相对湿度71%～83%且无降水时，空气质量为2 级的可能性大。空气质量为3 级时，气温和相对湿度更低、日照时间更长。

表2 北海市2、3 级空气质量过程的高相关气象要素阈值

3.3 桂林市气象要素阈值

桂林市API 和气象要素的相关关系，与南宁市、北海市气温相关最高不同，桂林市相关最高的气象要素是最大风速和平均风速，其次是和水汽有关的相对湿度和降水量，这些要素的相关系数通过了0.001 显著性检验，最低气温相关系数通过0.05 显著性相关，其余要素相关性较小，相关系数分别为－0.305、－0.25、－0.178、－0.148、－0.064。当最大风速为1.8～4.0m·s-1、平均风速0.7～1.8m·s-1，最低气温10.7～18.9℃，相对湿度60%～77%的无降水日，桂林市空气质量易达到3 级；最大风速为2.8～4.8m·s-1、平均风速1.0～2.4m·s-1，相对湿度60%～80%、降水量为0～0.4mm，最低气温10.2～22.2℃时，桂林市空气质量倾向于2 级（表3）。由此可见，桂林市空气质量为2 级时，可能有微量降水，3 级时，风速更小、相对湿度略低且无降水。

表3 桂林市2、3 级空气质量过程的高相关气象要素阈值

从阈值分析可见，南宁、北海、桂林3 市的2、3级空气质量过程的气象要素值有一定的重合区间，需要进一步分析造成空气质量等级差异的大气环流特征。

4 南宁市持续性污染天气过程大气环流特征

南宁市135d 的大气污染中，有6 次持续时间较长的污染过程，以下从气候角度对这6 次污染过程的大气环流进行分析，共有4 种类型。

（1）乌山阻高偏弱型

2006 年12 月25—31 日和2013 年11 月11—19 日，500hPa 高度场上，乌拉尔山地区（以下简称乌山）高度场为负距平，乌山阻高偏弱，由气候态的高压脊区变成了低压槽区；我国大部地区高度场距平为正值，为高压脊控制；东亚槽偏弱偏东，位于140°E以东，西太副高脊线在17°N 以南，印缅槽偏弱。环流使得南下冷空气路径偏东、影响广西的冷空气势力偏弱。850hPa 风场距平上，菲律宾附近有异常气旋，广西受气旋西北侧的东北气流影响，水汽输送条件较差。

（2）稳定的冷高压脊控制型

2010 年11 月1—10 日，500hPa 高度场在乌山及我国西部地区为正距平，乌山阻高偏强，东亚槽位于130～145°E 之间，引导地面冷空气从西路南下影响广西，印缅槽偏弱；850hPa 风场距平广西受东北气流控制；西伯利亚高压前期偏强，后期偏弱。10 月27 日受较强冷空气南下影响，南宁市开始急剧降温；11 月1—10 日，受稳定的变性冷高压脊影响，南宁上空大气湍流交换及扩散能力下降，空气污染指数上升，达到污染过程。

（3）纬向环流型

2003 年1 月12—20 日、2013 年1 月24—30日，500hPa 高度距平场中，欧亚中高纬北面为负距平、南面为正距平，我国大部地区为正距平，乌山至我国大片地区为宽广的高压脊区，是较平直的纬向环流型；东亚槽偏东，位于140°E 以东，副高脊线在16.5°E 以南。广西850hPa 风场距平为东北气流；西伯利亚高压偏弱，影响广西的冷空气偏弱。弱的动力条件和水汽条件引起南宁市大气污染过程。

（4）台风外围下沉气流影响型

2004 年10 月3—26 日，西北太平洋相继3 个台风移动路径相似，前期向西北方向移动到达台湾东部附近海域，然后转向东北，在日本附近海域减弱。10 月13—18 日，500hPa 高度场距平乌山为负值，高压脊偏弱；东亚槽位于145°E 以东，位置偏东；西太副高前期偏强偏大、后期偏弱偏小，副高脊线从21°N 逐渐北抬到25°N，前期偏南、后期偏北，印缅槽偏弱。南宁市受台风外围下沉气流影响，2004 年10 月无降雨，10 月8—29 日连续22d 的API≥80，其中13—18 日达到轻度污染。

4 种大气环流类型中，对流层低层广西均受东北气流影响，水汽输送条件差，不利于降水的发生，是造成大气污染过程的重要条件。

5 结论

（1）3 个城市南宁市空气质量相对最差：3 级日数南宁市最多，北海市最少；2 级日数南宁市最多，桂林市最少；1 级日数桂林市最多，南宁市最少。3 市首要污染物均以PM10为主，占66.37%～100%。空气质量月际分布中，秋冬春季较差，夏季较好。

（2）因地理环境和气候特点不同，影响各市空气质量的高相关气象要素有较大差异。利用百分位法，统计给出各市2、3 级空气质量的气象要素阈值各有差异。

（3）分析了南宁市6 次持续时间较长的大气污染过程，大气环流共有4 种类型，共同点为850hPa 广西受东北气流影响，水汽输送条件差，无降雨产生。