采暖期间区域气象条件与天津大气污染概率关系

1、第36卷第6期2008年12月气 象 科 技M ETEOROLOGICAL SCIENCE AND TECH NOLOGYVo l.36,N o.6Dec.2008采暖期间区域气象条件与天津大气污染概率关系吴振玲 周梁丹 解以扬 孟冬梅 孙玫玲(天津市气象科学研究所,天津300074摘要 利用20022005年11、12、1月冬季采暖期N CEP 气象分析资料和同期日空气污染物监测资料,在开设的关键区、识别区内,分析区域污染气象特征,探讨区域气象条件对天津大气污染的影响。采暖期大气污染高发是与冬季的污染气候特征和气象条件密切相关的,区域污染环流特征、大气动力特征、热力条件对污染物的扩散、积累、

2、输送有着重要的影响。当区域大气环流由北到西北气流向西到西南气流转换时,大气稳定度逐渐增加,区域大气扩散能力随之减弱,天津大气污染概率增大。另外,区域风速与天津污染的关系,在一定程度上反映了华北区域污染对天津污染的贡献。关键词 气象条件 大气污染 污染环流 污染物积累 污染概率国家环境保护城市颗粒物污染防治重点实验室开放基金项目 冬春PM 10高发的空气污染潜势自动辨识系统 (#PM Lab 2006 08和北京区域气象中心科技创新基金项目 环渤海经济圈空气污染特征及影响机制研究 (BRM CCX200604共同资助作者简介:吴振玲,女,高级工程师,从事城市环境气象预报研究,E mail w i

3、s elyyn 收稿日期:2007年8月9日;定稿日期:2008年2月27日引言近年来,随着城市建设的加快、城市人口的剧增和经济迅猛的发展,城市大气污染日趋严重已成为环境恶化所面临的一个重要问题1,2。大气污染不仅与人体健康密切相关3,4,而且对城市投资环境发展有着很大的影响。我国华北大部分城市地区,冬季是一年中区域性和局地性污染最为严重的季节,因为华北各城市基本在各类尺度天气系统的全部或部分控制区域内,极易出现华北城市群区域性同步污染5,体现了特殊地域或地形对空气质量的影响6。多年的监测资料表明,初冬11、12月到隆冬1月是天津污染物浓度最高、空气污染最重的季节。通过多年的有效治理和对采暖设

4、施的改造更新,虽然污染物的排放得到一定的控制,但是,冬季空气污染程度和污染发生日数仍然居全年最高。冬季的污染气候特征和气象条件是污染高发的一个重要原因7。季节性的大气环流特征,区域大气动力、热力特征对污染物的扩散、积累、输送有着重要的影响8。尤其是在冬季区域稳定的天气形势下,气象条件有利于空气质量趋向恶化,污染发生的可能性增加,污染概率明显上升。国内外在大气污染预报中,基本上采用统计预报与数值预报相结合的方法。目前,在污染预报业务中常用的空气污染数值预报模式是中国气象科学研究院研发的CAPPS 预报系统9。虽然CAPPS 数值预报模式和本地的统计预报模式对污染物浓度的升降趋势有较好的预报效果1

5、0,但是,在转折性天气背景下,其预报结果有较为明显的滞后性,所以对起报空气污染发生和污染过程结束都显得比较迟缓,尤其是缺乏对未来发生空气污染的可能性评估,即污染概率预报。为了加强大气污染预测能力,为环境管理决策提供及时、准确、全面的预测信息,加强空气质量管理的调控,开展空气污染概率预报研究是十分必要的。以往空气质量预测只考虑天津局地的污染气象条件11,12,对区域大气环流特征、大气稳定度、动力及垂直热力变化传输对污染影响的关注不够。实际上,城市大气环境存在明显的多尺度环流特征。在特定的气象条件下,不仅局地污染源可以通过污染物的微尺度和区域尺度扩散传输直接造成严重污染13,而且污染物还可以跨省、

6、市、地区远距离传输,如沙尘暴天气14,15。所以,对区域空气污染潜势的分析有助于理解大气污染形成的机制。本文选取了20022005年采暖期11、12、1月逐日08:00NCEP 气象分析资料和同期日空气污染物监测资料,分析研究了区域污染气象条件对天津空气污染的贡献及其与污染概率的关系,探讨了区域气象条件对天津大气污染的影响。1 天津大气污染的月际分布特征由于夏冬污染源和气象条件不同,大气污染具有明显的季节特征。从图1月污染日变化可以看出,冬季12月污染日数达到全年最高峰,20022005年累计出现60天,其后逐渐下降到7月最低值,4年累计出现3次。冬季采暖期间11、12、1月污染最重,累计4年

7、污染天数为156天,占4年总污染日的49.4%;其次为冬末和春季,夏季最轻,秋季污染开始加重。图2各季污染物浓度对比,进一步显示了不同季节污染物浓度的变化。以夏季污染物平均浓度为标准,11、12、1月PM 10、SO 2、N O 23种污染物的月平均浓度都达到了全年最高值。PM 10月平均浓度为152m g/m 3, 超出了大气污染评定标准150mg /m 3;SO 2月平均浓度为142mg /m 3,是夏季SO 2月平均浓度的594%。春季35月PM10月平均浓度略低于11、12、1月,尤其是SO 2月平均浓度下降了398%。2 区域气象条件分析方法简介多年空气质量预报经验表明,在115!1

8、20!E 、37.5!42.5!N 范围内的大气环流及物理量特征与大气污染有十分密切关系;而在80!150!E 、20!60!N 范围内,可以比较完整地分析影响本市的地面天气系统。在上述两个区域开设两个窗口,分别定义为关键区和识别区,用于特征物理量的计算和850hPa 环流及地面天气形势识别分析。选取地面气温(T s 、850hPa 温度(T 850、850hPa 风向(W d 、地面气压(P s 、地面风速(V s 。利用下式计算关键区内的区域垂直平均气温差( T ,并利用其结果分析低空大气的稳定度。T =(Ni =1Tsi-Ni=1T850i/N式中N 为区域高空站数。2.1 污染天气系统

9、分型为了便于计算机识别,对已建立的地面污染天气学概念模型进行了定义。2.1.1 地面天气系统分型地面天气系统共分9类,分别为低压前、鞍形场、高压前部、华北地形槽、均压场、华北弱低压、弱高压、强高压、偏东高压底部。不属于上述类型的称为非典型。9类天气系统做了必要的量化定义。如,华北弱低压:低压中心在115!117.5!E 、37.5!42.5!N 范围内,没有标准等值线封闭,或虽有等值线封闭,但低压中心值与等值线差小于或等于5hPa 。2.1.2 850hPa 高度场环流分型根据统计的污染环流特点,定义了5类低空环流类型,5种类型之外的环流称为非典型气流。a.西边附近有弱槽:在110!115!E

10、 、35!45!N 内有槽,槽线上的高度值与其东西两侧(每侧两点的平均值差小于等于36gpm,槽线长度为24格点距离。b.西边附近有脊:在110!115!E 、35!45!N 内有脊,且脊线长度所占格点数3个以上。c.西北气流:无a 、b 型槽、脊,在37.5!42.5!N 、110!120!E 内290!#平均风向<360!。d.偏西气流:无a 、b 型槽、脊,在37.5!42.5!N 、687第6期 吴振玲等:采暖期间区域气象条件与天津大气污染概率关系110!120!E内260!#平均风向<290!。e.西南气流:无a、b型槽、脊,在37.5!42.5!N、110!120!E内

11、180!#平均风向<260!3 区域气象条件与采暖期大气污染概率关系天津采暖期多发大气污染的主要气候背景是,受大陆冷高压控制,高低空大气盛行偏北风,晴天日数多,天气寒冷干燥。受长波天气系统控制,冷空气停留时间相对较长。大气在停滞的冷高压控制下,层结稳定,当地面风速较小或静风时,低层大气容易形成逆温,使空气污染物扩散和输送减弱,发生空气污染。3.1 850hPa污染环流特征冬季采暖期间,受气候背景影响,区域低空大气的西北气流最多,达到了总样本的44.0%,其次为西边附近有脊型,占总样本的19.9%,而西边附近有弱槽、西南气流、偏西气流及非典型气流分别占总样本的11.1%、5.9%、14.0

12、%、5.2%。从表1可以看出,850hPa污染环流特征明显。表1 850hPa环流与大气污染概率关系西边附近有弱槽西南气流偏西气流西北气流西边附近有脊非典型气流总天数/d3418431356116污染日/d21101955235污染概率/%61.855.544.240.737.731.3当850hPa环流为西边有弱槽时,污染概率最高;西边附近有脊时,污染概率最低。虽然西边附近有弱槽、西南气流、偏西气流3种污染环流出现的频数不多,但是在这3种污染环流下所发生的空气污染可能性较大,污染概率都超出了总样本的平均概率43.3%。特别是西边附近有弱槽时,近地面层出现空气污染的概率达到了61.8%,可预报

13、性很强。而在出现频次最多的西北气流和偏多的西边附近有脊两种污染环流控制下,污染概率都低于总样本的平均概率,且排在可识别环流的最后两位。上述污染环流与概率分布的关系说明,区域850hPa环流特征决定着大气污染概率的高低。当850hPa环流由北到西北气流向西到西南气流转换时,冷空气影响逐渐消失,大气边界层上部的稳定性逐渐增加,垂直运动减弱,从而减小了垂直方向的湍流向下输送16,近地面层的空气扩散能力下降,造成地面污染物积累,空气质量逐渐恶化,大气污染的可能性增加,即污染概率增大。3.2 大气稳定度对污染的影响气温的垂直和水平变化影响着空气的流动,尤其是气温的垂直分布,直接影响大气对污染物质扩散稀释

14、的作用。通过区域特征量垂直平均温差 T (地面平均气温-850hPa平均气温的计算分析,可以了解区域大气热力特征对天津污染形成的影响,同时揭示了大气层结稳定度与污染的关系。3.2.1 污染概率随 T的变化趋势图3给出了污染概率随 T的变化趋势。 T 越小,越有利于污染的发生,污染概率越高。即地面与850hPa高度之间的垂直温差越小,发生污染的可能性越大。在04之间,污染概率随 T增加呈缓慢下降趋势,且对应的每个 T的污染概率都大于或接近总样本的平均概率43.3%。当 T>4以后,污染概率呈快速下降趋势,且低于平均概率。值得注意的是,当 T#0,低空大气处于稳定或中性层结的条件下,污染概率

15、达到了56.8%,对实际污染预报有较好的指导性。污染概率与 T 的相关系数达到了-0.95672,置信度检验通过了99% 。图3 污染概率随垂直平均温差( T的变化3.2.2 大气稳定度对污染的影响实际预报中,通常可以利用位温梯度来判别大气的垂直稳定度,其表达式为:Z=T(r d-r688气 象 科 技 第36卷其中为位温,r d为干绝热直减率,r为气温的垂直递减率,T为周围空气温度。在近地层,由于下垫面的直接影响,温度垂直梯度很大,即r r d,且与T相差很小,因此近地层Z%TZ。所以这里可粗略地利用 TZ=- T来判定区域低空大气稳定度,区域 T<0、 T>0、 T=0分别表示

16、区域大气处于稳定、不稳定和中性。从上述区域 T和污染概率的统计关系中可以看出,当 T#0时,区域大气在逆温或中性层结下,没有垂直向下的湍流传送,所以近地层污染物大量堆积,大气最容易发生空气污染,污染概率最高,达56.8%;0< T#4,区域大气有弱不稳定层结时,垂直扰动很弱,使近地层大气的扩散能力偏弱,再加上天津冬季100m左右的低层大气经常有逆温存在17,弱的垂直扰动无法完全破坏低层的逆温,所以区域弱的不稳定层结仍有利于近地层污染物聚集,比较容易发生污染,污染概率较高,达44.3%;4< T#6,大气层结较不稳定,大气垂直扰动能力增加,污染发生可能性迅速减小,但是,随着大气流动速

17、度加快,由于区域上风地区污染物的大量输送,天津仍有可能发生污染,但污染概率低,只有26.8%;在 T>6不稳定层结下,不易发生污染,污染概率很低。污染概率随大气区域稳定度的变化趋势符合污染气象学原理,反映了低空大气的气温垂直分布对湍流活动强弱的直接影响以及支配空气污染的散布作用。同时低空大气稳定度分析对污染预报有较好的参考价值。3.3 地面天气形势与污染概率关系地面天气形势分析让我们更直观地看清不同天气背景下发生污染的可能性。表2给出的地面形势与污染概率关系显示,在低压前、鞍形场、高压前部、华北地形槽、均压场5类地面天气形势下,地面发生空气污染的可能性较大,其所对应的污染概率分别为100

18、%、50%、50%、42.3%、41.8%,高于或接近总体概率43.3%。在弱高压、华北弱低压2类地面天气形势下,有可能引发污染,但污染概率下降到总体概率以下。在偏东高压底部、强高压的天气形势下,不易发生污染,污染概率为0。污染概率随地面天气形势特征分布规律,从另一侧面较好地印证了污染环流和区域大气稳定度对污染的影响。表2 地面形势与大气污染的关系A型B型C型D型E型F型G型H型I型总天数/d13061235540431污染日/d1153522313100污染概率/%100505042.341.832.52500 注:A型:低压前;B型:鞍形场;C型:高压前部;D型:华北地形槽;E型:均压场;

19、F型:弱高压;G型:华北弱低压;H型:强高压;I型:偏东高压底部。3.4 区域地面风场与大气污染的关系冬季边界层辐合风场垂直伸展高度较低18,地面风场在很大程度上代表了冬季边界层大气污染物输送场。如表3区域地面风与污染概率所示,区域地面风速达到1级及以下5级及以上的次数很少,风速频率较高的集中在24级,占总样本87.9%。可以说,区域静风、微风及大风的频率相对较低,出现的次数不足1/3。污染风向频率以偏北风居多,其风向频率为91,而偏南风频率只有42次,污染风向频率的南北风分布客观地反映出冬季污染与其污染气候背景和特征是分不开的。在采暖前3个月里,96.3%的污染都发生在区域风速4级以下,共有

20、127次。当区域风速为2级以下或3、4级时,污染概率十分接近。当区域风速为34级时,无论是偏南风还是偏北风都比较有利于天津发生污染,污染概率较高。这种区域污染风场特征可能反映了苏福庆19等人提出的冬季大气污染物输送汇及其摆动是造成某些地区污染物汇聚、形成重污染区的主要背景场的论点,其中冬季1月华北大气输送汇和流场图(图略19,20可以解释由于天津在华北地区的特殊地理位置,34级的区域风速更适宜污染物的迁移和输送,使大气污染物汇聚在天津附近,因而造成天津污染概率较高。689第6期 吴振玲等:采暖期间区域气象条件与天津大气污染概率关系表3 区域地面风与大气污染的关系风力风速频数污染风向频数偏北风偏

21、南风污染频数污染物平均浓度/(mg&m-3PM10SO2NO2污染概率/%#1级72130.1560.2010.07342.9 >1,#2级681910290.2100.2000.08342.6 >2,#3级952619450.2140.1830.08047.4 >3,#4级1073912510.2080.1930.07647.75级305050.1760.2100.07516.7区域的静风或微风时,区域大气流动很弱,有利于局地区域污染物的聚集和积累,此时,SO2浓度相对最高;当区域风力达到34级时,区域大气流动增强时,区域污染物输送作用可能是天津污染概率增加的原因之

22、一,此时,PM10浓度最高。4 小结采暖期大气污染高发是与冬季的污染气候特征和气象条件密切相关的,随着区域污染环流的转换、垂直变温的变化、地面天气系统及风场的演变,区域的污染潜势对污染物的扩散、积累和输送有着不同的影响,大气污染概率也随之变化。(1冬季区域污染环流特征明显,当850hPa 环流型为西边附近有脊时,污染概率最低;西边附近有槽时,污染概率最高,其污染概率达到61.8%,可预报性较强。(2污染概率与冬季区域垂直变温 T分布关系密切,其相关系数达到了-0.95672,相关性很好。 T越小,大气越稳定,垂直向下的大气交换越少,近地层湍流活动越弱,对污染物积累正的贡献越大,污染概率越高,尤

23、其是 T#4的区间内。(3在大陆冷高压停滞时间较长的冬季气候背景下,随着冷高压减弱、变性而转为低压的过程,污染概率逐渐增大。在低压前、鞍形场、高压前部、华北地形槽、均压场5类地面污染天气系统控制下,污染物不易扩散,容易诱发大气污染,污染概率较高。(4区域风场对污染物的扩散、积累、传输有影响。区域风速偏小不利于污染物输送,有利于局地污染物积累;当区域风速增大到34级时,有利于区域PM10输送,天津污染概率较高,从另一个侧面证实了华北区域大气污染物输送对天津污染的贡献。参考文献1 王西琴,李芬.天津市经济增长与环境污染水平关系J.地理研究,2005,24(6:834 842.2 钱华,王冰妍.上海

24、大气环境质量影响因素分析J.环境与职业医学,21(3:245 247.3 胡衡生,黄文珊.南宁城市大气污染对人体健康的危害及治理对策J.中国人口&资源与环境,2003,13(6:86 90.4 戴海夏,宋伟民,高翔鞥,等.上海市A城区大气PM10、PM2.5污染与居民日死亡数的相关分析J.卫生研究,2004,33(3: 293 297.5 徐晓峰,李青春,张小玲.北京一次局地重污染过程气象条件分析.气象科技,2005,33(6:543 547.6 刘玉兰,肖云清.银川市空气质量超标的天气形势分析J.气象科学,2003,23(4:460 466.7 司瑶冰,宫春宁,郑有飞,呼和浩特市大气

25、污染与天气气候的关系J.气象科技,2005,33(2:173 177.8 徐祥德,周秀骥,施晓辉.城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征J.中国科学(D辑,2005,35(增刊:1 19.9 朱蓉,徐大海,孙明华.CAPPS预报方法研究J.气象,2001,27(6:10 16.10朱育强,几种空气质量预报方法的预报效果对比分析J.气象,2004,30(10:30 32.11王长友,朱玉强,等.天津城市空气污染预报G(城市气象服务科学讨论会学术论文集,2001,353 356.12吴振玲,谢以扬.2003年冬季空气质量趋势预测方法J.气象,2005,31(10:47 50.13乔致奇.大气环

26、境和环境评价M.北京:气象出版社,1998:112.14徐祥德,周丽,周秀骥,等.城市环境大气重污染过程周边源影响域J.中国科学(D辑,2004,34(10:958 96.15张迪,孙继松,王华,2004年北京市沙尘天气对空气质量影响的对比分析J.气象科技,2005,33(6:533 537.16蒋纬楣,曹文俊,姜瑞宾.空气污染气象学教程M.北京:气象出版社,1993:8 17.17解以扬,刘学军.天津气象塔风温梯度观测资料的统计特征J.气象,2003,29:12 16.18苏福庆.北京及华北平原边界层大气中污染物的汇聚系统边界层输汇J.环境科学研究,2004,17(1:22 33.19任阵海

27、,苏福庆.大气输送的环境背景场J.大气科学,1998,22(9:454 459.690气 象 科 技 第36卷第6期 吴振玲等: 采暖期间区 域气象条件与天津大气污染概率关系 691 Relationship between Regional Weather Condition and Pollution Probability During Heating Season in Tianjin W u Zhenling Zhou L iang dan Xie Yiyang M eng Dong mei Sun M eiling ( T ianjin Inst itute of M eteor

28、olog y, T ianjin 300074 Abstract: T he regional w eat her charact erist ics in t he key and t arg et areas ar e analy zed t o st udy t heir ef fects on air pollut io n in T ianjin using t he N CEP re analysis dat a and daily air po llut ant observat ions during the heat ing seaso n in wint er s f ro

29、m 2002 t o 2005. T he r esults show t hat high air pollutio n in heat ing seasons is asso ciated w it h clim at ic char act eristics and w eat her condit ions, such as t he regional atm ospher ic circulat ion and dy namic and t her mal charact erist ics, w hich af fect t he dif fusion, accum ulat io

30、n, and t ranspo rt at ion of air po llutant s. Especially, t he influence of regional w ind velocit y o n aer ial pollutant s reflect s the cont ribut ion of area pollution in No rt h China to air pollut io n in T ianjin and enhances t he t ranspo rt at ion converg ence o f pollut ant s. T he at mosphere dif fusion w eakens and t he pollut ant s are easy to accum ulat e w hile t her e is w ind dir ection change fro m no rt h o r no rthw est t o w est or so ut hw est. T he po llut ion pro