岳陽城區(qū)空氣污染的變化特征及氣象影響因素分析論文
1 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，大氣污染愈來愈成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。API指數(shù)是反應(yīng)環(huán)境空氣質(zhì)量水平的重要指標(biāo)，是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物的濃度簡化成單一的概念性數(shù)值形式、并分級表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度，其結(jié)果簡明直觀，使用方便，適用于表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢。污染物質(zhì)量濃度變化的“周末效應(yīng)”與人類活動(dòng)密切相關(guān)，同時(shí)氣象要素是制約污染物在大氣中稀釋、擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化的重要因素。許多研究人員從大氣污染物濃度的時(shí)空分布特征，到空氣污染與氣象要素的相關(guān)關(guān)系，以及天氣類型與大氣污染物濃度的變化關(guān)系等方面對空氣污染問題開展了諸多研究，并對典型污染日天氣背景和成因進(jìn)行了分析。還有些研究介紹了適合于當(dāng)?shù)乜諝馕廴緲I(yè)務(wù)的預(yù)報(bào)方法，并用最優(yōu)子集回歸和統(tǒng)計(jì)模式等方法建立了回歸方程，取得了很好的預(yù)報(bào)效果。
近年來，隨著岳陽城市化與工業(yè)化進(jìn)程的加快，衍生了各種各樣的污染源，為改善空氣環(huán)境質(zhì)量，采取削減二氧化硫、氮氧化物的排放、取締和改造燃煤鍋爐數(shù)量等措施后，岳陽城區(qū)主要污染物排放實(shí)現(xiàn)逐年遞減，空氣得到有效凈化。從 2014 年 1 月 1 日開始，岳陽市環(huán)保局按照新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布岳陽城區(qū)各地的空氣質(zhì)量（即 AQI）。本文分析了近年 API 指數(shù)的變化規(guī)律，探討影響 API 指數(shù)的氣象因子,并對典型空氣污染過程天氣形勢進(jìn)行了分析，用多元回歸方法建立 API 指數(shù)及氣象因子的預(yù)報(bào)方程, 以便更好地利用已有的氣象資料制作空氣污染的預(yù)報(bào)，為科學(xué)有效地控制和治理岳陽城區(qū)大氣污染提供必要的依據(jù)。
2 資料來源與選取
氣象資料來源于岳陽市氣象局基本氣象觀測站，空氣污染資料（API指數(shù)）來源于岳陽市環(huán)保局，年、月、季API指數(shù)為岳陽市南湖風(fēng)景區(qū)、城陵磯、開發(fā)區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū)5個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)點(diǎn)的平均值，季節(jié)劃分為冬（上年12月一當(dāng)年2月）、春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）。
3 空氣污染變化特征及與氣象因子的關(guān)系
3.1 空氣污染變化特征
2004—2013年岳陽城區(qū)API指數(shù)10年平均值為82，最多為2005年（97），最少為2012年（67），兩者相差30，占10年平均值的37%。過去10年間，年、季API指數(shù)逐年減少，且通過0.05信度顯著性檢驗(yàn)，表明岳陽城區(qū)API指數(shù)呈顯著減少的趨勢。各季API指數(shù)中，10年平均值冬季最大（91），夏季最�。�67），且冬季標(biāo)準(zhǔn)差最大為17.2，夏季最小為7.1，表明岳陽城區(qū)冬季空氣污染最嚴(yán)重且年際變化較大，而夏季空氣污染相對較輕且年際變化較小。
3.2 空氣污染與風(fēng)向頻率的關(guān)系
3.2.1 空氣質(zhì)量評價(jià)點(diǎn)與污染源的分布
岳陽城區(qū)的首要污染物以可吸入顆粒物為主，可吸入顆粒物的形成主要有兩個(gè)途徑：其一，各種工業(yè)過程（燃煤、冶金、化工、內(nèi)燃機(jī)等）直接排放的超細(xì)顆粒物；其二，大氣中二次形成的超細(xì)顆粒物與氣溶膠等。其中，第一種途徑是可吸入顆粒物的主要形成源，也是可吸入顆粒物污染控制的重要對象。在進(jìn)入采暖季后，也就是每年的11月份至第二年的3月份，由于燃煤供暖，增加了空氣中二氧化硫的排放量，在這個(gè)時(shí)期，二氧化硫有時(shí)為首要污染物。二氧化硫主要來源于煤炭、石油等含硫燃料的燃燒以及金屬冶煉、石油加工等工業(yè)廢氣的排放。大氣中氮氧化物主要來自汽車廢氣以及煤和石油燃燒的廢氣。
岳陽市 5 個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)點(diǎn)中（圖略），云溪區(qū)地處岳陽城區(qū)的東北部；城陵磯位于長江與洞庭湖交會(huì)的右岸，是 Y 字形水道南側(cè)的洞庭湖口節(jié)點(diǎn)，三面臨水；君山區(qū)位于城區(qū)西郊，北靠長江，南瀕洞庭湖；開發(fā)區(qū)和南湖風(fēng)景區(qū)毗鄰，位于岳陽城區(qū)，其中開發(fā)區(qū)位于城區(qū)東部，南湖風(fēng)景區(qū)濱臨南湖。
3.2.2 年、季、月風(fēng)向頻率
近地層風(fēng)速對污染物擴(kuò)散的濃度和速率產(chǎn)生影響，而風(fēng)向尤其是主導(dǎo)風(fēng)向?qū)Τ菂^(qū)空中污染物的擴(kuò)散方向產(chǎn)生影響。圖 3a 中，2004－2013 年岳陽城區(qū)年平均風(fēng)向頻率在 N、NNE、NE 方向較大，分別為 16%、16%和 13%，三個(gè)方向風(fēng)向頻率合計(jì)為 45%，其他方向風(fēng)向頻率分別為 2－7%，因此，岳陽城區(qū)以北偏東方向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向。
3.2.3 空氣污染時(shí)空分布與風(fēng)向頻率的關(guān)系
岳陽城區(qū)空氣質(zhì)量有著顯著的季節(jié)和空間差異，其原因與污染源、大氣狀況和受體有關(guān)。岳陽城區(qū)工業(yè)污染源位于東北方向，而年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸逼珫|，因此，岳陽市城市工業(yè)布局方向與年主導(dǎo)方向一致，使得市區(qū)廣大區(qū)域處于工業(yè)氣流的下游，導(dǎo)致空氣污染加劇。這一點(diǎn)從月季風(fēng)向頻率差異可以看得更清楚：冬季北偏東風(fēng)向頻率達(dá)57%，主導(dǎo)風(fēng)向又疊加在污染源之上，對應(yīng)冬季空氣污染最嚴(yán)重且年際變化較大；夏季S方向風(fēng)向頻率最大，N方位風(fēng)向頻率次之，對應(yīng)夏季空氣污染相對較輕且年際變化較小。尤其7月S方向頻率達(dá)23%，S、SSW、SW方向風(fēng)速分別為4.3m/s、5.2%、4.0 m/s，既少受污染源的影響，又有利于污染物的擴(kuò)散，因此，7月API指數(shù)全年各月最低，空氣質(zhì)量最好。另外，由于湖面比較光滑，空氣在水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力很小，因此，湖面上風(fēng)速一般比陸地大，污染物擴(kuò)散快于陸地，而城陵磯三面臨水，南湖風(fēng)景區(qū)濱臨南湖，因此，城陵磯和南湖風(fēng)景區(qū)空氣質(zhì)量相對較好。
3.3 空氣污染與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系
大氣穩(wěn)定度是影響污染物在大氣中擴(kuò)散的極重要因素。當(dāng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，熱力湍流發(fā)展旺盛，對流強(qiáng)烈，污染物易擴(kuò)散。當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)，湍流受到抑制，污染物不易擴(kuò)散稀釋，特別當(dāng)逆溫層出現(xiàn)時(shí)，通常風(fēng)力弱或無風(fēng)，使煙塵聚集地表，造成嚴(yán)重空氣污染。
當(dāng)天氣晴朗少云時(shí)，白天地面強(qiáng)烈吸熱，夜晚散熱迅速，表現(xiàn)為氣溫日較差大，極易形成輻射降溫，使大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況在冬季尤為突出。通過統(tǒng)計(jì) 2013 年 API 等級對應(yīng)的`日較差平均值可知：API 等級為優(yōu)有 71d，氣溫日較差平均值為 6.0℃；為良有 249d，氣溫日較差平均值為 6.2℃；為輕度污染有 40 天，氣溫日較差平均值為 6.3℃；為中度污染有 4 天，氣溫日較差平均值為 7.1℃�？梢钥闯�，氣溫日較差越大，大氣越穩(wěn)定，空氣污染也越嚴(yán)重。同時(shí)，岳陽城區(qū)夏半年逆溫天氣出現(xiàn)頻率較少，逆溫層厚度較薄，高度相對偏低，持續(xù)時(shí)間短；冬半年逆溫天氣出現(xiàn)的頻率較多，持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度均大于夏半年，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，不利于空氣污染物的擴(kuò)散稀釋，因此岳陽城區(qū)空氣污染表現(xiàn)出明顯的冬半年偏高、夏半年偏低的季節(jié)特征。
4 典型空氣污染過程成因分析
2013年岳陽城區(qū)沒有出現(xiàn)重度以上的污染日，僅1月16日、28日、19日、17日API指數(shù)達(dá)到中度污染，API指數(shù)分別為164、164、156、152，本文對1月16-19日典型空氣污染過程的霧霾天氣實(shí)況、大尺度環(huán)流背景及空氣污染成因進(jìn)行分析。
4.1 氣象衛(wèi)星監(jiān)測霧霾實(shí)況
2013年1月10日以來，我國中東部地區(qū)冷空氣活動(dòng)勢力較弱，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，出現(xiàn)持續(xù)霧霾天氣。多地測得PM2.5指數(shù)直逼歷史極值，造成嚴(yán)重的空氣污染。15日（08:41）衛(wèi)星監(jiān)測到的我國中東部大霧面積最大，約為47.2萬平方公里。15日下午隨著冷空氣的擴(kuò)散南下，影響我國中東部多日的霧霾天氣得到緩解。
4.2 大尺度環(huán)流背景
2013年1月上旬歐亞中高緯呈兩槽一脊形勢，經(jīng)向度大，其中1-5日隨著東北冷渦東移，橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)冷空氣不斷向南輸送，導(dǎo)致全國大部氣溫偏低。同時(shí)，由于暖濕氣流活躍，此次強(qiáng)冷空氣過程還導(dǎo)致我國南方地區(qū)出現(xiàn)了大范圍雨雪冰凍天氣。1月上旬，全國平均氣溫較常年同期偏低3℃，為1978年以來同期第二低值，其中北方和華南西部地區(qū)氣溫普遍偏低4℃以上。中旬，隨著極地冷渦南落，西伯利亞高壓脊在東移過程中減弱崩潰，中高緯環(huán)流調(diào)整為緯向型，我國大部受弱脊控制，冷空氣活動(dòng)勢力較弱，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致我國中東部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍霧霾天氣。
4.3 空氣污染成因分析
造成1月16-19日岳陽城區(qū)空氣污染加重的成因主要有二方面：一是氣象因素，1月6－16日，由于無明顯冷空氣活動(dòng)，本地平均氣溫從0.8℃持續(xù)上升到8.4℃，近地層平均風(fēng)速較小，日平均風(fēng)速為1.2－2.1m/s，13－14日總云量均為2成，天空晴朗，同時(shí)近地層有逆溫層存在，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，不利于空氣中污染物水平和垂直擴(kuò)散，加上久晴少雨，使污染物在近地面逐漸積聚，導(dǎo)致9－10日和12日岳陽城區(qū)出現(xiàn)了霾；二是外地輸入因素，15日岳陽城區(qū)受偏南風(fēng)控制，受弱冷空氣擴(kuò)散南下影響，16日4時(shí)開始轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速逐漸加大，17日偏北風(fēng)平均風(fēng)速達(dá)到4.2m/s，平均氣溫較16日下降近4℃，冷空氣將北方大氣污染物輸送到岳陽城區(qū)上空，導(dǎo)致岳陽城區(qū)空氣污染加重。
5 結(jié)論
�。�1）岳陽城區(qū) API 指數(shù)呈顯著減少的趨勢。冬季空氣污染最嚴(yán)重且年際變化較大，而夏季空氣污染相對較輕且年際變化較小。岳陽城區(qū) 1－12 月 API 指數(shù)基本呈“v”型變化
�。�2）5 個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)點(diǎn)中，城陵磯最好，南湖風(fēng)景區(qū)次之，開發(fā)區(qū)和君山區(qū)基本相當(dāng)，云溪區(qū)最差。城陵磯三面臨水，南湖風(fēng)景區(qū)濱臨南湖空氣質(zhì)量相對較好。
�。�3）岳陽城區(qū)年、冬季主導(dǎo)風(fēng)向疊加在污染源之上，導(dǎo)致空氣污染加��；夏季 S 方向風(fēng)向頻率最大，減少了污染源的影響，尤其 7 月偏南風(fēng)風(fēng)速大，有利于污染物的擴(kuò)散，空氣質(zhì)量最好�？拷虻牡胤斤L(fēng)速相對較大，污染物擴(kuò)散較快，空氣質(zhì)量較好。
（4）氣溫日較差大、逆溫等大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)下空氣污染加重。
�。�5）本地氣象和外地輸入因素導(dǎo)致 2013 年岳陽城區(qū)出現(xiàn)一次比較典型的空氣污染過程。
�。�6）日平均氣溫、日降水量、日平均風(fēng)速、日日照時(shí)數(shù)、日均露點(diǎn)溫度、是否有輕霧、大霧、霾對日 API 指數(shù)有顯著影響。
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