2008年秋季珠江三角洲污染气象分析

李颖敏,范绍佳,张人文 (.中山大学环境科学与工程学院大气科学系,广东 广州 50275；2.中山市气象局,广东 中山 52840)

2008年秋季珠江三角洲污染气象分析

李颖敏1,2,范绍佳1*,张人文1(1.中山大学环境科学与工程学院大气科学系,广东 广州 510275；2.中山市气象局,广东 中山 528401)

利用2008年10月15日至11月20日珠江三角洲从化、广州、开平三地的加强观测资料,分析了加强观测期间珠江三角洲的污染气象特征.结果表明,观测期间,造成珠江三角洲空气污染的天气形势可分为冷锋前部型、高压底部型、高压脊控制型3类.冷锋前部型易造成珠江三角洲中部和东北部污染;高压底部型易造成珠江三角洲西南部污染;高压脊控制型易造成珠江三角洲局地性污染.珠江三角洲城市群污染与盛行东北风且日平均风速小于2m/s有密切关系,大部分时间珠江三角洲西南部出现污染,是由于污染物沿着主导风向输送并累积造成.

2008年秋季；污染气象特征；加强观测；珠江三角洲

珠江三角洲地处广东省中南部珠江下游,面临南海,毗邻港澳.随着经济的快速增长,大气污染问题在珠江三角洲内日趋严重.灰霾天气增多、能见度恶化[1],城市间污染相互影响,已经形成区域性空气污染格局[2-3].秋季是珠江三角洲灰霾天气高发时期,也是光化学污染最强的季节[4-5].

空气污染与气象条件有直接关系[6－12].关于珠江三角洲地区的研究中,吴兑等[9]认为灰霾天气与地面流场、空气污染物稀释扩散有关. Physick等[12]将香港总悬浮颗粒物(TSP)与天气型的关系划分为7种天气型.陈训来等[13]将香港地区空气污染典型天气形势划分为热带气旋型、大陆冷高压型、入海变性高压型和低压槽型4类.陈欢欢等[14]认为珠江三角洲典型灰霾过程发生在每年10月到次年4月,天气形势主要是高压变性出海.

鉴于秋季是珠江三角洲光化学烟雾、灰霾多发季节,为深入研究掌握秋季该区域性、复合型大气污染的规律,结合国家“863”项目“重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范”,本课题组于2008年10月15日至11月20日在珠江三角洲呈东北－西南走向的从化市天湖、广州市区的省环境监测中心楼顶、开平市军事教育基地设立3个加强监测点,组织了一次大规模环境空气质量加密观测.本研究主要利用加强观测期间3个监测点配套自动气象站资料等,考察观测期间珠江三角洲的污染气象特征.

1 资料来源

本研究所用资料主要来源于4方面:

其一,2008年10月15日～11月20日加强观测期间从化、广州、开平自动气象站资料.3个自动站分别位于珠江三角洲的东北、中部和西南部(图1),呈东北-西南向,与观测期间盛行风向一致.自动气象站为中山大学大气科学系大气探测室研制ZDQ-18型,测量要素为逐时风向、风速、温度、气压、相对湿度、辐射、降雨量.

其二,空气质量资料采用广东省环境保护公众网(http://www.gdepb.gov.cn/)公布粤港珠江三角洲监控网从化天湖、广州麓湖、江门东湖监测子站(分别靠近从化、广州、开平自动气象站,见图1)的区域空气质量指数(RAQI).

图1 自动气象站与环境监测站位置示意Fig.1 Sites of the automatic weather station and environmental monitoring station

区域空气质量指数(RAQI)是综合计算二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)和可吸入颗粒物(PM10)浓度而得出的空气质量指标,为累加型指数.RAQI不同于空气污染指数(API),API只反映SO2、NO2、PM10的污染情况.RAQI分5个等级,RAQI在 2～3之间代表该级别地区内有个别污染物浓度接近或超过国家环境空气质量二级标准,在3～4之间代表该级别地区内普遍有污染物浓度超过国家环境空气质量二级标准[15].

本研究将RAQI＞2的时段看作污染时段.

其三,天气图资料来自香港科技大学大气与海岸研究中心网(http://envf.ust.hk/dataview/profile/ current/).

其四,后向轨迹来自美国国家海洋大气局(NOAA)HYSPLIT 模式(http://www.ready.noaa. Gov/ready/hysplit4.html).

2 结果与分析

根据从化、广州、开平3个自动气象站逐时气象资料及从化天湖、广州麓湖、江门东湖3个监测点同期RAQI资料,分析观测期间污染基本特征、天气型及风场对珠江三角洲空气质量的影响.

2.1 观测期间珠江三角洲污染基本特征

图2给出2008年10月15日～11月20日从化天湖、广州麓湖、江门东湖RAQI变化趋势.

图2 加强观测期间RAQI变化趋势Fig.2 Regional air quality index(RAQI ) at Conghua, Guangzhou and Kaiping from Oct. 15 to Nov. 20, 2008

由图 2可见,总的来说,观测期间江门东湖的 RAQI值比广州麓湖、从化天湖高.在 37d的观测期间内,江门东湖 RAQI有18d超过 2,有4d超过3;广州麓湖RAQI有7d超过2,从化天湖RAQI只有2d超过2,广州麓湖和从化天湖RAQI变化趋势较一致.江门东湖RAQI出现峰值时间与广州麓湖和从化天湖不一致: 如10月15、16日江门东湖RAQI较高,广州麓湖和从化天湖RAQI较低;10月21～23日,广州麓湖和从化天湖 RAQI维持高值,而江门东湖RAQI不断下降.

2.2 观测期间珠江三角洲污染天气形势

天气形势是一个地区大气整体状况的表征,空气污染与特定天气形势有密切联系.分析研究图2出现RAQI峰值前后的天气形势,归纳出观测期间出现污染时段的天气形势主要有3种:冷锋前部型、高压底部型、高压脊控制型.

图 3给出观测期间珠江三角洲空气污染较重4d的天气图.

图3 观测期间珠江三角洲空气污染时地面天气图Fig.3 Surface weather conditions on Oct. 23, Oct. 26, Oct. 29 and Nov. 16 when PRD with poor air quality

由图3可见,10月23日影响珠江三角洲的天气形势是冷锋前部型,冷锋位于华南地区,冷锋后部等压线密集,由偏北气流控制,冷锋前部是均压场,主要由偏南气流控制.此时珠江三角洲西南部为西南风,中部和东北部为东北风且风速较小,污染物易在珠江三角洲中部和东北部累积,造成中部的广州麓湖和东北部的从化天湖 RAQI较高,而西南部的江门东湖RAQI较低.这种天气形势易造成珠江三角洲中部和东北部污染.

10月26日和11月16日天气形势基本一致,是高压底部型,冷空气经过广东并南移出海,北方冷高压中心逐渐南压,珠江三角洲位于高压中心边缘,风速较小,风向为偏北风.由图 3可看出,内蒙古地区由冷高压控制,华南地区等压线较平直,地面主要受弱偏北风影响,污染物易沿着主导风向输送并积累,造成珠江三角洲西南部污染,这两次过程均造成江门东湖RAQI较高,10月26日RAQI为2.95,11月16日RAQI高达3.52;从化天湖和广州麓湖RAQI较低,均小于2.

10月 29日天气形势是高压脊控制型,地面冷高压东移出海,珠江三角洲处于变性高压脊控制下的下沉区,风速为静小风,不利于污染物的输送,易造成污染物排放量大的地区污染物累积,造成局地污染.这是10月29日广州麓湖、江门东湖 RAQI较高,从化天湖 RAQI较小的原因.

2.3 观测期间风场对珠江三角洲空气质量影响

图4给出10月15日珠江三角洲西南部污染较重时RAQI区域分布和08:00风场.从图4可看出,地面主要为偏北风,风速基本在 0～2m/s,污染物从珠江三角洲东北部输送到西南部并积聚,导致西南部的RAQI较高.

图4 2008年10月15日珠江三角洲RAQI区域分布和08:00地面风场图Fig.4 Measured RAQI distribution and surface wind at 08:00 over PRD on Oct. 15, 2008

图5 2008年10月15日08:00从化、广州、开平48h后向轨迹Fig.5 Backward trajectory of 48h at Conghua Guangzhou and Kaiping ending at 08:00 on Oct.15, 2008

为进一步说明风场对空气质量影响,图5给出利用HYSPLIT模式模拟10月15日500m高空以08:00为起点计算到达从化、广州、开平的48h后向轨迹.

从图5可见,影响从化、广州、开平的后向轨迹基本相同,均是从东北方向到达三地,结合图4地面风场可知,影响珠江三角洲的低空气流均为弱偏北气流,弱东北气流易造成珠江三角洲西南部污染较重.

图6给出10月23日珠江三角洲中部和东部污染比西南部严重时RAQI区域分布和08:00地面风场.从图6和图4可见,10月23日珠江三角洲区域空气质量分布形态与10月15日相反.图7给出23日08:00为起点计算的48h 500m高空到达从化、广州和开平的后向轨迹和10月24日08:00广州24h后向轨迹.

从图6地面风场可见,10月23日珠江三角洲大部分地区风速较小,西南部地区为弱的偏南风及偏西风,中部和东北部主要为弱的偏北风,北部有一股较强的偏北气流,南北气流在珠江三角洲中部相遇,在这种地面风场条件下,污染物容易在中部地区积累.

从图 7后向轨迹可见,23日前珠江三角洲500m高空气流从海上过来,从24日08:00后向轨迹可看出,气流转为偏北气流,冷空气开始进入华南,污染物在珠江三角洲中部堆积.

由图6和图7可见,地面和500m高空的风场都会导致珠江三角洲中部地区污染物累积,形成中部地区RAQI偏高.

图6 2008年10月23日珠江三角洲RAQI区域分布和08:00地面风场Fig.6 Measured RAQI distribution and surface wind at 08:00 over PRD on Oct. 23 2008

图7 2008年10月23～24日08:00 从化、广州 、开平后向轨迹Fig.7 Backward trajectory of 48h at Conghua, Guangzhou and Kaiping ending at 08:00 from Oct.23 to Oct.24, 2008

图8 观测期间从化、广州、开平自动站风玫瑰图Fig.8 Wind direction rose at Conghua, Guangzhou and Kaiping from Oct. 15 to Nov. 20, 2008

图8给出观测期间从化、广州和开平自动站逐时风向数据统计的风玫瑰图(静风为风速小于等于0.2m/s).

由图 8可见,从化主导风为 NE,频率高达40%;广州主导风为NNE,频率为25.48%;开平有2个频率较高的风向,NNE和 NE频率分别为26.48%和25.02%;从化静风频率为12.35%,广州为2.28%,开平为6.48%.3个自动站主导风频、静风频率不一致,与从化自动站位于山区、广州自动站位于城区、开平自动站位于较平坦郊区有关.

由图9可见,3地风速变化趋势基本相同.风速＞2m/s时,3地风速最小的是广州,这与广州城区高层建筑对风的阻挡减小作用有关,风速＜2m/s时,风主要受局地影响.广州风速＜2m/s出现频率比开平、从化要大,高达68%.

图9 2008年10月15～11月20日从化、广州、开平的日平均风速Fig.9 Measured daily wind speed at Conghua, Guangzhou and Kaiping from Oct. 15 to Nov. 20, 2008

统计表明,观测期间珠江三角洲秋季主导风向为NE,3地风速小于2m/s频率都在50%以上,导致大部分时间珠江三角洲西南部污染较重,仅当珠江三角洲西南部为偏南风控制时,西南部地区的空气质量才较好.

3 结论

3.1 2008年秋季观测期间,造成珠江三角洲空气污染较重的天气型主要有3种:冷锋前部型、高压底部型、高压脊控制型.冷锋前部型易造成珠江三角洲中部和东北部污染,高压底部型易造成珠江三角洲西南部污染,高压脊控制型易造成珠江三角洲局地性污染.

3.2 2008年秋季观测期间珠江三角洲主导风为东北风,日平均风速小于2m/s的频率在50%以上,易造成污染物沿着主导风下风向输送并累积,导致珠江三角洲西南部RAQI偏高.此外,当珠江三角洲西南部为西南风控制,中部和东北部为东北风且风速较小时,污染物易在珠江三角洲中部和东北部累积,导致珠江三角洲中部和东北部RAQI偏高.

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Study on air pollution meteorology over the Pearl River Delta during the autumn of 2008.

LI Ying-min1,2, FAN Shao-jia1*, ZHANG Ren-wen1(1.Department of Atmospheric Science, School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；2.Zhongshan Meteorological Bureau, Zhongshan 528401, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1585～1591

As part of the 3C-STAR (synthesized prevention techniques for air pollution complex and integrated demonstration in key city-cluster region) intensive observation, meteorological and air pollutant concentration measurements were performed in Conghua, Guangzhou and Kaiping in the Pearl River Delta (PRD) on Oct. 15 to Nov. 20, 2008. The features of air pollution meteorology over PRD during the intensive observation were analyzed. It was found that the typical types of weather condition associated with poor air quality over PRD during the intensive observation could be summarized into three types (pre-cold front, bottom of high pressure control, ridge of high pressure control). The pre-cold front type will lead the central and northeastern part of PRD polluted. The bottom of high pressure control type will lead the western part of PRD polluted. The ridge of high pressure control type will result in local air pollution of PRD. The air pollution of the city-cluster of PRD were closely related to the northeasterly prevailing wind with ground wind speed smaller than 2m/s, this situation will lead the southwestern part of PRD polluted for the accumulation of air pollutants transported by the prevailing wind.

autumn of 2008；air pollution meteorology；intensive observation；Pearl River Delta

X16

A

1000-6923(2011)10-1585-07

2010-12-27

国家“863”项目(2006AA06A306);国家自然科学基金资助项目(40875007)

* 责任作者, 教授, eesfsj@mail.sysu.edu.cn

李颖敏(1986-),女,广东江门人,中山大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事大气环境方面的研究.发表论文2篇.