湖州市大气扩散能力与气象条件的关系

向华 毛敏娟 缪丽娜 李洪权 梁明珠 张喜亮

摘要：利用浙江省气科所高斯模式的大气扩散指数资料、湖州国家基本站地面观测资料和湖州市环境保护监测中心站的环境监测资料，分析了2013年湖州大气扩散指数的变化特征以及与气象各因子的相关性，结果表明：①大气扩散指数与AQI之间呈明显负相关，能较好地表征大气扩散能力的强弱；②在决定大气扩散能力强弱的气象因子中，风速是最主要的，其次是降水量；③排除风的影响，有降水情况下，降水量是大气扩散能力决定性的因素，降水量越大，大气扩散能力越强，降水量越小，大气扩散能力越小；无降水情况下，大气扩散指数与相对湿度和气压呈负相关，与平均气温呈正相关；④混合层高度与大气扩散指数有很高的相关性，可以作为衡量大气扩散能力的一个重要指标。

关键词：大气扩散能力；大气扩散指数；混合层高度

中图分类号：P4

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10001603

1 引言

当前我国大气污染形势严峻，国家和社会各界高度关注，环境气象俨然成了当今时代的焦点。有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。大气扩散是指将一定量的含有有害物质的气体排入高空，借大气湍流和分子运动，向大气中低浓度区域迁移，从而把有害物质稀释到容许浓度以下的过程。在污染源排放相对稳定的条件下，大气扩散能力的强弱直接决定着空气质量的好坏，与人们的生活息息相关[1]。就大气污染成因而言，污染是主因，气象是诱因。历史上发生过的重大空气污染危害事件，都是在不利于污染物扩散的气象条件下发生的。为了掌握污染物的扩散规律，以便采取有效措施防治大气污染的形成，必须了解气象条件对大气扩散的影响，以及局部气象因素与地形地貌状况之间的关系[2]。

目前大气扩散能力的衡量没有一个确定的标准，通过大气扩散模式计算大气扩散指数是一种行之有效的方法。大气扩散模式的种类很多，按模式理论的发展途径可分为统计理论模式、K理论模式和相似理论模式。按模拟的时间尺度可分为短期平均及长期平均浓度模式；按污染源的形态又可分为点源、线源、面源、体源、多源或复合源模式。尽管大气扩散模式的种类繁多，但从应用角度出发，在实际工作中使用的大气扩散模式多属高斯模式及高斯模式的变形[3]。

近年来，针对空气质量与气象条件关系的研究很多，但对大气扩散与气象条件的关系研究却很少。马香香等对几种大气污染扩散模式应用进行了比较[4]。王伟平等用高斯模式估算了台州电厂一期工程的SO2浓度分布[5]。王文等则介绍了基于高斯模式的几个主要扩散模型，并比较了它们的优劣，指出了开发新模型需解决的问题[6]。胡春梅等根据重庆市地面常规要素、L波段雷达探测资料风速和温度与API的相关性，建立了空气污染扩散条件的综合气象指数[7]。陈宣庆等在对Turner大气扩散等级的分类方法进行部分修正的基础上，对长春市大气扩散能力进行了定级分类，并分析了其气候特征，对长春市大气扩散能力做了初步评价[8]。

此外，环保部门和气象部门一直紧密合作，双方不仅加强信息共享，充分发挥信息资源效益，还对规范实施了标准化，联合开展重污染天气监测预警业务和基于AQI（空气质量指数）的预报，建立定期交流机制，完善会商机制和重大信息协调机制，不断把两部门在信息共享、预警服务甚至科研等方面的合作推向深入，更好地履行职责、服务社会。双方还根据“大气十条”要求，深化开展针对重污染天气的预报预测预警工作，建立重污染天气监测预警体系。

2 资料与方法

大气扩散能力资料采用浙江省气象科学研究所根据高斯模式计算出的大气扩散指数，是定量描述大气扩散能力的无量纲指数，在此取湖州（站号：58450）2013年1～12月逐日资料。同时用到的混合层高度数据也是该模式计算输出产品。

气象资料采用同时段湖州国家基本观测站地面观测逐日资料。

空气质量资料采用同时段湖州市环境保护监测中心监测获得的AQI及PM2.5等逐日资料。2013年之前，环保部门采用空气污染指数API来表示空气污染状况，2013年起则启用空气质量指数AQI来表示空气质量状况。根据环境保护部《环境空气质量指数（AQI）技术规定》分级方法，空气质量指数（AQI）划分为0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六檔，分别对应于空气质量的六个级别：优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染，指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的影响也越明显。

首先对2013年湖州大气扩散指数及AQI数据进行月平均处理，分析其月际变化特征。然后对逐日大气扩散指数与对应的气象要素数据进行相关分析，并将样本分为有降水样本和无降水样本，分别研究了大气扩散指数与气象条件之间的关系。此外，还将环境气象中衍生的重要参数混合层高度与大气扩散指数进行了相关分析，得出了其对大气扩散能力的影响。

3 大气扩散指数的月际变化特征

图1为2013年湖州大气扩散指数和AQI的月平均值的逐月变化，可见，2013年湖州大气扩散指数的月变化较为明显，除3～5月和8月、10月大气扩散指数较高大于等于3之外，其他月份均低于3。其中4月最高，达到了3.5，这主要是因为春季日照充足，回暖明显，湍流活动相对比较旺盛；8月次之，达到了3.3，则是因为盛夏季节天气炎热，热力不稳定条件好，云团易发展，对流活动频繁所致。1月和11～12月大气扩散指数则处于一个低谷期，表明晚秋到隆冬季节里，多冷性高压控制，大气层结较为稳定，且风力较小、降水较少，大气扩散能力明显变弱。

另外，从图1还可以看出，AQI的变化与大气扩散指数的变化基本趋于相反，AQI值越高，即空气质量越差，大气扩散指数则越小，即大气扩散能力越弱；AQI值越小，即空气质量越好，大气扩散指数则越大，即大气扩散能力越强。经计算，大气扩散指数与AQI之间的相关系数达到了-0.32，两者呈显著负相关，这也印证了大气扩散能力的强弱直接影响着空气质量的好坏。

4 大气扩散能力与气象条件的关系

4.1 大气扩散指数与各气象因子的关系

在气象学中，气象要素是指用于描述的物理状态与现象的物理量，包括气压、气温、湿度、云、风、能见度以及太阳辐射等。这些要素都能从观测直接获得，并随着时间经常变化，彼此之间相互制约。不同的气象要素组合呈现不同的气象特征，因此对污染物在大气中的输送扩散产生不同的影响。其中风和大气不规则的湍流运动是直接影响大气污染物扩散的气象因素，而气温的垂直分布又制约着风场与湍流结构。

采用湖州市2013年逐日大气扩散指数及地面观测资料，对大气扩散指数与各气象要素进行了相关性分析（表1）。从2013年全年样本分析来看，与大气扩散指数相关性较好的气象因子有平均气压、最低气温、降水量、最低气压、平均风速，且均通过了0.01的显著性检验。其中相关性最好的为平均风速，相关系数达到了0.96，其次为降水量，相关系数为0.35。

由表1可以看出，降水量对于大气扩散能力的影响是较为显著的，为了进一步研究，将2013年全年样本再分为有雨样本（152个）和无雨样本（215个），分别计算各气象因子与大气扩散指数的相关性。可以看出，有雨样本中，气象因子中还是平均风速与大气扩散能力的相关性最好，相关系数同样达到了0.96，此外则是降水量和蒸发量相关性较好，相关系数分别达到了0.38和0.27，且均通过了0.01的显著性检验，而其他气象因子都没有通过显著性检验。这说明，在有降雨的情况下，假设排除风的影响，则降水量是大气扩散能力决定性的因素，降水量越大，大气扩散能力越强，降水量越小，大气扩散能力越小。无雨样本中，大气扩散指数相关性较好的气象因子有平均气压、平均气温、相对湿度、日照时数、平均风速，且均通过了0.01的显著性检验。其中相关性最好的还是平均风速，相关系数也达到了0.96。

大气扩散能力与气象条件息息相关，大的天气系统决定了大气扩散能力的整体背景，而风、压、湿及降水等气象条件的细微变化直接导致了大气扩散能力的强弱变化。从以上与大气扩散指数的相关性可见，风速为正相关，风力增大有助于大气扩散；相对湿度为负相关，湿度高有利于气溶胶粒径增大并在空气中滞留；气压为负相关，高气压时，气流下沉，容易形成逆温，低气压时，气流上升，容易扩散。温度为正相关，温度高整体上有利于扩散，虽然温度高同时也有助于二次污染物的形成。降水量为正相关，降水有助于冲刷空气中的污染物。

4.2 大气扩散指数与混合层高度的关系

大气边界层中的空气明显地受地面摩擦或热力作用的影响，因而在某个高度的稳定层下会出现显著的垂直混合，造成混合层。大气混合层高度与逆温的形成和消散过程有密切关系，混合层底面对烟气的向上扩散起着抑制作用，混合层高度的变化影响着大气污染物的浓度分布，它是影响大气扩散的一个重要因素。

通过计算2013年全年样本中混合层高度与大气扩散指数的相关性，得出两者的相关系数高达0.92，且通过了0.01的显著性检验，表明混合层高度与大气扩散能力呈明显正相关。这也充分印证了混合层高度是衡量大气扩散能力的一个重要指标，混合层高度越高，大气扩散能力越强，混合层高度越低，大气扩散能力越弱。

5 结语

（1）2013年湖州大气扩散指数的月变化较为明显，3～5月和8月、10月大气扩散指数较高，1月和11～12月较低，表明春、夏季大气扩散能力较强，秋、冬季扩散能力较弱。

（2）AQI的变化与大气扩散指数的变化基本趋于相反，两者呈显著负相关，说明大气扩散能力的强弱直接影响着空气质量的好坏。

（3）在决定大气扩散能力强弱的气象因子中，风速是最主要的，其次是降水量。排除风的影响，有降水情况下，降水量是大气扩散能力决定性的因素，降水量越大，大气扩散能力越强，降水量越小，大气扩散能力越小；无降水情况下，决定大气扩散能力的气象因子较多，主要有相对湿度、气压和平均气温，大气扩散指数与相对湿度和气压呈负相关，与平均气温呈正相关。

（4）混合層高度与大气扩散指数有很高的正相关性，可以作为衡量大气扩散能力的一个重要指标。

参考文献：

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丁一汇，李巧萍，柳艳菊，等.空气污染与气候变化[J].气象，2009，35（3）： 3～14.

[2]张建忠，孙 瑾，王冠岚，等.北京地区空气质量指数时空分布特征及其与气象条件的关系[J].气象与环境科学，2014，37（1）：33～39.

[3]吕 炜，李金凤，王雪松，等.长距离污染传输对珠江三角洲区域空气质量影响的数值模拟研究[J].环境科学学报，2015，35（1）：30～41.

[4]马春香，赵淑敏.几种大气污染扩散模式的应用比较[J].环境科学与管理，2007，32（10）：35～36.

[5]王伟平，余锡刚.高斯扩散模式的应用[J].浙江气象科技，2007，8（4）：37～45.

[6]王 文，于 雷，裴文文，等.基于高斯线性源模式的主要尾气扩散模型综述[J].交通环保，2004，25（5）：7～10.

[7]胡春梅，刘 德，陈道劲.重庆市空气污染扩散气象条件指标研究[J].气象科技，2009，37（6）：665～669.

[8]陈宣庆，候威岭.长春市大气扩散能力的初步分析[J].环境科学与管理，2013，38（10）：166～169.