近五年周至空气污染气象条件分析

陈欣昊，张 蕾，杨晓春，高 勇，张祥勇

(1.周至县气象局，陕西周至 710400；2.西安市气象台，西安 710016)

随着社会经济的快速发展，空气质量问题日益严重。目前，我国的空气污染问题已经呈现出明显的区域化特征，区域内和区域间的传输也成为治理的重要难题之一[1-3]。大气污染物，包括气体污染物和悬浮颗粒物特别是细颗粒物的增加，是霾天气增多的重要因素[4-6]。另外,在全球变暖的气候背景条件下，关中地区霾的变化受到各种气象因子的影响，能见度、相对湿度、气温和风速风向都是重要的影响因素[7]。关中地区近地层弱上升运动有利于颗粒物的累积，从而形成霾[8]。小风甚至静风现象不利于大气污染物扩散到稀释水平，导致污染物逐渐积累，达到高浓度的霾污染[9]。另外，逆温层阻碍了垂直扩散的正常流动，导致污染物不会扩散到高空而聚集在地面附近，造成重度污染天气[10]。关中地区大的空间范围上属于北方空气污染区，与京津冀、山西和河南是一体的。同时关中地区自身也是一个空气污染区域[11]。周至地处关中盆地，南依秦岭，北濒渭河。地势总体为西南高，东北低。近年来由于城市化发展迅速，地面粗糙度增大，导致近地面风速减小，加上秦岭的阻隔使得关中地区风速减小，并阻碍了关中地区大气污染物向南扩散，造成周至地区大气扩散能力弱，污染物容易累积，尤其在秋冬季节易形成污染天气[12]。本文利用相关气象资料(风向风速、气温、降水)、空气质量监测数据等，分析近五年周至县重污染日(包括重度污染和严重污染)气象条件，为重污染天气的预报和服务提供参考。

1 资料选取

气象相关数据为周至县国家一般气象站(34°08′N，108°12′E)2012年12月1日—2017年9月30日的日平均气温、每小时平均风速、风向及每小时累积降水量资料。

污染物(O3、CO、NO2、SO2、PM2.5和PM10)相关数据来自陕西省环境空气质量监测网自动监测站点——周至站(该站点为省控站)2012年12月1日—2017年9月30日的逐日空气质量监测数据，计算得出AQI指数日均值。

2 近五年空气质量基本特征

根据周至县2012年1月1日—2017年9月30日的空气质量监测资料统计，周至地区近五年月平均AQI指数变化呈现出明显的U型特征，即两边高中间低。总体来看，6—10月均达到良的级别(AQI指数月平均值分别为74、79、80、79和99)，2、3、4、5、11、12月为轻度污染(AQI指数分别为140、129、104、107、112和139)，1月为中度污染(AQI指数为165)。1月污染情况最严重、11、 12月次之。这是由于冬季多稳定类天气，风速小，逆温频繁且强度和厚度大，混合层高度低，同时降水少；因此大气扩散条件差，湿清除作用弱，使得污染得不到有效清除，累积作用明显。加之，冬季采暖造成污染物排放量大。进一步比较2012年至2016年周至冬季年平均AQI指数可以看出，2016年最高为207，达到重度污染， 2012、2013、2014、2015均为轻度污染(AQI指数分别为147、149、114和134)。

由表1可看出，周至县近五年(共计2 100 d，有效数据1 995 d)优良日数1 202 d，占总日数60%；轻度污染495 d，占25%，为春夏秋三季主要空气质量情况。夏季空气质量最优，适合人们出行入山消暑。重度污染等级以上(包括重度污染和严重污染)日数共计119 d，共占6%，基本发生在冬季。冬季共计重污染以上日数93 d，其中2016年最为严重，高达42 d；春季次之，共计17 d；夏季无重度以上污染。

表1 2012年1月1日—2017年9月30日周至县空气质量情况

3 重污染日气象条件分析

进一步对周至地区近五年间重污染日(包括重度污染和严重污染)，共计119 d的气象条件进行分析，以明确何种气象条件会导致重污染天气的发生和持续加重。

3.1 重污染日的风速风向特征

图1 2012—2017年周至地区重污染日平均风速频率玫瑰图

由图1得知，周至县在近五年重污染日的主导风向为偏西北风(其中最多风向为西偏北风，次多风向为西北风，风向频率分别为36%和28%)。一方面，这与关中地区地形关系密切。在冬季，关中中东部地区近30 a近地层主导风向为偏东风[13]，而在关中西部(周至地区)以偏西北风为主，在盆地形成一个不利于污染物扩散的辐合区，这种特殊的地形造成了周至地区冬季污染物易堆积、难扩散。另一方面，重污染日风速总体偏小，主要集中在0～3 m/s范围内，逆温层维持，使得污染物在垂直方向的稀释能力较弱，污染物易在近地层聚集。而随着风速的增加，垂直湍流运动加强，PM2.5质量浓度趋于降低。

3.2 相对湿度对空气污染的影响

相对湿度也表现出较明显的季节变化趋势，冬季寒冷干燥，相对湿度普遍较低。而近五年来，周至县74%(88 d)的重污染天气发生时相对湿度为60%～90%(表2)，反映出相对湿度在60%～90%之间是雾霾天气发展和维持的重要条件。这是由于在高湿的情况下，颗粒物吸湿后，其消光系数会增加，使得大气能见度更加恶化，且较高湿度在一定程度上会促进颗粒物二次化学反应，导致更多的颗粒物生成，也使得空气污染进一步加重。

表2 2012—2017年周至重污染日的日平均相对湿度分段统计

3.3 气温对空气污染的影响

表3为周至县近五年来重污染日的日平均气温距平(即重污染日平均气温与当月30 a气候平均气温的差值)情况。重污染日中，36%的日平均气温比常年偏低0～1 ℃，而45.4%偏低2～4 ℃以上，18%偏低4 ℃以上。这是由于冬季雾霾的持续会造成太阳辐射减少，地面气温下降，而较低的地面气温会使得大气层结中的逆温现象更容易发生，造成大气层结稳定，污染物持续累积。由于天气形势稳定、低空逆温、冬季采暖等原因造成污染天气较严重的情况。

表3 2012—2017年周至重污染日的日平均气温距平分段统计

3.4 降水对空气污染的影响

近五年周至重污染日共计119 d，可分为43次过程，每次过程第一个重污染日前连续无降水天数大于等于10 d的重污染过程有18次， 连续无降水天数在2～10 d(不包含10 d)的重污染过程有20次，连续无降水天数在0～2 d(不包含2 d)的重污染过程只有5次。说明在天气形势稳定、风力不大、又无降水的情况下，局地排放的污染物不易扩散，逐渐累积形成空气污染。而连续多日无有效降水会导致重度空气污染。当有冷空气到达时，伴随有大风或者降水，局地累积的空气污染物迅速扩散，使得空气污染质量浓度降低。

另外，对2012—2017年期间冬季降雨过程(共统计样本23个)及其降水过程前后5 d的AQI指数对比(图2)发现，与降水前相比，降水后AQI指数全部出现了不同幅度的下降，样本4、12、16、21、22、23中的作用比较明显。整体下降范围为0～66.5%，平均下降幅度31%左右，说明降雨能够有效降低空气污染质量浓度，改善空气质量。

3.5 气象要素综合条件对空气污染的影响

从以上分析可以明显看出，风向风速、相对湿度、气温、降水等均与AQI指数有较好的相关性。重污染天气发生时，排放是“元凶”，而气象条件是“帮凶”。低风速不利用污染物的扩散，高湿度会促进污染物中吸湿粒子的增长，降低能见度，同时促进二次颗粒物的生成，加重污染。周至冬季盛行偏西北风，西北方向为眉县、扶风、岐山、陈仓和宝鸡市，均是工业化主导县区市，造成污染物输入。冬季稳定类天气多，风速小，逆温频繁且强度和厚度大，混合层高度低，因此大气扩散条件差；连续的无降水也使得空气中的污染物得不到有效冲刷，湿清除作用弱；加之，偏西北风带来的污染物输入，以及采暖污染物排放量大，易造成大气污染物堆积。总之，重污染天气的发生与气象条件息息相关。

图2 2012—2016年冬季周至历次降水情况(样本共23个)与降水前后5 d平均AQI指数对比图

4 结论

根据2012—2017年对周至县主要污染特征，以及各主要相关气象要素与污染之间的关系的分析，得到以下结论。

(1)近五年周至地区AQI指数季节变化呈明显U型趋势，冬季空气污染情况最为严重，且AQI指数呈现逐年增长趋势；春秋季次之，夏季未出现重度以上污染。

(2)冬季天气形势稳定、风速较小，混合层高度低，垂直湍流运动较弱，加上受地形阻挡的影响，污染物不易扩散；重污染出现前多日无降水，日平均气温偏低，使得大气污染物不断累积。周至县冬季重污染日盛行偏西北风，加大了西北方向工业化主导县外来污染物的输入；且重污染日风速总体偏小，同时相对湿度较高，颗粒物吸湿性增长促进颗粒物二次生成，造成污染情况加重。

(3)降雨能够使AQI指数降低达3成左右，表明冬季当有冷空气到达时，伴随的大风、降雨天气，使得污染物得到有效冲刷，降低空气污染质量浓度，改善空气质量。