防城港市一次空气污染状况及气象条件分析

2019-07-19黄春华许文龙

中低纬山地气象 2019年3期

黄春华，许文龙

(广西壮族自治区防城港市气象局，广西防城港 538001)

1 引言

随着我国经济建设的高速发展，空气污染可能对公众健康、社会生产生活造成的不利影响越来越引起国家和社会的重视，受到人们的关注。目前，防城港市狠抓大气污染防治，但是大气污染形势依然严峻，特别是秋冬季和初春时节，污染天气多发频发。2017年，防城港市空气质量监测有效天数365 d，优良天数339 d，污染天数26 d，其中10月25日—11月3日就连续10 d为污染日，是一次罕见的长时间持续空气污染过程，本文通过分析此次空气污染过程的污染物特征及气象条件，找出气象条件对空气污染的影响，以期为空气污染气象条件预报提供参考，提高空气质量预报的准确率，也为环保部门提供决策参考。

2 资料与方法

2.1 研究区概况

防城港市地处中国东部沿海南端和西南沿边起点的交汇处、广西北部湾之滨，是中国仅有的两个沿边与沿海交汇的城市之一，是一座极具特色的港口、边关及海湾城市。防城港市属于典型南亚热带海洋性季风气候，冬半年(10月—次年3月)受北方冷气团影响，气候干燥少雨；夏半年(4—9月)受南方海洋湿热气团影响，气候湿润多雨。冬季主导风向为东北风，夏季主导风向为南风，年平均气温22～23 ℃，年降雨量2 200 mm左右，是广西乃至全国的多雨中心之一。目前，防城港市有3个国控环境空气质量监测站点，有5个国家级地面气象观测站。

2.2 资料来源

空气质量和污染物数据来源于防城港市环境监测站，包括防城港市3个国控环境空气质量监测站点(沙万、防城镇政府、大海花园)的AQI、PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3的日平均浓度资料和逐时浓度资料。气象资料来源于美国国家环境预报中心(NCEP)的1.0°×1.0°再分析资料以及防城港市港口区、防城区地面观测站的监测数据，包括气温、相对湿度、风向、风速等常规资料。研究时段为2017年10月25日—11月3日。

2.3 研究方法

采用天气学诊断分析方法研究造成此次持续性空气污染的气象条件，用统计分析方法分析污染物，特别是首要污染物的特征。

3 持续性空气污染过程的实况分析

从表1看出，2017年10月25日—11月3日，防城港市连续10 d出现空气污染，其中10月25日为中度污染，全市平均AQI值达到180，其余污染日为轻度污染。首要污染物除了10月27日为细颗粒物外，其余污染日的首要污染物均为臭氧。根据我国空气质量监测标准，臭氧1 h平均浓度超过200 μg/m3，即为超标，某一日臭氧的最大8 h滑动平均值超过160 μg/m3时，当日即为臭氧污染。根据监测数据显示，10月25日和10月29日，臭氧小时浓度超标持续时间均达到9 h，其中臭氧小时浓度最大值达到309 μg/m3，臭氧最大8 h滑动平均为280 μg/m3。

从单站的AQI值来看污染区域分布，大海花园站点附近污染最重，防城档案局站点污染较重，沙万站点污染最轻。

表1 防城港市空气质量实况Tab.1 Air quality in Fangchenggang

从防城港市臭氧(O3)最大8 h滑动平均浓度日变化可以看出(图略)，O3浓度日变化呈现明显的单峰值现象，这与孙嵩焘[1]、王宏[2]等人的研究结论一致。10月25日—11月3日臭氧(O3)最大8 h滑动平均浓度日均值都超过了150 μg/m3，其中10月25日、26日，11月1日达到200 μg/m3以上，峰值出现在10月25日，最高达到了245 μg/m3。

近地面臭氧主要是由工业活动和交通排放的VOCs 和NOx通过光化学反应产生的二次污染物[3]。从图1看出，臭氧(O3)逐时浓度变化存在着日变化，几乎每日的15时前后，即紫外线最强的午后出现相对高点，这与夏晓玲[4]等人的研究结论一致。而07时前后出现一个相对低点，表明臭氧的污染可能与太阳活动有关，午后光化学反应加强使得臭氧污染加剧。

图1 臭氧浓度逐时变化Fig.1 Hourly changes of ozone concentrations

4 气象条件

4.1 环流形势

通过NCEP 1°×1°再分析资料绘制天气图，从2017年10月25日—11月3日500～850 hPa的平均高度场和风场、地面平均气压场(图2)可以看出，防城港市(黑色三角形标注的地方)上空，500 hPa为高压控制，以偏西气流为主，700 hPa、850 hPa气压场较弱，地面为冷高压脊影响。

图2 500～850 hPa的平均高度场和风场、地面平均气压场Fig.2 Average height field and wind field form 850 to 500 hPa and average ground pressure field

10月25日—11月3日，防城港市基本为晴到多云天气，从逐日的形势场(图略)分析，其中10月25日—10月27日，500 hPa为弱的偏西、西北气流，地面为弱的冷高压脊控制，700 hPa以下均为弱的偏北风控制，地面10 min风速大部分在3 m/s以下，低层伴有逆温。29—31日，500 hPa副高控制，地面有弱冷空气补充，防城港市气压虽略有增加，低层偏北风略微加大，但仍然受稳定的冷高压脊控制，天气晴好少云，且没有降雨，防城港市的环境空气质量未得到明显的改善。 11月1—3日，500 hPa高空槽在30°N以北，防城港市上空500 hPa为偏西气流为主，地面为变性冷高压脊影响，以偏北风为主，风速减小，地面10 min风速大部分在3 m/s以下。高层稳定，低层伴有逆温。

可见，500 hPa环流为偏西气流为主，地面为弱的高压脊或变性高压脊，风向是干燥的偏北风，地面风速小，晴好少云，逆温层持续存在，大气扩散条件不佳，是本次长时间持续性空气污染过程维持的气象条件。

4.2 地面气象要素变化

利用NCEP 1°×1°再分析资料，选取与沙万站点较近的港口区地面观测站及与防城区镇政府站点最近的防城区地面观测站的观测数据，分析相对湿度、温度和风向风速的变化，垂直风场变化及降雨、日照的气象要素情况。

4.2.1 相对湿度变化从图3可以看出，近地面相对湿度也存在日变化，主要是07时前后出现相对高点，午后出现相对低点，与臭氧浓度高低值分布呈反位相。10月25日—11月3日期间，港口区有8 d日平均相对湿度为70%以下，防城区有6 d日平均相对湿度为70%以下。相对湿度太大或者太小，都不易产生污染天气[5]，而此次污染天气过程中的日平均相对湿度最高为80%，最低为48%，对污染性天气的产生和维持较为有利。

图3 逐时相对湿度变化曲线Fig.3 Hourly changes of relative humidity

4.2.2 温度变化从图4可以看出，逐时气温存在日变化，表现为日出前后出现相对低点，午后出现相对高点，与臭氧浓度高低值分布呈正位相，最高气温、最低气温、地温的逐时变化趋势(图略)与气温变化趋势基本一致。10月25日—11月3日期间，港口区日平均气温在23～26 ℃之间，防城区日平均气温在21～25 ℃之间。

图4 逐时气温变化曲线Fig.4 Hourly changes of temperature

4.2.3 风速变化风是边界层内影响污染物扩散的重要条件[6]。在水平方向上，污染物的稀释、扩散的快慢与风速大小密切相关，风速越小甚至为静风时，污染物扩散较慢或难以扩散，导致污染物积累，而风速越大，污染物越易扩散。

根据10 min平均风统计数据显示(图略)，10月25日—11月3日期间，偏北风的频率非常高，港口区偏北风频率达到90%，防城区偏北风频率达到96%。10 min平均风速在3 m/s以下的时段有67%的概率，港口区和防城区此次污染过程的10 min平均风速分别为2.7 m/s和2.3 m/s，结合相对湿度分析显示，风速小，风向是干燥的偏北风，不利于污染物的扩散。

从垂直风场(图5)看，10月25日，从1 000～500 hPa的风场都非常弱，不利于污染物扩散，对比空气质量数据，25日也是污染最严重的一天。26—28日，1 000～850 hPa为弱的偏东北风，700～500 hPa为弱的西北风，不利于污染物扩散。29—31日，受冷空气影响，低层偏北风加大，700～500 hPa转为偏东气流，从污染物变化看，受冷空气影响，作为仅次于污染物臭氧影响的PM2.5、PM10污染物的数值确实较25—28日有较明显的下降，但是由于干冷空气影响下日照仍然较强，臭氧污染物的数值没有明显下降，甚至比27—28日的数值更高，所以空气污染指数AQI数值并未下降到100以下，仍然是处于轻度污染。11月1—3日，冷空气减弱，低层偏北风减小，500 hPa转为偏西气流，不利于污染物扩散，污染再次加强。

图5 港口区垂直风场分布图Fig.5 Vertical wind field in Gangkou

4.2.4 其他气象要素降水对污染物有一定的清除作用，但是，此次空气污染过程期间，港口区、防城区均没有降雨，不利于污染物的沉降。一般来说，夏秋季节，光照条件越好的监测站，监测到的臭氧污染越严重。10月25日—11月3日，港口区和防城区日均日照时数达到8 h，较强的日照有利于VOCs 和NOx通过光化学反应产生臭氧。4日，受冷空气补充影响，防城港市转为阴天，日照时数为0，不利于臭氧的产生，随着臭氧浓度下降，AQI值也下降到100以下。