浙江省大气扩散能力的时空分布特征

毛敏娟，杜荣光，齐冰

(1.浙江省气象科学研究所，浙江杭州310008；2.杭州市气象局，浙江杭州310058)

1 引 言

大气污染是当今人类面临的重要环境问题[1-3]。总体来说，大气污染在加剧，尤其在长三角(长江三角洲)、京津冀、珠三角(珠江三角洲)等城市群霾天气已经成为常态化的天气现象，影响着社会经济的发展和人类的健康。

大气污染形成原因主要是两个方面，即污染物排放及气象条件。自改革开放以来中国进入快速的经济增长和城市化进程中[4]，二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等各种污染物排放大幅增加。近年来，中国投入很大力量实施污染减排，PM2.5、氮氧化物、二氧化碳等污染物排放量出现下降，但在全球仍居高位。同时，VOCs、氨等排放的需要加大了减排力度。

在污染物排放相对稳定的时间内，大气污染程度不同则主要取决于气象条件。气象条件对大气污染的影响具有两面性，一方面通过传输带来外部污染物、通过化学反应生成二次污染物等过程加剧大气污染[5-9]，另一方面通过大气扩散、干湿沉降、化学自净等自净过程消散污染物[10-12]，改善大气污染状况。为了研究气象条件对大气污染的影响，相关学者开展了很多研究，王跃思等[13]通过分析霾过程获得重污染形成的气象条件，毛卓成等[14]分析了持续东风系统下的大气扩散条件，李琼等[15]分析了Hadley环流上升支对臭氧垂直输送的影响，任燕等[16]分析了不同尺度湍涡对边界层和云结构的影响，郁珍艳等[17]利用大气自净能力经验公式研究了浙江省大气自净能力的时空分布特征，还有就是设立参数，根据大气扩散能力受多个气象要素影响的特点，建立其与气象要素的关系模型，用于表示大气的扩散能力。范绍佳等[18]利用建立的珠三角大气边界层概念模型，解释地区环境空气质量变化的原因；杨元琴等[19]建立了空气质量气象条件参数PLAM(Parameters linking air-quality and meteorology)预报模型，用于评估气象条件对大气污染的影响；朱蓉等[20]定义了大气自净能力指数，给出了由气象观测数据计算大气自净能力指数的方法，分析了全国大气自净能力的分布特征；郭淳薇等[21]利用经验公式分析了北京地区近35年大气容纳指数的变化。无论是经验公式还是统计模型，都存在准确率较差、适用性受区域影响等缺点。

浙江省是城市化发展程度最高的区域之一[22]，城市化发展带来大气污染物排放增加和下垫面特征改变，进而对气象条件产生影响，叠加在背景气象条件上，使该地区表现出年均气温升高，年均日照时数、风速及低层云量等下降，降水变得集中等气候变化现象[23]，气象条件变得不利于大气污染物向外扩散。在污染物排放增加和气象条件不利的双重加持下，自1980年以来，浙江省年均地面水平能见度呈现5～10 km的下降[24]，说明该地区过去几十年大气污染加剧，环境空气质量总体变差[25]。在当前没有条件完全依靠减排解决大气污染问题的情况下，研究大气扩散能力的分布和年际变化特征，对于优化城乡布局和产业结构、提高大气环境承载能力、预测未来大气污染发展趋势等都具有重要意义。

考虑到在大气扩散、干湿沉降、化学自净等方式中，大气扩散对大气自净能力具有决定性作用，该文利用以大气扩散理论为基础的高斯扩散模型[26]，建立能够综合体现各种气象要素作用、不涉及大气污染物排放影响的大气扩散能力定量评估方法。利用建立的评估方法，结合1980—2014年浙江省气象观测数据，研究浙江省大气扩散能力分布及年际变化特征。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

浙江省(118～123 °E，27.22～31.52 °N)地处长江三角洲地区南冀，近几年经济发展水平在全国各省名列4～5名，人均汽车保有量更是位列全国第一，大气污染物排放来源多样，且具有自身特点。同时，受地理位置和地形条件影响，浙江省与周边地区大气对流充分，因此大气扩散能力对大气污染影响明显。

2.2 数据来源及方法简介

气象观测数据包括1980—2014年以来浙江省71个常规气象站的气温、降水量、相对湿度、风速、云量等。选择1980年为研究的起始年，一方面是因为这一年对地面气象观测规范做了重要变更，另一方面是这一年改革开放真正开始实施，是大气污染物排放开始发生重要改变的年份。使用长序列气象观测数据具有均一性要求，为了检验由于观测规范变更等原因引起的非正常波动，该研究采用了 SNHT、Buishand、Pettitt等方法[27-29]检验，对于没通过均一性检验站点的数据则通过邻近站点方差逼近法进行重建，如下式：

式中：Sc为某个非均一性站点待重建年份的气象要素；S1，……，Sn为符合均一性检验的邻近n个站点相应年份的气象要素值；Xc正常年为没有出现非正常波动年份时的平均方差。

影响大气扩散能力的气象要素很多，如云量、风场、蒸发量、降水等。为此，需要找到一个能够体现各气候要素、综合性评价大气扩散能力的参量。该研究采用US EPA推荐、以大气扩散理论为基础的高斯大气扩散模型[26]，其也是 ADMS、CALPUFF大气扩散模式的基础，如式(2)所示：

式中：C为大气中任意点浓度；X为排放源至下风向任意点水平方向上的距离；Y为排放源至任意点直角水平方向上的距离；Z为排放源至任意点垂直方向上的距离；Q为源强，表示单位时间内污染物排放量；σY为水平扩散系数；σZ为垂直扩散系数为大气平均风速；π为圆周率。

式(2)计算的是源点污染物扩散后任意点的浓度，其结果受污染源强度、任意点相对于污染源的位置及大气扩散能力3个方面的影响。该研究关心的是大气扩散能力，如果将源强归一化或直接假定为1，任意点则用下风向与污染源相对固定的参考点代替或限定在下风向固定大小的落区，则式(2)计算的参考点大气污染物浓度由大气扩散能力决定，该文将其倒数命名为大气扩散指数，用于评估大气扩散能力。计算时由云量、风速、相对湿度、气温等气象要素划分大气稳定度等级，根据稳定度等级和扩散曲线，确定大气扩散参数，获得大气扩散指数。

尽管大气扩散能力评估方法是各种气象要素影响的综合体现，实际上由于各气象要素变化幅度及在评估方法中的权重差异，它们对大气扩散能力的影响强度并不相同。表1是1980—2014年各站大气扩散指数与气象要素之间的相关系数，风速与大气扩散指数相关性最强，两者相关系数为0.85，其次是相对湿度和云量，相关系数分别为0.55和0.54，与气温的相关性却最弱，相关系数仅为0.32。风速直接体现了大气动力特征，相对湿度和云量体现了地气系统的水分循环和辐射能量平衡，影响着地-气交换过程中向上发展的动力，其中云是影响大气扩散能力的热力因素。降水对大气污染的影响主要通过湿沉降，是不同于大气扩散的另一种大气环境自净方式，该文的大气扩散能力评估方法也没有考虑降水因子，因此大气扩散指数与它的相关性不高。

表1 大气扩散指数与气象要素之间的相关系数

3 结果与分析

3.1 浙江省大气扩散总特征

图1a是利用2014年气象要素观测数据计算得到的浙江省年均大气扩散指数分布图，浙江省大气扩散指数分布存在明显的地区变化，其中东部沿海地区的大气扩散指数最大，丽水地区最小。杭州地区、温州和台州内陆地区都属于大气扩散指数较小地区，可能与这些地区周边较丰富的山脉地形对扩散的影响有关。绍兴至金华有一条大气扩散指数较大的区域带，这可能是因为受杭州湾气流的影响。衢州地区较大的大气扩散指数则可能是这一地区的气象站点海拔比较高、风速比较大所致。总体来说，浙江省大气扩散能力呈北部较南部强、沿海较内陆强的特点。

图1b为2014年年均PM2.5质量浓度分布图，杭州北部地区、湖州、嘉兴西南地区、宁波东北地区、金衢盘地以及台州、温州沿海地区为PM2.5质量浓度高值区，其中湖州地区、杭州东北地区、绍兴地区及宁波地区西北角有一条PM2.5质量浓度明显偏大的区域带。舟山、丽水地区为PM2.5质量浓度低值区，其中丽水地区的庆元县、龙泉市、云和县、景宁族自治县一带PM2.5质量浓度最低。此外，杭州淳安地区PM2.5质量浓度也较小。总体来说，浙江省PM2.5质量浓度呈北部较南部高的特点，与各地区经济发展水平呈较好的对应关系[22]。

对比图1a、1b可看到，平均状态下，除舟山地区外，大气扩散指数与大气污染物PM2.5质量浓度落区非常不一致，尤其是丽水地区、衢州中心地区和温州、台州近海地区反差最明显。丽水地区大气扩散能力最弱，但大气污染物质量浓度却为最低，淳安也是属于大气扩散能力不强、但大气污染物质量浓度偏低的地区，说明这些地区大气污染物排放量低、生态环境优越，所以为了保持这些地区生态环境的优越性，必须持续维持低排放量状况。相反，温州和台州近海地区、衢州中心地区大气扩散能力虽好，大气污染物质量浓度却较高，说明这些地区大气污染物排放量较高、生态环境较差。舟山属于大气扩散能力和环境空气质量都较好的地区，是环境空气质量和经济发展需求矛盾最不突出的地区。大气扩散指数和大气污染物质量浓度落区的差异说明，平均状况下，浙江省大部分地区大气污染物的排放量大于大气扩散稀释的污染物量，成为影响大气污染的主导因素，这意味着当气象条件不理想时，就有可能出现霾等大气污染天气，因此需要实施进一步的减排措施。

不同设区市大气扩散指数的不同更清楚地体现了大气扩散能力分布的差异。整个浙江省分11个设区市，设区市的大气扩散指数采用设区市内所有站点的平均结果。图2为2014年不同设区市年均大气扩散指数柱状图，不同设区市大气扩散指数大小明显不同，从大到小的顺序为：舟山(3.25)＞ 台州(2.69)＞ 嘉兴(2.22)＞ 宁波(2.19)＞ 衢州(1.75)＞ 金华(1.70)＞ 绍兴(1.67)＞ 湖州(1.46)＞ 杭州(1.34)＞ 温州(1.27)＞ 丽水(0.59)，最强的舟山地区是最弱的丽水地区的5倍之上。

3.2 不同时间尺度浙江省大气扩散特征

不同月份、不同季节气象条件皆存在很大差异，这种差异体现在气温、相对湿度、风场、云量、降水量、大气层结稳定度、逆温等各个方面。以2014年为例，图3a～3d分别为与大气扩散指数计算相关的风速、相对湿度、云量、气温月均值柱状图，月均气温、风速皆为7月、1月最低；月均相对湿度、云量6月最大、7月最低。从季节来看，气温和风速从大到小顺序为夏、春、秋、冬季，相对湿度为夏、秋、春、冬季，总云量为春、夏、冬、秋季，低云量为春、冬、夏、秋季。总体来看，浙江省夏季平均气温、风速、相对湿度都最高，虽然总云量不低，但低层云量所占比例最低；冬季相反，平均气温、风速、相对湿度都最低，总云量偏低，但低层云量所占比例大；春、秋为过渡时期，各气象要素值一般介于冬、夏两季之间，但总云量和低层云量在秋季都为最少。

除气象要素，天气形势、大气稳定度在更大空间尺度上影响着大气污染物扩散。图4a～4c分别是浙江省2014年各月逆温层出现日数、月均沙氏指数及高压系统出现日数，其中沙氏指数用于指示大气稳定度，值越大，表示大气越稳定，高压系统包括高压控制、高压前部、高压后部及高压底部等。从图4中可看到，不同月份逆温层出现日数、沙氏指数及高压天气出现日数都不一样，7月、8月出现逆温和高压的日数最少，2月、1月和12月则最多。夏季出现逆温和高压的日数最少、沙氏指数最小，冬季逆温和高压的日数最多、沙氏指数最大，春、秋季则介于两者之间。由此可见，浙江省夏季气象条件利于大气扩散，冬季则相反。

图5是根据2014年浙江省所有地面气象站计算得到的各月平均大气扩散指数，不同月份气象条件的差异在大气扩散指数上得到了很好体现，说明了大气扩散能力评估方法的合理性。浙江省7月大气扩散指数最大，达到4.19，2月最小，仅为1.51。不同季节从大到小顺序依次为夏季(3.37)、秋季(2.73)、春季(2.44)、冬季(1.94)。

浙江省天气形势、气象要素在年际时间尺度上的变化，该文作者已经做过相关的研究[23,29]。研究结果表明，高压天气出现日数逐年增多，气旋和东风带天气出现日数逐年下降，气温以每10年升高0.12℃的趋势上升，与全球和近百年浙江省气温变化趋势吻合[30-31]。此外，日照时数和风速下降、低层云量上升。可见，过去几十年浙江省气象条件变化不利于大气污染物扩散。从图6中1980—2014年大气扩散指数变化趋势可见，在过去的35年间，浙江省年均大气扩散指数下降了1.40左右，下降幅度达到58.33%左右，其中2000年之后的下降速率较2000年之前的大，与天气形势、城市化出现跃变时间点不谋而合[20]。

图7 a和7b是1980—2014年浙江省11个设区市年均大气扩散指数变化曲线，以2000年前后为分界点，不同设区市大气扩散指数变化也分为两个阶段。与此同时，由于地理位置及下垫面特征变化不同，不同设区市气象条件长期变化特征的差异导致大气扩散指数年际变化特征也存在差异。杭州地区和衢州地区大气扩散指数变化特征相似，1980—2000年呈逐渐下降趋势，2000年后出现跃升后呈有所起伏的下降。绍兴地区大气扩散指数虽然在2000年后也出现跃升，但2005年后出现大幅度下降。与杭州地区、衢州地区相反，温州地区、金华地区、台州地区1980—2002年间起伏下降，此后出现一个大的下降，温州地区甚至下降到与丽水地区相近的水平，这充分解释了地处沿海的温州地区为什么近几年大气污染一直处于比较严重的情况。舟山、嘉兴、宁波和湖州四个地区1980—2014年间大气扩散指数总体呈下降趋势，但下降速率不同，其中湖州地区的下降速率最大，舟山地区次之，宁波和嘉兴地区下降速率最小。从这个结果来看，虽然舟山地区的大气扩散能力一直都较其它地区强，环境空气质量和社会经济发展矛盾最不突出，但由于近几年大气扩散指数的快速下降，使得这个地区可能正在失去其大气扩散能力强的优势。丽水地区的情况则完全不同，过去35年大气扩散能力一直较其它地区小，下降幅度也最小，但环境空气质量良好，说明这一地区生态环境好、大气污染物排放低[22,32]，同时由于大气扩散能力弱，持续的低排放是保持这一地区良好生态环境的唯一途径。

4 结 论

本文采用不同于统计模型和数值模拟的大气扩散能力定量评价方法，对浙江省大气扩散能力分布及年际变化特征开展了研究，研究结果对浙江省生态建设具有重要的指导意义。

(1)浙江省大气扩散能力呈北部较南部强、沿海较内陆强的分布特点，不同设区市大气扩散指数从大到小的顺序为：舟山(3.25)＞台州(2.69)＞嘉兴(2.22)＞ 宁波(2.19)＞ 衢州(1.75)＞ 金华(1.70)＞绍兴(1.67)＞ 湖州(1.46)＞ 杭州(1.34)＞ 温州(1.27)＞丽水(0.59)，最大的舟山地区是最小的丽水地区的5倍之多。

(2)浙江省7月大气扩散指数最大，达到4.19，2月最小，为1.51。不同季节大气扩散指数从大到小顺序为夏季(3.37)、秋季(2.73)、春季(2.44)、冬季(1.94)。1980—2014年间大气扩散指数下降了1.40，幅度为58.33%，2000年之后下降速率较之前大。不同设区市大气扩散指数变化存在较大不同，以温州、舟山、丽水地区最特别。温州地区大气扩散指数下降幅度最大，近年大气污染明显加剧；舟山地区大气扩散指数一直较其它地区大，但近几年下降明显，应更合理地开发利用这一地区；丽水地区大气扩散指数及下降幅度都为最小，但环境空气质量良好，说明这一地区生态环境好、大气污染物排放低，同时由于大气扩散能力弱，持续的低排放是保持这一地区良好生态环境的唯一途径。