1981～2017 年四川省大气自净能力变化特征分析

罗 玉,陈 超,张天宇,马振峰,甘薇薇,刘 博 (1.中国气象局成都高原气象研究所,高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,四川 成都 61007；.四川省气候中心,四川 成都 61007；.重庆市涪陵区气象局,重庆 涪陵 08000；.中国人民解放军7809 部队,四川 成都 61006)

空气质量受自然和人类因素共同作用,当外界污染物排放量比较稳定时,空气污染的程度和变化特征主要取决于气象因素,一旦出现不利扩散的静稳天气条件,就很容易发生大气重污染[1-3].在不同的气象条件下,同一污染源排放造成的大气污染浓度相差较大,大气对污染物的扩散稀释能力随着气象条件的不同而变化.近年来根据大气自身所具有的对大气污染物的通风稀释和湿清除能力建立的大气自净能力指数在大气污染防控措施效果评估和大气潜势预报方面有较好的应用[3-4].已有许多学者开展不同区域大气自净能力指数的相关研究.重庆主城区秋冬季大气自净能力较弱,不利于大气污染物的清除,此外研究还表明大气自净能力指数对空气质量具有较好的指示意义[5].天津大气自净能力与PM2.5相关关系较好,重污染事件大多发生在低大气自净能力时[6].黑龙江省春季大气自净能力最高,秋季次之,冬季最低,大气自净能力与AQI 呈显著的负相关[7].京津冀周边地区城市大气自净能力指数能够很好地反应空气污染的气象特征[8].

四川省位于中国西南腹地,地处青藏高原东部、长江上游,主要由川西高原、攀西山地和四川盆地组成,地形复杂.特别是四川盆地作为我国四大霾区之一[9],区域内大气层结稳定,易出现逆温和静风的现象,人口密度大,机动车保有量高,工业发展快[10],在过去几十年空气质量持续恶化.截止目前,针对四川省大气环境承载力的研究并不多,王涵瑾等[11]的研究指出成都市夏季环境容量最大,冬季环境容量较少,季节内的大气环境容量差别主要源于湿降沉在年内的分布不均.陈云强等[12]通过研究川南经济区不同污染物的大气环境容量得到气态污染物大气环境容量高于颗粒物大气环境容量.目前从长期演变规律角度来研究四川省大气污染气象条件的工作较少涉及,本文将基于对大气环境容量估算方法加以完善的大气自净能力指数[3]对四川省大气自净能力指数的长期变化规律及其与污染天气的关系进行深入研究,以期为四川省大气污染潜势预报以及空气污染防治提供科学依据.

1 资料与方法

1.1 资料选取

本文资料来源于1981～2018 年四川省38 个国家气象站的每日14:00(北京时)的风速、总云量、低云量和逐日降水量资料,所有资料均经过了四川省气象信息中心的质控检验.此外,还使用了来源于四川省环境监测站的2017 年1 月成都市环境空气质量监测数据.本文冬季指当年12 月～次年2 月,气候态取1981～2010 年平均值.

1.2 大气自净能力指数计算方法

本文参考朱蓉等[3]给出的大气自净能力指数的定义和计算方法,该指数暂不考虑大气湍流扩散和干沉降作用,指数包括由于大气运动对污染物的通风稀释作用和降水对污染物的湿清除作用,可以较好地定量表达大气污染气象条件,大气自净能力指数数值越大,表示大气对污染物的清除能力较强;反之,表示大气自净能力弱.在Cs为PM2.5达标浓度0.075mg/m3的约束条件下,大气自净能力指数的计算公式如下:

式中:ASI 为大气自净能力指数,t/(d⋅km2);Wr为雨洗常数,取6×105;R 为降水率,即单位时间内的降水量,mm/d; S 为面积,统一取值100km2;VE为通风量,代表大气对污染物的通风扩散能力,m2/s.其数学表达式为

式中:u 为近地面风速,随距离地面高度增加而变化,m/s; H 为混合层高度,m;主要与大气稳定度等级以及地面风速有关.计算大气通风量根据国家标准《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 13201- 91)[13],综合考虑大气环境功能分区、太阳辐射高度角、斯奎尔大气稳定度等级、混合层高度.

1.3 研究区域

由于四川省特殊的地形特征,下垫面情况复杂,本文选取3 个不同的典型区域,来分析大气自净能力指数的长期变化趋势,本文分析的3 个区域分别位于:1)川西高原(石渠、德格、巴塘、色边、甘孜、新龙、道孚、理塘、稻城、康定、九龙、若尔盖、红原、马尔康、小金、松潘);2)攀西地区(木里、盐源、西昌、会理、昭觉、越西、雷波);3)四川盆地(万源、达川、巴中、阆中、广元、高坪、遂宁、绵阳、都江堰、温江、乐山、雅安、峨眉山、宜宾、纳溪).

2 结果与分析

2.1 大气自净能力指数的空间分布及季节变化

如图1a 所示,1981～2017 年四川省大气自净能力指数的分布形势以川西高原北部的石渠、川西高原南部的九龙、康定,攀西地区的盐源,盆地西南部的峨眉山的大气自净能力为较好到好(大气自净能力指数处于高值,在4～7t/(d⋅km2)),其次是川西高原北部的若尔盖以及川西高原南部的稻城、攀西地区的木里大气自净能力处于正常(大气自净能力指数处于中值,在3.5～3.9t/(d⋅km2)),省内其余地区大气自净能力较差到差(大气自净能力指数处于低值,在0.5～3.4t/(d⋅km2)),特别是四川盆地大部区域大气自净能力最差,这些区域处于西藏高原以西、云贵高原阴暗、秦巴山脉以东,海拔高度落差大(1000～4000m),受偏北的冬季风环流以及西南夏季风环流影响小,处于背风死水区,常年维持小风和静风,因此大气自净能力最差[3].年大气自净能力指数的空间分布差异与混合层厚度以及风速的空间分布密切相关,平均风速越大,混合层得以充分发展,大气通风扩散能力增强,大气自净能力较好,风速的大值区域同时也是混合层厚度的高值区,分布在川西高原的北部以及南部、攀西地区西部(图略).图1b～图1e 为四川省大气自净能力指数季节平均后的空间分布,大气自净能力指数的中心大值区域呈现各自区域的季节变化.春季,川西高原北部以及南部、攀西地区大部大气自净能力较好到好,高值中心位于攀西地区的盐源,大气自净能力指数为7.67t/(d⋅km2),这些区域春季多大风天气,省内其余地区大气自净能力较差到差.夏季以及秋季,四川省大气自净能力指数的区域分布特征发生变化,大气自净能力较好到好的区域显著缩小,主要集中在川西高原南部的康定、九龙以及盆地西南部的峨眉山.冬季,大气自净能力指数高值区范围逐渐扩大,延伸至攀西地区西部,川西高原北部的石渠大气自净能力变好,注意到大气自净能力指数的低值区范围较其他三个季节明显扩大,大值中心位于四川盆地东北部的巴中,其次位于四川盆地南部的宜宾.

图1 1981～2017 年四川省平均以及季节平均大气自净能力指数空间分布Fig.1 Annual mean and seasonal mean atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province for the period 1981～2017

2.2 大气自净能力指数的空间分布的月变化

图2 为四川省大气自净能力指数月平均后的空间分布,1 月高值区主要集中在攀西地区以及盆地的峨眉山.2～3 月大气自净能力指数高值区范围开始扩展、瓦解,并达到峰值,主要集中在川西高原的西北部以及南部、攀西地区.4 月大气自净能力指数高值区范围开始缩小至川西高原南部至攀西地区以及盆地的峨眉山.5 月大气自净能力指数高值区范围进一步缩小至川西高原南部及盆地的峨眉山.6～10 月大气自净能力指数高值中心范围缩小至川西高原南部的康定、九龙以及盆地的峨眉山.11～12 月大气自净能力指数高值中心变为川西高原北部的石渠以及川西高原南部的康定、九龙以、盆地的峨眉山.

图2 1981～2017 年四川省逐月平均大气自净能力指数空间分布Fig.2 Monthly mean atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province for the period 1981～2017

2.3 大气自净能力指数的空间分布的年代际及其趋势变化

图3 为1981～2017 年四川省各年代平均大气自净能力指数空间分布.可以看出,自20 世纪80 年代以来,川西高原北部,川西高原南部、攀西地区西部至盆地的峨眉山一带高值区域面积随年代变化整体呈下降趋势,对大气污染物的清除能力变差,而主要集中在盆地的低值区范围面积自20 世纪80 年代至20 世纪90 年代随年代开始逐渐扩大,之后随年代开始缩小,在2011～2017 年低值区范围达到最小.分别对38 个气象站1981～2017 年的大气自净能力指数进行了长期变化趋势分析,图4 为大气自净能力指数变化趋势空间分布,自1981～2000 年四川省大气自净能力指数主要呈下降趋势,1981～1990 年,下降趋势显著的区域主要集中在川西高原,1990～2000年,下降趋势显著的区域主要集中在川西高原以及攀西地区.自2001～2017 年,四川省大气自净能力指数主要呈上升趋势,2001～2010 年,上升趋势显著的区域主要集中在川西高原,2011～2017 年,上升趋势 显著的区域主要集中在盆地地区.

图3 1981～2017 年四川省4 个时期的平均大气自净能力指数空间分布Fig.3 Spatial distribution of annual mean atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province during four periods

图4 1981～2017 年四川省4 个时期大气自净能力指数线性趋势空间分布Fig.4 Spatial distribution of annual mean atmospheric self-cleaning ability index trends over Sichuan Province during four periods

2.4 大气自净能力指数的的长期变化特征

2.4.1 大气自净能力指数的年际和年代际变化特征 1981～2017 年四川省平均大气自净能力指数呈减小趋势,气候倾向率为-0.2t/(d⋅km2⋅10a).自20 世纪80 年代至21 世纪初,大气自净能力指数呈减弱趋势,自2002～2017 年转为增强趋势,其中在1981、1984 年大气自净能力指数最强,为3.2t/(d⋅km2),在2002 年大气自净能力指数最弱,为2t/(d⋅km2)(图5a).从川西高原、攀西地区多年变化趋势来看,主要呈减弱、减弱趋 势,气候 倾 向率分 别 为-0.3t/(d⋅km2⋅10a)、-0.3t/(d⋅km2⋅10a)、四川盆地多年变化趋势不显著,并且注意到,以上三个区域的阶段性变化特征与四川省大气自净能力指数变化特征较为一致,表现为自1981～2002年为减弱趋势,之后转为增强趋势(图5b).从逐年代变化来看(图6),四川省大气自净能力指数自20 世纪80年代至21 世纪00 年代具有明显的年代际减弱趋势,20 世纪80 年代大气自净能力指数均大于气候平均值(1981～2010 年),自20 世纪90 年代至21 世纪00年代大气自净能力指数均小于气候平均值,之后转为增强趋势,但仍小于气候平均值.川西高原与攀西地区的大气自净能力指数年代际变化趋势较为相似,自20世纪80 年代至21 世纪00 年代为减弱趋势,在21 世纪00 年代达到最低,之后转为增强,并均高于气候平均值.从盆地年代际变化来看,在20 世纪80 年代至90年代为减弱趋势,之后至21 世纪00 年代为增强趋势,2011年以后又转为减弱趋势,且各年代均值均小于气候平均值.

图5 1981～2017 年四川省及不同区域大气自净能力指数的逐年变化Fig.5 Annual change of atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

图6 1981～2017 年四川省及不同区域大气自净能力指数逐年代变化Fig.6 Decadal change of atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

图7 1981～2017 年四川省及不同区域大气自净能力指数季节变化Fig.7 Seasonal change of atmospheric self-cleaning ability index over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

2.4.2 大气自净能力指数的季节变化特征 从全省及分区域平均大气自净能力指数的季节变化来看(图7a～图7d),全省及区域的大气自净能力指数的阶段变化较为相似,且与各自的年变化趋势较为一致,均呈现出自20 世纪80 年代到20 世纪00 年代初期为减弱趋势,之后转为增强的趋势.对于全省以及川西高原、攀西地区不同年代均是春季大气自净能力最强,冬季次之,夏秋季较弱.四川盆地是春季大气自净能力最强,夏季次之,秋冬季较弱.分区域来看,大气自净能力最强出现在各区域的春季与大气通风量有关,各区域春季多大风天气,混合层得以充分发展,大气通风扩散能力增强,所以大气自净能力强.川西高原以及攀西地区冬季通风量较夏、秋季大,大气自净能力较强,注意到,虽夏季降水日数多,但量级较小,不足以弥补降水情况下因云量增多,风力减弱对大气自净能力的负贡献,最终导致大气自净能力较弱.四川盆地夏季大气自净能力仅此于春季,与盆地夏季受孟加拉湾西南气流影响有关,造成盆地多雨水天气,特别是中雨以上日数增多,区域内具有一定的降水清除能力,对空气净化效果明显;在秋冬季,盆地多静风或小风天气,且秋冬季太阳辐射较弱,湍流也较弱,降水偏少,大气自净能力相对较弱.

2.5 气象要素与大气自净能力指数的关系

2.5.1 降水 降水对空气中的污染物具有一定的冲刷和湿沉降作用.将1981～2017 年四川省大气自净能力指数按降水日数与非降水日数进行分类,可以看出,降水日数出现频率为40.9%,降水日平均大气自净能力指数为1.8t/(d⋅km2),小于非降水日数的2.31.8t/(d⋅km2),说明虽然降水在一定程度上对污染物有冲刷稀释作用,增强了大气自净能力,但降水过程往往伴随着阴云密布,导致太阳辐射等级降低,从而是大气稳定度趋于稳定,大气通风量减小,最终使得大气自净能力降低.

根据四川省对区域降水的监测标准《四川省地方标准-天气术语》 (DB51/T580-2006)[14],将四川省分为三个区域,区域一为四川盆地和攀西地区、区域二为川西高原的甘孜州、区域三为川西高原的阿坝州;分别对以上三个区域按照日降水量级、降水性质分为4 个级别进行分析,分别为小雨、中雨、大雨、暴雨及以上.由表1 可知,针对不同区域,近37 年四川盆地、攀西地区、甘孜州以及阿坝州各级别降水对应的平均大气自净能力指数排序分别为小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、中雨＜大雨＜小雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨,其中甘孜州的大气自净能力指数较其他区域不同在于中雨的大气自净能力指数最小,而小雨的大气自净能力指数仅次于暴雨,可能与该区域持续性的小雨日数对大气自净能力贡献较大相关.综上可以看出,降水对污染物的稀释冲刷能力一般随着降水量级的增大而增大,当量级为中到暴雨及以上以及连续的降水对空气质量的改善有显著影响,弱降水对空气质量的改善较弱,这与以往的研究较为一致[15].

表1 分区域各级别降水对应的出现频率、大气自净能力指数(%、t/(d⋅km2))Table.1 The frequency of precipitation and the atmospheric self-cleaning ability index in different levels over different regions(%、t/(d⋅km2))

2.5.2 风速 风速是影响大气自净能力的重要因素,风力条件可以反映大气稳定度的变化,从而可以间接的反映大气的自净能力.从动力条件来看,风通过搬运的作用,将局地污染物输送到其他区域或高度与空气充分混合,最终使得污染物得以稀释,空气质量得到改善[17].已有研究表明,1961～2014 年中国年平均风速呈显著减小趋势,大约每10a 减小0.18m/s[18].近37a(1981～2017 年)四川省平均风速总体呈减小趋势,气候倾向率为0.03m/(s⋅10a),全省以及川西高原、攀西地区、盆地年平均风速(图8a)与对应的大气自净能力变化趋势较为一致,相关系数分别为0.83、0.95、0.93 以及0.87,均通过0.001 显著性检验,表明风速大则大气自净能力较强;从通风量的变化趋势得出全省以及川西高原、攀西地区、盆地通风量与大气自净能力呈显著的正相关关系(图8b),说明随着风速的增大,混合层厚度得以发展,大气通风扩散能力增强,大气自净能力较强;将日平均风速≤2m/s 为小风日,日平均风速≥2.5m/s 为风速较大日,经分析全省以及各区域的小风日数以及风速较大日数与大气自净能力呈显著的反相关和正相关关系(图8c～图8d),当小风日数增多时,大气层结趋于稳定,大气自净能力变差,导致污染物的快速堆积,从而造成污染天气的形成,当较大风日数增多时,使得大气水平扩散能力增强,大气自净能力变好.通过进一步分析全省川西高原、攀西地区、盆地四季的平均风速、通风量以及小风日数、风速较大日数与大气自净能力的关系,亦得到以上同样结论(图略).

2.5.3 混合层厚度 混合层厚度表征了污染物在垂直方向被热力湍流稀释的范围,大气混合层厚度越高,越有利于污染物的垂直扩散和稀释[13,26].从14:00 时全省以及各区域年混合层厚度变化特征可以看出(图9),四川省、盆地混合层厚度均呈线性增高趋势,川西高原、攀西地区混合层厚度均呈线性降低趋势,但其年代际变化趋势均呈现自1981～2002年为降低趋势,自2003～2017 年转为增高趋势.四川省、川西高原、攀西地区以及盆地年均混合层厚度分别为821.3m、892m、965.2m、678.9m,年际变化幅度在737.6～929.9m、822.3～965.5m、836.1～1073m、601.4～825.2m.计算四川省、川西高原、攀西地区以及盆地年混合层厚度与大气自净能力指数的相关系数分别为0.61、0.85、0.82、0.72,均通过0.001 显著性检验,两者为显著的正相关关系,从图9 不难发现,随着混合层厚度的降低,大气趋于稳定,大气自净能力变差,随着混合层厚度的升高,大气垂直扩散范围变大,大气自净能力变好.

图8 1981～2017 年四川省及不同区域平均风速、小风日数、日平均风速≥2.5m/s 日数、通风量的逐年变化特征Fig.8 Annual change of average wind speed, light wind days,days with daily average wind speed(＞2.5m/s) and annual average ventilation rate over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

图9 1981～2017 年四川省及不同区域混合层厚度的逐年变化特征Fig.9 Annual change of atmospheric mixing layer thickness over Sichuan Province and different regions for the period 1981～2017

2.6 个例分析

以成都为例,根据四川省环境监测站逐日空气质量数据,2017 年1 月成都市出现多次持续性污染天气(图10),根据《环境空气质量标准》(GB3015-2012)[19],期间出现了24d 轻度及以上天气(占77%),15d 中度污染及以上天气(占48%),重度至严重污染的天气有13d(占42%).重度污染时段(300≥AQI≥201)出现在2017 年1 月1～6 日以及1 月22～28 日,大气自净能力指数基本小于1t/(d⋅km2)左右,特别是当AQI为308时,大气自净能力指数仅为0.2t/(d⋅km2).当空气质量为优至 良 时(100≥AQI≥0),大 气 自 净 能 力 指 数 基 本 在1.5～3t/(d⋅km2)左右.当大气自净能力指数较小时,大气扩散能力弱,不利于污染物的清除扩散,AQI 较高;当大气自净能力指数较大时,则利于污染物的通风扩散和降水清除能力.以上,说明大气自净能力指数可以部分表征大气扩散条件的优劣,对预报和评估大气污染潜势有重要的指示意义.

图10 2017 年1 月成都市大气自净能力指数与AQI 逐日变化Fig.10 Daily evolution for the atmospheric self-cleaning ability index and AQI of Chengdu city in January 2017

3 结论

3.1 研究时段内四川省大气自净能力指数的分布形势以川西高原北部、川西高原南部、攀西地区、盆地西南部大气自净能力为较好到好,省内其余大部地区大气自净能力较差到差,特别是四川盆地大部区域大气自净能力最差.大气自净能力指数季节空间分布特征归纳为,春季大气自净能力指数高值区集中在川西高原北部、川西高原南部以及攀西地区、盆地西南部;夏秋季高值区缩小至在川西高原南部以及盆地西南部;冬季高值区集中在川西高原北部部分地区、川西高原南部、攀西西部以及盆地西南部.

3.2 自20 世纪80 年代以来,川西高原北部,川西高原南部、攀西地区西部至盆地西南部一带高值区域面积随年代变化整体呈下降趋势,而主要集中在盆地的低值区范围面积自20 世纪80 年代至20 世纪90 年代随年代开始逐渐扩大,之后随年代开始缩小.

3.3 1981～2017 年四川省平均大气自净能力指数呈减小趋势,气候倾向率为-0.2t/(d⋅km2⋅10a).川西高原、攀西地区多年变化趋势主要呈减弱、减弱趋势,气 候 倾 向 率 分 别 为-0.3t/(d⋅km2⋅10a) 、 -0.3t/(d⋅km2⋅10a),四川盆地多年变化趋势不显著.分季节来看,全省及区域的大气自净能力指数的阶段变化与各自的年变化趋势一致.

3.4 近37 年四川省降水日的平均大气自净能力指数小于非降水日,四川盆地、攀西地区、甘孜州以及阿坝州各级别降水对应的平均大气自净能力指数排序分别为小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨、中雨＜大雨＜小雨＜暴雨、小雨＜中雨＜大雨＜暴雨.全省以及各区域的小风日数以及风速较大日数与大气自净能力呈显著的反相关和正相关关系.全省以及各区域的混合层厚度与大气自净能力指数呈显著的正相关关系.

3.5 2017 年1 月成都市发生持续性污染天气期间,大气自净能力指数对成都市空气质量具有一定指示意义:当大气自净能力指数较小时,大气扩散能力弱,不利于污染物的清除扩散,AQI 较高;反之,AQI 较低.