长春市大气环境容量及其与雾霾天气关系

2021-05-14尹路婷朴美花

气象灾害防御 2021年1期

尹路婷朴美花

（吉林省气象台，吉林长春 130062）

1 引言

大气环境容量[1]指某个指定的范围内，在能够达到或满足大气环境质量标准的前提下，所允许排放的最大污染物的总量。当大气中的污染物总量超过了大气环境容量的上限阈值，此时的大气环境则无法发挥对环境和人类的保护作用和正常功能，可能使良性的生态循环、人类身体健康受到威胁或损害。因此，研究大气承载力，提高污染管控措施，对维护生态环境和社会安定起着举足轻重的作用。

国内许多学者在大气环境容量研究中取得了相当多的成果，其中主要成果集中在大气环境容量的计算方法、区域环境对大气环境容量的影响等方面[2-5]，对大气环境容量与气候背景的关系研究相对较少。王涵瑾等[6]修正了A 值法，分析成都市大气环境容量的季节变化，发现成都市各种污染物在夏季的环境容量均大于其冬季的环境容量5 倍以上。杨青建等[7]利用区域空气质量模式，研究亚洲季风气候对大气环境容量的影响，结果表明亚洲季风的年际变化对云南高原地区的空气质量和大气环境容量均有明显的调制作用。在不同的气候背景条件下，气象条件对污染物的浓度和扩散清除有重要影响，研究重污染天气下的气候条件，对做好环境气象服务可以起到一定的支撑作用。长春市位于中高纬度地区，属于温带大陆性半湿润季风气候，本文侧重研究长春市大气环境容量的变化情况，以及东亚大槽及赤道中东太平洋海温场的变化对长春市环境气象条件的影响。

2 资料来源及方法

2.1 资料来源

本文采用1987—2016 年长春市地面逐小时观测数据，包括风速、相对湿度、气温、能见度等，资料来源于吉林省气象局。采用的空气质量监测数据来源于吉林省环境监测站，包括AQI 和6 种主要大气污染物的浓度资料。气候背景场分析采用2000—2017 年FNL 全球资料数据。

2.2 大气环境容量估算方法

目前在大气环境研究中，国内主要采用的大气污染物总量控制方法有：A—P 值法[8]、平权分配法和优化法[9-10]等。

《地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T13201－91）中，对大气污染物的排放总量的测算方法做出了明确规定，以箱模型为基本模型，推算出宏观的总量控制值法。具体方法如下：

将城市上空的整个大气层假定为一个箱体，污染物均匀分布在一定范围内的混合层中，因此对于整个城市区域，面源强度Qa相同，箱体范围内混合层高度用HF表示，可应用环评技术导则（HJ/T2.2－93）中的公式法确定；C为箱体内混合层中污染物的平均浓度（单位：mg/m3），城市面积为S，取C=CS（大气浓度标准限值），则在控制周期时间T取1 年时，可得：

式中，ud为干沉积速度（单位：m/s）；Wr为清洗比；R为年平均降水量（单位：mm/a）；TC为污染物转化时间常数（单位：s）；A为地理区域性总量控制系数，用来反映区域内大气环境承载能力，单位为104km2，计算如下：

式中，VE为通风量，VE=uHF。

式中，asi、bsi为不同气象条件下的混合层系数（取值见HJ/T2.2-93，根据不同的区域和不同的稳定度条件进行查询）；u10为地面10m 高处风速（单位：m/s）；i为不同气象条件出现的频率（单位：%）；σi为不同气象条件下的风速幂指数（值见HJ/T2.2-93）；φ 为地理纬度（单位：deg）；Ω 为地转角速度，取为7.29×10-5rad/s。

3 长春市大气环境容量变化

3.1 长春市大气环境容量年际变化

依据国家标准中指定的总量控制区排放总量限值计算公式A—P 值法测算长春市的大气环境容量。统计结果表明，1987—2016 年间，长春市大气环境容量呈逐年波动下降的变化趋势，平均年下降301km2，下降趋势超过0.001 的显著性检验。1987—1999 年，大气环境容量偏高，年际波动较大，同时存在明显年代际变化，最高值出现在1999 年，达到27 056.8km2；进入21 世纪后，大气环境容量出现显著的下降趋势，最低值出现在2014 年，仅为15 897.9km2。

3.2 长春市大气环境容量月际变化

1987—2016 年，长春市大气环境容量年内变化基本呈双峰型变化。春季风速最大的4 月出现第一个大气环境容量峰值，多年月平均值为2 291km2；而后逐月下降，到秋季9 月为大气环境容量谷值，多年月平均值为1 495km2；之后大气环境容量回升，到10 月出现第2 个大气环境容量峰值，平均为1 843.2km2；之后又逐渐减少，到冬季1 月为全年大气环境容量最低值，多年平均值1 491km2。

4 近18 年长春市雾霾日的变化特征

在静稳天气下，空气污染物持续累积并超出大气环境容量，在气象上会形成雾霾天气。分析2000—2017 年的逐年雾霾日变化，长春市年雾霾日变化趋势无明显规律性，年雾霾日在40d 上下波动，2003 年、2010 年、2013 年和2015 年雾霾日偏多，分别为56d、52d、67d 和51d；2001 年、2006年、2007 年和2014 年雾霾日偏少，分别为22d、26d、28d 和13d。

逐月进行分析，发现长春市雾霾日高发期主要集中在12 月和1 月，平均分别出现9d 和10d；2 月和11 月次之，平均分别出现3.4d 和4.9d。2013 年1 月出现雾霾日的天数最多，达到19d；5—9 月雾霾日偏少，平均出现不到1d。

5 长春市雾霾发生典型年的气候背景场特征

取研究时间段（2000—2017 年）内雾霾日出现最多的4 年作为雾霾天气多发年，雾霾日最少的4 年作为雾霾天气少发年，分析其气象背景场的特征。

由图1 可知，雾霾多发年东亚大槽的位置比少发年份偏东且强度较弱，将雾霾多发年与少发年平均流场做差值可以看出，在东北地区附近及下游方向差值为正值。这种结构说明在雾霾多发的年份，东亚大槽槽后的西北气流弱于少发年份，不利于东北地区雾霾的扩散。

由图2 可知，在850hPa 风场图上，雾霾多发年份和雾霾少发年份中，东北地区均处于西北风气流的影响中。不同点在于雾霾多发年份，东北区上空的西北风明显弱于雾霾少发年份，多雾霾年与少雾霾年平均风矢量差为偏东风；雾霾少发年份在勘察加半岛上空有一个很明显的反气旋存在，使得雾霾少发年份的西北风向下游加速，使下游风力加大，有利于空气中污染物的扩散和清除，使该地区的雾霾迅速消散。