柳州市空气污染特征及气象条件影响分析

2021-09-01赖锡柳邹颖俊张凌云苏小玲蓝求李宜爽王艺

农业灾害研究 2021年3期

赖锡柳邹颖俊张凌云苏小玲蓝求李宜爽王艺

摘要利用广西2018年环境监测数据日均值和小时值对柳州市空气污染程度、污染物浓度季节变化和日变化特征进行分析，结合同期气象常规观测资料，探讨了气象要素与污染物浓度之间的关系，并利用NCEP 1°×1°再分析资料，对4个季节典型空气污染个例的天气形势进行分析，以进一步了解柳州各季节空气污染天气特征。结果表明：（1）柳州市首要污染物以PM2.5为主，轻度污染最多，冬季污染最重，且集中在1月和2月;（2）O3浓度变化为“夏高冬低”，主要与日照条件的季节变化有关，其余污染物浓度变化为“夏低冬高”，主要與冬季污染物排放量增大、扩散条件差、清除作用弱、微量降水日数多、增湿效果明显有关;（3）O3浓度日变化为“单峰型”，峰值出现在15：00，其余污染物浓度日变化为“双峰型”，峰值分别出现在08：00～10：00和22：00～23：00，除O3和SO2外，其余污染物夜间浓度大于早间浓度;（4）PM2.5、PM10、NO2与△P24、T、Rh、P1、V10均呈负相关;O3与T和V10、SO2与P24、CO与Rh均呈正相关，与其他几种气象要素呈负相关。（5）典型个例分析表明，春季高空受偏北气流控制，低层有反气旋且风场较弱，地面处于变性冷高压后部;夏季受副热带高压控制，处于台风或低压外围并受下沉气流影响，地面位于低压带中;秋季处于副高边缘，低层受反气旋影响并受下沉气流控制，地面位于冷高压后部;冬季受槽后偏北气流或平直的西风控制，低层受偏西或偏南气流影响且风场较弱，地面受冷高压控制。这四种天气形势下，柳州天气晴好，无降水或只有弱降水，清除作用不明显，大气层相对稳定，污染物不易扩散，易造成污染天气。

关键词空气污染 ;气象条件;天气形势;柳州

中图分类号：S716.1文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）03–0078–06

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人民对生活环境及身体健康的关注度日益增强，城市空气质量问题已成为人们日常关注的焦点之一[1-3]。大量学者对于不同地区空气污染的成因及变化进行了分析，结果表明，区域污染物排放、输送和大气扩散条件是影响城市空气质量的重要因子，而气象要素及天气形势对空气污染的严重程度及持续时间等起到较为关键的作用[4-10]。杨雪玲等[11]的研究表明，河谷地形气温和风速是影响污染物扩散的重要因子;林巧美等[12]的研究表明，揭阳市PM2.5和PM10浓度与风速和相对湿度呈负相关，降水有明显的净化作用，在地面形势为低压槽、脊后槽前、变性高压脊等，850 hPa为变性脊或低压槽，或受台风外围下沉气流控制时，容易产生高浓度天气;周晗等[13]的研究表明，风速和降水对污染物浓度的影响较大，且出现污染的主要原因是受大气中逆温的影响;刘烨焜等[14]的研究表明，乌兰察布市PM2.5污染多发生在冷高压控制的情况下;吴洋[15]等对天津市津南区一次持续污染天气进行分析，结果表明高相对湿度、低风速和较低的混合层高度是造成该次污染天气过程的主要气象要素;邓欣柔等[16]对长江三角洲3次典型霾污染过程进行分析，结果表明，3次过程期间长三角地区维持较稳定的地表温度、较高的相对湿度和较小的风速值;陈鹤等[17]对湖南一次典型污染天气过程进行了分析，结果表明，连续晴好天气背景下长江中下游区域生物质燃烧造成的烟尘颗粒物排放，以及不利于污染物扩散清除的气象条件是这次持续性污染天气过程的主要原因。以上研究表明，气象条件对污染物浓度的变化有重要作用。研究气象条件与污染物浓度之间的关系特征，有助于认识空气污染的形成机制，为环境空气质量的预报提供经验和方法。

柳州市是广西的重要工业城市，空气污染问题较为突出。2017年柳州市空气污染发生天数为57 d，2018年，在采取严格的管控及治理措施的基础上，柳州市的空气污染天数虽有下降，但仍然有41 d发生空气污染，占全年的11.2%，空气污染防控形势严峻。因此，研究柳州市的空气污染和气象要素、天气形势之间的关系与特征，对柳州市的空气污染预报尤为重要。

该研究选取2018年作为研究年份，利用环境监测数据、气象常规观测资料、NCEP再分析资料等对柳州市的环境空气污染程度、PM2.5和O3的浓度频率、污染物的季节变化和日变化、气象要素与污染物浓度的相关性以及4个季节典型个例的天气形势进行分析，力图进一步了解柳州市空气污染的时间分布特征及其气象成因，为空气污染的预报及防控提供科学的参考依据。

1 数据来源

空气污染数据来源于广西壮族自治区生态环境厅数据中心，监测的污染物种类为PM2.5、PM10、臭氧8 h（O3）、NO2、SO2、CO等6种;气象资料为柳州气象站和沙塘气象站常规气象观测资料、空气污染数据和气象观测资料;时间为2018年1月1日00：00—12月31日23：00;天气形势分析数据为NCEP再分析资料。

2 空气质量情况分析

2.1 污染程度分析

2018年广西10个地市空气污染天数在20～30 d，只有来宾市、柳州市、贵港市和桂林市空气污染天数在30 d以上。其中，来宾市发生空气污染45 d，位居广西首位，柳州市发生空气污染41 d，位居第二。2018年柳州市空气污染的时间变化情况见（图1）。2018年柳州市的空气污染主要集中在轻度污染，共33 d，占污染天数的80.5%;其次为中度污染，共7 d，占总污染天数的17.1%;全年只有1 d重度污染，占总污染天数的2.4%，出现在2月16日，AQI达220。从时间上看，冬季发生空气污染的天数最多，共27 d，占总污染天数的65.9%，且主要集中在1月和2月;其次为春季且主要集中在3月和4月，占总污染天数的26.8%;夏季和秋季发生空气污染次数较少，分别为1 d和2 d。根据统计，在41 d的污染天气中，除了7月12日和10月7日首要污染物为臭氧8 h以及4月7日、8日、17日为PM10外，其余均为PM2.5。

2.2 污染物浓度季节变化特征

2018年柳州各污染物浓度的季节变化见图2。PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO浓度均表现出明显的“夏低冬高”的特点，5种污染物冬季浓度均值分别为59.7 μg/m3、78.2 μg/m3、64.5 μg/m3、20.6 μg/m3、1.119 mg/m3，冬季企业污染物排放在严格管控和减排措施下，企业排放源变化量相对稳定，但由于冬季较冷，居民燃烧产热等排放的污染物增多是导致冬季污染物浓度升高的原因之一。冬季混合层高度较低，近地面的污染物容易积聚，导致污染物浓度较高[18]。冬季冷空气活动较为频繁，冷空气导致的风力加大将会使扩散条件变好，但是在强冷空气到达之前，风速仍将维持在较小的状态，冷空气从北面渗透影响柳州出现逆温，容易导致污染物在近低层积聚，难以扩散。降雨的清除作用也是缓解空气污染的重要措施之一[19-20]。2018年柳州冬季无雨日天数相对于其他季节较少，共36 d，但是对小雨天气进行细分时，发现冬季0.0 mm

2.3 污染物浓度日变化特征

2018年柳州各污染物浓度的日变化见图3。PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO浓度的日变化均为“双峰型”，PM2.5的峰值分别出现在09：00和22：00，NO2的峰值分别出现在08：00和23：00，PM10的峰值分别出现在10：00和23：00，SO2和CO的峰值分别出现在09：00和23：00;除了SO2外，其余4种污染物夜间峰值均高于早间峰值，PM2.5、PM10、NO2、CO浓度夜间峰值分别是早间峰值的1.05、1.08、1.33、1.02倍。污染物早晚双峰现象一方面与人类活动有关，从06：00开始，人类活动开始增强，污染物排放量增加，导致早间峰值的出现，傍晚17：00之后，下班高峰期开始，汽车尾气等排放增大;另一方面，夜间近地层气温降低，大氣逐渐趋于稳定，导致夜间污染物浓度升高且维持时间较长;O3浓度的日变化为明显的“单峰型”，从08：00开始，O3浓度明显增大，在15：00达到峰值。对比NO2浓度日变化可知，在早间由于人类活动的影响，NO2浓度出现小幅度上升，但是在09：00以后浓度迅速下降，对应O3浓度迅速增大，呈反相关关系。这主要与O3的形成机制有关，在09：00后光照条件逐渐变好，导致NOx、VOC等前体物发生光化学反应，使得O3浓度增大，NO2浓度降低[23-24]。

3 气象要素与污染物浓度相关性分析

2018年柳州市5种气象要素与6种污染物浓度小时值的相关系数计算结果见表2。由表2可知，P24除了与SO2浓度呈正相关外，与其余污染物浓度呈负相关，且与PM2.5、PM10和NO2的负相关较明显;当P24明显增大时，往往代表有冷性气团过境，会带来大风和降雨等天气，扩散条件将会变好。T除了与O3浓度呈正相关外，与其他污染物浓度呈负相关，其中与SO2、CO负相关较明显，近地面气温的变化会影响大气层结稳定度，近地面温度升高，大气层结则易趋于不稳定，热力因子的影响会导致混合层升高，扩散条件变好，因此污染物浓度降低;而气温常与日照呈正相关，日照较强，气温升高，光化学作用增强导致O3浓度升高。Rh、P1除了与CO呈正相关外，与其余污染物浓度均为负相关，且与O3负相关最明显。通过分析可知，Rh与P1呈明显正相关，相关系数为0.135。当有降雨发生，日照变弱，近地面相对湿度也会随之增大，而光化学反应减弱，降雨的清除作用将变得明显，因此污染物浓度降低。V10除了与O3呈弱的正相关外，与其余污染物浓度均呈负相关，风速与大气扩散能力密切相关，风速增大，扩散条件变好，因此污染物浓度降低[25]。

4 天气形势分析

对天气形势进行诊断分析是预判天气的重要方法，研究选取2018年不同季节4个空气污染典型个例，对其污染情况和天气形势进行分析。

4.1 春季

柳州市区2018年春季共出现空气污染11 d，其中3月22—24日持续时间最长，这3 d AQI分别为137、134和109，首要污染物为PM2.5，因此选择3月22—24日作为春季个例进行分析。3月22日PM2.5浓度维持在较高水平，在23日11：00 PM2.5浓度达到过程极值126，3 d内PM2.5浓度均表现出夜间及上午较高和下午较低的变化规律（图4）。在该时间段内，除柳州外，广西其余地市中只有百色市、北海市、崇左市、桂林市、来宾市和玉林市出现1～2 d的空气污染，其中北海市、崇左市、玉林市3个南部地市首要污染均为O3，其他3个地市为PM2.5，该时段内柳州市空气污染持续时间最长，影响最为严重。从3 d的天气形势平均场上看，500 hPa环流形势为一槽一脊，我国东部受槽后偏北气流控制，西部地区受高压脊控制，柳州上空受槽后偏北气流影响（图5A、6A、7A）。700 hPa上，华南一带由弱脊控制，柳州上空受脊后偏南气流影响，风速约为8 m/s，相对湿度为70%～80%;850 hPa上，东南一带有反气旋，柳州受其后部的偏南气流影响，风场相对较弱，风速约为6 m/s左右，相对湿度为30%～40%;从地面气压场上看，地面冷高压移至东部海面，柳州处于变性冷高压后部，气压梯度较小，受变性冷高后部弱的偏南气流影响。因此，在春季，当柳州中高层为偏北气流，低层为弱偏南气流或弱脊控制，地面处于变性冷高压后部时，柳州天气晴好无降水，大气层相对稳定，污染物不易扩散，容易造成污染天气。

4.2 夏季

夏季只在7月12日发生的空气污染，AQI为124，首要污染物为臭氧8 h，因此选择这一天作为夏季个例进行分析。柳州的O3浓度夜间低白天高，3 d内O3浓度均在7：00～8：00开始上升，且在13：00～15：00达到当日峰值，7月11日O3浓度均小于140，7月12日7：00起，O3浓度开始快速增大，在14：00达到过程极值251，13日恢复到限值以内（图8）。从7月12日的天气形势平均场上看，500 hPa为南高北低的形势，黄河以南的大部分地区受副热带高压控制;700 hPa和850 hPa上，南海一带受台风控制，长江中游下游受低压控制，柳州处于两个低压之间，同时受到两个低压外围的下沉气流影响，500 hPa以下垂直速度均为正，其中12日20：00 700 hPa垂直上升速度达0.6 Pa/s，下沉气流较强，低层风场较弱，风速在2～4 m/s;700 hPa和850 hPa相对湿度分别为60%～70%、70%～80%（图9B、10B、11B）;此时柳州位于地面低压带中。该次空气污染过程发生时无降水;由于受副高控制，光照条件较好，气温较高（36℃），易发生光化学反应，造成O3浓度升高。因此，在夏季时，当柳州受副高或受下沉气流控制时，天气晴好，大气静稳定，无降水，不利于污染物的扩散。

4.3 秋季

秋季共2 d出现空气污染，10月7日和11月30日的首要污染物分别为臭氧8 h和PM2.5，其中10月7日环流形势与夏季个例较为相似，为了突出秋季空气污染环流特征，选择11月30日作为秋季个例进行分析，该日AQI为109。11月30日柳州PM2.5浓度除了在5：00～7：00和15：00～17：00等级为良外，其余时刻浓度均在75 以上，达到轻度污染，且在夜间PM2.5浓度有较为明显的上升（图9）。从11月30日的天气形势平均场上看，500 hPa上贝加尔湖一带受高压脊控制，中國北部受偏北气流控制，南部受偏西气流影响，副高退至海上，柳州处于副高边缘;700 hPa和850 hPa上，中国东部及南部海面由反气旋控制，柳州位于反气旋西北侧，850 hPa风速为6～10 m/s;700 hPa和850 hPa相对湿度均为70%～80%;地面气压场上，冷高压变性东移，柳州位于冷高压后部，气压梯度较均，柳州地区受天气静稳，无降水，污染物不易扩散，容易出现空气污染（图5C、6C、7C）。在该天气形势下，广西只有柳州市和来宾市出现轻度污染，其他地市空气质量均为良，这主要与柳州市为工业城市，污染物排放大及空气静稳有关，而来宾市位于柳州市南部，广西受冷高压控制，柳州一带近地面为北风影响，柳州排放污染物的向南输送对来宾造成一定的影响。

4.4 冬季

冬季共出现空气污染27 d，首要污染物均为PM2.5，其中2月6日—17日连续11 d出现轻度至重度污染，其中15日为良，16日为重度污染，其余为轻度污染，持续时间最长，且污染较重，因此选择2月6日—17日作为冬季个例进行分析。该次过程AQI在95～200之间。广西其余地市在该时间段内均出现不同程度的连续污染情况，而柳州市和来宾市在该时段内污染天数最多，影响最为严重，且在16日广西各地市的AQI均出现突增。该次过程前期（6日—14日）PM2.5浓度整体趋势较为平稳，均在100 上下波动，但是在中后期（15—17日）出现较大波动，15日PM2.5浓度明显降低，而在16日突增至560 ，达到重度污染（图10）。由于沙塘气象站未迁站，风速受海拔因素影响较小，因此利用沙塘气象站及NCEP资料及PM2.5监测浓度数据对15日和16日的污染情况进行分析。15日广西西部有暖低压发展，受暖低压影响，柳州一带风速较大，日均风速为1.6 m/s，低层湍流扩散作用较明显，利于污染物的扩散，因此15日浓度较低;15日20：00后冷空气渗透至柳州市南部，沙塘气象站转受北风影响，但是地面风速较小，夜间出现时长约为6 h的静风，这种停滞的气象条件引起近地层污染物累积，导致PM2.5浓度在夜间急剧增大，其中在02：00达到过程极值（560），为重度污染，在16日07：00之后，冷空气到达柳州市区，地面风速增大，扩散条件转好，污染物浓度也随之减小（图11）。从2月6日—17日的天气形势平均场上看，冬季个例500 hPa环流形势为一槽一脊，我国处于槽后脊前，主要受偏北气流控制，柳州上空受偏西气流影响（图5D、6D、7D）。700 hPa华南地区为偏西气流影响，风速约为12 m/s，相对湿度为10%～20%;850 hPa为偏南风，但风场较弱，只有4 m/s左右，相对湿度为60%～70%;地面气压场上，冷锋锋面已入海，柳州处于冷高压控制中，无较大气压梯度，此时地面只是弱北风影响。因此，在冬季当柳州受槽后，偏北气流或较为平直的西风控制，低层风场较弱，地面气压场较为均匀，无较大气压梯度，天况较好，无降水或只有微弱降水时，大气静稳，清除作用不明显，易形成空气污染天气。

5 结论

（1）柳州市发生空气污染时，首要污染物以为PM2.5为主，且以轻度污染居多;冬季空气污染天数最多，程度最重，且主要集中在1月和2月。

（2）PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO浓度季节变化均为“夏低冬高”，主要与冬季污染物排放量增大、大气静稳、扩散条件差、清除作用弱、微量降水日数多，增湿效果明显有关;O3浓度季节变化为“夏高冬低”，主要与夏季日照条件较好有关，且O3与其前体物NO2季节浓度均值有反相关关系。

（3）PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO浓度日变化均表现为“双峰型”，早间峰值出现在08：00～10：00，夜间峰值出现在22：00～23：00，主要与污染物排放量增加有关;除SO2和O3外，其余污染物夜间浓度均大于早间浓度，且持续时间较长，这主要与夜间近地层气温降低，大气逐渐趋于稳定有关。O3浓度日变化为“单峰型”，08：00开始增大，于15：00达到峰值，主要与O3的形成机制有关，与其前体物NO2日变化浓度均值有反相关关系。

（4）PM2.5、PM10、NO2与24 h变压、气温、相对湿度、降雨量、近地面10 m风速均呈负相关;O3与气温、近地面10 m风速呈正相关，与其他3个气象要素呈负相关;SO2除了与24 h变压呈正相关外，与其他4个氣象要素呈负相关;CO与相对湿度呈正相关，与24 h变压、气温、近地面10 m风呈负相关。

（5）典型个例分析表明，春季高空受偏北气流控制，低层有反气旋且风场较弱，地面处于变性冷高压后部;夏季受副热带高压控制，处于台风或低压外围并受下沉气流影响，地面位于低压带中;秋季处于副高边缘，低层受反气旋影响并受下沉气流控制，地面位于冷高压后部;冬季受槽后偏北气流或较为平直的西风控制，低层受偏西或偏南气流影响且风场较弱，地面受冷高压控制。这4种天气形势下柳州无降水或只有微弱降水，清除作用不明显，且大气层相对稳定，污染物不易扩散，从而造成污染天气。

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