2015—2019年防城港市空气污染气象条件综合分析

林文桦，赵胜男，陈绍河，黄 滢

(广西壮族自治区防城港市气象局，广西 防城港 538001)

0 引言

随着经济社会快速发展和城市化进程加快，空气质量影响人们的身体健康，我国大部分城市的空气污染倍受关注。污染源排放是大气污染的内因，而气象条件又是影响其稀释、扩散和清除的外因。在污染源排放相对稳定的情况下，空气质量的预报决定于气象条件的预报。

近年来，关于空气污染与天气条件关系的研究较多，主要从几个角度进行分析：一是从空气污染与气象要素之间的关系进行分析；二是从污染天气分型角度分析;三是用数值模拟的方式模拟边界层结构和流场特征对污染物浓度变化影响和污染物成因分析。污染天气的研究主要集中在京津冀及四川盆地一带，而两广一带的研究较少，主要以个例分析为主，缺少对两广污染天气特征的总结分析。本文对地处广西沿海防城港市的污染天气进行概括性的总结分析，以丰富对两广污染天气的研究。

本文归纳总结了防城港市空气污染的天气形势类型特征及首要污染物浓度与各类气象要素之间的关系，旨在为今后预报员预报本地污染天气情况提供参考依据，为气象部门与环保部门制定大气污染防治对策提供技术支持。

1 数据资料和研究方法

使用1°×1° 6 h时间间隔的FNL全球客观分析资料、2015—2019年高空及地面观测资料、防城港国家地面站小时观测数据等气象常规观测资料。环境监测数据来源于防城港市环境监测中心自动站资料，并根据2015—2019年防城港市3个国控点逐时和逐日的污染物浓度观测资料，筛选出20次轻度污染及以上的污染过程进行分析，如表1。本文将轻度污染及以上的污染日统称为空气污染日。

表1 本文研究的20次空气污染过程

文中AQI等级采用了中国环境监测总站发布的等级划分为6级：优(1～50)、良(51～100)、轻度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(201～300)、严重污染(>300)。

天气形势从根本上决定了气象要素的分布和变化，从而决定了大气的扩散能力和大气的稳定程度，进而决定了空气质量等级。参考喻谦花等和李霞等对天气分型的划分，500 hPa环流形势分型采用的高空观测资料时间为：污染过程中首要污染日前1 d 20时，结束为污染过程最后1个污染日20时，时间间隔为12 h。地面分型资料采用了污染日当天整点地面天气图02—23时的资料，时间间隔为3 h。探空资料选择污染日当天08时和20时的资料。天气分型的重点分析区域为20～30°N，100～110°E。

用数理统计分析方法分析各类气象要素的特征，如温度范围分布、逆温层出现的百分率和逆温梯度等。利用统计软件SPSS对气象要素与首要污染物之间的相关系数进行分析。

2 结果与分析

2.1 空气污染基本情况分析

2015—2019年防城港市空气质量首要污染物出现比例如图1，空气质量为优的天数比例为60.9%(无污染物)，首要污染物为PM的比例为18.7%，首要污染物为O的比例为11.3%，首要污染物为PM的比例为9%。PM是出现最多的首要污染物，其次是O和PM。

图1 2015—2019年防城港市空气首要污染物百分比(单位：%)

分析污染日数的逐月变化(图2)可知，9月—次年2月是空气污染日发生的主要时段，3—8月出现的污染日数较少。2015—2019年共出现轻度污染及以上累计天数为86 d，年平均污染日数为17.2 d，其中2016年只有2 d，其它年份17～26 d。86个空气污染日中的首要污染物只有PM和O2种。

图2 2015—2019年空气污染累计日数的逐月分布

2.2 防城港市空气污染过程的天气概念模型分析

按500 hPa环流形势分型，可分为西北气流型、偏西气流型及西南气流型(图3)。这3种类型占比分别为37%、24%和22%，其他形势占比为17%(由于不典型，这里不再赘述)。

图3 2015—2019年防城港市轻度污染及以上污染日500 hPa天气分型(填色区为风速值)2015年1月22日08时槽后西北气流型(a)，2015年2月8日08时偏西气流型(b)，2017年12月27日08时西南气流型(c)

西北气流主要为槽后西北气流。槽后西北下沉气流一方面不利于降雨，不利于污染物稀释，另一方面下沉气流阻碍污染物向上扩散，从而使得污染物在近地面积累而浓度升高。偏西气流类型中副高偏弱偏南，防城港市附近为偏西气流或西偏北气流，这种形势利于静稳天气形成。西南气流主要为副高边缘及南支槽前共同作用下的西南气流。南支槽线一般位于100°E以西，位置偏西，槽前动力抬升不足，不利于降雨，而西南气流却又给防城港市提供一定水汽，高湿无降雨天气利于污染物浓度增加。

首要污染物为PM过程中，925 hPa一般是偏北气流与弱的偏南气流(≤6m·s)的轮流转换中，即干冷和暖湿气流不断交互演变环境中。这种变化形势下的干冷气流使得气温不至于升得太高，暖湿气流使得湿度增大，进而使污染物浓度容易增加。首要污染物为O过程中，925 hPa一般是稳定的偏北干燥气流控制，利于O的生成。

按地面气压场形势可分为：冷高压脊型、均压型和高压后部低压前部型(图4)，占比例分别为66%、29%和5%。

图4 2015—2019年防城港市轻度污染及以上污染日地面天气分型，2017年1月17日08时冷高压脊型(a)，2015年1月4日02时均压型(b)，2015年1月4日14时高压后部低压前部型(c)

冷高压脊型可分为变性冷高压脊(冷空气开始减弱)和冷高压脊(冷空气正南下加强)。该类型出现时，冷空气前锋一般已南压至防城港市南部北部湾海面上，并且这种形势出现最多。一般冷高压脊均不强，多数为弱冷空气，中等强度冷空气较少。

均压型形成于冷高压东移出海后气压场减弱或是中西路冷空气南下后气压场减弱的形势。前者水汽较为丰富,多以PM为首要污染物的过程，后者相对干燥，多以O为首要污染物的过程。

高压后部低压前部型主要受云贵一带发展的低压前部及出海冷高压后部共同作用下的偏南气流影响，利于把海上水汽向防城港市输送，湿度增大，通常造成PM浓度增大，多为以PM为首要污染物的污染过程形势。这种类型出现较少，因为当暖低压继续发展并南下至云桂交界时，防城港西南风力加大，污染过程快速结束。

2.3 污染日首要污染物与气象要素的关系

2.3.1 首要污染物PM浓度与气象要素的关系 16次以PM为首要污染物的空气污染过程中，PM浓度与气象要素的相关性分析如表2。

表2 首要污染物PM2.5浓度与气象要素的Pearson相关分析

PM浓度与风速的关系较为复杂。一方面风力加大利于污染物扩散，如表2中多数过程的PM浓度与风速呈负相关；另一方面冷空气大风的天气易携带污染物从境外输入，例如2017年12月26—27日和2017年12月23日空气污染过程中，冷空气影响时风力虽然加大，但冷空气影响前上游有污染，污染物随气流输入，造成PM浓度增大，此时PM浓度与风速呈正相关。另外，通过分析有境外输入的个例发现，轻度污染及以上污染日中的冷空气强度不强，冷高压中心值为1040 hPa左右。

在无境外输入的情况下，PM浓度与气温主要呈负相关，气温越高，PM浓度越小，反之，越大，这一结论与防城港市空气污染主要出现在秋冬季这一实况一致。日平均气温基本在10～20 ℃之间，超过20 ℃的很少。由于防城港市地处低纬度，气温较高，日平均气温低于10 ℃的空气污染情况缺乏实况数据支撑，这里暂不讨论。

在无降雨情况下，PM浓度与相对湿度主要呈正相关，但是在有降雨时会导致污染物浓度下降而相对湿度增大，这种情况下PM浓度与相对湿度就会出现负相关或相关性不强。污染期间日平均相对湿度主要在50%～80%之间，占总数的92%，相对湿度低于50%的几乎没有，相对湿度高于90%的仅占总数的7%。

PM浓度与一天中最小能见度有很强的负相关，相关系数在-0.5～-0.8之间，说明能见度越好，空气质量越好，PM浓度越小，反之，越大。最小能见度一般小于7 km，主要出现在夜间到次日09时。

污染日一般伴随着轻雾、雾、霾、微量降雨等低能见度天气。以PM为首要污染物的16次污染过程中，有10次过程结束时有降雨天气，通过统计分析，日降雨量在1 mm以上的雨量对PM污染物的稀释比较有利，而1 mm以内的降雨量对污染物的稀释是短暂性的。

2.3.2 首要污染物O浓度与气象要素的关系 O浓度与各类气象要素的关系比PM浓度与气象要素的关系简单。如表3，O浓度与风速、气温、能见度呈强的正相关，相关系数范围多分布在0.5～0.9之间。O与湿度呈强的负相关，相关系数范围多分布在-0.7～-0.9之间。以O为首的污染过程中，日照充足，日照时数在7 h以上。即O产生在高温、低湿、日照充足、风速较大和能见度好的天气环境里。O浓度最大值一般出现在14—18时，少数出现在19—20时。

另外通过分析表3中的6个个例，首要污染物为O的污染过程中，日最高气温均高于23 ℃，日平均最小能见度均在10 km以上，14时相对湿度基本为35%～60%，这些指标也可作为今后O浓度预报的一个重要参考。

表3 首要污染物O3浓度与气象要素的Pearson相关分析

2.4 垂直速度分布特征

空气污染过程中，中低层以下沉气流为主(如图5)，近地面为0～-1×10hPa·s的微弱上升气流，这种形势利于污染物在近地面累积。下沉气流中心值范围在4～31×10hPa·s之间，平均下沉气流中心值为12×10hPa·s。

图5 2015年1月1—4日以PM2.5为首要污染物的污染过程垂直速度时间剖面图(实线表示下沉速度，虚线表示上升速度)(单位：10-3hPa·s-1)

2.5 逆温层分布特征

由于防城港市本站无探空资料，而北海市距离防城港市较近，纬度基本一致且同等位于广西海岸线，故本文用北海探空图资料来近似代替防城港市气象要素高空变化情况。

通过分析以PM为首要污染物的污染过程中的探空图发现,700～850 hPa之间几乎都有明显逆温层存在，逆温梯度为520 ℃/100 hPa，而近地面存在等温层或逆温层概率为61%(逆温梯度为0～3 ℃/100m)，近地面无逆温或无等温层占比为39%(图6a)。

以O为首要污染物过程中的逆温层特征为：近地面存在逆温概率大，达92%(逆温梯度0～2 ℃/100m)，700～850 hPa的逆温不明显(图6b)。

图6 北海探空图的逆温层分布特征:2017年1月28日08时以PM2.5为首要污染物的污染过程(a);2018年10月2日08时以O3为首要污染物的污染过程(b)

3 结论

本文通过对防城港市2015—2019年的空气质量及筛选出的20个污染过程进行分析，得出以下结论：

①防城港市空气污染日主要集中在秋冬季，PM和O是影响最大的首要空气污染物。

②空气污染过程按500 hPa环流形势可分为西北气流型、偏西气流型及西南气流型。按地面气压场形势可分为冷高压脊型、均压型、高压后部低压前部型，冷高压脊型出现最多。

③无境外输入的情况下，PM产生在风速小、气温较低、能见度小、湿度较大并且无降雨或降雨不明显的天气环境里。而O产生在高温、低湿、日照充足、风速较大和能见度好的天气环境里。

④空气污染过程中，中低层以下沉气流为主，近地面层有微弱上升气流。

⑤以PM为首要污染物过程中，700～850 hPa之间几乎都有明显逆温层，近地面不一定有逆温。以O为首要污染物过程中，近地面存在逆温概率达92%，而低层逆温不明显。说明低层的逆温层对PM浓度增加非常重要，近地面的逆温层对PM浓度增加的作用要比低层弱，而近地面的逆温层对O浓度的增加非常重要，但是低层的逆温却不重要。