连续强对流天气下重污染扩散概率预报研究

李华 宫明晓 刘路花

关键词：连续强对流天气；重污染扩散概率；等级分类；要素

前言

在连续强对流天气条件下，重污染的扩散与传输复杂且不可预测，对城市居民的生活质量和健康产生了重大的威胁。大量的能源消耗和工业排放对空气质量造成了极大的危害，重污染环境现象频繁地出现。连续强对流天气与普通天气存在较大差异，短时间内变化较快、且通常出现在部分区域，加大了重污染扩散概率预报的难度，因此需要进一步加强对重污染扩散概率预报的研究。

文献[3]提出化学天气数值预报系统模式对银川市区重污染天气预报效果检验研究，根据中国气象局化学天气数值预报系统模式，评估该模式在银川市区重污染天气预报方面的准确性。文献[4]提出一次连续PM2.5重污染天气特征分析及长期预报方法研究，通过利用2020年1月银川市持续重污染天气的多源观测资料，对当时的气象条件、扩散特征以及前期环流指数特征进行了综合分析。虽然上述方面取得一定进展，但是无法满足需求，且随着工业的发展连续重污染气象频发，会对重污染扩散概率预报产生影响，在此背景下提出连续强对流天气下重污染扩散概率预报方法。连续强对流天气下重污染的扩散问题是一个严峻的挑战，通过深入研究，减少重污染带来的风险和危害。

1重污染扩散概率预报要素分析

连续重污染环境是已经发生多次、严重的污染事件，造成环境持续遭受破坏和污染的状态，是当前全球面临的严峻环境问题之一，由于工业化、城市化和交通化进程的快速发展，大量的废气、污水和固体废弃物直接或间接地排放到大气、水体和土壤中，导致环境质量不断恶化。连续重污染环境对人类健康和社会经济发展都造成了严重的影响；同时，连续重污染环境还对大自然造成了严重的伤害，对地球生态系统的平衡和稳定性也产生了严重的破坏。因此分析重污染扩散概率预报要素，减少污染物的产生和排放，已经成为了解决重污染环境问题的必要手段。

重污染扩散概率预报要素分析是指对影响重污染扩散的各种因素进行分析，以确定对重污染扩散概率的影响程度。连续强对流天气下重污染扩散概率预报方法将污染划分为以下三个等级：

（1）重度污染等级，此时的平均风速为每秒1.75米；

（2）中度污染等级，此时的平均风速为每秒1.9米；

（3）轻度污染等级，此时的平均风速为每秒2.15米。

污染等级随着风速的增大而减小，重度污染和轻度污染中，空气质量指數与风速的相关性较小；轻度污染中，空气质量指数与风速的相关性较大。在三个等级下，重污染扩散概率预报具体要素内容如下所示：

1.1污染源要素

污染源的位置、强度和类型也是重要的要素。距离监测站点近且污染源强度大的地区，会增加重污染扩散的风险，此外不同类型的污染物会对大气环流和扩散过程产生不同影响。

1.2地理要素

地形和地理条件对重污染扩散概率也有重要影响，主要包括山脉、水体、城市建筑物等地理特征会对空气流动产生阻碍或引导作用，从而影响污染物的扩散过程。

首先是山脉：山脉的存在会改变空气流动的路径和强度。当污染物遇到山脉时，会受到地理地貌的阻挡，导致空气无法顺利流通，从而加剧了污染物在山区的积累和扩散的困难。其次是水体：水体具有质量和热容量大的特点，可以吸收和释放大量的热量，从而调节周边地区的温度。水体还会形成局地的湿润环境，使得污染物在水体附近容易积聚。最后城市建筑物也对重污染扩散概率产生影响：高楼大厦、道路网络和其他建筑结构会改变城市内部的气流模式，形成“峡谷效应”或“热岛效应”，导致空气在城市中停滞，使污染物积累并加剧重污染的发生概率。

1.3气象要素

气象是重污染扩散概率预报中至关重要的因素之一，主要包括温度、湿度、风速和风向等。高温高湿、低风速和不利的风向条件有助于污染物滞留和积累，导致重污染扩散概率增加。

首先是温度。高温条件会加速大气中的物质运动，使得污染物更容易被稀释和扩散。相反，低温条件会减缓物质的扩散速度，导致污染物在空气中的停留时间延长，增加重污染的可能性。

其次是湿度。高湿度会增加空气中的水蒸气含量，使得污染物与水汽相互作用形成气溶胶，从而增加了污染物的滞留能力。当湿度较低时，污染物更容易被扩散和稀释，降低了重污染的风险。

风速和风向也是影响重污染扩散概率的重要因素。一般来说，较高的风速有助于将污染物迅速带走，减少其在特定地区内停留的时间，从而降低了污染物积累的机会。

1.4大气压强指标要素

在重污染扩散概率预报中，需要考虑大气压强的水平和垂直分布，以及它们的变化趋势。大气压强的水平和垂直分布会影响空气的运动和污染物的扩散，大气压强的变化趋势反映出空气的运动和变化，从而影响污染物的扩散和浓度分布。

通过对重污染扩散概率预报要素进行分析，可以实现连续强对流天气下的重污染扩散概率预报。

2实现连续强对流天气下重污染扩散概率预报

通过上述对重污染扩散概率预报要素进行分析，可以得出更为准确的重污染扩散概率预报结果。当某地区出现连续强对流天气时，此时的环境条件可通过物理特征量描述。强对流天气通常指的是由于空气强烈的垂直运动而导致的天气现象，这些天气现象会对大气中的污染物浓度和分布产生影响，从而可能导致重污染的发生。首先，强对流天气会导致大气中的污染物垂直混合，将地面附近的污染物带到高空，从而扩大了污染物的影响范围。同时，强对流天气也会带来强风，使得地面附近的污染物更容易扩散，从而增加了污染物的浓度。其次，强对流天气还可能引发雷电等气象现象，这些现象会产生大量的氮氧化物和挥发性有机物等二次污染物，进一步加重污染程度。此外，强对流天气还可能对大气中的颗粒物产生影响。如大风会将地面的灰尘、沙粒等颗粒物吹起，使得空气中的颗粒物浓度增加，从而加重了大气污染的程度。重污染扩散概率预报方法在连续强对流天气下气象要素的变化情况建立重污染扩散概率预报框架，见图1。

选取具有代表性较强的对流参数建立重污染扩散概率预报概率，具体过程如下：

步骤一：在环境物理参数的基础上采用模糊矩阵评价方法建立评价矩阵，计算环境物理參数对应的权重，根据计算结果选取权重较高的环境物理参数；

步骤二：如果步骤一中选取的环境物理参数中存在0～6km、0～3km、0～1km垂直风切变，大气整层可降水量、0℃、零下20℃则不需要展开处理，如果不包含上述参数，需要在选取的环境物理参数中，将上述参数按照权重大小替换掉原始参数，在此基础上建立评价矩阵。

步骤三：当环境物理参数值为c时，假设g表示强对流天气在该地区发生的重污染扩散概率预报结果，表示为式（1）：

3应用案例分析

为实现对连续强对流天气下重污染扩散概率预报研究的检测，进行污染物分布数据的采集，此过程见图2。

按照图2所示的方式，进行污染物分布数据采集现场监测的布置，在此基础上，布置采集点。在实验过程中，根据预期的对流天气条件，设置合适的温度和湿度，模拟对流天气中的风速和风向，通过设备模拟风场。同时设置合适的污染源强度和位置，以模拟污染物的扩散。为了模拟连续强对流天气下重污染的扩散情况，需要满足以下条件：

（1）连续强对流天气数据：使用过去记录的连续强对流天气观测数据，以及其他相关气象数据。

（2）输入连续强对流天气数据：将过去记录的连续强对流天气数据输入到实验设备中，确保实验条件与真实情况尽可能接近。

研究区域地面风速较小，平均风速为1.65m/s～3.34m/s，静风频率为0.46%。以研究区域的高密度逐时观测数据作为依据，分析风速在不同污染类型下的变化情况，分析结果见图3。

由图3可知，平均风速在不同污染类型情况下的变化趋势均属于“单峰型”，轻度污染类型变化情况明显比其他两种污染类型更为显著，峰值具体出现在中午12：00至晚上20：00。

在不同污染类型下连续强对流天气下重污染扩散概率预报研究方法根据风向频率，获取风向与污染类型之间的关系，分析结果见图4。

由图4可知，在西北偏北和偏西的气流控制下大气污染浓度低于其他气流控制情况下的浓度，此时空气属于轻度污染状态；在东南和西北气流均衡控制条件下，污染区在大气中的浓度较高，此时空气属于中度污染；在东南和东南偏南气流控制条件下，污染物在大气中的浓度高于其他条件下的浓度，此时空气属于重度污染。

采用设计的方法对某省的重污染扩散概率预报进行研究，该省平均降雨量为8毫米～15毫米，降雨量分布不均匀，夏季、冬季重污染扩散变化情况见图5。

通过分析图5可知，重污染扩散情况受到多种因素的影响，夏季的高温高湿气候条件下，大气稳定度相对较低，导致污染物容易积累和滞留，尤其是在静风天气下，污染物扩散受阻。相比之下，冬季的低温和较干燥的气候条件会导致大气较为稳定，逆温现象频繁出现，使得污染物难以扩散。这种差异主要是由于夏季高温高湿的天气和污染源活动的增加，以及冬季低温低湿的气候和供暖需求导致的污染源排放所致。因此，在重污染扩散概率预报中，需要考虑气象条件和污染源的共同影响。在连续强对流天气下，所提方法能够反映出实际情况，并与实际结果相符，表明所提出的方法具有较高的预报精度。

4结束语

研究重污染的扩散概率预报方法具有重要的现实意义，为此文章提出连续强对流天气下重污染的扩散概率预报方法。轻度污染类型变化情况明显比中度污染类型、重度污染类型更为显著；在西北偏北和偏西的气流控制下，空气属于轻度污染状态；在东南和西北气流均衡控制条件下，空气属于中度污染；在东南和东南偏南气流控制条件，空气属于重度污染。采用所提方法预报夏季和冬季重污染扩散情况，经验证，预报结果与实际变化强度相符，所提方法具有较高的预报精度。通过对重污染扩散概率预报的研究，可以更好地掌握重污染在特定天气条件下的扩散规律，为城市空气质量管理和环境保护提供科学依据和决策支持。