岳陽城區(qū)空氣污染的變化特征及氣象影響因素分析論文
1 引言
隨著社會經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，大氣污染愈來愈成為人們關注的熱點。API指數(shù)是反應環(huán)境空氣質量水平的重要指標，是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物的濃度簡化成單一的概念性數(shù)值形式、并分級表征空氣質量狀況與空氣污染的程度，其結果簡明直觀，使用方便，適用于表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢。污染物質量濃度變化的“周末效應”與人類活動密切相關，同時氣象要素是制約污染物在大氣中稀釋、擴散、遷移和轉化的重要因素。許多研究人員從大氣污染物濃度的時空分布特征，到空氣污染與氣象要素的相關關系，以及天氣類型與大氣污染物濃度的變化關系等方面對空氣污染問題開展了諸多研究，并對典型污染日天氣背景和成因進行了分析。還有些研究介紹了適合于當?shù)乜諝馕廴緲I(yè)務的預報方法，并用最優(yōu)子集回歸和統(tǒng)計模式等方法建立了回歸方程，取得了很好的預報效果。
近年來，隨著岳陽城市化與工業(yè)化進程的加快，衍生了各種各樣的污染源，為改善空氣環(huán)境質量，采取削減二氧化硫、氮氧化物的排放、取締和改造燃煤鍋爐數(shù)量等措施后，岳陽城區(qū)主要污染物排放實現(xiàn)逐年遞減，空氣得到有效凈化。從 2014 年 1 月 1 日開始，岳陽市環(huán)保局按照新修訂的《環(huán)境空氣質量標準》發(fā)布岳陽城區(qū)各地的空氣質量（即 AQI）。本文分析了近年 API 指數(shù)的變化規(guī)律，探討影響 API 指數(shù)的氣象因子,并對典型空氣污染過程天氣形勢進行了分析，用多元回歸方法建立 API 指數(shù)及氣象因子的預報方程, 以便更好地利用已有的氣象資料制作空氣污染的預報，為科學有效地控制和治理岳陽城區(qū)大氣污染提供必要的依據(jù)。
2 資料來源與選取
氣象資料來源于岳陽市氣象局基本氣象觀測站，空氣污染資料（API指數(shù)）來源于岳陽市環(huán)保局，年、月、季API指數(shù)為岳陽市南湖風景區(qū)、城陵磯、開發(fā)區(qū)、云溪區(qū)、君山區(qū)5個環(huán)境空氣質量評價點的平均值，季節(jié)劃分為冬（上年12月一當年2月）、春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）。
3 空氣污染變化特征及與氣象因子的關系
3.1 空氣污染變化特征
2004—2013年岳陽城區(qū)API指數(shù)10年平均值為82，最多為2005年（97），最少為2012年（67），兩者相差30，占10年平均值的37%。過去10年間，年、季API指數(shù)逐年減少，且通過0.05信度顯著性檢驗，表明岳陽城區(qū)API指數(shù)呈顯著減少的趨勢。各季API指數(shù)中，10年平均值冬季最大（91），夏季最�。�67），且冬季標準差最大為17.2，夏季最小為7.1，表明岳陽城區(qū)冬季空氣污染最嚴重且年際變化較大，而夏季空氣污染相對較輕且年際變化較小。
3.2 空氣污染與風向頻率的關系
3.2.1 空氣質量評價點與污染源的分布
岳陽城區(qū)的首要污染物以可吸入顆粒物為主，可吸入顆粒物的形成主要有兩個途徑：其一，各種工業(yè)過程（燃煤、冶金、化工、內燃機等）直接排放的超細顆粒物；其二，大氣中二次形成的超細顆粒物與氣溶膠等。其中，第一種途徑是可吸入顆粒物的主要形成源，也是可吸入顆粒物污染控制的重要對象。在進入采暖季后，也就是每年的11月份至第二年的3月份，由于燃煤供暖，增加了空氣中二氧化硫的排放量，在這個時期，二氧化硫有時為首要污染物。二氧化硫主要來源于煤炭、石油等含硫燃料的燃燒以及金屬冶煉、石油加工等工業(yè)廢氣的排放。大氣中氮氧化物主要來自汽車廢氣以及煤和石油燃燒的廢氣。
岳陽市 5 個環(huán)境空氣質量評價點中（圖略），云溪區(qū)地處岳陽城區(qū)的東北部；城陵磯位于長江與洞庭湖交會的右岸，是 Y 字形水道南側的洞庭湖口節(jié)點，三面臨水；君山區(qū)位于城區(qū)西郊，北靠長江，南瀕洞庭湖；開發(fā)區(qū)和南湖風景區(qū)毗鄰，位于岳陽城區(qū)，其中開發(fā)區(qū)位于城區(qū)東部，南湖風景區(qū)濱臨南湖。
3.2.2 年、季、月風向頻率
近地層風速對污染物擴散的濃度和速率產生影響，而風向尤其是主導風向對城區(qū)空中污染物的擴散方向產生影響。圖 3a 中，2004－2013 年岳陽城區(qū)年平均風向頻率在 N、NNE、NE 方向較大，分別為 16%、16%和 13%，三個方向風向頻率合計為 45%，其他方向風向頻率分別為 2－7%，因此，岳陽城區(qū)以北偏東方向為主導風向。
3.2.3 空氣污染時空分布與風向頻率的關系
岳陽城區(qū)空氣質量有著顯著的季節(jié)和空間差異，其原因與污染源、大氣狀況和受體有關。岳陽城區(qū)工業(yè)污染源位于東北方向，而年主導風向為北偏東，因此，岳陽市城市工業(yè)布局方向與年主導方向一致，使得市區(qū)廣大區(qū)域處于工業(yè)氣流的下游，導致空氣污染加劇。這一點從月季風向頻率差異可以看得更清楚：冬季北偏東風向頻率達57%，主導風向又疊加在污染源之上，對應冬季空氣污染最嚴重且年際變化較大；夏季S方向風向頻率最大，N方位風向頻率次之，對應夏季空氣污染相對較輕且年際變化較小。尤其7月S方向頻率達23%，S、SSW、SW方向風速分別為4.3m/s、5.2%、4.0 m/s，既少受污染源的影響，又有利于污染物的擴散，因此，7月API指數(shù)全年各月最低，空氣質量最好。另外，由于湖面比較光滑，空氣在水平面上運動時受到的摩擦阻力很小，因此，湖面上風速一般比陸地大，污染物擴散快于陸地，而城陵磯三面臨水，南湖風景區(qū)濱臨南湖，因此，城陵磯和南湖風景區(qū)空氣質量相對較好。
3.3 空氣污染與大氣穩(wěn)定度的關系
大氣穩(wěn)定度是影響污染物在大氣中擴散的極重要因素。當大氣層結不穩(wěn)定，熱力湍流發(fā)展旺盛，對流強烈，污染物易擴散。當大氣層結穩(wěn)定時，湍流受到抑制，污染物不易擴散稀釋，特別當逆溫層出現(xiàn)時，通常風力弱或無風，使煙塵聚集地表，造成嚴重空氣污染。
當天氣晴朗少云時，白天地面強烈吸熱，夜晚散熱迅速，表現(xiàn)為氣溫日較差大，極易形成輻射降溫，使大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況在冬季尤為突出。通過統(tǒng)計 2013 年 API 等級對應的`日較差平均值可知：API 等級為優(yōu)有 71d，氣溫日較差平均值為 6.0℃；為良有 249d，氣溫日較差平均值為 6.2℃；為輕度污染有 40 天，氣溫日較差平均值為 6.3℃；為中度污染有 4 天，氣溫日較差平均值為 7.1℃�？梢钥闯�，氣溫日較差越大，大氣越穩(wěn)定，空氣污染也越嚴重。同時，岳陽城區(qū)夏半年逆溫天氣出現(xiàn)頻率較少，逆溫層厚度較薄，高度相對偏低，持續(xù)時間短；冬半年逆溫天氣出現(xiàn)的頻率較多，持續(xù)時間和強度均大于夏半年，大氣層結比較穩(wěn)定，不利于空氣污染物的擴散稀釋，因此岳陽城區(qū)空氣污染表現(xiàn)出明顯的冬半年偏高、夏半年偏低的季節(jié)特征。
4 典型空氣污染過程成因分析
2013年岳陽城區(qū)沒有出現(xiàn)重度以上的污染日，僅1月16日、28日、19日、17日API指數(shù)達到中度污染，API指數(shù)分別為164、164、156、152，本文對1月16-19日典型空氣污染過程的霧霾天氣實況、大尺度環(huán)流背景及空氣污染成因進行分析。
4.1 氣象衛(wèi)星監(jiān)測霧霾實況
2013年1月10日以來，我國中東部地區(qū)冷空氣活動勢力較弱，大氣層結相對穩(wěn)定，不利于污染物的擴散，出現(xiàn)持續(xù)霧霾天氣。多地測得PM2.5指數(shù)直逼歷史極值，造成嚴重的空氣污染。15日（08:41）衛(wèi)星監(jiān)測到的我國中東部大霧面積最大，約為47.2萬平方公里。15日下午隨著冷空氣的擴散南下，影響我國中東部多日的霧霾天氣得到緩解。
4.2 大尺度環(huán)流背景
2013年1月上旬歐亞中高緯呈兩槽一脊形勢，經向度大，其中1-5日隨著東北冷渦東移，橫槽轉豎，引導冷空氣不斷向南輸送，導致全國大部氣溫偏低。同時，由于暖濕氣流活躍，此次強冷空氣過程還導致我國南方地區(qū)出現(xiàn)了大范圍雨雪冰凍天氣。1月上旬，全國平均氣溫較常年同期偏低3℃，為1978年以來同期第二低值，其中北方和華南西部地區(qū)氣溫普遍偏低4℃以上。中旬，隨著極地冷渦南落，西伯利亞高壓脊在東移過程中減弱崩潰，中高緯環(huán)流調整為緯向型，我國大部受弱脊控制，冷空氣活動勢力較弱，大氣層結相對穩(wěn)定，不利于污染物的擴散，導致我國中東部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍霧霾天氣。
4.3 空氣污染成因分析
造成1月16-19日岳陽城區(qū)空氣污染加重的成因主要有二方面：一是氣象因素，1月6－16日，由于無明顯冷空氣活動，本地平均氣溫從0.8℃持續(xù)上升到8.4℃，近地層平均風速較小，日平均風速為1.2－2.1m/s，13－14日總云量均為2成，天空晴朗，同時近地層有逆溫層存在，大氣層結相對穩(wěn)定，不利于空氣中污染物水平和垂直擴散，加上久晴少雨，使污染物在近地面逐漸積聚，導致9－10日和12日岳陽城區(qū)出現(xiàn)了霾；二是外地輸入因素，15日岳陽城區(qū)受偏南風控制，受弱冷空氣擴散南下影響，16日4時開始轉為偏北風，風速逐漸加大，17日偏北風平均風速達到4.2m/s，平均氣溫較16日下降近4℃，冷空氣將北方大氣污染物輸送到岳陽城區(qū)上空，導致岳陽城區(qū)空氣污染加重。
5 結論
�。�1）岳陽城區(qū) API 指數(shù)呈顯著減少的趨勢。冬季空氣污染最嚴重且年際變化較大，而夏季空氣污染相對較輕且年際變化較小。岳陽城區(qū) 1－12 月 API 指數(shù)基本呈“v”型變化
（2）5 個環(huán)境空氣質量評價點中，城陵磯最好，南湖風景區(qū)次之，開發(fā)區(qū)和君山區(qū)基本相當，云溪區(qū)最差。城陵磯三面臨水，南湖風景區(qū)濱臨南湖空氣質量相對較好。
�。�3）岳陽城區(qū)年、冬季主導風向疊加在污染源之上，導致空氣污染加�。幌募� S 方向風向頻率最大，減少了污染源的影響，尤其 7 月偏南風風速大，有利于污染物的擴散，空氣質量最好�？拷虻牡胤斤L速相對較大，污染物擴散較快，空氣質量較好。
（4）氣溫日較差大、逆溫等大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)下空氣污染加重。
（5）本地氣象和外地輸入因素導致 2013 年岳陽城區(qū)出現(xiàn)一次比較典型的空氣污染過程。
�。�6）日平均氣溫、日降水量、日平均風速、日日照時數(shù)、日均露點溫度、是否有輕霧、大霧、霾對日 API 指數(shù)有顯著影響。
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