河北南部空氣污染氣象擴散條件研究

張珺+宋曉輝

摘要：利用河北南部城市邯鄲氣象站2013～2015年連續3年的氣象數據并結合數值模擬對該市空氣污染氣象擴散條件進行了統計分析。結果表明，全年最多風向為南風，頻率為19.39%，在全年各季節中，春季、夏季以南風最多；秋季、冬季以北風最多，風條件因季節不同擴散條件有所不同；該市區年平均氣溫14.9 ℃，年平均氣壓1 009 hPa，年平均相對濕度61%。年平均降水量501 mm，降水主要集中出現在6～9月，這段時間降水對空氣污染物的稀釋、清除較為有利；冬季降水量小，平均相對濕度較大，為霧霾多發季節，不利于空氣污染的稀釋擴散；春季干燥多風，對空氣污染物的水平擴散較為有利。從2013～2015年探空資料分析表明，春季（3～5月）垂直氣象擴散條件為全年最好，夏、秋、冬季垂直擴散能力相對較差；逆溫厚度1月最大，垂直擴散條件最為不利，6月最小，垂直擴散條件為全年最好。

關鍵詞：空氣污染；擴散條件；邯鄲市

中圖分類號：X823；X169 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0254-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.013

經濟和社會的快速發展，造成了污染物的大量排放，大氣污染對人類生存環境和生態健康安全造成了嚴重威脅，引起了公眾的廣泛關注。有研究顯示，在大氣污染源一定的情況下，污染物濃度主要取決于大氣的擴散能力，氣象因素影響著大氣污染物的稀釋、擴散[1-3]。氣象條件（如霾、靜風、逆溫等）會使大氣污染物的分布更為復雜，所以大氣環境的好壞與氣象條件的關系十分密切[4-7]。常爐予等[8]通過研究氣象條件對南京城區大氣污染物濃度的影響發現主導風向對污染物的輸送有很大影響；董繼元等[9]研究認為降水對污染物濃度的稀釋清除作用十分明顯；魏玉香等[10]通過對南京大氣污染物特征及其氣象條件的關系分析發現污染物濃度與風速呈負相關；邱粲等[11]研究表明低層有逆溫存在，大氣層結穩定時，氣象條件也不利于污染物的擴散。

本研究以河北南部城市邯鄲為例，利用統計方法，從基本氣象特征、風、氣溫、氣壓、混合層高度、逆溫層、靜穩指數等氣象要素對河北南部空氣污染氣象擴散條件進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料

采用邯鄲市氣象站2013～2015年的地面觀測資料和探空資料。

1.2 分析方法

利用統計方法，對邯鄲市空氣污染氣象擴散條件進行研究。

2 結果與分析

2.1 基本氣象特征

邯鄲市位于太行山東麓，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明。春季風多干旱，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥。年均日照時數為2 318.4 h，年平均氣溫為13.5 ℃，一般1月為全年最冷月，7月為全年最熱月；年均降水量為510.5 mm，降水多集中在7、8月，約占年降水量的51.3%，冬季降水量最少，約占年降水量的2.8%。

2.2 風向、風速氣象擴散條件分析

利用2013～2015年地面風資料統計分析表明，全年最多風向為南風（S），頻率19.4%（表1、圖1）；次多風向為北風（N），頻率14.6%；北北東風（NNE）居第三位，頻率11.5%。風頻大于或等于6%的還有南南西風（SSW）、南南東風（SSE）、東北風（NE），頻率依次為9.7%、7.9%、6.0%，靜風（C）頻率6.5%。按季節而言，在全年各季節中，春季、夏季以南風最多；秋季、冬季以北風最多，南風次多。

1）從各風向對應的平均風速（表2）可知，超過 2 m/s的為南南西-南南東風、北-東北風；其中南風的平均風速最大，為2.68 m/s，南南西風次之，為2.60 m/s，全年盛行風向為南風，由于南風平均風速最大，對污染物的輸送、擴散較為有利。

2）從平均風速的月變化（圖2、表3）來看，3月的平均風速最大，為2.86 m/s，4月次之，為2.70 m/s；8月的平均風速最小，為1.71 m/s，12月次之，為1.73 m/s。按季節統計（圖3），春季平均風速最大，為2.68 m/s；秋季平均風速最小，為1.78 m/s，冬季為1.91 m/s，夏季為1.93 m/s。僅就平均風速來說，春季對空氣污染物的水平擴散最為有利，秋季最不利于污染物的水平擴散。

3）由表4可知，全年風速小于2.0 m/s的風占53.2%，其中靜風頻率6.5%。≥2.0 m/s的風占46.8%，其中≥4.0 m/s的風占8.5%。從風速檔級頻率分布表明，春季是靜風、小風最少的時期，秋季靜風、小風最多，表明水平擴散條件春季最好，秋季最差。

4）從逐時平均風速（圖4）來看，9：00至19：00平均風速均大于2 m/s，其中12：00～16：00平均風速>2.5 m/s，以15：00平均風速最大，為2.74 m/s；19：00至翌日8：00平均風速都小于2.0 m/s，其中2：00～7：00風速<1.7 m/s，以3：00和5：00的平均風速最小，為1.64 m/s；從全天風速分布表明，白天風速條件對空氣污染物的水平擴散較為有利，中午前后的水平擴散條件最好；水平擴散條件較差的是夜晚，凌晨水平擴散條件最差。

2.3 氣溫、氣壓、濕度、降水氣象條件分析

據2013～2015年氣象資料統計（表5），邯鄲市區年平均氣溫14.9 ℃，以7月最高，平均27.6 ℃； 1月氣溫最低，平均0 ℃。在全年中，2～6月增溫迅速，9～12月降溫速度較快。極端最高氣溫41.2 ℃，極端最低氣溫-12.8 ℃。年平均氣壓1 009 hPa。年平均相對濕度61%。年平均降水量41.8 mm，降水主要集中出現在6～9月，此階段降水量占全年的70%，6～9月降水頻發，對空氣污染物的稀釋、清除較為有利；冬季降水量小，平均相對濕度較大，為霧霾多發季節，不利于空氣污染的稀釋擴散；春季干燥多風，對空氣污染物的水平擴散較為有利。

2.4 混合層高度分析

混合層高度是地面上空某一給定區域污染物可能發生混合的垂直距離，是湍流特征不連續界面的高度。混合層高度越低，越不利于污染物擴散，過低的混合層頂高度使污染物壓縮在近地層，導致污染物濃度持續上升，污染程度加重[12-15]。因邢臺2015年遷站，資料無可比性，故以邢臺南宮資料代表邯鄲情況，從2013～2015年逐月的混合層高度分布（圖5）來看，3月混合層平均高度最高，為1 724 m，9月最低，為920 m，春季（3～5月）平均混合層高度均超過1 500 m，垂直氣象擴散條件為全年最好，夏、秋、冬季平均混合層高度較低，垂直擴散能力相對較差。

2.5 逆溫分析

穩定的大氣環流背景下，低層逆溫層建立和加強會使大氣垂直對流運動受阻，大氣污染物不易擴散。當逆溫層厚度增大，逆溫層強度越強，污染濃度就越大[16-21]。選取2013～2015年的探空資料分析邯鄲上空逆溫分布（圖6）情況可以看出，逆溫厚度1月最大，為275 m，垂直擴散條件最為不利，6月最小，為150 m，垂直擴散條件為全年最好。

逆溫強度從1月開始逐漸下降，6月達到最小，為1.35 ℃/100 m，從7月開始，逆溫強度呈波動上升趨勢，4～9月逆溫強度相對較小，對空氣污染物的垂直擴散條件較為有利，10～12月、1～3月逆溫強度較大，不利于空氣污染物的垂直擴散（圖6）。

2.6 靜穩天氣指數分析

靜穩天氣指數是表達大氣靜穩程度的綜合氣象條件指標，指數越大，則發生或維持大氣污染的可能性就越高。從圖7可以看出，2013～2015年年平均靜穩天氣指數為9.7。靜穩天氣指數在秋、冬季較高，春季最低。其中，1～2月靜穩天氣指數最高，為全年擴散條件最差時段；3月開始明顯降低，擴散條件明顯好轉，5月達最低，擴散條件達全年最優；6月開始逐漸增加，擴散條件逐漸轉為不利。

3 小結

1）風速越大，對污染物的輸送擴散越為有利。邯鄲市全年盛行風向為南風，由于南風平均風速最大，對污染物擴散較為有利。就平均風速來說，春季對空氣污染物的水平擴散最為有利，秋季最不利于污染物的水平擴散；全天不同時間風速分布表明，中午前后的水平擴散條件最好，凌晨水平擴散條件最差。風速檔級頻率分布表明，春季是靜風、小風最少的時期，秋季靜風、小風最多，表明水平擴散條件春季最好，秋季最差。

2）降水對污染物的稀釋十分有利。6～9月降水較多，對空氣污染物的稀釋、清除有利；冬季為霧霾多發季節，降水較少，相對濕度大，氣象條件不利于污染物的稀釋、擴散；春季干燥多風，對空氣污染物的水平擴散較為有利。

3）混合層高度越高，氣象擴散條件越好。3月混合層平均高度最高，9月最低，春季垂直氣象擴散條件為全年最好，夏、秋、冬季平均混合層高度較低，垂直擴散能力相對較差。

4）逆溫層強度越強，污染濃度就越大。4～9月逆溫強度相對較小，對空氣污染物的垂直擴散條件較為有利，10～12月、1～3月逆溫強度較大，不利于空氣污染物的垂直擴散。

5）靜穩天氣指數較高時，氣象擴散條件差，不利于空氣污染物的擴散、稀釋。分析表明，邯鄲市靜穩天氣指數在秋、冬季較高，春季最低。1～2月大氣層最為穩定，靜穩天氣指數最高，氣象擴散條件為全年最差。

參考文獻：

[1] KAMINSKI U，FRICKER M，DIETZE V. The PM2.5 fine particle background network of the German meteorological service-first results[J].Meteorologische Zeitschrift，2013，22（2）：187-194.

[2] 王淑英，張小玲.北京地區PM10污染的氣象特征[J].應用氣象學報，2002，13（S1）：177-184.

[3] 孫 韌，劉 偉，張 贊.城市典型氣象條件與大氣顆粒物污染之間的關系[J].中國環境監測，2005，21（2）：80-83.

[4] 秦娟娟，王 靜，程建光.2008年青島市一次典型大氣外來源輸送污染過程分析[J].氣象與環境學報，2010，26（6）：35-39.

[5] 鄭美秀，周學鳴.廈門空氣污染指數與地面氣象要素的關系分析[J].氣象與環境學報，2010，26（3）：53-57.

[6] HAO J M，HE K B，DUAN L，et al. Air pollution and its control in China[J].Frontiers of Environmental Science & Engineering in China，2007，1（2）：129-142.

[7] 王 莉，趙 淵，楊顯明，等.基于時間序列模型與殘差控制圖的蘭州市空氣質量研究[J].高原氣象，2015，34（1）：230-236.

[8] 常爐予，趙天良，何金海，等.周邊氣象條件對南京城區大氣污染物濃度的影響[J].氣象與環境學報，2013，29（6）：95-101.

[9] 董繼元，王式功，尚可政.降水對中國部分城市空氣質量的影響分析[J].干旱區資源與環境，2009，23（12）：43-48.

[10] 魏玉香，銀 燕，楊衛芬，等.南京地區PM2.5污染特征及其影響因素分析[J].環境科學與管理，2009，34（9）：29-34.

[11] 邱 粲，曹 潔，王 靜，等.濟南市空氣質量狀況與氣象條件關系分析[J].中國環境監測，2014，30（1）：53-59.

[12] 魏文秀.河北省霾時空分布特征分析[J].氣象，2010，36（3）：77-82.

[13] 張寶貴，孫麗華.秦皇島市空氣污染與氣象要素的關系[J].氣象與環境學報，2009，25（4）：43-47.

[14] 張夏琨，王春玲，王寶鑒.氣象條件對石家莊市空氣質量的影響[J].干旱氣象，2011，29（1）：42-47.

[15] 劉彩霞，邊瑋瓅.天津市空氣質量與氣象因子相關分析[J].中國環境監測，2007，23（5）：63-65.

[16] 朱玉周，劉和平，郭學峰，等.鄭州市空氣質量狀況及冬季持續污染過程的氣象機理分析[J].氣象與環境科學，2009，32（3）：47-50.

[17] 趙普生，徐曉峰，孟 偉，等.京津冀區域霾天氣特征[J].中國環境科學，2012，32（1）：31-36.

[18] 劉 燚.京津冀地區空氣質量狀況及其與氣象條件的關系[D].長沙：湖南師范大學，2010.

[19] 孫家仁，許振成，劉 煜，等.氣候變化對環境空氣質量影響的研究進展[J].氣候與環境研究，2011，16（6）：805-814.

[20] 祁棟林，張加昆，李曉東，等.2001-2011年西寧市空氣質量特征及其與氣象條件的關系[J].氣象與環境學報，2014，30（2）：51-59.

[21] 王 璟，伏晴艷，王漢崢，等.上海市一次罕見的連續11天空氣污染過程的特征及成因分析[J].氣候與環境研究，2008，13（1）：53-60.