2017年陜西氣象條件對大氣環境質量影響分析

張 俠，胡 琳，王 琦，杜怡心

(陜西省氣候中心,西安 710014)

近年來，城市大氣環境污染問題日趨嚴重，霾天氣現象增多[1]，嚴重威脅著社會可持續發展和人們身體健康。對大氣環境污染的特征及氣象條件影響因素的研究，一直是眾多學者關心的焦點問題。在大氣污染排放源穩定的前提下，氣象條件是影響大氣環境質量的一個主要因素。國內外開展了大量氣象條件對大氣環境質量影響的研究工作，如David等[2]研究了氣象因素對PM2.5質量濃度的影響，結果表明溫度低于0 ℃，相對濕度大于50%，風速為輕風時PM2.5質量濃度較大；寧海文等[3]分析了西安市大氣污染特征與氣象條件的關系，結果表明污染物質量濃度與氣象條件密切相關 ,但在不同的季節與污染物相關緊密的氣象要素不同；鄧霞君等[4]對空氣污染指數API與氣象要素的相關性進行分析時指出，降水和風對空氣污染的凈化作用明顯；陳摯秋等[5]對2014年重慶市大氣污染物濃度變化特征及其與氣象條件的關系研究表明，PM2.5和PM10質量濃度與相對濕度、氣壓正相關，與降水量、風速、氣溫和日照負相關；馬曉華等[6]對關中地區一次霾天氣過程分析表明，逆溫層持續存在、風速偏小、大氣混合層高度持續低是霾天氣持續的重要原因。陜西省由于地理位置特殊，地勢南北高，中部低。境內氣候差異很大，復雜多樣的地形地貌及氣候特點使得大氣污染形成機理極為復雜。特別是關中地區冬季霾現象尤其嚴重，2017年3月陜西省發布了《陜西省2017年鐵腕治霾“1+9”行動方案》。本研究通過詳細分析氣象條件對陜西省大氣環境質量的影響，可為省政府治霾工作提供決策依據。

1 資料與方法

2017年1月1日—7月31日陜西省十地市空氣質量指數AQI資料來源于中華人民共和國環保部網站，臭氧質量濃度資料來源于陜西省空氣質量實時發布系統網站；2017年1月1日—7月31日陜西省十地市風速、溫度、相對濕度、日照時數等數據來源于地面氣象臺站的氣象觀測資料。

采用常規統計分析方法，分析空氣質量的時間變化特征，并分別分析冬春季和夏季空氣污染氣象條件特征。

2 環境空氣質量概況

2017年1—7月，全省城市空氣質量優良天數在87～187 d之間(表1)。陜南城市空氣質量最好，陜北次之，關中最差。商洛優良天數最多，咸陽最少；西安、咸陽和渭南均出現了10 d以上的嚴重污染天氣，漢中和安康未出現嚴重污染天氣，其他城市嚴重污染天氣為3 d及以下。與2016年同期相比全省城市空氣質量較差。2017年1—3月全省污染天氣首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，5—7月首要污染物為臭氧。

表1 2017-01-01—07-31全省各地市空氣質量 d

2.1 霾出現次數及范圍

根據氣象資料統計：2017年1—7月全省共出現霾2 283站次，涉及96個區縣。從各月分布(表2)來看，1月最多出現霾955站次，涉及91個區縣，霾影響范圍最大且持續時間最長；其次為2月，共出現霾774站次，涉及87個區縣；3月開始霾影響范圍開始減少且持續時間和強度明顯減輕；4—7月霾天氣較少。1—3月霾主要出現在關中，其中寶雞最多出現53 d，西安、楊凌、潼關、寶雞、蒲城等地超過40 d。霾天氣過程期間關中大部分城市空氣質量持續為嚴重污染等級。

表2 2017年全省霾出現次數及范圍

2.2 5—7月臭氧污染基本特征

2017年5—7月全省平均臭氧超標日數共29 d，較上年同期增加9 d(表3)，主要分布在陜北和關中。關中污染最重，咸陽、西安臭氧超標日分別為54 d和48 d，遠大于上年同期的36 d和26 d；榆林出現44 d，較上年增加21 d。臭氧超標日主要出現在6月和7月。

表3 2016年、2017年全省各市5—7月臭氧超標日數對比 d

3 1—3月污染氣象條件分析

3.1 風速

由表4 可看出，2017年1—3月全省平均風速較上年同期偏小，小風日數較上年同期略增多，其中關中增多1～11 d，陜北增多1～4 d，陜南增多0～3 d。1—3月全省各市平均風速均在3.0 m/s以下且小風頻率較高，空氣流動緩慢，近地面形成的各種污染物不易向外水平擴散，造成了污染物不斷積聚，使污染天氣得以長時間維持。

2017年1—3月，全省共出現4次中等以上強度冷空氣活動，較上年同期明顯偏少，分別為1月19—20日、1月29—31日、2月20—21日和3月10—13日(表5)。其中2月的冷空氣過程為入冬以來最強的一次。20日涇河站24 h降溫2.1 ℃，48 h降溫10.1 ℃；安康站24 h降溫2.7 ℃，48 h降溫9.6 ℃；延安站24 h降溫6.2 ℃，48 h降溫11.8 ℃。全省空氣質量得到明顯改善。

1—3月，全省冷空氣活動較上年同期減少3次，強度偏弱不利于污染物擴散。

表4 2016年、2017年1—3月全省各市平均風速和小風日數

表5 2016年、2017年1—3月全省冷空氣活動情況

3.2 混合層高度

混合層高度表征污染物在垂直方向被輸送擴散所能達到的高度，是反映污染物在垂直方向擴散能力的重要參數[7]。表6為全省主要站點2017年和2016年1—3月平均混合層高度，由表6可見，除榆林和鳳翔站外，其余站點2017年混合層高度與上年同期相比均有所降低。1—3月全省平均混合層高度為898 m，與上年同期相比降低22 m。混合層高度偏低，大氣垂直擴散能力較差。1月1—4日持續大范圍霾天氣過程期間，西安、咸陽、渭南空氣質量持續為嚴重污染等級，1—4日西安平均混合層高度僅為413 m，4日西安AQI指數高達484，混合層厚度僅為260 m。

表6 2017年、2016年陜西1—3月平均混合層高度 m

4 5—7月污染氣象條件分析

4.1 氣溫

相對于2016年，2017年 5—7月關中和陜北氣溫有較大升高。平均最高氣溫榆林升高2.1 ℃，西安升高1.8 ℃。日最高氣溫大于30 ℃和大于35 ℃日數也明顯增多。大于30 ℃日數，榆林增多最明顯，為23 d；其次為延安和西安，分別為13 d和8 d。大于35 ℃日數，渭南增多最明顯，為12 d；其次為西安和銅川，分別為11 d和10 d。榆林、西安、咸陽、渭南和銅川氣溫增幅較大與臭氧超標日數增加趨勢一致。

臭氧平均質量濃度和臭氧超標率基本隨日平均氣溫、日最高氣溫升高而升高(圖1)。西安和咸陽當日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃時，臭氧平均質量濃度超過200 μg/m3，超標率超過80%；而當日平均氣溫≤20 ℃或日最高氣溫≤25 ℃時，未出現臭氧超標。渭南當日平均氣溫在25～30 ℃或日最高氣溫在30～35 ℃時，臭氧超標率超過60%；日平均氣溫≤15 ℃或日最高氣溫≤17 ℃時，未出現臭氧超標。分析表明臭氧質量濃度與高溫顯著正相關。

圖1 西安2017年5—7月臭氧質量濃度和日最高氣溫逐日變化曲線

4.2 日照

根據臭氧質量濃度資料和日照時數資料統計分析，臭氧超標日與非超標日日照時數存在顯著差異，超標日和非超標日差異在40%。日照時數≥6 h時，各市臭氧平均質量濃度和臭氧超標率均較高，日照時數≥10 h時臭氧超標率最高，日照時數<2 h時，臭氧超標率小于15%。關中地區咸陽和渭南日照時數在8～10 h時臭氧超標率最高，臭氧平均質量濃度超過160 μg/m3；西安、寶雞和銅川日照時數≥10 h時臭氧超標率最高，臭氧平均質量濃度超過140 μg/m3。

4.3 相對濕度

2017年5—7月，陜北和關中平均相對濕度較上年同期有較大幅度降低，其中榆林降幅達18.7%，渭南次之降幅為14.9%。陜南降幅較小(圖2)。西安、咸陽、渭南和銅川臭氧超標日平均相對濕度較非超標日均有近20%的降幅。2017年5—7月關中城市臭氧平均質量濃度和臭氧超標率隨日平均相對濕度的升高而降低。當相對濕度<60.0%時，臭氧平均質量濃度在140 μg/m3以上；當相對濕度≥70.0%時，臭氧超標率明顯降低；而當相對濕度≥80.0%時，各市均未出現臭氧超標。由于大氣中的水汽影響太陽紫外輻射從而減緩光化學反應，且高濕度是形成濕清除的重要指標，因此高濕條件不利于臭氧的積累。

圖2 2017年、2016年5—7月全省各市平均相對濕度

5 結論

(1)2017年1—7月全省城市空氣質量優良天數在87～187 d之間，與2016年同期相比空氣質量較差。其中1—3月和5—7月大氣污染比較嚴重，主要出現在關中。1—3月全省首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，關中大部分城市出現超過40 d的霾天氣。霾天氣過程期間空氣質量持續為嚴重污染等級。5—7月首要污染物為臭氧，全省平均臭氧超標日數共29 d，較上年同期增加9 d。

(2)1—3月全省各市平均風速均在3.0 m/s以下且小風頻率較高；全省冷空氣活動較上年同期減少3次且強度偏弱；全省平均混合層高度與上年同期相比降低22 m。平均風速小，小風日數增多，冷空氣活動次數減少且強度偏弱，混合層高度偏低，是顆粒物污染過程增多的主要因素。

(3)5—7月關中和陜北氣溫較上年同期有較大升高，臭氧質量濃度與高溫顯著正相關，當日平均氣溫≥30 ℃或日最高氣溫≥35 ℃時，臭氧顯著超標。臭氧質量濃度隨日照時數增加而升高，日照時數≥6 h時，各市臭氧平均質量濃度均較高，日照時數≥10 h時臭氧超標率最高。臭氧質量濃度隨日平均相對濕度的升高而降低，當相對濕度<60.0%時，臭氧平均質量濃度超過140 μg/m3；當相對濕度≥70.0%時，臭氧超標率明顯降低。氣溫偏高，日照充足，濕度減小是造成臭氧超標日增多的主要因素。

[1] 宋連春,高榮,李瑩,等.1961—2012年中國冬半年霾日數的變化特征及氣候成因分析[J].氣候變化研究進展,2013,9(5)：313-318.

[2] WHITEMAN C D，HOCH S W，HOREL J D，et al.Relationship between particulate air pollution and meteorological variables in Utah's Salt Lake Valley[J].Atmospheric Environment，2014，94：742-753.

[3] 寧海文,吳息.西安市區大氣污染時空變化特征及其與氣象條件關系[J].陜西氣象,2005(2)：17-20.

[4] 鄧霞君,廖良清.胡桂萍.近10年中國主要城市空氣API及與氣象因子相關性分析[J].環境科學與技術,2013,36(9)：70-80.

[5] 陳摯秋,王建力.楊平恒.2014年重慶市大氣污染物濃度變化特征及其與氣象條件的關系[J].西南大學學報(自然科學版),2016,38(10)：147-153.

[6] 馬曉華,黃少妮,張科翔,等.關中地區一次霾天氣過程分析[J].陜西氣象,2017(4)：10-13.

[7] 王琦,張俠,張文靜.MM5/CALMET系統對陜西大氣穩定度的模擬[J].陜西氣象,2017(5)：23-26.