岳阳城区空气污染的变化特征及气象影响因素分析

　　1 引言
　　随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，大气污染愈来愈成为人们关注的热点。API指数是反应环境空气质量水平的重要指标，是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。污染物质量浓度变化的周末效应与人类活动密切相关，同时气象要素是制约污染物在大气中稀释、扩散、迁移和转化的重要因素。许多研究人员从大气污染物浓度的时空分布特征，到空气污染与气象要素的相关关系，以及天气类型与大气污染物浓度的变化关系等方面对空气污染问题开展了诸多研究，并对典型污染日天气背景和成因进行了分析。还有些研究介绍了适合于当地空气污染业务的预报方法，并用最优子集回归和统计模式等方法建立了回归方程，取得了很好的预报效果。
　　近年来，随着岳阳城市化与工业化进程的加快，衍生了各种各样的污染源，为改善空气环境质量，采取削减二氧化硫、氮氧化物的排放、取缔和改造燃煤锅炉数量等措施后，岳阳城区主要污染物排放实现逐年递减，空气得到有效净化。从 2014 年 1 月 1 日开始，岳阳市环保局按照新修订的《环境空气质量标准》发布岳阳城区各地的空气质量（即 AQI）。本文分析了近年 API 指数的变化规律，探讨影响 API 指数的气象因子,并对典型空气污染过程天气形势进行了分析，用多元回归方法建立 API 指数及气象因子的预报方程, 以便更好地利用已有的气象资料制作空气污染的预报，为科学有效地控制和治理岳阳城区大气污染提供必要的依据。
　　2 资料来源与选取
　　气象资料来源于岳阳市气象局基本气象观测站，空气污染资料（API指数）来源于岳阳市环保局，年、月、季API指数为岳阳市南湖风景区、城陵矶、开发区、云溪区、君山区5个环境空气质量评价点的平均值，季节划分为冬（上年12月一当年2月）、春（35月）、夏（68月）、秋（911月）。
　　3 空气污染变化特征及与气象因子的关系
　　3.1 空气污染变化特征
　　20042013年岳阳城区API指数10年平均值为82，最多为2005年（97），最少为2012年（67），两者相差30，占10年平均值的37%。过去10年间，年、季API指数逐年减少，且通过0.05信度显著性检验，表明岳阳城区API指数呈显著减少的趋势。各季API指数中，10年平均值冬季最大（91），夏季最小（67），且冬季标准差最大为17.2，夏季最小为7.1，表明岳阳城区冬季空气污染最严重且年际变化较大，而夏季空气污染相对较轻且年际变化较小。
　　3.2 空气污染与风向频率的关系
　　3.2.1 空气质量评价点与污染源的分布
　　岳阳城区的首要污染物以可吸入颗粒物为主，可吸入颗粒物的形成主要有两个途径：其一，各种工业过程（燃煤、冶金、化工、内燃机等）直接排放的超细颗粒物；其二，大气中二次形成的超细颗粒物与气溶胶等。其中，第一种途径是可吸入颗粒物的主要形成源，也是可吸入颗粒物污染控制的重要对象。在进入采暖季后，也就是每年的11月份至第二年的3月份，由于燃煤供暖，增加了空气中二氧化硫的排放量，在这个时期，二氧化硫有时为首要污染物。二氧化硫主要来源于煤炭、石油等含硫燃料的燃烧以及金属冶炼、石油加工等工业废气的排放。大气中氮氧化物主要来自汽车废气以及煤和石油燃烧的废气。
　　岳阳市 5 个环境空气质量评价点中（图略），云溪区地处岳阳城区的东北部；城陵矶位于长江与洞庭湖交会的右岸，是 Y 字形水道南侧的洞庭湖口节点，三面临水；君山区位于城区西郊，北靠长江，南濒洞庭湖；开发区和南湖风景区毗邻，位于岳阳城区，其中开发区位于城区东部，南湖风景区滨临南湖。
　　3.2.2 年、季、月风向频率
　　近地层风速对污染物扩散的浓度和速率产生影响，而风向尤其是主导风向对城区空中污染物的扩散方向产生影响。图 3a 中，2004－2013 年岳阳城区年平均风向频率在 N、NNE、NE 方向较大，分别为 16%、16%和 13%，三个方向风向频率合计为 45%，其他方向风向频率分别为 2－7%，因此，岳阳城区以北偏东方向为主导风向。
　　3.2.3 空气污染时空分布与风向频率的关系
　　岳阳城区空气质量有着显著的季节和空间差异，其原因与污染源、大气状况和受体有关。岳阳城区工业污染源位于东北方向，而年主导风向为北偏东，因此，岳阳市城市工业布局方向与年主导方向一致，使得市区广大区域处于工业气流的下游，导致空气污染加剧。这一点从月季风向频率差异可以看得更清楚：冬季北偏东风向频率达57%，主导风向又叠加在污染源之上，对应冬季空气污染最严重且年际变化较大；夏季S方向风向频率最大，N方位风向频率次之，对应夏季空气污染相对较轻且年际变化较小。尤其7月S方向频率达23%，S、SSW、SW方向风速分别为4.3m/s、5.2%、4.0 m/s，既少受污染源的影响，又有利于污染物的扩散，因此，7月API指数全年各月最低，空气质量最好。另外，由于湖面比较光滑，空气在水平面上运动时受到的摩擦阻力很小，因此，湖面上风速一般比陆地大，污染物扩散快于陆地，而城陵矶三面临水，南湖风景区滨临南湖，因此，城陵矶和南湖风景区空气质量相对较好。
　　3.3 空气污染与大气稳定度的关系
　　大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重要因素。当大气层结不稳定，热力湍流发展旺盛，对流强烈，污染物易扩散。当大气层结稳定时，湍流受到抑制，污染物不易扩散稀释，特别当逆温层出现时，通常风力弱或无风，使烟尘聚集地表，造成严重空气污染。
　　当天气晴朗少云时，白天地面强烈吸热，夜晚散热迅速，表现为气温日较差大，极易形成辐射降温，使大气处于稳定状态，这种情况在冬季尤为突出。通过统计 2013 年 API 等级对应的日较差平均值可知：API 等级为优有 71d，气温日较差平均值为 6.0 ；为良有 249d，气温日较差平均值为 6.2 ；为轻度污染有 40 天，气温日较差平均值为 6.3 ；为中度污染有 4 天，气温日较差平均值为 7.1 。可以看出，气温日较差越大，大气越稳定，空气污染也越严重。同时，岳阳城区夏半年逆温天气出现频率较少，逆温层厚度较薄，高度相对偏低，持续时间短；冬半年逆温天气出现的频率较多，持续时间和强度均大于夏半年，大气层结比较稳定，不利于空气污染物的扩散稀释，因此岳阳城区空气污染表现出明显的冬半年偏高、夏半年偏低的季节特征。
　　4 典型空气污染过程成因分析
　　2013年岳阳城区没有出现重度以上的污染日，仅1月16日、28日、19日、17日API指数达到中度污染，API指数分别为164、164、156、152，本文对1月16-19日典型空气污染过程的雾霾天气实况、大尺度环流背景及空气污染成因进行分析。
　　4.1 气象卫星监测雾霾实况
　　2013年1月10日以来，我国中东部地区冷空气活动势力较弱，大气层结相对稳定，不利于污染物的扩散，出现持续雾霾天气。多地测得PM2.5指数直逼历史极值，造成严重的空气污染。15日（08:41）卫星监测到的我国中东部大雾面积最大，约为47.2万平方公里。15日下午随着冷空气的扩散南下，影响我国中东部多日的雾霾天气得到缓解。
　　4.2 大尺度环流背景
　　2013年1月上旬欧亚中高纬呈两槽一脊形势，经向度大，其中1-5日随着东北冷涡东移，横槽转竖，引导冷空气不断向南输送，导致全国大部气温偏低。同时，由于暖湿气流活跃，此次强冷空气过程还导致我国南方地区出现了大范围雨雪冰冻天气。1月上旬，全国平均气温较常年同期偏低3 ，为1978年以来同期第二低值，其中北方和华南西部地区气温普遍偏低4 以上。中旬，随着极地冷涡南落，西伯利亚高压脊在东移过程中减弱崩溃，中高纬环流调整为纬向型，我国大部受弱脊控制，冷空气活动势力较弱，大气层结相对稳定，不利于污染物的扩散，导致我国中东部地区出现了大范围雾霾天气。
　　4.3 空气污染成因分析
　　造成1月16-19日岳阳城区空气污染加重的成因主要有二方面：一是气象因素，1月6－16日，由于无明显冷空气活动，本地平均气温从0.8 持续上升到8.4 ，近地层平均风速较小，日平均风速为1.2－2.1m/s，13－14日总云量均为2成，天空晴朗，同时近地层有逆温层存在，大气层结相对稳定，不利于空气中污染物水平和垂直扩散，加上久晴少雨，使污染物在近地面逐渐积聚，导致9－10日和12日岳阳城区出现了霾；二是外地输入因素，15日岳阳城区受偏南风控制，受弱冷空气扩散南下影响，16日4时开始转为偏北风，风速逐渐加大，17日偏北风平均风速达到4.2m/s，平均气温较16日下降近4 ，冷空气将北方大气污染物输送到岳阳城区上空，导致岳阳城区空气污染加重。
　　6 结论
　　（1）岳阳城区 API 指数呈显著减少的趋势。冬季空气污染最严重且年际变化较大，而夏季空气污染相对较轻且年际变化较小。岳阳城区 1－12 月 API 指数基本呈v型变化
　　（2）5 个环境空气质量评价点中，城陵矶最好，南湖风景区次之，开发区和君山区基本相当，云溪区最差。城陵矶三面临水，南湖风景区滨临南湖空气质量相对较好。
　　（3）岳阳城区年、冬季主导风向叠加在污染源之上，导致空气污染加剧；夏季 S 方向风向频率最大，减少了污染源的影响，尤其 7 月偏南风风速大，有利于污染物的扩散，空气质量最好。靠近水域的地方风速相对较大，污染物扩散较快，空气质量较好。
　　（4）气温日较差大、逆温等大气处于稳定状态下空气污染加重。
　　（5）本地气象和外地输入因素导致 2013 年岳阳城区出现一次比较典型的空气污染过程。
　　（6）日平均气温、日降水量、日平均风速、日日照时数、日均露点温度、是否有轻雾、大雾、霾对日 API 指数有显著影响。