福州大气污染日与气象条件关系的探究

　　随着我国城市化进程的加快，各类环境问题日益凸显[1]。大气的严重污染不仅造成环境恶化，而且给人类健康带来重大影响[2-3]，已日益成为社会公众关心的热点。根据现有的环境监测数据分析，影响城市空气质量的主要因子除了污染物的排放和输送外，气象条件的变化对城市空气质量的影响也相当明显[4]。气象条件既可能有利于城市大气污染物的扩散，也可能造成大气污染物的局部堆集，故大气污染，是由于人类污染的排放与天气条件的综合作用导致的。本文利用20082012年福州城市的环境监测资料、气象资料，对造成城市空气质量达到污染日等级以上的天气现象进行分析，旨在专门探索可能出现福州大气污染日的天气形势及大气垂直分布特征，以期为污染日预报和预防，为环保部门发布重污染天气预警提供理论支持。
　　1 资料来源与研究方法
　　1.1资料收集和污染日等级确定
　　城市空气质量资料取自20082012年福州环境监测站的大气污染物观测资料，主要分析对象为PM10、SO2和NO2等。城市空气质量的每日监测结果API取自每日福州国控监测点数据的算术平均值。根据环境保护部2008年发布的《城市空气质量日报和预报技术规定》城市空气污染指数（API）技术规定：API大于100，为污染日，API大于300为重污染日。2008－2012年福州市大气污染日共有41天，重污染日有2天。
　　气象资料选取20082012年福州大气污染日地面气象要素，08时及20时海平面气压场、850 hPa、500 hPa高度图以及气象探空资料。
　　为便于统计分析，我们选取天气图中 20 35Ｎ、110 125E 为关键区（图略）。
　　2 结果与分析
　　2.1 福州污染日的时间分布特点
　　福州各季节大气污染日天数分布情况为：春季 19 天、占总数 44%；夏季 2 天，占总数 4.7%；秋季 1 天，占总数 2.3%；冬季 21 天，占总数 49%。图 1 为福州各月大气污染日出现天数占大气污染日总天数百分比分布图，图中显示福州 3 月大气污染日天数占大气污染日总天数百分比最大，占 25.6%；1 月次之，占 18.6%；4 月和 12 月为 16.3%；2 月为 14.3%；6 月为 4.7%；5 月和 11 月为 2.3%； 7-10 月没有大气污染日。
　　福州冬春季逆温现象出现频繁且逆温层较厚，空气层结稳定，特别是福州 3、4 月冷空气势力较弱时，低层大气多属静稳大气，大气扩散条件相对较差，而且地面多为偏北风，会带来北面工业污染，导致大气污染日天数相对较多。而夏秋两季逆温现象少，大气层结稳定性差，低层湍流交换强，午后多雷阵雨，易于污染物扩散。同时，风力较大，且多为源自洋面的洁净东南气流。另外，5、6 月份降水多，雨量大，能起到不断净化空气的作用，因此大气污染较少。
　　2.2 污染日与天气形势关系
　　2.2.1 500 hPa 大气环流背景
　　通过 2008-2012 年福州大气污染日 500 hPa 大气环流的背景分析可得，大气污染日我国 35N 以南中低纬度的 500 hPa 环流系统均为纬向分布，环流平直，华南多为偏西气流和西南气流控制，且中低纬度等高线稀疏。35N 以北可以是纬向环流，也可以是经向环流，但为经向环流时，冷空气主要在高纬度活动，路经偏北、偏东。这说明福州大气污染日发生时，500 hPa 关键区处在弱暖平流控制或冷空气活动较弱的天气背景下。
　　2.2.2 海平面气压场天气形势
　　近地层空气活动与大气污染关系密切。本研究以海平面气压场为主，结合 850 hPa 高度场，对海平面气压场天气形势与大气污染日的关系进行分析。出现大气污染日的海平面气压场主要有以下 6 种天气形势：大陆高压脊型、变性冷高压前部型、变性冷高压底部型或后部型、锋前暖区型、均压场型、地面倒槽暖区型。与同期无污染日同形天气形势相比较，前 5种天气形势出现大气污染日时，850 hPa 关键区等高线稀疏，天气系统活动较弱，冷空气势力不强，如图 2 中 850 hPa 高度场。而地面倒槽暖区型出现时，倒槽内的低压主体沿长江东移，或少动，福州处在地面倒槽暖区东侧边缘地带。
　　2.3 污染日气象要素的垂直结构特征分析
　　2.3.1 风的垂直结构特征分析
　　风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子。风向决定着大气中污染物的输送方向，风速则影响着大气中污染物的扩散稀释快慢，特别是低层风向、风速的变化直接影响空气污染物的聚散及各处的浓度分布[5]。分析福州 2008 年到 2012 年大气污染日探空观测风的垂直分布资料，93%近地层存在风向突变。风向突变是指大气风向随高度迅速变化，也可以看成两气团交界面。福州市区所在地属于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻岭所环抱，海拨高度 1000m 左右，围住下层气团。下层气团不易随上层气团一起移动。近地层下层气团内风速都不大，925 hpa 以下气层 58%的平均风小于 2 m/s，最大平均风速不超过 5.7 m/s，08 时静风风频为 30%。大气污染日地面平均风速 1.9 m/s，大大小于常年平均风速 2.6 m/s。群山围绕着近地层下层气团内产生的污染物，垂直与水平扩散受阻，污染物就近堆积，从而造成大气污染日天气。近地层风向突变情况、风速大小可作为福州污染日天气预报的参考因素。
　　2.3.2 温度的垂直结构特征分析
　　层结稳定度与空气污染物扩散呈反相关。逆温是决定大气稀释扩散能力的重要因子。当逆温生成时，湍流运动受到抑制，尤其湍流垂直运动难以发展，大气扩散能力减弱，污染物被向下卷夹，造成近地层污染物的大量积累[6]。2008-2012 这五年福州大气污染日近地层，100%存在逆温层或等温层。且大部分逆温层或等温层底部都是出现在 925 hPa 以下，污染源产生的污染物无法向上扩散，导致大气污染物在近地层堆积，从而造成污染日天气。因此逆温层，等温层可作为福州大气污染日天气预报的参考因素之一。
　　3 结论与讨论
　　(1) 福州大气污染日多发生在500 hPa高度场关键区在弱暖平流控制或冷空气活动较弱的天气背景下。
　　(2) 850 hPa 高度场关键区高线稀疏，天气系统很弱。
　　(3) 易发生大气污染日海平面主要气压场类型有：大陆高压脊型、变性冷高压前部型、变性冷高压底部型或后部型、锋前暖区型、均压场型、地面倒槽暖区型。
　　(4) 大气污染日时福州近地层存在逆温层和风向突变层，近地层与上层气流交流不畅。近地层大气气温较高，一般为静风或风速较小，是静稳大气，污染物的水平与垂直扩散能力都较低。逆温层、风向突变层可作为福州大气污染日天气预报的参考因素。
　　(5)近地层湿层的存在有利于污染天气形成。
　　总之，以上几点结论对福州大气污染日预报提供了一些基本思路及参考因素，易于操作，实用性强，并为环保部门发布重污染天气预警提供一定理论依据。但由于资料有限，本文仅作些粗浅探讨，对福州外来大气污染影响等考虑甚少，同时，城市间空气污染的相互影响及外来影响主要天气型在应用过程中还有待不断归纳、总结。