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西北部主要城市環(huán)境空氣質(zhì)量特征與預(yù)報(bào)影響因素分析

2017-11-07 11:22趙熠琳王曉彥原彩紅潘本鋒
關(guān)鍵詞:沙塵空氣質(zhì)量污染物

趙熠琳,王曉彥,汪 巍,原彩紅,李 亮,潘本鋒,王 帥,劉 冰

1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000122.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012

西北部主要城市環(huán)境空氣質(zhì)量特征與預(yù)報(bào)影響因素分析

趙熠琳1,王曉彥1,汪 巍1,原彩紅2,李 亮1,潘本鋒1,王 帥1,劉 冰1

1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000122.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012

西北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致各項(xiàng)污染物排放對(duì)空氣質(zhì)量影響形勢(shì)較為嚴(yán)峻,近幾年頻發(fā)的重污染過(guò)程嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活,因此開(kāi)展西北部主要城市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作十分必要。研究選取西北部主要城市展開(kāi)討論、分析,并初步總結(jié)了主要城市2013—2015年的空氣質(zhì)量分布特征、預(yù)報(bào)影響因素、預(yù)報(bào)要點(diǎn)等,為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)報(bào)工作人員在未來(lái)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中提供參考。

預(yù)報(bào);空氣質(zhì)量;分布特征;預(yù)報(bào)影響因素

中國(guó)西北部地區(qū)主要指包括陜西省、寧夏回族自治區(qū)、甘肅省、青海省和新疆維吾爾自治區(qū)在內(nèi)的“三省兩區(qū)”,該地區(qū)面積約為311萬(wàn)km2,占國(guó)土總面積約三分之一,該地區(qū)物產(chǎn)資源豐富,民族眾多,在當(dāng)前“一帶一路”大開(kāi)發(fā)的重要時(shí)期,無(wú)論是經(jīng)濟(jì)地位還是戰(zhàn)略地位都凸顯其重要性。

中國(guó)西北部的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)目前仍過(guò)度依賴第二產(chǎn)業(yè)(特別是重工業(yè)的發(fā)展),高耗能、高污染的重工業(yè)發(fā)展過(guò)快、比重過(guò)高,工業(yè)廢氣、廢水及固體廢物的排放都有逐年上升的趨勢(shì),其中廢氣排放在2012、2013、2014年分別占全國(guó)總排放量的 6.52%、9.25%、13.14%[1]。根據(jù)2013—2015年環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,西北部城市的空氣質(zhì)量形勢(shì)嚴(yán)峻,主要城市(西安、銀川、蘭州、西寧和烏魯木齊等)出現(xiàn)空氣質(zhì)量重污染情況較多,對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)生活、交通和生產(chǎn)都有一定影響。

2013年國(guó)務(wù)院頒布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》,對(duì)包括西北區(qū)域在內(nèi)的主要城市提出了開(kāi)展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作的明確要求,為大氣污染防治、公共健康及空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)計(jì)劃提供強(qiáng)有力的支持。目前,全國(guó)各區(qū)域的重點(diǎn)城市新標(biāo)準(zhǔn)預(yù)報(bào)正在逐步開(kāi)展。由于各種條件限制,西北大部分城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的研究工作還比較缺乏。本文從預(yù)報(bào)的基本原則出發(fā),分析影響西北地區(qū)的地理、大氣條件,污染來(lái)源等主要影響因素,試圖為西北地區(qū)城市預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)參考[2]。

1 西北部主要代表城市空氣質(zhì)量特征

以環(huán)境保護(hù)部正式公開(kāi)發(fā)布的中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站全國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按照典型地理特征選取有代表性城市:烏魯木齊市,位于準(zhǔn)噶爾盆地以南,天山山系西段的西部,天山中段偏北,市區(qū)三面環(huán)山;西寧市,位于湟水谷地之中,屬于河谷地形,四面環(huán)山,南、西、北三面被祁連山支脈環(huán)抱,東西狹長(zhǎng);蘭州市,位于隴西黃土高原西部,是青藏高原向黃土高原的過(guò)渡地區(qū),市區(qū)南北兩側(cè)被祁連山脈包圍,黃河貫穿全市自西南流向東北,形成峽谷與盆地相間的串珠形河谷;銀川市,位于黃河上游寧夏平原中部,東臨黃河,西靠賀蘭山,主要地形分為山地和平原2部分;西安市,地處渭河平原,又稱關(guān)中平原或關(guān)中盆地,西鄰太白山地,南臨秦嶺,北部為陜甘黃土高原邊緣。以上5個(gè)城市涵蓋了各種地形地貌特征,具有一定代表意義。

對(duì)上述5個(gè)城市2013—2015年的空氣質(zhì)量分布特征進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 2013—2015年西北5城市AQI日均值Fig.1 Five main cities’daily AQI data of northwest China from 2013 to 2015

1.1季節(jié)性特征

烏魯木齊、西寧、蘭州、銀川和西安在采暖季(10月—次年4月)各項(xiàng)污染物濃度較非采暖季(5—9月)污染物濃度高。超標(biāo)天數(shù)見(jiàn)表1。

表1 西北5個(gè)城市采暖季及非采暖季重污染天數(shù)Table 1 The number of days between heating and non-heating season of northwest China d

1.2顆粒物、SO2和O3的分布與季節(jié)、燃煤期和自然源有顯著相關(guān)性

2013—2015年采暖季AQI指標(biāo)污染超標(biāo)期間,顆粒物濃度在1—4月和10—12月均明顯高于5—9月,各重點(diǎn)城市PM2.5在采暖季的月均值要高于非采暖季1.84~5.61倍,PM10的月均值高1.73~4.22倍,2013—2015年P(guān)M2.5和PM10月均質(zhì)量濃度變化詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 2013—2015年P(guān)M2.5月均值對(duì)比Fig.2 PM2.5 monthly average data from 2013 to 2015

圖3 2013—2015年P(guān)M10月均值對(duì)比Fig.3 PM10 monthly average data from 2013 to 2015

各重點(diǎn)城市以SO2為首要污染物的天數(shù)極少(表2),只有銀川出現(xiàn)SO2為首要污染物情況較多,且實(shí)況空氣質(zhì)量為二~三級(jí),在2015年有明顯改善,AQI指數(shù)范圍為50~120之間;但是各重點(diǎn)城市的SO2監(jiān)測(cè)日均值濃度同樣呈現(xiàn)“U”字型特點(diǎn),高濃度時(shí)間段與冬季采暖季(10月15日—次年4月15日)相重合,大多數(shù)月均值顯示濃度有逐年下降的趨勢(shì)(圖4)。

表2 西北5個(gè)城市SO2為首要污染物天數(shù)Table 2 The number of dayswhich SO2 as theprimary pollutant of northwest China d

圖4 2013—2015年重點(diǎn)城市SO2月均值對(duì)比Fig.4 SO2 monthly average data from 2013 to 2015

O3全年濃度變化趨勢(shì)則呈現(xiàn)明顯季節(jié)性特點(diǎn),以烏魯木齊和西安的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)最為突出,O3質(zhì)量濃度隨著溫度的上升逐步升高,隨著溫度的下降而降低(圖5)。

圖5 2013—2105年O3月均值對(duì)比Fig.5 O3 monthly average data from 2013 to 2015

1.3自然源排放的季節(jié)特點(diǎn)

2013—2015年沙塵天氣影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,由表3可以看出,在2013—2015年期間,歷年3—5月發(fā)生的重度級(jí)以上空氣污染狀況,絕大多數(shù)是由局地沙塵天氣引起的。

表3 2013—2015年沙塵天氣影響情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Days, times and influence provincesby sandstorm in 2013—2015

2 預(yù)報(bào)影響因素分析

2.1地理和氣候特點(diǎn)

西北三省兩區(qū)的地勢(shì)與中國(guó)中東部地區(qū)地勢(shì)高度差距懸殊,地形復(fù)雜多樣,主要以高原、山地、盆地為主,還相間分布了平川、冰川、河谷、沙漠、戈壁。這種特殊復(fù)雜的地形地貌和下墊面因素對(duì)氣候形成的影響十分顯著,主要影響因素還包括地形、冰雪覆蓋和局地地面等特性。

西北干旱區(qū)位于內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,年均降水量低,根據(jù)2015年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)烏魯木齊年降水量為285.2 mm,西寧為398.2 mm,蘭州為310 mm,銀川為186.3 mm,西安為514.1mm[3],綜合其他干旱指標(biāo)考慮,西北部大多數(shù)地區(qū)仍處于中度干旱。干旱的地理環(huán)境容易造成地表疏松,在強(qiáng)風(fēng)的條件下容易造成沙塵暴和浮沉天氣的出現(xiàn)。

沙塵天氣是典型的大氣顆粒物沉降現(xiàn)象,它作為一種流動(dòng)的大面積污染源,是造成西北地區(qū)多數(shù)城市發(fā)生重污染事件的主要原因之一[4],也是一種跨省區(qū)的大氣污染現(xiàn)象,最遠(yuǎn)傳輸距離為430~2 500 km。每年的3—5月為沙塵天氣的高發(fā)期,而造成單個(gè)城市小區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量受到明顯影響且不會(huì)擴(kuò)散到其他城市的局地性揚(yáng)塵則在一年四季都會(huì)出現(xiàn)[5-6],西北部地區(qū)沙塵暴以北部、西部發(fā)生頻次較多。

通過(guò)分析2013—2015年3—5月日均濃度值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況,PM2.5占PM10的比例均低于30%,在烏魯木齊還出現(xiàn)PM2.5僅占PM10不到15%的情況,顆粒物污染主要成分為PM10及TSP,證明在這3個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)的以顆粒物為首要污染物的重污染過(guò)程主要原因?yàn)樯硥m影響(圖6)。

圖6 2013—2015年3—5月PM10、PM2.5日均值濃度比例Fig.6 March to May’s concentration ratio of PM10 and PM2.5 from 2013 to 2015

2.2大氣擴(kuò)散條件特點(diǎn)

中國(guó)西北部地區(qū)由于地理位置原因,不僅受夏季的副熱帶天氣系統(tǒng)以及低緯度天氣系統(tǒng)影響,還受冬季溫帶天氣系統(tǒng)和極地冷氣團(tuán)影響,加之內(nèi)陸地區(qū)與海洋距離較遠(yuǎn),5個(gè)代表城市周邊都環(huán)繞高山,極易產(chǎn)生環(huán)流。圖7是夏季(8月)和冬季(12月)中央氣象臺(tái)500 hPa高空?qǐng)D,西北部地區(qū)的大氣特點(diǎn)主要為夏季受副熱帶峰區(qū)和青藏高原高壓的影響多陣雨天氣,高空偶爾會(huì)受到副高壓的影響;冬季主要受外蒙古及西伯利亞低壓冷空氣影響,南部更多受到青藏高原影響,在有利的高空大氣環(huán)流引導(dǎo)下形成向東南移動(dòng)的影響整個(gè)西北地區(qū)氣候的寒流。

圖7 中央氣象臺(tái)500 hPa高空?qǐng)D8月和12月示例圖Fig.7 August and December’s 500 hPa example meteorogram from CMA

低空受地面冷高壓影響,部分地區(qū)或城市由于地形因素可能導(dǎo)致其受低空急流影響相較其他城市更為明顯,尤其在局地具備干燥或前期缺少降水、以及疏松和溫度回暖等地表?xiàng)l件時(shí),極大可能生成小規(guī)模沙塵傳輸。

由于西北部地區(qū)地面全年以西北風(fēng)和西南風(fēng)為主,加之省會(huì)城市分處的特殊地理位置(盆地、河谷等地形地貌),較其他地區(qū)更易產(chǎn)生區(qū)域靜風(fēng)、小風(fēng)(風(fēng)速<0.5 m/s為靜風(fēng),0.5 m/s≤風(fēng)速<1.5 m/s為小風(fēng)),對(duì)于大氣污染物擴(kuò)散不是很有利[7]。以蘭州為例,在1961—2010年期間,靜風(fēng)、小風(fēng)的年平均天數(shù)達(dá)到313 d,占全年的85%[8]。

由于混合層內(nèi)平均垂直風(fēng)速和混合層厚度的乘積可以反映混合層內(nèi)垂直擾動(dòng)情況。西北部地區(qū)春季和夏季的高層風(fēng)較大,動(dòng)量下傳,混合層厚度較秋季和冬季高,垂直對(duì)流較為強(qiáng)烈,更利于污染物的擴(kuò)散和稀釋,秋季和冬季的混合層厚度較低,垂直湍流較弱,對(duì)于污染物的垂直擴(kuò)散不利。

2.3污染源特點(diǎn)

自2000年西部大開(kāi)發(fā)以來(lái),西北部區(qū)域工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有明顯提高,但是相對(duì)而言,廢氣排放總量亦呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),根據(jù)全國(guó)第一次污染源普查數(shù)據(jù)顯示,僅在2008年工業(yè)廢氣排放總量較2007年就增長(zhǎng)明顯,全區(qū)4項(xiàng)主要污染物(化學(xué)需氧量、氨氮、SO2、氮氧化物)排放量分別為56.02、4.03、 66.80、63.73萬(wàn)t。

西北部地區(qū)秸稈資源分布差異較大,陜西年產(chǎn)秸稈量約3 100萬(wàn)t,甘肅約2 500萬(wàn)t,寧夏約485萬(wàn)t,新疆約834萬(wàn)t[9]。當(dāng)農(nóng)作物收割以后,部分秸稈產(chǎn)量較多的地區(qū)會(huì)選擇焚燒方式處理秸稈,由于秸稈產(chǎn)量和地形原因,秸稈焚燒可能對(duì)西北關(guān)中地區(qū)空氣質(zhì)量影響較大。

3 預(yù)報(bào)要點(diǎn)分析

根據(jù)西北部空氣質(zhì)量情況,污染物濃度分布特征及影響因素的分析,各城市在進(jìn)行日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中應(yīng)注意的預(yù)報(bào)要點(diǎn)如下。

3.1以時(shí)間為主線

春季以大氣排放影響導(dǎo)致空氣質(zhì)量重污染的情況較多,所以預(yù)報(bào)過(guò)程應(yīng)注意是否滿足沙塵生成前提條件,如出現(xiàn)冬季干旱、降水降雪量低導(dǎo)致的地表疏松等起沙條件,伴隨影響西北部地區(qū)的850 hPa低空激流活動(dòng)頻繁,具備傳輸條件時(shí),應(yīng)在日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)過(guò)程中隨時(shí)關(guān)注突發(fā)性沙塵影響導(dǎo)致短期過(guò)境的以PM10為首要污染物的區(qū)域性重污染過(guò)程預(yù)報(bào)預(yù)警。

夏季由于西北部地區(qū)的地勢(shì)從西向東由高到低,南疆和甘肅酒泉地區(qū)地勢(shì)高度可達(dá)1 300 m,而青海及隴南部分地區(qū)較低,大約為500 m,有利于本地排放污染物的擴(kuò)散,但由于受副熱帶高壓及青藏高原高壓的影響,在高溫天氣過(guò)程中應(yīng)著重考慮本地O3污染。

秋季和冬季的空氣質(zhì)量比春季和夏季明顯較差,主要原因?yàn)榇髿饣旌蠈雍穸容^低,垂直湍流較弱,混合層對(duì)污染物的垂直擴(kuò)散非常不利,同時(shí)由于西北地區(qū)更早進(jìn)入采暖期,采暖期內(nèi)(10月—次年4月)的燃煤排放等都易導(dǎo)致以PM2.5為首要污染物的重污染天氣形成;當(dāng)受到外蒙古及西伯利亞低壓冷空氣影響時(shí),污染物擴(kuò)散有利,空氣質(zhì)量可得到一定改善。

3.2主要以污染過(guò)程為主線

因?yàn)榈?氣相互作用的界面上持續(xù)進(jìn)行著物質(zhì)、能量和水分的交換,這些因素時(shí)刻影響著一個(gè)城市的空氣質(zhì)量[10-11],所以預(yù)報(bào)工作中分析擴(kuò)散條件時(shí)應(yīng)注意,區(qū)域范圍處在靜穩(wěn)條件覆蓋時(shí),氣象條件不利于污染物擴(kuò)散,易形成由本地人為排放污染物累積導(dǎo)致的污染過(guò)程,本地人為排放較高時(shí)還有可能形成區(qū)域性污染物傳輸。

區(qū)域范圍處在低空急流條件覆蓋時(shí),則需關(guān)注是否具備起沙條件,當(dāng)傳輸條件與起沙條件同時(shí)具備時(shí),應(yīng)留意研判上述條件增加和適時(shí)增加過(guò)程性或突發(fā)性沙塵影響短期PM10污染。

4 結(jié)論

依據(jù)2013—2015年全國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果特征分析,西北部主要城市環(huán)境空氣質(zhì)量及各項(xiàng)污染物分布均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征,主要的影響因素包括地理、氣候、大氣擴(kuò)散條件及污染源排放等。綜上考慮,西北部空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)應(yīng)注意的要點(diǎn)為春季主要考慮短時(shí)或過(guò)程性沙塵及秸稈焚燒影響預(yù)報(bào),夏季關(guān)注本地O3污染,秋季和冬季著重關(guān)注采暖期排放以及不利的大氣擴(kuò)散條件導(dǎo)致的重污染天氣過(guò)程。

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AnalysisontheImpactFactorsofAirQualityCharacteristicsandForecastofMajorCitiesinTheNorthwestofChina

ZHAO Yilin1,WANG Xiaoyan1,WANG Wei1,YUAN Caihong2,LI Liang1,PAN Benfeng1,WANG Shuai1,LIU Bing1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring,China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

The pollution of air quality situation in the Northwest of China is grim because of the rapid development of regional economy and industry. Frequent heavy pollution has seriously affect the production and life of local residents in recent years, to carry out the air forecast for the major city in the Northwest of China is very necessary. The air quality data of the major cities in the Northwest of China in past three years was selected in the paper, to discuss, analyze and summarize the air quality distribution characteristics, forecast the impact factors and forecast precautions of the major cities, The result might provide reference on air forecasting work of environmental monitoring system in the future.

forecast;air quality;distribution characteristics;impact factors of forecast

X84

A

1002-6002(2017)05- 0082- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.12

2016-12-16;

2017-01-09

科技部2015年度環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“多尺度空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)對(duì)接技術(shù)與業(yè)務(wù)示范研究”(201509014)

趙熠琳(1986-),女,北京人,碩士,工程師。

劉 冰

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