路明 沈沉 李洪權(quán) 施金海 嵇浩翔

(1.德清縣氣象局，浙江 德清 313200；2.湖州市氣象臺，浙江 湖州 313000；3.德清縣環(huán)境保護局，浙江 德清 313200)

0 引 言

浙江省湖州市德清縣素有“名山之勝，魚米之鄉(xiāng)，絲綢之府，竹茶之地，文化之邦”的美譽。首屆聯(lián)合國世界地理信息大會于2018年11月19日在德清召開。隨著工業(yè)化的發(fā)展與人口數(shù)量的增多，我國各城市的大氣污染問題越來越嚴重。為了保障地信大會召開的空氣質(zhì)量，我們學習了關(guān)于APEC、互聯(lián)網(wǎng)大會、G20等國際會議空氣質(zhì)量保障的相關(guān)研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)單純地按空間距離來劃分保障區(qū)域及其管控措施具有一定的局限性，而如何在對生產(chǎn)生活影響最小的情況下保障空氣質(zhì)量，同時又能起到保障大會召開期間空氣質(zhì)量最好的效果，是應(yīng)在分析氣象大數(shù)據(jù)以及經(jīng)濟社會生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上制定針對符合德清大氣污染規(guī)律的措施。

國內(nèi)外學者利用了如軌跡模型[6]、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型[7、8]等方法研究大氣污染規(guī)律及成因。然而，也有許多學者結(jié)合了氣象要素，從大氣循環(huán)[9]、逆溫層結(jié)構(gòu)、高濕天氣條件[10]、降雨[11、12]、高溫[13]、風[14]等方面進行分析。李宗楷等表明降水的重要性在于云內(nèi)的吸附過程和降水沖刷，降水強度大，清洗系數(shù)就大，大氣污染物濃度隨降水強度增大而迅速減少[15]。

由前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，影響本地PM2.5等大氣污染物的擴散和傳播的主要因素是適當?shù)奶鞖鈼l件背景和外源輸送作用[16]。因此，結(jié)合氣象要素研究德清大氣污染物的規(guī)律和成因，為政府部門制定適當?shù)拇髿猸h(huán)境保護政策與采取針對性的治理措施從而順利召開聯(lián)合國地理信息大會，有非常重要的意義。

1 資料與研究方法

1.1 資 料

PM2.5、PM10日最大值來自德清縣環(huán)境保護局與德清縣氣象局聯(lián)合發(fā)布的實況監(jiān)測數(shù)據(jù)。氣象實況觀測資料來自縣氣象局，包括塔山國家一般氣象觀測站(58454)日降水量、逐時極大風向風速等。HYSPLIT模式采用的氣象資料是在FNL全球分析資料基礎(chǔ)上，經(jīng)過美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室(ARL)處理后轉(zhuǎn)化成模式所需格式。

1.2 HYSPLIT模式

氣團后向軌跡采用HYSPLIT-4.9模式繪制，該模式是ARL與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的后向軌跡模式，具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較完整的輸送、擴散和沉降模式，已被廣泛應(yīng)用于研究大氣污染物的輸送、擴散與沉降[17]。

1.3 PM2.5和PM10標準依據(jù)

《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)中PM2.5日均值一、二級限值分別為35、75；年均值一、二級限值分別為15、35。PM10日均值一、二級限值分別為50、150；年均值一、二級限值分別為40、70。

2 結(jié)果與討論

2.1 德清縣氣候特征

11月中下旬德清處于秋末時節(jié)，氣象條件總體較好，晴朗天氣較多，氣溫較適宜。根據(jù)1973—2017年氣象歷史資料分析，歷年平均雨量42.7 mm，降雨日數(shù)平均為6.7 d；平均氣溫10.7 ℃，歷史極端最高氣溫28.7 ℃(1998年)，極端最低氣溫-3.5 ℃(1993年)，平均最高氣溫20.6 ℃，平均最低氣溫2.3 ℃。同時，由于冷空氣活動趨于頻繁，在這期間，易出現(xiàn)連陰雨、大霧、大風、霾等不利天氣。

2.2 降水概率

本縣近10 a里，每年11月中下旬都會出現(xiàn)1～2次的連陰雨(連續(xù)3 d或以上日降雨量≥0.1 mm)。許多研究表明日雨量為中雨及以上時對凈化空氣，改善空氣質(zhì)量有顯著效果[18-20]，統(tǒng)計近45 a 11月11日—30日中雨及以上的逐日降水概率(圖1)，該段時間均未出現(xiàn)暴雨，可見出現(xiàn)可改善空氣質(zhì)量的降雨總概率均不高于20%，因此該時段的天氣條件不太利于大氣污染物的沉降。

圖1 德清縣近45 a(1973—2017年)11月中下旬降水概率統(tǒng)計

2.3 風速、風向頻率與污染物關(guān)系

圖2為2008—2017年7月、11月的風玫瑰圖。7月風向SSW的頻率為17.6%，風向S的頻率為13.25%，東南風基本為海上的清潔暖濕空氣，7月各氣象要素均有利于污染物擴散；11月風向NW頻率為12.85%，風向NNW頻率為11.52%?？紤]到污染源分布，PM2.5濃度在西北風影響下濃度較高，偏東風時濃度最低，因此11月份本地PM2.5濃度將有所增加[21、22]。

從2017年主要污染物PM2.5月平均變化(圖略)，明顯看出7月、8月為PM2.5濃度最低的兩個月，11月、12月PM2.5濃度快速增加，11月均值達到了46；12月均值為65，與風向頻率結(jié)論一致。

2.4 近10 a大氣污染物變化特征

對2008—2017年11月11—30日期間霾天氣影響天數(shù)進行統(tǒng)計，霾日總共出現(xiàn)了70 d，單日出現(xiàn)霾的氣候概率為35.0%。近10 a中有4 a霾日超過10 d，但近3 a霾日在2～3 d，呈顯著減少的趨勢。通過箱線圖對比2013—2017年11月中下旬PM2.5、PM10日均值(圖3)可見自2015年來通過不懈的治理，本縣的空氣質(zhì)量有顯著改善，并且近3 a的該時段均維持在二級濃度限值以內(nèi)。

圖2 2008年—2017年(a)7月、(b)11月風玫瑰圖(風頻每圈間隔為3%，風速每圈間隔為0.6 m/s)

圖3 2013—2017年11月中下旬(a)PM2.5、(b)PM10日均值箱線圖

2.5 HYSPLIT模式后向軌跡計算

利用HYSPLIT模式選取200、1000、2000 m高度對本地進行污染較為嚴重的2013、2014年的72 h的氣團后向軌跡計算，可以發(fā)現(xiàn)本地的輸入性污染物均來自于北方地區(qū)(圖4)。李正等也研究表明杭州的污染氣團主要來自局地輸送、西北(如京津冀和山東)、西南(如湖南、江西和安徽)地區(qū)[23]。

圖4 (a)2014年，(b)2013年11月19日8:00德清縣氣流后向軌跡圖

分析2014年11月19日08時本地大氣污染來源問題(圖4a)，發(fā)現(xiàn)從16日08時起，2000 m氣團于俄羅斯境內(nèi)開始，途經(jīng)蒙古、華北重工業(yè)基地一直吹向本地；1000 m氣流于內(nèi)蒙古出發(fā)，沿西北向途經(jīng)河南、安徽等省進入本地；200 m則途經(jīng)京津唐工業(yè)基地、山東、江蘇等地且風速較慢，更容易攜帶污染物。由此可見，輸入性污染物主要來自北方地區(qū)，結(jié)合不利于污染物擴散的氣象條件，從而更容易造成大氣污染過程的發(fā)生。2013年(圖4b)1000 m和2000 m氣團路徑幾乎一致，表明整層氣團較為穩(wěn)定并更易攜帶污染物進入本地；200 m氣團源于京津冀工業(yè)基地，后進入黃海，由上海拐入本地。由此可見，西北地區(qū)的輸入性污染物對本地空氣質(zhì)量起主要影響作用。

2.6 保障區(qū)域劃分

污染系數(shù)是用來表示污染程度的大小的物理量，其與受污染的時間和污染物濃度有關(guān)。它的計算公式如下：污染系數(shù)=風向頻率/平均風速?？諝馕廴鞠禂?shù)綜合了風向和風速的作用，代表了某方位下風向空氣污染的程度。某方位下風受污染的時間與該方位風向頻率成正比，而污染濃度與該方位的平均風速成反比。污染系數(shù)在廠址選擇和企業(yè)內(nèi)部布局中是一項重要的依據(jù)。故而，相對污染受體，污染源應(yīng)設(shè)在污染系數(shù)最小的方位的上側(cè)。該項研究對于開展大會期間空氣質(zhì)量應(yīng)急保障也具有很大的指導(dǎo)意義。

圖5 2008—2017年7月、11月各風向下的污染系數(shù)

根據(jù)2008—2017年近10 a的7月、11月的風頻、風速數(shù)據(jù)，計算出這兩個月的污染系數(shù)(圖5)，則11月的污染系數(shù)大值區(qū)集中在偏北、偏西北風向下，最大值為風向WNW下的7.63；而7月的污染系數(shù)曲線與11月的有明顯差異，大值區(qū)集中在偏南、偏西南方向，最大值為風向SSW下的8。因此大會保障區(qū)域的設(shè)置應(yīng)當充分考慮污染系數(shù)。

前期的環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域如圖6a所示，以地信會議場館為中心，分別以30、50和100 km為半徑，劃定環(huán)境質(zhì)量保障核心區(qū)、嚴控區(qū)、管控區(qū)。然而此區(qū)域未能充分考慮污染物輸入這個重要因素，該時間段南向風概率以及污染系數(shù)均較低，西北風概率及污染系數(shù)為高值。在考慮近10 a偏北風風速最大值為8.2 ～11.2 m/s，以及至少12 h空氣污染應(yīng)急管理時間后，可以考慮將保障區(qū)域調(diào)整為：以德清為焦點，長軸為60、100、200 km的橢圓形(圖6b)。

3 應(yīng)急管控措施

由以上分析可見，僅監(jiān)控本地污染物來采取管控措施是滯后的，應(yīng)擴大監(jiān)控范圍，尤其是監(jiān)控風向上游城市，并根據(jù)新調(diào)整的保障區(qū)域，提前調(diào)研上游城市的主要污染點(企業(yè))進行重點布控。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)，按照上游城市空氣監(jiān)測結(jié)果和本地環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測結(jié)果，實行分級別、分強度的管控措施。

圖6 德清縣環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域

由于采用應(yīng)急管控措施后空氣質(zhì)量改善效果顯著，其后環(huán)境應(yīng)急措施被頻繁運用于我國舉辦的各項國際或國內(nèi)盛會期間，例如在2010年上海世博會、2014年北京APEC會議、2015年大閱兵、2016年G20會議期間等，舉辦城市均采取了重點污染企業(yè)停限產(chǎn)、建筑工地停工等臨時管控措施，使盛會期間空氣質(zhì)量顯著改善，呈現(xiàn)出以“APEC藍”為典型代表的“盛會藍天”景象[24-25]。重大活動大氣環(huán)境應(yīng)急管理在短期內(nèi)對重點區(qū)域內(nèi)的工業(yè)污染源、移動污染源和面源提出了高強度、超常規(guī)的減排要求，雖然政策實施的時間短，但是影響面大。由于會前、會后與會中的管制壓力存在較大差異，這些污染企業(yè)可能在管制壓力較小的階段以高于常規(guī)水平的強度進行生產(chǎn)、物流與污染排放，導(dǎo)致空氣質(zhì)量顯著下降，產(chǎn)生嚴重的補償效應(yīng)[26]。除了可能發(fā)生于盛會前后，企業(yè)的補償性排污行為還可能發(fā)生在盛會期間環(huán)境管理壓力有所減弱的夜間。

會議期間應(yīng)急減排措施卓有成效地證實大氣污染可防可控，區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和嚴格依法治污是實現(xiàn)污染減排的有效方法。但是，會議期間的應(yīng)急減排畢竟是臨時行動，短期強硬的防控措施要求高頻率、高覆蓋的環(huán)境監(jiān)管和高強度的環(huán)境執(zhí)法，污染反彈力度大，補償效應(yīng)難以全面防范和控制，必然導(dǎo)致環(huán)境管理成果不具有可持續(xù)性。要實現(xiàn)空氣質(zhì)量的持續(xù)改善，需建立長效機制，把“應(yīng)急減排”變?yōu)椤俺B(tài)減排”，把“高壓執(zhí)法”變?yōu)椤俺B(tài)執(zhí)法”。因此，在轉(zhuǎn)變以高消耗、高投入、低產(chǎn)出的發(fā)展方式，從源頭上減排的同時，更要依靠區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，建立協(xié)作機制，從區(qū)域總量上控制污染排放。這些工作要求長期投入和常規(guī)管理，形成長效的法規(guī)、規(guī)范、工作程序和資源投入，才能夯實環(huán)境管理成果。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合降水概率、風頻風速和污染系數(shù)等氣象要素分析了德清近些年來11月中下旬的空氣質(zhì)量變化規(guī)律以及輸入性污染物的擴散規(guī)律，并為地信大會環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域的劃分進行了調(diào)整。本項研究結(jié)論呈交政府主要負責人和大會籌委會后被采納為本次大會的空氣保障方案。本文得出以下結(jié)論：

1)德清11月中下旬中雨以上概率較小，不利于大氣污染物沉降；11月以西北風為主，易造成本地大氣輸入性污染；該時段霾天氣出現(xiàn)的概率較高。因此為了保證地信大會召開期間的空氣質(zhì)量，應(yīng)作出合適的應(yīng)急管理方案。

2)自2015年來德清PM2.5、PM10濃度均有明顯下降并控制在二級濃度限值內(nèi)。

3)根據(jù)污染較為嚴重的2013、2014年分析表明，本地的PM2.5、PM10濃度增大是因為西北氣流將外地污染物傳輸經(jīng)過本地，在不利的天氣形勢下，氣流下沉、大氣擴散能力差、沉降作用不明顯，最終造成大氣污染事件的發(fā)生。

4)根據(jù)天氣條件以及污染系數(shù)的分布特點，在原有的環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域方案的基礎(chǔ)上進行修訂，建議相關(guān)部門可根據(jù)修訂后的應(yīng)急預(yù)案針對不同污染程度和氣象狀況，采取在時間長度、地理范圍、參與主體范圍和減排強度上的由“輕”到“重”、由“少”到“多”的差別化應(yīng)急措施。