北京地區(qū)aqi時(shí)空分布特征及氣象觀測(cè)要素相關(guān)性分析

北京地區(qū)aqi時(shí)空分布特征及氣象觀測(cè)要素相關(guān)性分析

污染物的輸送與氣象條件冬季是北京霧和污染嚴(yán)重的季節(jié)1.2。隨著城市化進(jìn)程的加快,污染物成分以及源地都有了變化。根據(jù)一些學(xué)者的研究［3－5］,北京地區(qū)污染物主要由三部分組成,最主要的部分是本地的排放,第二部分是周邊地區(qū)污染物的輸送,第三部分是污染物的再生。同時(shí),污染物濃度變化具有明顯的季節(jié)特征［6］。針對(duì)污染物的輸送,前期有研究者利用MM5、WRF等模式進(jìn)行了局地環(huán)流的模擬［7］,或通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析污染物的演變情況［8］。2013年1月1日之前,環(huán)保部門正式公布的污染數(shù)據(jù)是以可吸入顆粒物(PM10)為基礎(chǔ)的,污染物與氣象條件的相關(guān)研究多以PM10為分析對(duì)象［9－13］。按照環(huán)保部門的環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)［14］和環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［15］,AQI是從6項(xiàng)污染物(SO2、NO2、PM10、PM2．5、O3、CO)基本項(xiàng)目中選擇空氣質(zhì)量分指數(shù)最高者為空氣質(zhì)量指數(shù)。從環(huán)保部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可知,2013年1-2月,以細(xì)顆粒物(PM2．5)為首要污染物的天數(shù)達(dá)到了51天。因此,空氣質(zhì)量指數(shù)和PM2．5成為輿論焦點(diǎn),也成為氣象部門服務(wù)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。但是,在污染物種類調(diào)整、污染指數(shù)計(jì)算分級(jí)方法改變的情況下,氣象條件與污染指數(shù)的關(guān)系是什么,污染的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中需要關(guān)注那些內(nèi)容,這些就是本文探討的內(nèi)容。1年生里氣象點(diǎn)分析本文采用的主要數(shù)據(jù)如下:2013年1-2月共計(jì)59d的NCEP(1°×1°)/EC(0.25°×0.25°)逐日再分析資料;北京市環(huán)保局35個(gè)觀測(cè)站空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)(AQI);北京南郊觀象臺(tái)的相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)速的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)。2北京市avi的時(shí)間變化從北京35個(gè)監(jiān)測(cè)站的2013年1月、2月逐月的AQI平均(下同)分布圖可以看到,1月(圖1a)污染程度明顯重于2月(圖1b)。1月,北京大部地區(qū)AQI都在101以上,城區(qū)和南部郊區(qū)更是達(dá)到了201~300的水平。2月,僅部分城區(qū)和南部郊區(qū)達(dá)到了151以上。從1-2月總體AQI平均分布看,延慶、懷柔和密云等地為101~150,城區(qū)和南部近郊則為151~200,大興、通州和房山的部分地區(qū)超過(guò)了200。AQI呈現(xiàn)出了一種自東南向西北遞減的分布趨勢(shì)。另外,在本次過(guò)程的監(jiān)測(cè)分析中發(fā)現(xiàn),城區(qū)與郊區(qū)的污染程度有著較為明顯的差異。城區(qū)人口密集,人類活動(dòng)如汽油燃燒、燃煤供暖等所形成的人為排放較強(qiáng)。北京市環(huán)保部門數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示:1月10-14日,北京市二環(huán)路以內(nèi)4個(gè)觀測(cè)站(東城東四、東城天壇、西城官園和西城萬(wàn)壽西宮4站AQI的均值為376)空氣質(zhì)量指數(shù)5d均值比遠(yuǎn)郊區(qū)4個(gè)觀測(cè)站(懷柔鎮(zhèn)、平谷鎮(zhèn)、密云鎮(zhèn)和延慶鎮(zhèn)4站的均值為294)均值高出27.9%。從1-2月逐日AQI變化(圖2)看,1月AQI日指數(shù)大于100的天數(shù)達(dá)到了24天。1月共出現(xiàn)5次污染過(guò)程,分別是4-7日、10-14日、16-19日、21-24日、27-31日。其中,10-14日的過(guò)程持續(xù)時(shí)間達(dá)5天,AQI日平均值達(dá)到353,比27-31日(AQI日平均值為305)過(guò)程明顯偏重。2月,受大氣環(huán)流調(diào)整影響,污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間短,AQI相對(duì)較低,污染程度明顯輕于1月,AQI大于100的天數(shù)為16天。3北京市1月1日至2月28日avi及aai指數(shù)變化污染物變化監(jiān)測(cè)是作好分析預(yù)報(bào)的一個(gè)前提,監(jiān)測(cè)一般通過(guò)衛(wèi)星遙感或者地基觀測(cè)實(shí)現(xiàn)。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品是一個(gè)直觀性較好的途徑。FY-3A/TOU紫外吸收性氣溶膠指數(shù)(AAI)產(chǎn)品是體現(xiàn)大氣中吸收性氣溶膠濃度高低的半定量遙感產(chǎn)品,AAI高值分布區(qū)對(duì)應(yīng)于污染嚴(yán)重的灰霾天氣區(qū),其值越大說(shuō)明大氣顆粒物越多,并以吸收性的污染類氣溶膠顆粒物為主。1月10-14日的污染過(guò)程是1月持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)也是最為嚴(yán)重的污染過(guò)程之一。該時(shí)段FY-3A衛(wèi)星在北京及周邊地區(qū)的過(guò)境時(shí)間為09:00-10:30。利用FY-3A/TOU紫外吸收性氣溶膠指數(shù)(AAI)產(chǎn)品逐日反演結(jié)果,可以清楚地看到北京地區(qū)的污染天氣整體變化過(guò)程(圖3)。10日,北京地區(qū)AAI指數(shù)在1~2.5之間;11日,北京地區(qū)AAI指數(shù)明顯升高,河南、河北地區(qū)至北京西南方向也出現(xiàn)一條帶狀污染物高值區(qū),北京地區(qū)AAI數(shù)值升高至3~4之間,AQI達(dá)到了361;12日,指數(shù)有所減弱,AAI高值中心東移,北京地區(qū)AAI指數(shù)集中在2~3之間,但當(dāng)天的AQI卻達(dá)到了420;13日,AAI再次升高至3~4.5,AQI維持高值,為399;14日,AAI明顯減弱,AAI和AQI指數(shù)都回落到10日水平。對(duì)南郊觀象臺(tái)地區(qū)1月1日至2月28日共計(jì)59d的AQI和AAI作線性分析發(fā)現(xiàn),AQI隨著AAI的增加呈現(xiàn)出相應(yīng)的上升趨勢(shì)。計(jì)算二者之間的相關(guān)系數(shù)為r=0.456,經(jīng)檢驗(yàn),通過(guò)α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn),表明二者之間呈明顯正相關(guān)關(guān)系。即,當(dāng)AAI值較高時(shí),AQI也會(huì)同樣為較高值。因此,AAI對(duì)AQI的監(jiān)測(cè)分析有著較高的應(yīng)用價(jià)值。4avi與觀測(cè)要素的回歸分析根據(jù)現(xiàn)有的研究,PM10濃度與能見度、相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)速相關(guān)性較好［12－13］。鑒于AQI是基于6種主要污染物的計(jì)算結(jié)果,是衡量當(dāng)?shù)匚廴境潭鹊淖罱K結(jié)果,故本文重點(diǎn)研究了AQI與氣象觀測(cè)要素之間的關(guān)系。利用北京南郊觀象臺(tái)氣象數(shù)據(jù)分析2013年1-2月期間逐日AQI與氣象要素之間的相關(guān)特征。計(jì)算表明,AQI與風(fēng)速、氣壓、相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為-0.41、-0.49、0.67。經(jīng)檢驗(yàn),均通過(guò)α=0.001的顯著性水平,表明AQI與相對(duì)濕度呈明顯正相關(guān),與氣壓和風(fēng)速呈明顯負(fù)相關(guān)。周麗等［16］的研究結(jié)果顯示,PM2．5的濃度與風(fēng)速、氣壓、濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.45、-0.68、0.48,與本文結(jié)果近似。其原因在于:1-2月,北京地區(qū)共計(jì)有52天首要污染物為細(xì)顆粒物(PM2．5),比例達(dá)到了88.1%,這導(dǎo)致了AQI與觀測(cè)要素的相關(guān)性中PM2．5的作用突出。利用最小二乘法原理,以空氣質(zhì)量指數(shù)(Y)為因變量,相對(duì)濕度(X1)、氣壓(X2)和風(fēng)速(X3)為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析,樣本長(zhǎng)度為1月1日-2月28日(59d),得到方程對(duì)回歸方程作顯著性檢驗(yàn):構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量其中,U=347540,為方程的回歸平方和;Q=276114,為偏差平方和;n=59,為樣本長(zhǎng)度;m=3,為自變量個(gè)數(shù)。得到F=23.08,給定顯著性水平α=0.01,F0．01(m,n-m-1)=4.13,F>F0．01,表明回歸方程通過(guò)顯著性檢驗(yàn);復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.75,方程的總體回歸效果一般。再逐一對(duì)相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)速3個(gè)因子的回歸系數(shù)作顯著性檢驗(yàn):計(jì)算統(tǒng)計(jì)量分別為F1=17.06,F2=13.53,F3=0.71,而F0．01(1,55)=7,可見在α=0.01時(shí),相對(duì)濕度、氣壓這兩個(gè)因子的影響是顯著的,而風(fēng)速不顯著。運(yùn)用逐步回歸法,在3個(gè)變量中剔除風(fēng)速,分別再次對(duì)回歸方程和系數(shù)作顯著性檢驗(yàn),在α=0.01時(shí)方程、相對(duì)濕度系數(shù)、氣壓系數(shù)均具有顯著性,重新建立回歸方程因此方程(2)為空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)與相對(duì)濕度、本站氣壓的最優(yōu)回歸方程。為檢驗(yàn)回歸方程的效果,以相對(duì)濕度和氣壓為自變量,利用方程(2)對(duì)1-2月共59d的AQI進(jìn)行擬合,并與AQI觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見擬合效果較好。分析二者的統(tǒng)計(jì)量:平均值均為173;觀測(cè)數(shù)據(jù)的均方差是297,擬合結(jié)果為173;觀測(cè)數(shù)據(jù)的最大、最小值分別為420、38,擬合結(jié)果為297、-9。由此可見,在空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的整體變化趨勢(shì)和平均狀態(tài)上擬合效果較好,但對(duì)極值的擬合能力不足,擬合結(jié)果更趨于平均。在AQI的預(yù)報(bào)趨勢(shì)分析中,相對(duì)濕度與氣壓的參考價(jià)值較高,建議予以更多關(guān)注。5高光耀和北京高光耀的特點(diǎn)及穩(wěn)定分析5.1天氣環(huán)流形勢(shì)從1月的500hPa高度平均場(chǎng)(圖5a)來(lái)看,烏拉爾山高壓脊較常年偏低偏東,高壓脊伸展到60°N附近,烏拉爾山附近地區(qū)的高壓脊高度偏低12~16dagpm,這種環(huán)流形勢(shì)不利于極地冷空氣的南下。貝加爾湖地區(qū)受弱脊控制,東北冷渦的強(qiáng)度明顯偏弱,這同樣不利于東路冷空氣的南下。1月,北半球西風(fēng)指數(shù)較常年明顯偏大,環(huán)流平直［17］。正是這種大氣環(huán)流異常的情況,華北地區(qū)冷空氣的活動(dòng)較常年平均偏弱。2月,烏拉爾山附近地區(qū)的高度比1月高了12~16dagpm,貝加爾湖及其以東地區(qū)高度場(chǎng)較1月偏低4~8dagpm(圖5b),極地冷空氣南下有所加強(qiáng)。歸納華北地區(qū)冷空氣活動(dòng)較弱,污染物不易擴(kuò)散的環(huán)流背景如下:1)500hPa高空在烏拉爾山偏東地區(qū)(70-90°E)之間有高壓脊,形成了阻塞形勢(shì),阻擋或減弱了西北路冷空氣東移南下;2)高壓脊最高僅伸展到60°N附近,極地冷空氣缺乏引導(dǎo)氣流,無(wú)法南下;3)貝加爾湖地區(qū)有間斷性高壓脊活動(dòng),導(dǎo)致西伯利亞遠(yuǎn)東地區(qū)的冷空氣影響我國(guó)的程度偏弱。5.2混合層高度的相關(guān)分析大氣穩(wěn)定度是大氣邊界層研究中一個(gè)極其重要的參數(shù),在許多污染擴(kuò)散模式中作為單一參數(shù)來(lái)定義大氣湍流狀態(tài)或描述大氣擴(kuò)散能力。目前存在的大氣穩(wěn)定度分類方法有十幾種,綜合考慮湍流熱力因子和動(dòng)力因子作用的穩(wěn)定度參數(shù)物理意義最明確。參考畢雪巖［18－19］等的研究,北京地區(qū)大氣穩(wěn)定度有著較為明顯的季和日變化,不同高度的穩(wěn)定度區(qū)間也有著較大的差異。大氣低層的穩(wěn)定度高不利于低層的污染物向上擴(kuò)散,從而積聚于低層,這在一定程度上有利于污染天氣的持續(xù)。利用混合層高度和總體理查森數(shù)來(lái)分析2013年1-2月北京地區(qū)大氣的特征與AQI的關(guān)系?；旌蠈痈叨缺碚魑廴疚镌诖怪狈较虮粺崃?duì)流與動(dòng)力湍流輸送所能達(dá)到的高度,是影響污染物擴(kuò)散的重要參數(shù),計(jì)算混合層高度常用的方法為羅氏法［20］。利用EC再分析場(chǎng)計(jì)算混合層高度,鑒于大氣穩(wěn)定度的日頻率變化特征較為顯著［21－22］,選擇08時(shí)資料進(jìn)行分析,北京地區(qū)1-2月逐日混合層高度平均值為569m,在1-2月AQI>100的40天中混合層高度的平均值為459m,其中,1月僅有3天大于1km,最小的高度不足100m。在1月10-14日的污染過(guò)程中,混合層高度為78~625m,另外一次過(guò)程中(1月27-31日),混合層高度也始終不足400m。對(duì)AQI與1-2月混合層高度進(jìn)行相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)為-0.511,呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)通過(guò)了α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。這意味著:混合層高度與AQI有著較好的相關(guān)性,混合層高度越低,大氣擴(kuò)散能力越差,污染物難以通過(guò)上下層大氣之間的對(duì)流擴(kuò)散。吳慶梅等［23］研究也認(rèn)為,污染物對(duì)中低空的擾動(dòng)敏感。在AQI預(yù)報(bào)中,混合層厚度是一個(gè)很好的參考數(shù)據(jù)。5.3總體理查森數(shù)與空氣指數(shù)avi動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系在城市環(huán)境中應(yīng)用較多的穩(wěn)定度參數(shù)———總體理查森數(shù)(RB)是通過(guò)綜合考慮熱力動(dòng)力因素的總體理查森數(shù)診斷邊界層高度,從而衡量大氣穩(wěn)定度［24］。利用NCEP再分析資料,計(jì)算1-2月北京地區(qū)850-1000hPa之間的日平均總體理查森數(shù),結(jié)果見表1。1月總體理查森數(shù)日平均值達(dá)到了9.64,高于2月份日均值8.48。1月AQI日指數(shù)大于100的天數(shù)達(dá)到了24天,大于2月的16天。從總體理查森數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI趨勢(shì)變化上可以看到:二者呈現(xiàn)出較為明顯的升降趨勢(shì)一致性,但是空氣質(zhì)量指數(shù)AQI有滯后性,要比總體理查森數(shù)滯后1天。鑒于這種關(guān)系,在分析AQI超過(guò)100(輕度污染)、150(中度污染)、200(重度污染)與總體理查森數(shù)的關(guān)系時(shí),計(jì)算了前一天和當(dāng)天的總體理查森數(shù)的平均值,結(jié)果為10.63、10.63和10.75。對(duì)1-2月的850-1000hPa的總體理查森數(shù)計(jì)算表明:1)當(dāng)總體理查森數(shù)≥10.63時(shí),大氣穩(wěn)定度高,利于污染持續(xù)或發(fā)展;2)當(dāng)總體理查森數(shù)介于3.62~10.63之間時(shí),大氣穩(wěn)定度屬于中性,需根據(jù)環(huán)流背景等其他因素分析污染發(fā)展趨勢(shì);3)當(dāng)總體理查森數(shù)≤3.62時(shí),大氣穩(wěn)定度低,不利于污染持續(xù)或發(fā)展。根據(jù)以上分析,可以利用前一天的總體理查森數(shù)與當(dāng)日的理查森數(shù)判斷預(yù)測(cè)AQI的發(fā)展趨勢(shì)。另外,1月1日-2月28日,北京地區(qū)共有10天出現(xiàn)雨雪天氣,這10天的總體理查森數(shù)最高值為3.62(表1),最低值為0.24,平均值為1.49。這說(shuō)明,雨雪天氣出現(xiàn)時(shí),大氣穩(wěn)定度較低,對(duì)于削減污染程度有一定的幫助。6avi的回歸方程擬合結(jié)果與預(yù)報(bào)分析(1)2013年1-2月北京地區(qū)出現(xiàn)了多次嚴(yán)重的污染過(guò)程,AQI呈現(xiàn)出了一種自東南向西北遞減的分布趨勢(shì)。延慶、懷柔和密云等地為101~15