秦皇岛市空气污染与气象要素的关系

书书书第２５卷第４期２００９年８月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．４Ａｕｇｕｓｔ２００９收稿日期：２００８－１２－２２；修订日期：２００９－０１－２１。基金项目：河北省气象局科研开发基金项目“河北省环境监测项目及技术方案研究”资助。作者简介：张宝贵，男，１９６４年生，高级工程师，主要从事生态环境与气象预报服务。秦皇岛市空气污染与气象要素的关系张宝贵１，２　孙丽华１（１秦皇岛市气象台，河北秦皇岛０６６０００；２河北省生态环境监测重点实验室，河北石家庄０５００２１）　　摘　要：利用多因子分析和多元回归模型，对１９９８—２００４年秦皇岛市城区空气污染物浓度逐日监测数据及气象要素进行分析，并调查污染源，得出主要污染物与气象要素的关系，建立当地空气质量预报。结果表明：上游西北地区是对秦皇岛市空气质量影响最大的污染源地；空气质量首要污染物ＰＭ１０的峰值出现在４月，ＳＯ２的峰值出现在采暖季，ＮＯ２浓度全年稳定少变；ＳＯ２和ＰＭ１０的浓度受风场影响较大，ＮＯ２最小；春季“南高北低”型气压场造成ＰＭ１０污染指数全年最高；大于等于１ｍｍ的降水对空气净化作用效果较小于１ｍｍ的降水显著；春季气旋环流控制下，５级以上西风可形成中度以上污染，而非气旋控制下，６级以上西风才可形成中度以上污染。关键词：空气污染；时空分布；气象要素；多因子分析　　中图分类号：Ｘ５１　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０４－００４３－０５１　引言随着我国工业、交通和建筑业的蓬勃发展，以二氧化碳、氮氧化物和悬浮颗粒物为主的大气污染日趋严重，已经成为我国政府和社会共同面临的严峻问题［１］。秦皇岛市是大环境背景中的一个缩影，随着城市的发展，人口增多、车辆增加，污染物排放总量不断增加，空气环境也发生了一些变化。空气环境的演变是受气象条件支撑的，国内外学者针对气象因素对大气污染物的影响开展了大量研究，并取得很多有意义的结果。郑美琴等［２］对日照市的空气污染与气象要素进行分析，指出随风速的增加，污染物浓度呈下降趋势。李国翠等［３］对石家庄大气污染与沙尘天气的关系进行分析，注意到ＰＭ１０浓度与风速呈正相关，污染的严重程度主要取决于风速大小和强风持续时间，ＰＭ１０浓度与南风呈反相关。王淑英等［４］利用北京地区ＰＭ１０浓度监测资料，分析了ＰＭ１０浓度与地面气象要素的相关性。针对秦皇岛市空气主要污染物动态及其影响因子研究的不足，本研究拟以秦皇岛市城区为研究对象，利用１９９８—２００４年空气污染物浓度及其相应的气象要素资料，开展空气污染物浓度动态及其影子因子研究，为空气污染物扩散、演变趋势及预报提供参考依据。２　资料与方法秦皇岛市空气污染物主要有可吸入颗粒物（ＰＭ１０），二氧化硫（ＳＯ２）和二氧化氮（ＮＯ２），其中可吸入颗粒物（ＰＭ１０）为首要污染物。３种污染物浓度日监测数据来源于北戴河、山海关、秦皇岛海港区和经济开发区４个环境监测点１９８０年１月—２００４年１２月各自动监测站监测的逐日平均浓度资料。空气质量浓度等级划分标准参考国家环境保护部空气污染指数定义及分级限值。气象资料采用与空气污染物资料同期相对应的秦皇岛市气象观测站地面观测资料、区域自动站观测资料以及中国气象局下发的Ｍｉｃａｐｓ资料和各种数值预报产品。处理方法主要利用数理统计及聚类方法将长期气象资料分为若干类型，然后分别统计各种天气型出现的频率及相应污染物平均浓度以及高污染过程中各种天气类型出现的频率，从而筛选出对空气质量有显著影响的天气型。并分析大气污染物环境浓度的变化趋势、周期及其与气象因素之间的关系。３　结果分析３１　秦皇岛市空气污染物变化秦皇岛市为我国首批沿海开放城市之一，也是我国著名的旅游城市，对空气质量要求较高。但从当地空气污染数据的监测结果看，形势不容乐观。图１为１９８０年后秦皇岛市大气环境的演变状况，可以看出，秦皇岛市的大气污染物（以二氧化硫为例）自２０世纪８０年代开始逐渐加重，在８０年代末到９０年代中期，二氧化硫的污染比较严重。其主要原因，一是由于改革开放以来，乡镇工业发展迅猛而又没有进行有效的环境保护工作。二是城镇人口增长迅速，冬季居民取暖又以煤炉燃煤的方式为主，向空气４４　　　气象与环境学报第２５卷　中排放大量的二氧化硫。据统计，秦皇岛市２０世纪８０年代中期以前，城市（含海港区、北戴河区和山海关区）人口为３０万，流动人口很少，至１９９７年海港区人口为５８万，山海关区人口为１４万，北戴河区人口为７万。且存在大量的暂住人口，流动人口数量为１０多万人，因此造成２０世纪９０年代中期大气中二氧化硫含量连年增长。自９０年代中后期，由于国家产业结构调整，对环境污染企业、特别是对乡镇污染工业实行有效治理，并强制要求环保达标。这些有效措施的施行，使大气中二氧化硫等主要污染物的排放量已明显减少。图１中可吸入颗粒物ＰＭ１０的变化与二氧化硫不图１　２０世纪末秦皇岛市主要污染物变化曲线同，而是呈缓慢增长状态，可解释为自改革开放以来，尤其是２０世纪８０年代以后工业化程度越来越高，上游地区的省份，特别是西北地区的新疆、内蒙古等省区，地表植被本来就十分脆弱，加上人为的破坏，使得这些省区的荒漠化进程加剧，地表植被退化严重，而过度发展畜牧业使土地沙化严重，造成以沙尘为主的可吸入颗粒物在大气中的含量增加。这与李国翠等［３］研究结果：沙尘天气过程的首要污染物均为ＰＭ１０，而ＳＯ２和ＮＯ２在沙尘出现前后变化幅度轻微相一致。另外，秦皇岛市境内上游的卢龙县和抚宁县在２０世纪９０年代有很多小型水泥厂，青龙县也有很多花岗岩和大理石加工作坊，其次沿秦皇岛海岸线有很多露天煤炭堆场，这些因素在一定的气象背景条件下，也可以造成可吸入颗粒物浓度的增加。进入２１世纪，随一系列环境保护法案的出台，有效遏制了环境变坏的步伐。２００１—２００７年秦皇岛市环境状况公报显示：秦皇岛市空气质量二级（良级）以上的日数从２８０ｄ（７７％）上升到３１０ｄ（８５％），轻度污染Ⅲ级以上的日数从８５ｄ（２３％）减少至５５ｄ（１５％），沙尘天气日为９—１４ｄ，较２０世纪９０年代中期已有明显减少。秦皇岛市环境空气质量存在较明显的季、月变化。图２是秦皇岛市北戴河区、山海关区、秦皇岛海港区及经济开发区主要污染物月变化图。图２表图２　秦皇市各污染物月平均浓度变化曲线明，一年中二氧化氮的变化是比较稳定的，其ＡＰＩ指数最高不超过５０，其指数１１月最大，即冬季大于其他季节；ＳＯ２高浓度值出现在１月，２—６月呈下降趋势，７—１０月变化少动，而１１月迅速增加，至１２月又呈一个高值，主要原因是冬季燃煤取暖，造成ＳＯ２浓度增加。而空气污染的首要污染物ＰＭ１０变化曲线上的高值主要表现为２—５月，锋值出现在４月，这与秦皇岛市春季多风，沙尘天气较多，且每年的沙尘天气有近半出现在４月有关。秦皇岛市平均每年有９—１４ｄ的沙尘天气，主要出现在春季，沙尘出现日空气质量均在中度污染Ⅳ级以上，造成当地空气的重度污染。６—９月为秦皇岛市ＰＭ１０的ＡＰＩ指数较低的时段，其最低值出现在７月，尤其在７月下旬至８月上旬，有近一个月的时段空气质量为优Ⅰ级。总体上秦皇岛市空气质量在我国处于中上游水平。根据国家环境保护部官网对１０９个国家环境保护重点城市考核的排名，连续５ａ（２００４—２００８年）前２名主要是海口和昆明（２００８年南充市排位第１，秦皇岛市第８），总体上秦皇岛市在全国排位第１５，虽然２００８年空气质量明显上升，但距海口和昆明等空气质量优秀城市还有差距。空气质量优秀的城市绝大部分是中小城市，前１０名城市大部分人口在５０万以下，排名在前２０名的也大部分人口在１００万以下。由此可知，人类活动对空气质量的影响较大。３２　主要污染物源地根据环境监测部门的调查，结合天气图上沙尘天气移动路径分析，可基本查清秦皇岛市大气污染物的主要污染源。将其分为境内主要污染源和境外主要污染源２类进行探讨。境内主要污染源。一是卢龙县武山、抚宁县石门寨和杜庄区域，分布有小水泥厂和砖瓦场。据统计，共有３０多家水泥厂、砖厂和石粉厂等。这些厂矿均位于城市区的西北部，位于市区上游，对大气污　第４期张宝贵等：秦皇岛市空气污染与气象要素的关系４５　　　染物的净化极为不利。二是秦皇岛港为能源输出港，现有３０多个泊位绝大多数为煤炭和矿石的专用泊位，成为市区空气污染的主要源地之一。因秦皇岛市春季主导风向为西南风或东南风，风速小时，沿海居住的小区居民家窗台上均布满灰尘和煤烟，风速稍大，空气中悬浮的颗粒物增多，居民只能将窗子关闭。目前，这两个重点区域已经进行了综合治理。境外主要污染源指的是当上风向出现沙尘天气时，在有利的高空气流引导下，沙尘向下风方输送导致的空气污染。秦皇岛市沙尘天气出现的最大影响因子是上游关键区的沙尘随风下传。上游沙尘源地主要是内蒙古的毛乌素沙漠和巴丹吉林沙漠。这两个沙漠均位于本地上游正西方向；本地上游的西北方，还分布着蒙古国的乌勒吉沙漠、中国内蒙古乌兰察布盟的浑善达克沙地。分析表明，西部和西北部的沙尘源地对秦皇岛市空气污染的影响不同：西部沙尘源地的影响明显强于西北部，原因是秦皇岛市春季容易形成西南大风，强劲的西南风携带着尘土可以经过千余公里进入本地，并造成很强的空气污染。西北部源地，只有在西北风发生时才能将沙尘输送过来；经过本地西北方的燕山山脉时，山体的阻挡作用限制了沙尘的扩散和传输，减弱了本地的空气污染程度。需要特别指出的是：对空气质量影响最大的是裸露在土壤上面的尘土，西北地区土壤荒漠化严重，所以整个西北地区是对秦皇岛市空气质量影响最大的污染源地。３３　主要污染物与气象要素的关系污染物在大气传输过程中要受到各种气象要素的影响，污染物浓度与同期气象要素之间通常存在非常明显的非线性关系［５－６］，因计算其变化非常复杂，本文仅通过统计分析来定性地建立污染物浓度与气象要素对应关系，标示出气象要素对主要污染物的影响程度，为污染物预报提供参考。３３１　主要污染物与风场的关系污染物通过大气进行传输和扩散，因此污染物载体的运动演变直接影响了污染物浓度的变化，而风场则是污染物传输的动力基础。根据环境监测部门提供的数据并结合同期气象要素进行分析，可以建立秦皇岛市大气主要污染物与风场之间的对应关系，应该指出的是，统计数值是在正常风力下（小于等于５级）的统计结果。而风力在５级以上，特别是５级以上的西南风和西北风时秦皇岛市ＰＭ１０均严重超标。表１为秦皇岛市主要污染物浓度与风向的对应关系。其中，３项主要污染物受风的影响以ＮＯ２最小，而ＳＯ２和ＰＭ１０的浓度受风场影响较大。冬夏季秦皇岛市地面风场为东南风时，空气质量通常为优表１　秦皇岛市主要污染物的浓度与风场的关系１０－３ｍｇ／ｍ３污染物西北风西南风东南风东北风ＮＯ２２１２９１１１７ＳＯ２４８５７１９２４ＰＭ１０９２８７４２５８Ⅰ级，而东北风时空气质量介于优Ⅰ至良Ⅱ级之间。秋季主导风向前期为西南风，后期为偏北风，空气质量一般为良Ⅱ级，而春季一般风速下，地面风为西南风和西北风时空气质量经常在良Ⅱ级的边缘。３３２　主要污染物与气压场的关系地面气压场基本可以反映污染物在垂直方向的扩散情况，这里的气压场是指天气图上所反映的主要影响系统。秦皇岛市主要污染物浓度的数值和气压场的对应关系见表２。可以看出：均压场或鞍型场表２　秦皇岛市主要污染物的浓度与气压场的关系１０－３ｍｇ／ｍ３污染物高压型低压型均压型ＳＯ２１２１９３０ＮＯ２２１３３６１ＰＭ１０４５５５９６不利于污染物的扩散，此时空气在水平和垂直方向上的运动速度都比较小，扩散条件不好，不利于污染物的扩散。低压型的气压场更容易使上游的污染物进入本地区。　　生成秦皇岛市大风天气的系统基本有两种类型，即形成西南大风的“南高北低”型和形成东北大风的“南低北高”型。“南高北低”型主要出现在春季，造成本地的春季大风，其间ＰＭ１０污染指数是全年各季中最高的。而“南低北高”型则是秋冬季大风天气的主导系统，容易生成东北大风，虽然两型都造成ＰＭ１０的浓度异常升高，但“南低北高”型（东北大风）所造成空气中ＰＭ１０的