2017, Vol. 38
2. 京津冀环境气象预报预警中心, 北京 100089;
3. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029
2. Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, Beijing 100089, China;
3. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
自从1978年改革开放以来, 中国经济迅速发展.在中国, 特大城市群尤其是京津冀、长三角、珠三角地区产生巨大的能源消耗. 1960年以来, 中国区域CO2排放经历了缓升阶段(1961~1980年)、显著上升阶段(1981~2000年)以及急剧上升阶段(2001~2012年), CO2排放的不断增加也意味中国工业和城市在这50多年来的迅速发展[1].经济的发展, 人口的膨胀, 城市化越来越显著导致空气污染问题日益凸显.刘小宁等[2]对西安市的霾日进行了统计, 截止到2005年, 47年来年均霾天数高达99 d以上. Che等[3]在分析了中国31个省会城市后发现, 1980~2005年中国东部城市霾日呈现上升趋势.吴兑等[4, 5]研究发现, 21世纪以后中国东部大部分地区霾日超过100 d, 其中大城市超过150 d, 北京及华北地区霾日季节分布突出的特点是除去采暖季有较多的霾日外, 在盛夏季节霾日也明显偏多. Zhang等[6]根据681个自动气象站数据分析得到中国霾高发的地区为京津冀、长江三角洲、珠江三角洲以及西南地区.
一个城市的空气质量由以下两个方面决定, 一是污染源的空间分布和排放强度[7~11], 一个是大气自身的扩散能力[12~17]. Zhao等[18]在分析华北平原冬季一次雾-霾天气时, 认为本地及外来排放源、特殊的地形条件和静稳的天气背景是造成污染天气的重要原因.谭承好等[19]认为霾日的不断增加与人为排放的增强和东亚季风的减弱有着密切的关系.有研究表明, 在污染源相对稳定的时间内, 城市大气污染的程度主要取决于大气自身的扩散条件[20].范绍佳等[21]根据珠江三角洲的地理环境、气候背景和边界层气象特征建立了大气边界层珠江三角洲大气边界层概念模型, 它可以解释珠江三角洲地区环境空气质量变化的原因, 有助于促进珠江三角洲地区大气污染扩散能力分析、气流停滞区或霾天气的预测预报研究.王跃思等[22]在分析了2013年元月京津冀地区5次强雾-霾过程后认为天气系统弱、强冷空气活动少和极不利于空气污染物扩散的局地气象条件是造成几次严重污染的主要原因.王宏等[23]分析过福州PM10的逐日资料后发现, PM10浓度的突变与大陆高压的位置、切变线和辐合系统有关.唐宜西等[24]分析了2013年1月北京一次持续性雾-霾天气过程后发现平直的纬向环流, 小风速, 较大的相对湿度和较差的边界层扩散能力是污染物得以积累的主要原因.程念亮等[25]分析了2014年10月北京4次重污染过程后发现, 这4次过程均发生在大气层结稳定、逆温层明显, 风速小, 湿度大, 不利于空气污染物扩散的气象条件当中.
以往的研究成果多集中于某次空气重污染过程的污染物浓度变化的趋势、边界层结构和天气背景的分析, 若暂时不讨论排放源及污染物浓度的变化, 某一地区多年来气象扩散条件及大气对污染物的容纳能力本身到底发生了什么变化, 很少有人研究.基于上述原因, 本文将针对污染排放显著上升和急剧增长的1980~2015年, 讨论北京地区大气污染扩散条件, 以及大气容纳能力变化的情况.
1 材料与方法本文采用NCEP(National Center for Environmental Prediction)再分析月平均数据(2.5°×2.5°)、1980~2015年北京地区(54511站点)探空数据以及温度、气压、相对湿度、风速风向、降水数据进行分析.将1980~2015年分为3个时间段, 第一阶段为1980~1989年, 第二阶段为1990~1999年, 第三阶段为2000~2015年.首先以40°N为中心, 沿经向做垂直剖面, 分析温度、比湿、垂直速度的年代距平(年代平均与35年平均的差值)随高度的分布特征.并计算大气容量指数、边界层高度等能代表大气自身容纳能力参数的年代际变化.大气容量指数A是表征大气自身对污染物容纳能力的重要的物理量, 计算方法为A=πVH/2, 式中, H为混合层厚度, V表示平均风速, 混合层厚度与降水、下垫面的性质等有着密切的关系.本文在用A 值法计算大气污染源强分布初估场时, 采用国标(GB/T 3840-91) 中的区域大气容量指数的长期平均值[26].边界层高度使用NCEP数据, 计算方法见文献[27].
2 结果与讨论 2.1 大气污染扩散条件年代际变化北京地区(经纬度范围115.7°~117.4°E, 39.4°~41.6°N)大气污染扩散条件的变化与大尺度热、动力特征有着非常密切的联系, 下面以40°N为中心, 沿经向做垂直剖面, 分析各种气象要素的垂直方向上的年代变化.
2.1.1 热力结构层结变化从图 1(a)可以看到, 1980~1989年, 华北地区(110°~120°E)从近地面到600 hPa温度比多年平均值低0.5℃左右, 925 hPa上下年代平均温度较多年平均值低0.7℃左右.总体来说, 从近地面到高空呈现出温度负距平的分布, 说明冷空气整体较为活跃.
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图 1 年代温度距平随高度的变化 Fig. 1 Change of temperature anomaly with height |
从图 1(b)可以看到, 1990~1999年, 北京及周边地区从近地面到500 hPa温度平均值出现正距平, 600 hPa以下整体增温0.2℃, 整层大气出现了暖化的趋势.在华北地区上空700 hPa附近和925 hPa以下出现了0.3℃的增温, 这样在115°~120°E之间就形成了一个比较弱的“距平逆温”.从图 1(c)可以看到, 2000~2015年, 平流层以下整层大气增温明显, 500 hPa以下出现温度正距平, 距平为0.3℃, 相比于上一个年代大气增温更加明显, 在925 hPa附近出现了0.4℃的正距平, “距平逆温”的高值中心由上一个年代的700 hPa下降至925 hPa, 在近地面以上形成了比较明显的“距平逆温”.从图 2可知, 90年以后(925 hPa的观测是从1992年开始)每年850 hPa以下逆温出现的频率都在13%~20%, 总体趋势频率稍有减少.经过分层计算, 这20多年来925~850 hPa逆温频率基本维持不变, 但是1 000~925 hPa逆温出现的频率稍有减少, 这与近年来城市热岛效应导致近地面温度升高有关系.总体来看1990年以后, 逆温一直保持着比较高的频率, 大气垂直结构比较稳定, 不利于空气污染物的扩散.
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图 2 90年代后北京地区850 hPa降温而925 hPa未降温的频次以及850 hPa以下逆温出现的频率 Fig. 2 Frequency of drop in temperature on 850 hPa while not on 925 hPa and temperature inversion since 1992 |
冷空气对北京地区大气污染扩散条件的改善作用多体现在偏北风先达到高层, 之后侵入到边界层内, 进而到达近地层, 上空的空气辐合导致近地层下沉气流层的形成, 出现明显的下沉辐散运动, 并伴随着偏北风的增大.如果冷空气太弱, 高空偏北风并没有侵入到边界层内, 近地层仍然维持偏南风或小风, 散度从高层到低层呈现辐合-辐散-辐合的结构.近地层的辐合导致周边的污染物向本地汇集, 导致污染物浓度升高[28, 29].通过计算冷空气出现的频次可以发现, 90年代后, 850 hPa出现降温而925 hPa未出现降温的频次增多(图 2), 说明冷空气到达北京上空后, 对下层的影响减弱或是冷空气强度不够, 这样可能会导致高空偏北风无法侵入到边界层底部, 近地层仍然维持动力辐合, 不利于空气污染物的扩散.有研究表明, 近地面3、4级风速条件下PM2.5扩散能力大大增强, 污染物浓度明显降低[31].通过统计1980年以后近地面3.4 m·s-1以上的北风(3级以上)出现的频率, 可以发现, 在1980~1989年, 3级以上北风出现的频率普遍都在14%左右, 1990~1999年前期出现的频率较大, 中后期维持在10%左右, 而在2000年以后出现的频率逐渐减小, 最小的是2014年, 3级以上北风出现的频率刚刚超过6%(图 3).总体来看, 1980年以后, 冷空气到达北京上空后, 对下层的影响减弱或是冷空气强度不够导致近地面北风风速减小, 近地面污染扩散能力有所减弱.
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图 3 1980年开始大于3.4 m·s-1以上北风出现的频率 Fig. 3 Frequency of north wind speed greater than 3.4 m·s-1 since 1980 |
从图 4(a)可以看到, 1980~1989年, 北京地区近地面到850 hPa平均比湿值较多年平均值高出0.04 g·kg-1以上, 整层的比湿要比多年平均高, 但是増湿不是十分明显. 1990~1999年, 在对流层以下, 华北及周边地区在600 hPa以下呈现出较多年平均更湿的情况, 并且随着高度的下降, 増湿更加明显, 尤其是在115°~120°E地区, 850 hPa到近地面比湿距平可以达到0.18 g·kg-1[图 4(b)], 整层湿度的增加, 导致气溶胶吸湿增长明显, 云量增多, 到达近地面的太阳短波辐射减小, 地面长波辐射被限制在云层以内, 大气稳定度增强, 不利于空气污染物的扩散. 2000~2015年, 华北地区整层比湿表现出负距平的情况, 并且随着高度的下降负距平数值越大, 850 hPa以下115°~120°E区域比湿距平可以达到-0.16 g·kg-1[图 4(c)].大气整层明显变干, 水汽减少, 这意味着气溶胶不能得以充分增长, 云量减少, 大气稳定度有所减弱.通过前面逆温的计算分析得知, 1990年以后逆温出现的频率一直比较高, 大气稳定度一直比较强, 但是2000年以后整层湿度减小使得大气稳定度相对减弱.
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图 4 年代比湿距平随高度的变化 Fig. 4 Change of specific humidity anomaly with height |
综合来看, 1980~2015年, 大气不断增温, 1990年以后逆温明显, 大气较为稳定, 冷空气到达北京上空后对下层的影响减弱, 3级以上北风减少, 近地层辐合, 污染物浓度升高.但是2000~2015年, 由于湿度减小, 大气稳定度相比于1990~1999年稍有减弱.
2.1.2 垂直运动的年代变化如图 5(a), 1980~1989年, 北京地区近地面垂直速度与多年平均相比基本一致, 但是中高层大气较多年平均相比表现出较明显的“下沉”运动. 1990~1999年, 相对于多年平均垂直速度, 华北地区近地面表现出“下沉”运动, 而中高层为“上升”运动, 这一阶段是大气污染扩散条件由有利扩散向不利扩散形势的转折阶段[图 5(b)]. 2000~2015年, 北京地区700 hPa以下相对于多年平均表现为“上升”运动, 但是600~200 hPa之间则表现为“下沉”运动, 这种高低空垂直气流的配置有利于水汽和大气污染物在低层大气积累[图 5(c)].这里需要指出的是, 天气尺度的上升运动的数量级为cm·s-1, 而近地层污染物浓度的辐合数量级为m·s-1, 所以想要依靠天气尺度的上升运动将污染物带入高空而降低近地层浓度在区域空气重污染的背景下较难实现.只有中小尺度的对流系统[29], 和对北京地区边界层结构有特殊影响的偏东风[28], 能够形成几十cm·s-1~m·s-1的上升运动才能够将近地层污染物浓度抬升至高层清除.
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图 5 年代垂直速度距平随高度的变化 Fig. 5 Change of vertical velocity anomaly with height |
大气容量指数能够指示大气污染的变化趋势.气象条件是判断环境大气对污染物容纳能力的关键因素.大气容量指数是一个综合表征这种能力的指标, 它与近地面层空气的流动性、大气在垂直方向上的稳定性、稳定层的厚度以及是否有降水天气等有关.其值越小, 则大气对污染物的容纳能力越低.大气流过地面时, 地面上各种粗糙元, 如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻, 这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递, 并随高度的增加而逐渐减弱, 达到某一高度后便可忽略.此高度称为大气边界层厚度, 它随气象条件、地形、地面粗糙度而变化, 大致为300~1 000 m.
2.2.1 年代际变化图 6(a)计算了北京地区大气容量指数和年总降水量随时间的变化.可以看到, 1980~1989年大气容量指数比较平稳, 都维持在1.2~1.3之间, 只有1983年超过了1.5.从降水量的年变化上可以看到, 1980~1989年, 年总降水量呈现出明显的逐渐上升的趋势, 尤其是1985~1988年, 年总降水量都明显多于600 mm, 对空气污染物有明显的清除作用.大部分年份3级以上北风出现的频率都在13%以上(图 3), 有利于空气污染物的扩散.除了1987年边界层高度稍低, 其他时间年均边界层高度都在600~650m左右[图 6(b)], 有利于空气污染物在垂直方向上的混合.各种条件显示, 1980~1989年, 气象条件总体比较平稳, 整体扩散条件较好, 大气自身容纳能力比较稳定.
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图 6 大气容量指数、年总降水量、边界层高度随时间的变化 Fig. 6 Change of atmospheric capacity index, annual total precipitation and boundary layer height with time |
1990~1999年, 大气容量指数波动较大, 1990年和1992年大气容量指数都小于1, 而1997年达到1.5以上, 1998年大气容量指数则大于2, 其他时间都在1.2左右.在这10年中, 降水量也呈现出分布不均匀的趋势, 1991、1994和1998年, 年总降水量都超过了700 mm, 而在1999年, 年总降水量却只有不到300 mm[图 6(a)]. 1990~1999年前期, 较大北风(3级以上北风)频率不断增加, 但是后期明显下降(图 3), 说明前期对空气污染物的扩散比较有利. 1990~1999年边界层高度在600~650 m左右, 但是1999年达到了750 m以上[图 6(b)]. 1992年大气容量指数低与降水量不够多, 较大北风出现的频率低有明显关系, 而1997年大气容量指数较大则与边界层高度较高有利于污染物的垂直混合有关, 1998年指数较大则与罕见的较大降水量有着明显的关系.从这里可以看出, 1990~1999年大气自身容纳能力整体较好, 但是出现了明显的波动性, 各年变化较大.而大气自身的容纳能力与降水、风速、边界层高度等都有一定的关系, 单独某一个要素不能够决定大气自身容纳能力的强弱.
2000年开始的前5年, 大气容量指数比较稳定, 都在1.2~1.3之间, 但是之后则表现为明显的下降趋势, 尤其是2013年开始, 大气容量指数出现了小于1的情况.这15年年均降水量前期较少, 不超过500 mm, 但2008年以后降水明显增多, 2011年, 2012年都超过了700 mm[图 6(a)]. 2000年以后, 较大北风出现的频率越来越低, 都在13%以下, 证明由于较大风速导致的有利于空气污染物扩散的条件越来越不明显[图 6(b)]. 2000年以后前期边界层高度出现明显波动, 2000、2002、2005两年都在700 m以上, 2005~2009年边界层高度上升, 2009年以后又不断下降[图 6(b)].总体来看, 2000~2015年各年降水量和边界层高度出现明显波动, 较大北风出现频率减小, 大气自身容纳能力整体减弱.
从图 6(a)大气容量指数趋势线上可以看到, 这30多年来大气自身的容纳能力呈现一个平缓的下降趋势.
表 1显示了每个年代大气容量指数、边界层高度、降水量和较大北风出现频率的平均值.可以看到, 1980~1989年和1990~1999年大气容量指数均值基本一致, 都在1.3左右, 与35年平均值相比均增长了5%~6%.可以明显看出, 近35年中前20年相比于大气自身容纳平均能力是较强的.这与前20年年平均降水量548.3 mm和601 mm分别较多年平均持平和明显增加, 较大北风出现的频率13.8%和11.7%较多年平均值11.9%增加和持平有着密切的关系. 2000~2015年, 大气容量指数平均值为1.12, 相比于35年平均值下降了11.8%, 降水量和较大北风出现的频率较多年平均下降了10%左右.这3个阶段边界层高度平均值比较稳定, 没有较大的变化.总体来看最近15年大气自身容纳能力较差.
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表 1 大气容量指数、边界层高度、年均降水量、较大北风出现频率年代平均值比较 Table 1 Comparison of atmospheric capacity index, boundary layer height, total average precipitation and wind speed greater than 3.4 m·s-1 |
2.2.2 季节变化
由前文分析可知, 近15年来北京地区大气自身的容纳能力相比于多年平均是较差的, 那么究竟是哪个季节大气容纳能力较差, 下面进行分析.
进一步计算每个年代4个季节大气容量指数和边界层高度, 如图 7(a).可以发现, 在1980~1989年, 春季和冬季大气容量指数比较高, 夏季和秋季大气容量指数较低.一般来说, 春季和夏季大气自身的扩散能力是比较好的, 因为春季北风大, 夏季降水多, 但是这10年却与人们固有的认知有着比较明显的差异.这是因为1980~1989年期间春季和冬季较大北风出现的频率较多, 并且春季边界层高度还比较高([图 7(b)]). 1990~1999年和2000~2015年, 大气容量指数都表现为春季、夏季较高, 秋季、冬季较低, 并且无论哪个年代, 春季都是大气容量指数最高的季节, 这与较大北风频率高, 边界层高度较高有着密切的关系.而随着年代的变化, 春季的大气容量指数又在不断降低, 1980~1989年和1990~1999年都在1.6以上, 而2000~2015年小于1.6.夏季大气容量指数总体较春季明显减小, 1980~1989年和2000~2015年, 夏季大气容量指数都在1.1上下, 1990~1999年达到1.3, 这应该与这10年中某些年份降水量较大、较大北风出现频率较多导致大气容量指数平均值整体较大有关系.秋季大气容量指数也是在1990~1999年最高, 1980~1989年次之, 最小的是2000~2015年, 平均大气容量指数不到1.冬季大气容量指数年代变化呈现下降的趋势, 可以看到, 1980~1989年1月, 2月, 12月的大气容量指数分别为1.8, 1.5, 1.4, 1990~1999年都在1.2附近, 而2000年以后在1以下.总体来看, 1980~1989年春季和冬季大气自身容纳能力较好, 1990~1999年春季和夏季大气自身容纳力较强, 2000年以后, 无论哪个季节, 大气自身的容纳能力都是在减弱的, 季节差异性变小.从这30多年月平均边界层高度可以看到, 春季和夏季大部分时间边界层高度都在600 m以上, 而秋季和冬季大部分时间不足500 m(表 2).总体看来, 边界层高度在这35年来都是春季和夏季较高, 秋季和冬季明显降低, 各个年代边界层高度变化不大.
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图 7 四季大气容量指数和边界层高度的变化 Fig. 7 Change of atmospheric capacity index and boundary layer height in four seasons |
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表 2 年代月平均大气容量指数、边界层高度的变化 Table 2 Month average of atmospheric capacity index and boundary layer height |
3 结论
(1) 从热力条件来看, 1980~2015年, 大气不断增温, 1990年以后逆温明显, 大气较为稳定, 冷空气到达北京上空后对下层的影响减弱, 3级以上偏北风频率减少, 近地层辐合, 不利于空气污染物扩散.但是2000~2015年, 由于湿度减小, 大气稳定度相比于1990~1999年稍有减弱.
(2)2000年以后, 中高层下沉运动位置不断下压, 低层上升运动加强, 由于天气尺度的上升运动的数量级远小于近地层污染物浓度的辐合数量级, 所以低层上升运动被限制在边界层以内, 这样会导致污染物积聚.
(3) 大气容量指数能够反映大气自身对污染物的容纳能力.大气容量指数与降水量, 较大风速出现频率、混合层高度等都有着明显的关系, 是多种要素综合作用的结果. 1980~1989年大气自身容纳能力较为稳定, 1990~1999年大气容量指数出现波动, 而2000~2015年大气容量指数呈现明显减小的趋势.总体来看, 近35年大气自身的容纳能力呈现一个平缓的下降趋势.
(4)1980~1989年春季和冬季大气自身容纳能力较好, 1990~1999年春季和夏季大气自身容纳力较强, 但是2000年以后, 无论哪个季节, 大气自身的容纳能力都是在减弱的, 季节性差异变小.
(5) 边界层高度在这35年来都是春季和夏季较高, 秋季和冬季明显降低, 各个年代边界层高度变化不大.
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