河源市2014—2017年空气污染特征及天气类型分析
巫楚1, 汪宇2, 林小平1, 张辉1, 潘泽凯2, 陈多宏2, 贺发胜3, 利淑芬1     
1. 河源市环境监测站,广东 河源 517000;
2. 广东省环境监测中心,广东 广州 510220;
3. 河源市气象台,广东 河源 517000
摘要: 利用2014—2017年河源城区环境空气自动监测站数据和气象数据,对期间出现的污染天气过程进行统计,对影响污染的天气类型进行分类。结果表明,2014—2017年,河源城区累计出现污染天气65 d,超标污染物主要为PM2.5和O3,O3超标比例逐年上升成为达标率首要影响因子。PM2.5易污染天气型中冷高压出海占比最多(38.2%),其次为冷锋前(17.7%)和均压场(14.8%);O3易污染天气型中副高控制占比最多(31.0%),其次为副高叠加台风外围(24.1%)和冷高压出海(13.8%)及均压场(13.8%)。河源城区低程度污染(AQI值101~110)占比较大。
关键词: 污染特征    天气类型    细颗粒物    臭氧    河源市    空气质量指数    
Characteristics of Air Pollution and Weather Patterns of Heyuan City During 2014—2017
WU Chu1, WANG Yu2, LIN Xiao-ping1, ZHANG Hui1, PAN Ze-kai2, CHENG Duo-hong2, HE Fa-sheng3, LI Shu-fen1     
1. Heyuan Environmental Monitoring Station, Heyuan, Guangdong 517000, China;
2. Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510220, China;
3. Meteorological Bureau of Heyuan City, Heyuan, Guangdong 517000, China
Abstract: Based on the data from the ambient air automatic monitoring station and the meteorological data in Heyuan city from 2014 to 2017, the polluted weather process was statistically analyzed and the weather pattern that affects the pollution was classified. The research showed that there were 65 pollution days in Heyuan city during 2014 to 2017. The pollutants exceeding the standard were mainly PM2.5 and ozone. The proportion of ozone exceeding the standard increased year by year and became the primary influencing factor of the air quality. Cold high pressure moving to sea had the largest proportion (38.2%) of the weather types which are prone to PM2.5 pollution, followed by before the cold front type (17.7%) and the uniform pressure field type (14.8%). Subtropical high (31.0%) dominated the ozone pollution weather types, followed by subtropical high pressure superimposed typhoon peripheral type (24.1%), cold high sea type (13.8%) and uniform pressure field type (13.8%). Low level pollution (AQI value 101~110) accounts for a large proportion in Heyuan.
Key words: Pollution characteristics    Weather type    PM2.5    Ozone    Heyuan    Air quality index    

随着工业化和城市化进程不断加快,大气污染已从京津冀、长三角和珠三角等经济发达地区,蔓延至内陆或经济欠发达区域。研究表明[1-3],环境空气质量与本地源强、区域传输、气象条件等因素密切相关。在本地源排放量稳定时,气象条件成为影响空气质量的重要因素,气象变化的研判在空气污染预测预警中扮演了重要角色[4]。近年来,国内外学者对天气分型与空气质量关系进行了大量研究,研究区域多集中在经济发达地区,许建明等[5]研究了上海秋冬季PM2.5污染天气形势客观分型,高晓荣等[6]研究了广东四大区域污染过程历史案例,江淑芳等[7]分析了深圳市不同空气污染程度下的天气规律及影响要素特征,而粤东北等非珠三角地区城市污染案例研究报道较为少见。

河源市作为广东省东北部的重要生态城市,环境质量在广东地区处于较好水平,自2014年以来空气质量逐年改善[8],但受不利气象条件和周边污染传输影响,个别时段也出现较为严重的污染现象[9-10]。现利用河源市2014—2017年环境空气质量和气象数据,从影响大气污染扩散的气象学角度,对污染日对应的天气系统和气象要素进行归类和分析,探讨污染物低浓度区域的污染现状。

1 数据来源及分析方法

数据来源于河源市环境监测网络的2014—2017年连续4年的逐日和逐时环境空气质量监测数据,周边城市逐日和逐时数据来源于全国城市空气质量实时发布平台[11],地面气象观测数据来源于中国气象局气象数据中心[12],东亚地区的天气图来自中央气象台发布的实况资料[13]

2 结果与讨论 2.1 环境空气质量变化特征

2014—2017年O3和PM2.5作为超标污染物占比逐年变化见图 1

图 1 O3和PM2.5作为超标污染物占比逐年变化

2014—2017年不同空气质量指数(Air Quality Index,AQI)范围的污染天气分布见图 2

图 2 不同AQI指数范围的污染天气分布

图 12可见,超标污染物为O3和PM2.5,其中以O3为超标污染物的污染天比例从2014年的28.1%跃升至2017年的77.8%,O3已成为影响河源环境空气达标率的主要污染物,从AQI分级统计来看,轻度污染天主要集中在101~120,中度污染(AQI > 150)以上污染天均发生在农历新年,为燃放烟花爆竹所致。

2.2 污染过程统计

根据污染持续性及天气分型,统计了2014—2017年河源市PM2.5和O3污染过程(表 1表 2)。PM2.5污染过程共20次36 d,其中34 d轻度污染(AQI为101~143),2 d中度污染(均为大年初一,AQI为152~176),最高持续时间为5 d,污染高发季节为冬、春季。O3污染过程共19次29 d,均为轻度污染(AQI为102~146),最高持续时间为3 d,污染高发季节为夏、秋季。

表 1 河源市2014—2017年PM2.5污染过程统计结果
污染时段 空气质量类别(污染天数) 最高日均气温/℃ 天气分型
2014年1月2—7日 轻度污染(5 d) 21.3 冷高压出海
2014年1月15—22日 轻度污染(5 d) 16.6 冷锋前
2014年1月27—31日 轻度污染(4 d)、中度污染(1 d,春节) 25.9 均压场
2014年2月23日 轻度污染(1 d) 23.2 冷锋前
2014年3月15日 轻度污染(1 d) 14.3 冷高压出海
2014年10月7日 轻度污染(1 d) 29.1 副高边缘
2014年10月14—18日 轻度污染(3 d) 30.4 副高控制
2014年10月26日 轻度污染(1 d) 27.7 副高控制+冷压高脊
2014年12月15日 轻度污染(1 d) 19.1 弱冷高压脊+副高边缘
2014年12月26日 轻度污染(1 d) 19.1 弱冷高压脊+副高边缘
2015年1月3日 轻度污染(1 d) 21.6 冷高压出海
2015年1月11日 轻度污染(1 d) 16.6 弱冷高压脊
2015年1月19日 轻度污染(1 d) 20.1 台风外围+冷锋前型
2015年1月20日 轻度污染(1 d) 22.0 冷高压出海
2015年2月10—12日 轻度污染(3 d) 19.1 冷高压出海
2015年2月19日 轻度污染(1 d,春节) 20.1 均压场
2016年2月8日 轻度污染(1 d) 12.2 弱冷高压脊
2016年3月30日 轻度污染(1 d) 18.5 冷高压出海
2017年1月28日 中度污染(1 d,春节) 15.7 冷高压出海
2017年12月28日 轻度污染(1 d) 14.5 冷高压出海

表 2 河源市2014—2017年O3污染过程统计结果
污染时段 空气质量类别(污染天数) 最高日均气温/℃ 天气分型
2014年4月13日 轻度污染(1 d) 33.2 冷高压出海
2014年6月13—16日 轻度污染(2 d) 34.2 副高叠加台风外围
2014年7月30—31日 轻度污染(2 d) 36.7 台风外围
2014年8月3日 轻度污染(1 d) 34.4 均压场
2014年10月16—17日 轻度污染(2 d) 29.9 副高控制
2015年4月15—16日 轻度污染(2 d) 31.2 均压场
2015年8月5—6日 轻度污染(2 d) 36.3 副高叠加台风外围
2015年9月19日 轻度污染(1 d) 33.2 均压场
2015年9月25日 轻度污染(1 d) 34.6 冷锋前型
2016年4月1日 轻度污染(1 d) 27.8 冷高压出海
2016年6月23日 轻度污染(1 d) 31.2 副高叠加台风外围
2016年7月23—25日 轻度污染(3 d) 32.3 副高控制
2016年8月6日 轻度污染(1 d) 31.5 副高控制
2016年8月26日 轻度污染(1 d) 28.8 副高叠加台风外围
2016年8月31日 轻度污染(1 d) 29.6 副高叠加台风外围
2017年4月19日 轻度污染(1 d) 25.7 副高控制
2017年4月29—30日 轻度污染(2 d) 25.1 冷高压出海
2017年5月28—29日 轻度污染(2 d) 28.3 冷高压出海+副高边缘
2017年8月17—20日 轻度污染(2 d) 31.6 副高控制

2.3 影响污染的气象条件分析

2014—2017年河源市PM2.5和O3污染天气气象场分型见图 3(a)(b)。由表 1表 2图 3可见,影响PM2.5和O3污染的天气分型有较大差异。2014—2017年,除春节外,河源市PM2.5污染共34次,其中冷高压出海13 d(38.2%),冷锋前6 d(17.7%),均压场5 d(14.8%),弱冷高压脊、副高边缘、台风外围等天气型占比相对较小;河源市O3污染共29 d,副高控制9 d(31.0%),副高+台风外围7 d(24.1%),冷高压出海4 d(13.8%),均压场4 d(13.8%),副高边缘和冷峰前等天气型占比较小。

图 3 2014—2017年河源市PM2.5和O3污染天气气象场分型

2014—2017年PM2.5和O3污染天气地面风场统计见图 4(a)(b)(直径长度代表该风场对应下污染发生频次)。由表 2、表3和图 4可见,PM2.5污染时段的最高日均气温为12.2~30.4℃,高频污染风向为东北风且风速 < 1.5 m/s(冬、春季占58.8%);O3污染时段的最高日均气温为25.7~36.7℃,高频污染风向为西南风且风速 < 1.5m/s或2.1~2.5m/s(夏、秋季占88.2%)。可见弱东北风下主要发生在冬、春季,而冬、春季因为混合层低,降水少,容易促使ρ(PM2.5)升高;弱西南风下,一方面O3前体物区域输送明显,另一方面在夏、秋季出现频率较高,气温高辐射强,使光化学产物ρ(O3)上升[9-10]

图 4 2014—2017年PM2.5和O3污染天气地面风场统计

3 结论

(1) 河源城区环境空气质量处于较好水平,污染天数逐年减少,超标污染物为PM2.5和O3,O3成为达标率首要影响因子。

(2) 易污染天气类型中,冷高压出海型占比最高(26.1%),其次为副高控制(15.4%)和均压场(13.85%),冬、春季和夏秋季污染防控重点分别为PM2.5和O3,弱风速(< 1.5 m/s)时应密切关注。

(3) 污染天气时段发生在AQI值为101~110时占比较大(24.6%),说明低程度的污染天气接近四分之一,尚有较大的空间减少污染天气发生。

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