全国重点城市空气污染指数与气象条件的关系研究.docx
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全国重点城市空气污染指数与气象条件的关系研究
全国重点城市空气污染指数与气象条件的关系研究
空气污染是发生在近地层的现象,严重危害与影响人类及其生存环境。
利用
2001-2012年全国重点城市空气污染指数和同期气象资料,研究了空气污染的时空特征。
选取了10个代表城市,研究空气污染指数与地面及边界气象条件的关系,利用逐步回归方法,建立空气污染指数预报方程。
结果表明:
(1)空气污染指数冬春季较高,夏
季低,秋季回升;北方城市空气污染指数明显高于南方城市;空气首要污染物,以可吸入颗粒物要主,大部分城市在75%以上,SQ为次之,NG很少;
(2)空气污染指数与能见度之间总体呈负相关,与风速之间总体呈负相关,冬半年比夏半年显著;与稳定能量之间总体呈正相关,冬半年比夏半年显著,南方比北方显著;与气温之间总体呈正相关,北方城市夏半年比冬半年显著,而南方城市冬半年比夏半年显著;与空气饱和程度之间,北方城市冬半年呈正相关,南方城市夏半年呈负相关;(3)对建立的回归方程的检验
表明,空气污染指数对气象条件的响应,冬半年好于夏半年,平原城市好于高原城市、南方城市好于北方城市;从预报误差和准确率看,夏秋季好于冬春季,南方城市好于北方城市。
本文的研究结果可为重点城市空气污染预报提供参考。
随着工业化的发展和城市规模的不断扩大,空气污染越来越严重,并且与雾霾天气相联系冋。
空气污染对人类及其生存环境造成的危害与影响⑷,主要有如下几个方面:
①危害人体健康[5-8]。
通过吸入污染空气、表面皮肤接触污染空气和食入含空气污染物的食物,引起人体呼吸道和肺部疾病,还可对心血管系统、肝等产生危害,导致癌症,严重的可夺去人的生命,据世卫组织2014年3月25日报道⑻,2012年空气污染导致700万人死亡。
②危害生物。
动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病或死亡,空气污染物可使植物抗病力下降、影响生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。
③对物品的危害。
如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑材料、文化艺术品等,造成化学性损害和玷污损害。
④造成酸性降雨,对农业、林业、淡水养殖业等产生不利影响。
⑤破坏高空臭氧层,形成臭氧空洞,对人类和生物的生存环境产生危害。
⑥对全球气候产生影响t10^121,如二
氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气增暧,全球天气灾害增多;烟尘等气溶胶粒子增多,使大气混浊度增加,减弱太阳辐射,影响地球长波辐射,可能导致天气气候异常。
如何防治大气污染,减轻大气污染的危害与影响,构成了当今重大而紧迫的研究课
题。
理论研究和实验表明,在污染排放相同的情况下,污染浓度主要受气象条件的制约因此研究空气形成的气象学成因对于揭示重污染形成的机理和防治措施的制定具有重要的理论和现实意义。
第二章资料与研究方法
2.1资料
本文研究中使用的空气污染和气象资料分别为:
(1)从中国环境监测站下载的2001-2012年全国120个重点城市逐日空气污染指数和首要污染物资料。
(2)从气象信息广播接收的2001-2012年全国138个站的探空资料和820个地面资料。
2.2方法
(1)混合层厚度
大气混合层厚度是制约空气污染物稀释扩散最重要的参量之一。
其算法为:
气块从地面最高温度点出发,沿干绝热线上升,与08时温度层结曲线相交的高度即为日最大
大气混合层厚度。
本研究采用王式功问等提出的干绝热曲线图解法求最大混合层厚度的计算方法。
(2)整层平均温度露点差
120
td)
(1)
SUM(FTd)=(t
21k0
式中下标k=0,2,...20,分别是0,50,100m...,1000高度。
SUM(t-td)的单位取C
(3)稳定能量
采用尚可政网等提出的算法。
CP)
EW-TGTdP
(2)
gPH
式中P的单位取hPa,T和TG的单位取K,CP=1004J∙K-1∙kg-1,g=9.8m∙S-2,EW的单位取J∙cm-2.TG为自高度H处,按干绝热递减率,计算出的H及其以下各层次的温度。
在本研究中,稳定能量的层次取距地面50、100、150、、950、1000m共20层。
(4)相关系数
1n__
一(Xχ)(½y)
r——ni1(3)
1n,∖2n,\2
(Xx)(yiy)
n■i1i1
相关系数的大小可以衡量两个序列之间的相关程度,但是当若干相关系数放在一
起,其样本长度不一时,就不好比较哪一相关性更好。
为此,需要将他们转换为相同样本下的相关系数进行比较。
根据数理统计,样关系数的计算式为:
t
.n2t2
(4)
式中t为学生氏分布中的统计量,当样本较大时t趋于常数,因此有:
斥n2t2.n
rN2t2N
(5)
在本研究中,空气污染资料为2001—2012年,每个月的有效样本300个左右,因此取N
=300,
(2)简化为:
Vnr300.300r
(6)
(5)多元线性逐步回归
采用黄嘉佑[15]气象统计分析与预报方法中给出的方法。
(6)预报误差
E
nii
式中E为预报误差n为样本数,Y?
、Yi分别为空气污染指数预报值和实际值
(7)预报准确率
(8)
k
C100%
n
式中C为预报准确率,n为样本数,k为空气污染指数预报值与实际值之差小于50的次数。
第三章中国大陆空气污染指数时空特征
3.1空间分布特征
(1)中国大陆重点城市空气污染指数的空间分布情况
图1为中国大陆120个重点城市各季节平均的空气污染指数分布情况。
可以看出,春季,西北东部的兰州和西宁为指数超过100的污染高值中心(兰州达128),北京为次高污染中心(指数为111);南部沿海城市和东北东部为污染指数较低,在65以下,
特别是海南在50以下。
夏季,全国大部分城市指数较春季明显下降。
北京维持高污染中心(指数下降为83)。
兰州下降降为次高中心(指数77);南方和东部城市空气污染指数较春季有所下降,达到四季最低。
秋季,全国大部分城市指数较夏季明显升高。
乌鲁木齐、兰州和北京成为污染高值中心(污染指数分别上升到90、100和93)。
冬季,全国大部分城市指数在秋季的基础继续升高。
乌鲁木齐和兰州的污染高值中心增强(污染指数分别上升到175和145),华北出现污染高值(邯郸126)。
从全年来看,北方大部分城市空气污染指数比较高,特别是北京、西宁和兰州,它们的空气污染指数基本在70—130之间。
而南方城市空气污染指数普遍偏低,尤其是湛江、海口和三亚,一年四季的空气污染指数都在50以下。
图3.1中国大陆空气污染指数分布
(2)中国大陆重点城市空气质量为优的分布情况
图2为中国大陆重点城市各季节空气质量为优的日数(污染指数50)出现百分率
春季,西北东部至华北、东北和山东的多个城市(包括兰州、西宁、银川、延安、西安和沈阳和在内)空气质量为优的日数不足5%;新疆西部、东北东部和南方沿海城市空
气质量为优的日数超过40%,特别是海南省的海口和三亚更高达90%以上。
夏季,空气质量为优的日数出现率明显增加,大部分城市增加10%以上,兰州、沈阳和济南等城市少量增加。
秋季,空气质量为优的日数出现率明显减少,与春季相当。
乌鲁木齐、兰州和北京成为污染高值中心(污染指数分别上升到90、100和93)。
冬季,空气质量为优的日数出现率在秋季的基础显著下降,除西部和长江以南,其余各城市大部分在2%以
下。
从全年来看,北方和南方都有空气质量为优的日数出现的百分率小于10%的城市,
比如兰州、石家庄和马鞍山。
而南方空气质量为优的日数出现的百分率大于30%的城市
比北方多,比如三亚和海口基本保持在70%以上。
(b.夏季)
(a.春季)
75808590951001051101151201251301351407580859095100105110115120125130135140
(c.秋季)(d.冬季)
图3.2中国大陆空气质量等级为优的百分率分布
(3)中国大陆重点城市空气首要污染为可吸入颗粒物的日数分布情况
图3为中国大陆重点城市各季节空气首要污染为可吸入颗粒物的日数出现百分率。
春季,除新疆、西藏和南方沿海城市外,全国大部分城市首要污染为可吸入颗粒物的比例在75%以上,兰州等北方受春季沙尘天气影响频繁的城市,更是90%以上。
夏季,首要污染为可吸入颗粒物的比例,较春季明显减少发,东部及南方沿海城市减少更显著。
秋季,首要污染为可吸入颗粒物的比例较夏季明显增加,特别是新疆北部和南方沿海城市减少更显著。
冬季,首要污染为可吸入颗粒物的比例在秋季的基础上继续增加,达到最高。
从全年来看,不论南方还是北方城市,空气首要污染为可吸入颗粒物的日数出现百分率整体偏高,基本维持在50%—90%之间,只有极个别城市(海口和三亚)在30%以下。
75808590951001051101151201251301351407580859095100105110115120125130135140
(C∙秋季)(d.冬季)
图3.3中国大陆空气质量首要污染为可吸入颗粒物的百分率分布
(4)中国大陆重点城市空气首要污染为SO2的日数分布情况
图4为中国大陆重点城市各季节空气首要污染为SO2的日数出现百分率。
春季,除
南方广西柳州(达49.4%),乌鲁木齐(19%)、石嘴山(20%)和山西阳泉(20%)为高值中心20%外,其他城市出现率较低。
夏季,金昌、德阳和攀枝花为高值中心(29.4%),其他城市出现率较低。
秋季,金昌、石嘴山和柳州为高值中心(58.6%)。
冬季,空气
首要污染为可SO2的日数出现百分率达到最高,北方多数城市达到20%以上(辽宁本溪
更达到了81.4%),南方城市也明显上升,广西柳州达到了59.7%)。
从全年来看,北方
和南方城市空气首要污染为SO2的日数出现百分率不均匀。
在北方,阳泉、石嘴山和金昌普遍高达20%左右,而大庆和吉林基本在0。
同样在南方,攀枝花和柳州都在30%以上,甚至比北方城市更为严重,而SO2的日数出现百分率为0的城市比北方多,比如北海、湛江、三亚、海口、佛山等。
(a.春季)(b.夏季)
(C.秋季)(d.冬季)
图3.4中国大陆空气质量首要污染为SQ的百分率分布
(5)中国大陆重点城市空气首要污染为NO2的日数分布情况
从整体来看,全国大部分城市空气首要污染为NO2的日数都为0。
北方城市呼和浩
特、哈尔滨和潍坊有空气首要污染NO2,而且日数分布基本都在5%以下。
和北方城市相比,南方城市空气首要污染为NO2的日数比较多,比如深圳、广州、宁波和上海。
有的城市咼达10%以上。
3.2空气污染指数的年内变化
图5给出了中国大陆15个代表城市空气污染指数的年内分布情况。
总的来看:
空气污染5-10月份低,11—4月份高(12和1月份最高)。
值得注意的是,兰州、北京等受春季尘天气影响大的城市,3—4月份空气污染指数的出现次高值。
南方城市,空气污染指数年变幅较小,特别是三亚空气污染指数常年维持在19-26之间。
1
23
45
6
7
月份
8
9
10
11
12
十乌鲁木齐亠兰州济南西安
呼和浩特重庆
太原南京
十邯郸南昌
长春广州
=I=
哈尔滨■
三亚
—北京
图3.5中国大陆15个代表城市空气污染指数的年内分布
00
2
50
00
数指染污气空
3.3小结
(1)中国大陆重点城市空气污染指数的空间分布特征为:
空气污染指数平均值超过100的城市有西宁、兰州、北京、邯郸、沈阳和西安,尤其是春季或冬季空气污染指数基本维持在110左右。
夏季,全国大部分城市指数较春季明显下降。
秋季,全国大部分城市指数较夏季明显升高。
北方城市空气污染指数一年四季来看都比南方城市明显偏
高,南方城市空气污染指数一般稳定在60左右,特别是沿海城市大多数时候都在50以TO
(2)中国大陆重点城市空气质量为优的空间分布特征为:
春季,西北东部至华北
和东北和山东的多个城市空气质量为优的日数不足5%o夏季,空气质量为优的日数出
现率明显增加,大部分城市增加10%以上。
秋季,空气质量为优的日数出现率与春季相当。
冬季,空气质量为优的日数出现率在秋季的基础显著下降,除西部和长江以南,其余各城市大部分在2%以下。
总的来看,北方和南方城市都有空气质量为优的城市,但是南方比北方明显偏多。
(3)中国大陆重点城市空气首要污染为可吸入颗粒物的空间分布特征为:
春季,
除新疆、西藏和南方沿海城市外,全国大部分城市首要污染为可吸入颗粒物的比例在75%
以上。
夏季,首要污染为可吸入颗粒物的比例,较春季明显减少。
秋季,首要污染为可吸入颗粒物的比例较夏季明显增加。
冬季,首要污染为可吸入颗粒物的比例在秋季的基
础上继续增加,达到最高。
从全国来看,空气首要污染为可吸入颗粒物的现象比较普遍,应该得到各大城市的重视。
(4)中国大陆重点城市空气首要污染为S02的空间分布特征为:
春季、夏季和秋季,除个别城市为高值中心外,大部分城市出现率较低。
而冬季,空气首要污染为S02的日数出现百分率达到最高,北方多数城市达到20%以上,南方城市也明显上升。
空气首要污染为S02的分布没有明显的规律,全国大部分城市S02的出现率都为0,并且南方SO2的日数出现率为0的城市比北方多,只有少数城市需要采取措施减少SO2的出现率。
(5)中国大陆重点城市空气首要污染为NO2的空间分布特征:
从整体来看,全国大部分城市空气首要污染为NO2的日数基本为0。
在季节上没有明显的分布规律,与其他污染问题不同的是南方城市空气首要污染为NO2的日数比北方相对较多。
第四章地面气象要素和边界层特征参数与空气污染之间的相关
分析
已有的研究表明,空气污染是发生在近地层的现象,空气污染物的积累或扩散,主要受边界层气象条件的制约。
为此在全国各区域选取一些代表城市,来研究空气污染指数与地面气象因子和边界气象条件的关系。
这些代表城市分别为:
哈尔滨(东北区)、乌鲁木齐(新疆区)、西宁(甘肃青海区)、太原(华北山区)、北京(华北平原)、拉萨(青藏高原)、昆明(西南)、武汉(华中)、南京(华东)和广州(华南)。
为便于对比分析,利用公式(6)订正为为样本数300的相关系数值。
样本数为300的不同显著水平的临界相关系数如表1所示。
表4.1样本数为300的不同显著水平的临界相关系数
显著水平
0.05
0.01
0.001
0.0001
相关系数rc
0.1134
0.1487
0.1891
0.2228
4.1地面气象要素与空气污染指数之间的相关分析
(1)能见度与空气污染指数之间的相关分析
表1给出了10个代表城市各月空气污染指数与能见度之间相关情况(使用公式(5)
进行了统一化处理)。
可以看出,空气污染指数与能见度之间总体呈负相关,冬半年显著(大部分站通过了=0.001水平的相关显著性检验),夏半年部分城市不显著,甚至呈正相关。
各重点城市中,北京最显著(所有月份通过了=0.001水平的相关显著性检验)。
西宁、拉萨武汉和昆明等高原城市,相关性比其他城市差一些。
表2给出了10个代表
城市各月空气污染指数与能见度倒数之间相关情况。
与能见度相反,二者之间总体呈正相关,同样是冬半年显著,夏半年部分城市不显著,甚至呈负相关。
各重点城市中,北京最显著。
西宁、拉萨武汉和昆明等高原城市相关性不显著。
以上分析说明,空气污染严重,则对应能见度差;空气质量好,则对应能见度好,特别是冬半年更是如此。
表4.210个代表城市各月空气污染指数与能见度之间的相关系数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
哈尔滨
-.364
-.281
-.236
-.149
-.162
.117
.145
-.056
-.022
-.399
-.499
-.447
乌鲁木齐
-.406
-.294
-.340
-.068
.005
-.137
.093
.006
.120
-.184
-.408
-.313
西宁
.000
-.283
-.285
-.321
.131
.271
.065
.196
.179
.066
-.046
-.085
太原
-.373
-.275
-.234
-.166
-.155
-.266-.113
-.252
-.299
-.369
-.416
-.433
北京
-.652
-.554
-.349
-.464
-.209
-.479∣-.558
-.665
-.629
-.622
-.586
-.523
拉萨
-.194
-.319
-.299
-.437
.038
.106.290
.130
.204
.143
-.056
.062
昆明
-.115
-.215
-.231
-.343
.020
-.215∣-.282
-.209
-.202
-.080
-.143
-.194
武汉
-.260
.084
-.124
.129
-.110
-.127-.176
-.156
-.185
-.111
-.118
-.154
南京
-.314
-.150
-.113
-.051
-.189
-.269-.157
-.276
-.344
-.391
-.395
-.338
广州
-.374
-.403
-.453
-.351
-.226
-.193-.184
-.147
-.379
-.341
-.369
-.358
注:
表带阴影的数字表示通过了=0.001水平的相关显著性检验。
表3-表9同此
表4.310个代表城市各月空气污染指数与能见度倒数之间的相关系数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
哈尔滨
.450
.345
.255
.188
.200-
.097
-.076
.074
.043
.341
.482
.414
乌鲁木齐
.154
.106
.121
-.006
-.002
.185
-.075
-.014
-.094
-.015
I.296
.232
西宁-
.012
.367
.272
.322
-.133-
.079
-.062
.029
-.125
-.107
.022
.074
太原
.306
.236
.186
.066
.045
.137
.054
.213
.169
.307
∣.268
.277
北京
.611
.520
.241
.421
.159
.419
.557
.658
.476
.426
I.621
.559
拉萨
.249
.059
.331
.054
.035-
.146
-.308
-.203
-.290
-.144
.055-
.054
昆明
.060
.103
.069
.174
-.010
.187
.200
.099
.212
.034
.137
.191
武汉
.213
-.094
.112
-.103
.085
.110
.109
.137
.145
.094
.092
.119
南京
.401
.156
.086
.003
.196
.296
.086
.242
.341
.378
∣.428
.277
广州
.288
.234
.193
.170
.177
.200
.109
.111
.251
.293
I.134
.343
(2)地面气温与空气污染指数之间的相关分析
表4给出了10个代表城市各月空气污染指数与地面气温之间的相关情况。
可以看出,空气污染指数与气温之间总体呈正相关,总的来年看,北方城市夏半年比冬半年显著,而南方城市冬半年比夏半年显著,各重点城市中,武汉和南京最显著(所有月份通过
T=0.001水平的相关显著性检验),太原次之(除11-12月份外,其余月份通过了=
0.001水平的相关显著性检验)。
这说明,有冷空气活动时,伴随着气温的下降,城市污染物扩散,空气质量转好;反之,无冷空气活动时,伴随着气温的上升,城市污染物积累,空气质量下降。
表4.410个代表城市各月空气污染指数与地面气温之间的相关系数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
哈尔滨
.163
.159
.210
.052
.085
.512
.624
.374
.313
.169
.162
-.059
乌鲁木齐
.078
-.028
-.167
.074
.164
.331
.366
.366
.203
.123
-.153
-.114
西宁
.215
.165
.069
-.056
.235
.217
.343
.326
.280
.181
.255
.239
太原
.404
.338
.212
.318
.230
.205
.281
.290
.409
.222
.179
.179
北京
.322
.425
.265
.110
.063
.378
.199
.258
.308
.201
.264
.259
拉萨
.507
.347
.151
.139
-.025
.199
.389
.445
.202-
.060
.089
.295
昆明
.242
.034
.242
.132
.336
.050
.298
.340
.250
.242
.155
.034
武汉
.516
.421
.412
.274
.349
.262
.232
.293
.411
.452
.495
.509
南京
.521
.379
.382
.323
.338
.226
.466
.440
.439
.460
.560
.248
广州
.429
.324
.322
.165
.208
.039
.078
.228
.319-
.100
.359
.302
(3)地面气温露点差空气污染指数之间的相关分析
表5给出了10个代表城市各月空气污染指数与地面气温
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