黄勇;张红;汪腊宝;王儒威;梅建鸣
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【摘 要】利用气象部门整编的30年(1981—2010年)气候资料中,安徽省内35个未搬迁的地面气象站观测资料,分析安徽省大气污染扩散能力的变化特征.时间变化方面,安徽省的不稳定日数比重以每年0.31％的速度增加,大气扩散能力经历了\"增强-减弱-增强\"的起伏式变化,1997—2004年是扩散能力降低的时期.在空间分布上,除沿江中、西部和皖南山区东部的局部地区出现不稳定日比重下降(安庆站的下降速率最快,为每年-0.32％)的变化趋势外,其他地区均呈逐年升高趋势.高斯扩散模型的模拟结果表明,安徽省的大气污染扩散能力总体上有所增强,在35个台站中,有1/2的台站扩散能力出现了降低的变化趋势.此外,在安徽省淮北东部、大别山西北部和皖南山区东北部,大气的垂直扩散能力得到了增强,水平输送能力有所减弱.沿(长)江西部,大气的垂直扩散能力有所减弱,但水平输送能力却得到增强.
【期刊名称】《装备环境工程》
【年(卷),期】2019(016)006
【总页数】8页(P55-62)
【关键词】大气污染;扩散能力;高斯扩散模型
【作 者】黄勇;张红;汪腊宝;王儒威;梅建鸣
【作者单位】安徽省气象科学研究所 大气科学与卫星遥感重点实验室,合肥 230031;寿县国家气候观象台,安徽 寿县 232200;中国气象局 淮河流域典型农田生态气象观测野外科学试验基地,安徽 寿县 232200;安徽省环境科学研究院,合肥 230071;安徽省气象科学研究所 大气科学与卫星遥感重点实验室,合肥 230031;寿县国家气候观象台,安徽 寿县 232200;中国气象局 淮河流域典型农田生态气象观测野外科学试验基地,安徽 寿县 232200;中国科学技术大学 地球与空间科学学院,合肥 230026;铜陵市环境监测中心站,安徽 铜陵 244000
【正文语种】中 文
【中图分类】X513
近年来，受到全球气候变化的影响，我国的气候条件也发生了显著的变化。对于年平均气
温来说，近百年来大气温度升高了0.5～0.8 ℃[1]。对于其他一些物理量而言，虽然无明显的变化趋势，但年际变化的波动较大[1-3]。
气候条件的显著变化，不仅对植被生态和地表水循环产生了影响[4-7]，并且对区域大气环境质量和污染物分布造成了一定的影响[8-11]。已有研究结果表明，气温升高、降水频率降低、天气形势改变等变化，均可能对区域的大气污染气象条件造成负面影 响[12-14]。Meleux 等[15]的研究结果显示，气候变化对O3 浓度的影响与气温升高、干旱频发之间有着明显的关系，并且这种关系还随着地域的变化而变。符传博等对华南地区1960—2013 年霾的研究结果也表明，年平均风速、大风日数、小风日数、降水日数等因子的变化，致使华南地区气溶胶粒子的扩散能力下降，湿沉降能力减弱[16]。毛敏娟等[17]研究表明，1996—2015 年在气候变化影响下，浙江省的大气污染扩散能力呈现出下降的变化趋势。另外，已有研究表明，城市化、地形地貌差异等都会对大气污染扩散能力造成一定的影响[18]。
安徽省地处南温带-亚热带的气候过渡区，淮河以北为南温带季风气候区，以南为亚热带季风气候区。安徽省内地形地貌复杂，长江、淮河两大水系自西向东横穿安徽，北部为（淮
北）平原，东部有（江淮）丘陵，南部和西部均为山区（皖南山区和大别山区）。特殊的气候条件、地理位置以及多样化的地形地貌，使得这一地区的气候变化也呈现出其独有的变化特征[19-20]。文中利用安徽省气候中心整编的30 年（1981—2010 年）地面气候观测资料，分析全球气候变化影响下，安徽省的大气污染扩散能力变化特征，为有效应对气候变化影响下的安徽省大气污染防治提供科学依据。
1 资料和方法
所用资料为安徽省气象部门整编的30 年（1981—2010 年）气候数据集。该数据集包括了安徽全省81 个气象台站，逐日的地面常规气象观测数据。文中主要用到数据集中的总云量、低云量、气温、气压、湿度、降水、风向和风速等气象要素。从中选取出 35 个在1981—2010 年间未进行迁移的站点的观测资料，对安徽全省逐年的大气污染扩散能力进行分析。分析的参数主要包括：稳定日所占比重，以及在假定相同的污染源影响下，大气污染的最大落地浓度和最大落地距离。在这35 个台站中，城市站8 个，郊区站12 个，乡村站15 个，如图1 所示。
图1 安徽省地形高度与35 个台站分布
第九届海峡两岸知识大赛大气稳定度是评价大气污染扩散能力的主要指标之一。在目前通用的众多计算方法中，Pasquill 稳定度分级法[21]是较为常用的一种方法，且较适用于我国国情。在Pasquill 稳定度分级法中，考虑到近地层大气的热能主要来源于地球表面的长波辐射加热，而地球表面温度的升高主要依赖于太阳短波辐射的加热作用。因此可以用太阳高度角、云量和风速来判断地球表面辐射加热的状况，进而评价大气的稳定度。根据Pasquill 稳定度分级法，大气稳定度可分为6 个等级，分别为：强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定，分别以A、B、C、D、E、F 进行表示。分类时，先通过太阳高度角与云量来计算出太阳辐射的等级，再通过太阳辐射等级与地面的风速，来确定大气稳定度的等级。
在Pasquill 稳定度分级法[21]中，通常只在夜间，或者是风速小于3 m/s 的清晨和傍晚，才会出现稳定的大气层结。强不稳定的大气层结通常出现在太阳高度角大于35°的中午前后，且风速要小于3 m/s。另外，云量越多，地面风速越大，大气层结就越趋向于中性。因此，在没有太阳辐射加热的夜间，大气层结一般为中性、较稳定或稳定等级；而在太阳辐射较强且风速较小（＜2 m/s）的晴天白昼，大气的层结多数为不稳定等级。
根据以上分析，文中以晴天且风速较小为标准，来判断不稳定的大气层结，并且认为当日
辛亥革命110周年讲话白昼出现了不稳定等级的大气层结，则认为该日为大气层结不稳定，称为不稳定日。不稳定日比重则定义为当年不稳定日数占全年总日数的百分比。
此外，为了解气候变化影响下，安徽省大气污染扩散能力的变化特征及其地域差异，利用1981—2010年35 个气象台站的地面观测数据，在设定相同大气污染排放源的基础上，模拟35 个站点所代表区域的大气污染扩散能力。大气污染排放源的相关信息如下：排放量为1000 kg/h，排烟率为500 m3/s，烟囱高度为120 m，烟气温度为100 ℃，烟囱直径为10 m。采用点源高斯污染扩散模型，模拟该排放源所排放污染物在大气中的扩散情况，统计最大落地浓度（c max）及其对应的最大落地距离（L max）这两个物理量，以此来表征大气污染扩散能力。具体计算公式为：
式中：Q 为单位时间的污染物排放量，mg/s；Y为该点与通过排气筒的风向轴线在水平面上的垂直 距离，m；σy 为垂直于风向的水平横向扩散系数，m； σz 为铅直扩散系数，m；U 排气筒出口处的平均风速。
式中：h 为混合层厚度；H e 为排气筒有效高度，等于排气筒高度H 加上烟气抬升高度ΔH。
2 不稳定日占比
统计1981—2010 年全省年均不稳定日频率的逐年变化，结果如图2 所示。可以看出，不稳定日的出现频率有逐年上升的趋势。为进一步掌握不稳定日频率逐年上升的速率，采用线性回归方法，对逐年的不稳定日频率进行拟合。通过线性回归拟合，得到不稳定日频率逐年变化的表达式为：
y=0.0031x+0.2421
式中：y 为逐年的不稳定日频率；x 为自1981年开始的年份序号（1981 年为1，1982 年为2，…，2010 年为30）。从关系式中可以看出，1981 年以后不稳定日频率以24.21%为基础，每年上升0.31%。尤其是在2001 年以后，不稳定日频率逐年上升的现象尤为明显。
从图2 还可以看出，安徽省全省平均的不稳定日频率呈现出逐年上升的变化趋势，但对于各个观测站点来说，不一定存在着相同的变化趋势。为解决这一问题，分别统计每个站点不稳定日频率的逐年变化趋势，并制作变化速率的空间分布图。
图2 1981—2010 年安徽省大气不稳定日频率时序
照射雷达首先，利用一元线性回归方法，拟合得到每个站点不稳定日频率的变化速率。然后，采用克里格插值方法将 35 个台站的变化速率，插值成分辨率为0.1°×0.1°网格点数据，并采用surfer 软件制作空间分布图。35 个台站不稳定日频率逐年变化速率见表1，可以看出，在35 个台站中，大多数站（77%）出现上升的变化趋势，只有8 个站出现了逐年下降的变化特征。在不稳定日频率逐年上升的台站中，霍邱站的上升速率最快，达到了1.35%/a。逐年下降的8 个台站中，安庆站的速率快，为-0.32%/a。
从不稳定日频率逐年变化速率的空间分布图（图 3）来看，大部分地区的不稳定日频率都呈现出了逐年上升的变化趋势，淮河及其两岸地区为上升趋势最为明显的区域。另外，在安徽省最北的灵璧县、沿（长）江部分市县以及皖南东部局部地区出现了不稳定日频率逐年下降的趋势。
总的来说，在安徽省的大部分地区，大气层结表现为不稳定的日数呈现出逐年升高的变化趋势。仅仅是在安徽最北部、沿（长）江局部地区和皖南山区东部的局部地区出现了不稳定日逐年降低的变化特征。
表1 35 个台站位置（城市站/郊区站）不稳定日占比逐年变化趋势 %/a 位置 萧县 亳州 濉
溪 涡阳 宿州 灵壁 泗县 固镇 霍邱 站名 乡村站 城市站 乡村站 郊区站 城市站 乡村站 郊区站 乡村站 城市站 比重 -0.05 0.19 -0.05 0.06 0.2 0.68 0.9 1.06 1.35 位置 寿县 长丰 来安 金寨 岳西 桐城 巢湖 庐江 繁昌 站名 郊区站 城市站 郊区站 乡村站 乡村站 乡村站 城市站 郊区站 乡村站 比重 0.09 0.74 0.77 0.05 0.56 -0.07 -0.23 0.45 0.02 位置 芜湖县 潜山 宿松 望江 东至 青阳 安庆 太平 铜陵 站名 郊区站 乡村站 乡村站 乡村站 郊区站 城市站 城市站 乡村站 郊区站 比重 0.4 -0.08 -0.08 0.1 0.56 0.24 -0.32 0.38 0.1 位置 宣城 旌德 宁国 光明顶 广德 郎溪 黟县 歙县 站名 郊区站 城市站 郊区站 乡村站 乡村站 郊区站 乡村站 郊区站 比重 0.09 0.16 -0.16 0.08 0.33 1.15 0.28 0.05
图3 1981—2010 年安徽省不稳定日占比逐年变化 趋势空间分布
3 大气污染扩散能力
3.1 时间变化
首先，对35 个站点计算得到的逐日c max 和L max进行空间算术平均，得到全省平均的逐日最大落地浓度（c max save）以及相应的距离（L max save）。然后，对每年的c max s
血液回收
中草药提取物ave 和L max save 进行算术平均值，得到年均的c max save 和L max save。逐年年均c max save 和L max save 的时序变化如图4 和5 所示。1981—2010 年，全省的c max save 经历了“降低-升高-降低”的起伏式变化。其中，1981—1997 年为c max save 降低的时期，1997—2004年为c max save 上升的时期，2004 年以后，c max save 再次出现逐年降低的变化特征。L max save逐年变化与c max save的变化正好相反，总体上呈现出“升高-降低-升高”的变化规律。其中，1981—1997 年为L max save 逐年升高的时期，1997—2004 年为逐年降低的时期，2004 年以后，L max save 再次出现逐年升高的变化特征。
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