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2014年上海一次持续东风系统里的污染过程分析

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-10-28 编辑:情感语录

引言

一个城市的空气质量取决于两个方面,一方面是污染源的排放和分布,另一方面是大气扩散污染物的能力[1-3]。在污染源相对稳定的时期,城市大气污染物浓度时空分布的不确定性主要取决于大气的扩散条件[4]。研究表明,影响大气污染物扩散能力的气象因素主要包括:动力因素,热因素,大气稳定性,大气湿度,天气条件和混合层高度[5-6]。陈敏等[7]从动力学的角度指出,大气污染物的水平稀释和运移主要是平均风的影响。胡玉玲等[8]从热学角度研究了乌鲁木齐反演层与可吸入颗粒物PM10浓度之间的正相关关系。 Zhang等[9]从大气分层的角度探讨了北京的温度分层对大气污染物垂直分布的影响,指出稳定分层下的风速水平和垂直扩散能力较弱。张国凡等。 [10]使用气象方法对地面天气系统进行分类,以从天气情况研究不同地面天气类型对上海空气质量的影响。但是,以往的研究主要集中在对多种不利气象因素相互作用的分析上,很少分析几种气象因素的影响。

大气中污染物的来源主要是地面灰尘、汽车尾气、工业排放物和冬季取暖。作为国际大都市,上海机动车保有量高,还有宝钢、金山石化等重工业厂,颗粒物来源比较严重,但因为上海地处长江和钱塘江的交汇处。大陆在东海中向长江的东端凸出。近地面风场和温度受海面气象条件的显著影响[11]。海上清洁空气对上海市空气质量影响显著[7]。周卫东等。[12]根据气候统计,上海西北风浓度较高,而东风颗粒物浓度普遍较低。不过,从一个案例来看,在东风系统的控制下,上海也将出现重污染天气。本文以2014年3月10日的重污染过程为例,探讨了可能的污染原因,这不仅有利于强化重污染条件。对以下天气特征的科学认识,也为研究重污染天气的区域影响和特大城市污染防治提供了科学依据。

1来源和选择

颗粒物数据来源于上海市环境监测中心10个国家控制点的小时浓度数据和上海市气象局7个区县的逐分钟数据。近地面水平风资料来源于宝山边界层气象要素垂直梯度观测塔(以下简称铁塔)。本文的气象资料采用中国气象局发布的micaps资料。

2污染天气过程回顾

3月9日至11日,由于颗粒物运输和局部扩散条件不佳的共同作用,上海发生了严重污染的天气过程。根据环境保护局监测中心的数据,该市的PM2.5小时值在9日达到17: 00的光污染,比9日的20: 00的浓度显着增加。 PM2.5小时值在05:00达到05%,其中有10天在早晨,随着相对湿度的下降,地面观测天气现象从小雾转移到了痰中。 10日,23: 00降至中度污染,11日00: 00,浓度降至中度污染。 11日,01: 00空气污染过程最终,整个污染过程持续了将近30个小时。上海市气象局监测站的最新数据显示,宝山的PM2.5浓度最高,为220.2ug/m3。上海东西观测站颗粒物浓度的增减差异明显,上升阶段呈现出从西到东的时间阶梯。形状正在增加;下降阶段呈现出从东到西的阶梯状下降。这是东风系统控制下上海地区PM2.5浓度的典型时空变化,并且排除了海上颗粒物再循环的可能性。

1月26日的过程类似于3月9日的情况。上海地区以北风为主,北部颗粒物浓度较高(图略)。因此,颗粒物有明显的局部迁移,如图4所示。26日20时前,地面风速较大,平均风力3-4米/秒,PM2.5浓度明显下降。26日3时,降至轻度污染以下。14时,地面高压中心迁出上海,风力逐渐增强。转为东风,风速较小,扩散条件较差,但PM2.5浓度不明显,基本维持在一个好的低值。但随着3月10日地面风速的增加,pm2.5浓度的变化并不明显,造成这种差异的原因主要取决于垂直扩散条件的不同。

3结果分析与讨论

3.1地面气象条件分析

从3月10日08时(未显示)到20时、1月26日海平面气压场,东亚大陆东部基本稳定到高低高天气形势,我国整个东海岸处于海上。在高压环流的控制下,上海处于高压海的后方。风向以东风为主,高压中心移动缓慢。08时,地面地图上的高压中心强度和位置略有不同。3月10日08:00在上海附近,1月26日08:00在山东半岛附近。20点,两人的位置和强度基本相同。同时,850hpa的温度场显示,两个过程均处于冷温罐底部,3月10日850hpa的温度略低于1月26日。相似的天气形势反映了这两个时期地面风场的相似性,但大气污染情况却大不相同。

3.2水平扩散条件

靠近地面的风的变化对空气污染物的运输和扩散具有重大影响。对于气态污染物和颗粒污染物,风主要表现出对流传输的能力[13]。宝山铁塔的风数据显示,3月10日,当上海宝山站附近的地面上的静态风被去除时,以东风为主。 3月10日上午的10米风速基本上处于安静状态。受昼夜变化的影响,白天风速略有增加,约为3 m/s,浓度随风速的增加而增加。此时,水平扩散条件不正确。污染物扩散在整个城市中扮演着明显的角色。但是,每个站点的微小PM2.5浓度数据表明,海洋空气中存在一定程度的清洁稀释作用。从东到西,从低到高都有明显的分布形式,这说明水平扩散目前不是主导因素。与1月26日相比,相似之处在于东风系占主导地位,东风周期已维持了将近15个小时(略图)。区别在于在污染前期风速的差异是明显的。宝山自动站的2分钟风速显示,1月26日的前两分钟的平均风速约为3-4 m/s,明显大于3月10日的风速。PM2.5的差异水平扩散早期的浓度基仅导致它们之间的差异,这表明它们在源和水平扩散稀释方面具有一定的相似性。

3.3垂直扩散条件

大气热条件的变化与非绝热加热和冷热对流过程密切相关[14]。陈永林等[11]比较了浙江和上海徐家汇2008年1月13日至2月2日的温差。当嵊泗为N-NE风时,距徐家汇110公里以内的平均温差为1.3°C。上海近地面气温的影响非常显着。例如,与保山和延展的地温相比,3月10日,保山的地表温度明显高于白天。与陆地相比,东风为冷气流,不利于陆地变暖。到了晚上,保山受海陆热差的影响,地面温度基本相同。在3月10日850hpa的温度图上,上海在08:00处于低谷,到了20点,随着850hpa南分支系统向北升高,上海逐渐转变为暖脊控制,而850hpa逐渐升温过程。在850hpa时,地面上的冷气流使降温速率大大降低,这有利于形成冷热的“保暖罩”结构。最终性能是垂直扩散能力明显减弱。

4结论与讨论

在3月10日和1月26日,上海的PM2.5浓度变化具有相似的地面天气条件和连续的东风系统,存在明显差异。通过对这两个时间段的常规气象数据,物理量场数据和PM2.5浓度数据进行比较分析,得出以下结论:

(1)相似的压力场在不同的季节形成不同的污染,上海的污染源结果与某些动态和热条件共同作用。

(2)在上海连续的东风系统中,颗粒物的浓度不一定较低。当垂直扩散条件差时,水平扩散稀释比污染物的垂直积累低得多,并且颗粒物浓度增加。

(3)当上海吹东风时,冬天的海水温度比内陆要高,而春季则是寒冷的,因此当850hpa是冷谷(暖脊)时,地面是温暖的(冷)。在平流过程中,上部(冷)和温暖(冷)时,大气分层不稳定(稳定),并且有(不利于)污染物的垂直扩散。本文对3月10日至11日东风系统重污染过程的研究表明,它的发生和发展与过去的重度污染天气特征不同:海陆热力的差异导致了垂直方向近表层的温度分层可稳定并抑制边界层污染物的垂直。扩散,预测对此类天气过程的关注,探索类似过程污染天气的形成机制,并为未来的空气质量预测和预警提供新思路。

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