北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測(cè)分析_王曉云

1、北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測(cè)分析王曉云 潘莉卿 呂偉林 軒春怡 高燕虎(北京市 氣象局 , 北京 100089提 要 在北京 城區(qū)布 點(diǎn)實(shí) 測(cè) 了冬 季 (2000年 1月 26日 2月 2日 主 要 空氣 污 染物 (SO 2、 NO x 濃度的垂直分布以及邊 界層氣象要素的分布 , 并對(duì)該時(shí)間段 內(nèi)氣象條件 和污染物濃 度 分布之間的關(guān)系做了初步分析 。 結(jié)果表明 :在 不利于擴(kuò) 散的氣 象條件 下 , 污 染物濃 度劇增 ; 隨著氣象狀況的交替變化 , 污染物濃 度也呈交替變化的 規(guī)律 ; 在同一 建筑物 的不同 高度 , 污 染物濃度分布存在差別 ; 在同一建筑 物不

2、同朝向處 , 污染物濃 度也存 在差異 , 特別 是在不 利 擴(kuò)散的氣象條件下 , 空氣質(zhì)量差異可達(dá)一個(gè)級(jí) 別 。 此外 , 城南和城北處的污染物濃度也有 顯 著的差異 。關(guān)鍵詞 :北京城區(qū) 污染物濃度 垂 直分布 氣象條件引 言隨著城市化的發(fā)展 , 無(wú)疑會(huì)帶來(lái)一系列新的問(wèn)題 , 城市空氣污染就是其中重要而突出 的問(wèn)題之一 。 如今 , 城市空氣污染已不再是一個(gè)局地問(wèn)題 , 而成為區(qū)域性 、 全球性問(wèn)題 , 它 關(guān)系著城市經(jīng)濟(jì) 、 社會(huì)發(fā)展和人民健康 。 人們已認(rèn)識(shí)到空氣污染是當(dāng)今世界上所有城市尤其是大都市的一種災(zāi)難 1。由于城市下墊面具有特殊的性質(zhì) , 使城區(qū)空氣湍流增強(qiáng) , 對(duì)溫度 、 濕

3、度 、 風(fēng)向 、 風(fēng)速等 都產(chǎn)生很大影響 , 再加上一些特殊天氣條件 (如大霧 、 逆溫 、 靜風(fēng)等 使污染物濃度的分布 狀況甚為復(fù)雜 。 2000年冬季 , 在北京城區(qū)布點(diǎn)實(shí)測(cè)了空氣污染物 (SO 2、 NO x 濃度的垂直 分布 , 并結(jié)合同步的氣象條件 , 分析了污染物的分布特點(diǎn) , 為了解城市污染與氣象條件的 關(guān)系 、 城市規(guī)劃布局的研究和進(jìn)一步開(kāi)展城市空氣污染的預(yù)報(bào)和防治工作打下基礎(chǔ)2, 3。1 測(cè)點(diǎn)布置與觀測(cè)儀器通常大氣污染物監(jiān)測(cè)只在地面上進(jìn)行 , 涉及地面以上十幾至幾十米的監(jiān)測(cè)很少 。 但 隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展 , 高層建筑物越來(lái)越多 , 大氣污染物在近地層的變化狀況已成為人第

4、12卷 3期 2001年 8月 應(yīng) 用 氣 象 學(xué) 報(bào) Q U ART ERL Y JO U RNA L OF A PPL IED M ETEORO LOG Y V ol . 12, No . 3 A ugust 2001由科技部國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目 (攻關(guān) 計(jì)劃 96-920-34-07和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目 G1999045700共同 資助 。, 08-15們關(guān)心的問(wèn)題 。選取位于城東南的方莊 (50m 和城北健翔橋 (80m 處的二個(gè)高層樓房背向交通干 道處設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn) , 于 2000年 1月 26日至 2月 2日進(jìn)行了污染物 (SO 2、 NO x 的垂直采樣 觀測(cè) , 采樣高度和

5、污染物種類參見(jiàn)表 1。 污染物觀測(cè)儀器的基本性能參見(jiàn)表 2。 另外 , 在 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的 325m 鐵塔對(duì)該時(shí)間段里的氣象條件進(jìn)行了同步觀測(cè) 。表 1 采樣高度和污染物種類 高度 (m 污染物種類x 2方 莊5有 有 15有 有 50有 有 50(面向交通干道 無(wú) 有 健翔橋5無(wú) 有 50有 有 80無(wú)有表 2 觀測(cè)儀器的基本性能M L9850二氧 化硫分析器 M L9841A 型氮 氧化物分析器 量程 020×10-6 同左 最低檢測(cè)限 <0. 05×10-9 同左 零漂 <1. 0×10-9/30d 同左 跨漂 ±0. 5%

6、/30d ±1%/30d 響應(yīng)時(shí)間 20120s <30s 操作溫度540 同左2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與初步分析2. 1 氣象條件的觀測(cè)結(jié)果與分析 在觀測(cè)期間 , 重點(diǎn)分析了與 28日較重污染相聯(lián)系的 1月 2728日的逆溫層生消情 況以及逆溫層厚度和強(qiáng)度的時(shí)間變化 。 由圖 1溫度廓線 , 可以看出 27日 18:00(北京時(shí) , 下同 貼地逆溫層開(kāi)始形成 。 隨著時(shí)間的推移 , 到 28日 06:00, 已形成厚達(dá) 300m 的逆溫 層 。 日出以后 , 逆溫層開(kāi)始破壞 , 到 10:00, 逆溫層進(jìn)一步抬高并趨于消散 。圖 1 大氣物理研究所鐵塔近地層 1月 2728日的逆溫層厚度

7、 、 強(qiáng)度 (a ( 厚度 , 強(qiáng)度 和溫度廓線 (b 27日 18:00, 日 22:00, 28日 01:00, 28日 06:00, 日 10:00 時(shí)間變化 從 1月 27日 、 28日的逆溫層厚度和強(qiáng)度的時(shí)間變化曲線可看出 , 27日 , 逆溫層厚度 小于 200m , 且大部分時(shí)間在 100m 以下 , 強(qiáng)度也較小 ; 到 28日日出前 , 逆溫層厚達(dá) 300m , 280 應(yīng) 用 氣 象 學(xué) 報(bào) 12卷 止污染物的垂直擴(kuò)散 , 使污染物長(zhǎng)時(shí)間滯留在近地層 。2. 2 污染物濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析(1 污染物濃度的時(shí)間變化圖 2為方莊 、 健翔橋不同高度上 SO 2、 NO x 濃度

8、的連續(xù) 24h 變化 , 由圖可見(jiàn) , 不但同 一污染物濃度在不同高度上的變化趨勢(shì)是一致的 , 而且不同污染物濃度變化趨勢(shì)也是一致的 , 即都在 1月 28日凌晨至 29日凌晨出現(xiàn)濃度峰值 , 在 2月 2日又出現(xiàn)次高峰 , 而在 1圖 2 方莊 、 建翔橋不同高度 SO 2, NO x 濃度的時(shí)間變化 281 3期 王曉云等 :北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測(cè)分析 月 29日至 31日出現(xiàn)濃度值的低谷 。 在觀測(cè)期間 , 1月 25日受弱冷空氣影響 , 本市出現(xiàn)了 34級(jí)偏北風(fēng) , 至 26日高空仍 受偏北氣流控制 , 地面受地形槽影響 , 風(fēng)力減小 。 至 28日 , 因高空

9、受偏西氣流影響 , 風(fēng)速 小 、 濕度大 、 能見(jiàn)度差 , 再加上較強(qiáng)逆溫層影響 , 形成不利于污染物擴(kuò)散的形勢(shì) , 因此 28日 污染物濃度為這幾天中的最高值 。 29日凌晨 , 高空由偏西氣流控制轉(zhuǎn)為西北氣流控制 , 地面轉(zhuǎn)受高壓前部影響 , 吹 4、 5級(jí)西北風(fēng) , 濕度下降 , 能見(jiàn)度好轉(zhuǎn) , 氣象條件變得有利于擴(kuò) 散 , 污染物濃度急劇下降 。 由圖中曲線可見(jiàn) , 隨天氣形勢(shì)轉(zhuǎn)變 (由有利于擴(kuò)散轉(zhuǎn)為不利于 擴(kuò)散 , 又由不利于擴(kuò)散轉(zhuǎn)為利于擴(kuò)散 , 污染物濃度也存在著高低交替變化 。 這一變化趨 勢(shì)說(shuō)明 , 方莊和健翔橋不同高度的污染物濃度的高低與氣象條件關(guān)系十分密切 , 在污染源 基

10、本不變的情況下 , 氣象條件將對(duì)污染物濃度產(chǎn)生決定性影響 4, 5。圖 3分別為方莊不同高度上 SO 2、 NO x 濃度的逐時(shí)變化曲線 , 從圖中不難看出 , 不同 高度污染物濃度日變化均存在明顯的 “ 雙峰型 ” 特征 , 即分別在 07:0008:00和 19:0023:00前后出現(xiàn)高值區(qū) 。 造成這種分布的原因 , 是由于人類活動(dòng) (如上下班高峰汽車尾氣 排放 和逆溫層的生消共同作用形成的 。 在早晨和傍晚時(shí)段 , 由于此時(shí)逆溫層的存在 , 使 得燃煤和上下班高峰期汽車尾氣排放的污染物不易擴(kuò)散 , 因此分別在此時(shí)段出現(xiàn)了峰值 。 而在 10:0018:00, 由于較強(qiáng)的湍流交換和較高的

11、混合層高度 , 使得污染物被大氣湍流 稀釋 、 擴(kuò)散 , 因而濃度值較低 。圖 3 方莊不同高度 SO 2, NO x 逐時(shí)演變 (2000年 1月 26日 2月 2日 (2 污染物濃度的垂直變化圖 4為不同天氣條件下 , 不同時(shí)次 NO x 濃度的垂直變化圖 , 在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的靜穩(wěn)天282 應(yīng) 用 氣 象 學(xué) 報(bào) 12卷 氣條件下 , 除 08:00低層 NO x 濃度大于高層外 , 其他時(shí)次高層濃度均大于低層 ; 在利于擴(kuò) 散的條件下 , 白天 5m 處濃度較大 , 50m 次之 , 15m 最小 ; 早晚時(shí) , 50m 處最大 , 5m 次 之 , 15m 最小 。圖 4 靜穩(wěn)天氣 (a

12、 與利于擴(kuò)散天氣 (b 條件下不同高度處 NO x 濃度對(duì)比 (3 同高度不同朝向污染物濃度差異同一建筑物的不同朝向 (面向交通干道和背朝交通干道 污染物濃度存在差別 。 為了 檢驗(yàn)同一高度不同朝向污染物濃度的差別 , 在方莊芳星園 50m 高度面向和背朝南三環(huán)路圖 5283 3期 王曉云等 :北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測(cè)分析 應(yīng) 用 氣 象 學(xué) 報(bào) 12 卷 284 的兩個(gè)方位各設(shè)一采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè) SO 2 濃度 。 由圖 5 可見(jiàn) , 在觀測(cè)期間 , 同一高度不同朝向 SO2 的濃度是不同的 。 特別是在靜穩(wěn)天氣條件下 , 不同朝向處污染物濃度具有顯著差 異 , 面向交通干道

13、處污染物濃度高于背朝交通干道處 , 特別是早晨上班高峰時(shí)兩者等級(jí)差 甚至可達(dá)一個(gè)級(jí)別 。 而在利于擴(kuò)散氣象條件下 , 兩處差異不大 。 造成這種差異的原因 , 是 因?yàn)樵陟o穩(wěn)天氣條件下 , 同高度不同方位觀測(cè)點(diǎn)受其周圍污染排放源影響較大 , 在朝向南 三環(huán)測(cè)點(diǎn) , 由于受三環(huán)路以南居民區(qū)采暖燃煤和三環(huán)路較大的車流量影響 , 故濃度明顯偏 高; 在大風(fēng)條件下 , 由于有較好的擴(kuò)散條件 , 因此兩處差異不大 。 ( 4不同地區(qū)污染物濃度的差異 健翔橋位于京城北面 , 而方莊位于京城東南方 。 兩地的 NO x 和 SO2 濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果具 有相似的變化趨勢(shì) 。 在有利于擴(kuò)散的條件下 , 污染物易被稀

14、釋 、擴(kuò)散 , 故兩地的濃度值都 較低 , 且不相上下 。 但在靜穩(wěn)條件下 , 污染物濃度受環(huán)境條件影響較大 , 由于健翔橋測(cè)點(diǎn) 周圍的居民燃煤和汽車流量狀況均好于方莊 , 因此健翔橋的 NO x 日平均濃度要比方莊低 60 % 70 %, SO2 日平均濃度要比方莊低 50 % 左右 。 圖 6 健 翔橋 80 m 、50 m 和 5 m 高 度處 不 同 風(fēng) 向 風(fēng) 速 下 SO2 濃 度 (優(yōu) , + 良 , 度污染 , 中度污染 輕 3 期 王曉云等 : 北京城區(qū)冬季空氣污染物垂直分布與氣象狀況的觀測(cè)分析 285 ( 5不同穩(wěn)定度條件下的污染物濃度 由圖 2 可看出 , 在靜穩(wěn)氣象條件

15、下( 1 月 28 日 , SO 2 、 NO x 濃度較其它時(shí)間段內(nèi)濃度 明顯偏高 , 并出現(xiàn)整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的峰值 , 全天 SO 2 濃度均在 3 級(jí)以上 。 早晨 05 : 00 09 : 00 , 出現(xiàn)明顯峰值 , 空氣質(zhì)量已達(dá) 4 級(jí) , 屬中度污染 。 NOx 日平均濃度也達(dá)到了中度 污染的程度 。 而在利于擴(kuò)散氣象條件下 , 高空轉(zhuǎn)為西北氣流控制 , 地面轉(zhuǎn)受高壓前部影響 , 風(fēng)力達(dá) 4 5 級(jí) , 逆溫層消散 。 在這種氣象條件下 , 從 29 日凌晨 01 : 00 起 , SO2 、NO x 濃度驟降 , 全 天都在 2 級(jí)水平 , 濃度分布平穩(wěn) , 無(wú)明顯的峰值 。 (

16、6各高度上污染物濃度與風(fēng)向 、 風(fēng)速的關(guān)系 為分析各高度上污染物濃度與風(fēng)向 、 風(fēng)速的關(guān)系 , 選取 1 月 28 日( 不利于擴(kuò)散 和1 月 29 日( 有利于擴(kuò)散 兩個(gè)典型天氣條件下 , 健翔橋各觀測(cè)高度上污染物濃度與大氣物理 研究所鐵塔相應(yīng)高度風(fēng)向 、 風(fēng)速資料進(jìn)行分析 , 分別繪制 5 m 、 50 m 和 80 m 三個(gè)高度的 SO2 濃度與同高度風(fēng)向 、 風(fēng)速的關(guān)系圖( 見(jiàn)圖 6 。 可看出在風(fēng)速較小情況下 , 各層 SO2 濃 度與風(fēng)向無(wú)關(guān) , 在各種風(fēng)向下 , 均可出現(xiàn)輕度( 3 級(jí) 以上的污染 。 而當(dāng)風(fēng)速較大時(shí) , 且風(fēng) 向多為西偏北方位時(shí) , 空氣質(zhì)量多為優(yōu)或良 , 較少

17、出現(xiàn) 3 級(jí)以上的污染 。 造成這種現(xiàn)象的 原因 , 是由于在天氣靜穩(wěn)條件下 , 風(fēng)向多為地方性風(fēng)向( 南北轉(zhuǎn)換 , 風(fēng)速較小 , 導(dǎo)致污染物 濃度較高 ; 而在利于擴(kuò)散條件下 , 受西北氣流控制 , 風(fēng)向多為西北方向 , 風(fēng)速較大 , 導(dǎo)致污 染物濃度較低 。 3 結(jié) 語(yǔ) ( 1城區(qū)不同高度上污染物濃度日變化 , 觀測(cè)期內(nèi)存在明顯的“ 雙峰型” 特征 , 峰值分 別出現(xiàn)在 07 : 00 08 : 00 和 19 : 00 23 : 00 。 ( 2在靜穩(wěn)氣象條件下 , 城區(qū)污染物濃度出現(xiàn)峰值 , 并隨氣象條件的變化而呈現(xiàn)濃度 高低起伏變化 。 ( 3城區(qū)建筑物鱗次櫛比 , 同一高度不同朝向

18、( 面向交通干道和背朝交通干道 污染 物濃度是有差別的 , 特別是在靜穩(wěn)天氣條件下 , 觀測(cè)期內(nèi) , 兩處空氣質(zhì)量等級(jí)可差一級(jí) 。 在有利于擴(kuò)散條件下 , 兩處濃度差異不大 。 ( 4不同大氣穩(wěn)定度情況對(duì)污染物濃度的影響是不同的 。 在靜穩(wěn)氣象條件下 , 污染 物濃度常達(dá)高值 , 特別是強(qiáng)度大 、 厚度厚的貼地逆溫層的形成 , 猶如一個(gè)厚重的鍋蓋 , 極不 利于污染物擴(kuò)散 , 使所測(cè)地區(qū) SO2 、 NO x 濃度全天在 3 級(jí)以上 。 尤其是日出后 , 出現(xiàn)明顯 峰值 , 污染程度達(dá)中度污染( 4 級(jí) , 污染程度已相當(dāng)嚴(yán)重 。 影響空氣污染物濃度垂直分布的因子十分復(fù)雜 , 本文僅就觀測(cè)期得

19、到的資料進(jìn)行了 初步分析 , 以揭示一些觀測(cè)事實(shí) , 而要較全面了解北京污染物垂直分布特征 , 還需進(jìn)行深 入研究 。 參考 文 獻(xiàn) 1 北京減災(zāi)協(xié)會(huì) . 城市可持續(xù)發(fā)展與災(zāi)害防御 . 北京 : 氣象出版社 , 1998 . 應(yīng) 用 氣 象 學(xué) 報(bào) 12 卷 286 2 劉耀林 , 劉艷芳 , 梁勤歐 . 城市環(huán)境分析 . 武漢 : 武漢測(cè)繪科技大學(xué) , 1999 . 3 楊士弘 . 城市環(huán)境學(xué) . 北京 : 科學(xué)出版社 , 1997 . 4 蔣維楣 , 曹文俊 , 蔣瑞賓編著 . 空氣污染氣象學(xué)教程 . 北京 : 氣象出版社 , 1993 . 5 劉小紅 , 洪鐘祥 , 李家倫 , 等 .

20、北京地區(qū)嚴(yán)重污染的氣象和化學(xué)因子 . 氣候與環(huán)境研究 , 1999 , 4( 3 : 231 236 . RELATIONS BETWEEN PERPENDICULAR DISTRIBUTION OF AIR POLLUTANTS AND WEATHER C ONDITION IN WINTER IN BEIJING URBAN DISTRICTS Wang Xiaoyun Pan Liqing Lu Weilin Xuan Chunyi Gao Yanhu ( Beijing Meteorological Bureau , Beijing 100089 Abstract T he concentration of the main air pollutant s ( SO 2 , NO xwere measured from 26 Jan . to 2 F eb . in 2000 in t