应用气象学报  2009, 20 (6): 649-655   PDF    
引用本文
杨元琴, 王继志, 侯青, 王亚强. 北京夏季空气质量的气象指数预报[J]. 应用气象学报, 2009, 20(6): 649-655.
Yang Yuanqin, Wang Jizhi, Hou Qing, Wang Yaqiang. A PLAM Index Forecast Method for Air Quality of Beijing in Summer[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2009, 20(6): 649-655  
北京夏季空气质量的气象指数预报
杨元琴, 王继志, 侯青, 王亚强     
中国气象科学研究院 中国气象局大气成分观测与服务中心 中国气象局大气化学重点开放实验室, 北京 100081
2009-01-16 收到, 2009-08-10 收到修改稿.
资助项目: 国家重大基础研究计划项目 (2006CB403703, 2006C B403701) 和行业专项“京津经济区及华北区域气溶胶对云的改变导致的降水变化及其在天气预报中的应用”共同资助    
摘要: 该文提出一种参数化预报方法，制作北京及其周边地区夏季空气质量气象条件指数预报。采用2000-2007年7-9月北京市观象台大气成分 (PM10) 逐日观测资料和华北区域气象站网加密地面观测及探空信息，分析北京地区夏季奥运会历史同期与高污染过程 (PM10浓度>150μg/m3) 关系密切的敏感气象要素和变量。引入适应度函数分级方法，计算北京周边不同观测站可能形成污染向北京输送的权重，建立北京夏季空气质量气象条件参数PLAM (parameters linking air-quality and meteorology) 预报模型。PLAM指数给出北京局地污染气象条件的客观定量诊断和预测，并可指示周边地区有利 (或不利) 于污染向北京输送的强度和方位。夏季“静稳型”气象条件参数化PLAM方法为北京奥运气象保障任务实时提供预报产品，分别用PM10及可吸入颗粒物指数 (API) 对2008年7-8月PLAM逐日预报进行检验，相关系数达到0.001显著性水平。
关键词: 空气质量PLAM指数    静稳气象条件参数化    北京及周边输送影响    2008北京奥运服务    
A PLAM Index Forecast Method for Air Quality of Beijing in Summer
Yang Yuanqin, Wang Jizhi, Hou Qing, Wang Yaqiang     
Key Laboratory for Atmospheric Chemistry, Center for Atmosphere Watch and Services
Abstract: For a regional air pollution event in a synoptic scale, such as typical stabilized summer weather over North China, a key scientific issue is to identify the possible impacts of pollutants on mega-cities like Beijing and on the zones between the cities and their adjacent areas, from emissions by human activities, e.g., industrial and agricultural emissions as well as traffic exhaustions in the so-called capital economic belt, covering Beijing, Tianjin and a number of surrounding provinces, including Hebei and Shanxi provinces. For this special target as well as the assignment of the air quality predicting service in 2008 Beijing Olympic Games, a parameterized method is developed to predict the air quality in Beijing and its surrounding areas in summer. On the basis of the relationship between summer daily PM10 in Beijing Observatory and key meteorological data for July to September during 2000-2007, analyzing the sensitive meteorological parameters which are relevant closely with high concentration of PM10, an index method of PLAM (parameter linking air-quality and meteorology) is given, which is derived to forecast the stabilized weather conditions of North China for 2008 Beijing Olympic Games. For different PLAM value there is a weight given according to the wind direction of the site pointing what extent to Beijing, as well as its wind speed. So the PLAM index can also predict quantitatively the weather conditions in surrounding areas of Beijing, showing whether or not the meteorological conditions in these areas are favorable for pollutants transport to Beijing. It is found that the poor air quality days with elevated PM10( > 150μg/m3) in summer are associated with higher PLAM values, featuring high temperature, high humidity, lower wind velocity and higher stability. A satisfying result of PLAM index forecast timely for the 2008 Beijing Olympic Games is achieved.PLAM parameter forecast method provided valuable 48 hours services with an interval of 12 hours for the day of opening ceremony and 24-72 hours prediction of air-quality for subsequent events during the whole Beijing Olympic Games. It is also found that the good air qualities are associated with the traffic control measures taken by the municipal government in reducing the vehicle exhaustions during Beijing Olympic Games. The forecast verifying results of PLAM index are highly correlated with daily real time PM10 data collected by Beijing Weather Observatory, indicating that the PLAM index has a remarkable effect.
Key words: parameter linking air-quality and meteorology     parameterization of static weather condition     pollution in Beijing and from outside adjacent areas     2008 Beijing Olympic Games    
引言

随着国家经济发展和人民生活条件的改善, 大中城市迅速发展的同时面临环境保护等重大科学问题。近年来, 国家加强对空气污染的调控和治理, 取得了显著成效。对于正在发展中的超大城市群落---北京及华北经济区而言, 深入研究气象条件对北京及周边区域空气污染聚积与扩散的影响机理, 为北京及周边污染的监测、预警与调控实施提供科学依据, 已成为国内外关注的焦点科学问题[1-4]。

近年来研究揭示, 空气污染与大气气溶胶成分及其浓度密切有关[5-7]。悬浮在北京上空直径小于100μm的颗粒物占颗粒物总量的10%～70%。这类颗粒物不易沉降, 悬浮于大气中的周期长, 通过散射降低大气垂直透明度和水平能见度, 影响城市交通和城市运作功能, 形成空气污染, 损害人类健康。而“空气停滞”的气象状态更不利于颗粒物的沉降。研究表明[8]:气象条件影响下, 北京地区气溶胶浓度和组分有显著的季节变化。春季是沙尘暴多发季节, 造成沙尘气溶胶浓度骤增; 夏季来自北京及周边输送的颗粒物污染可达到20 %左右。北京大气颗粒物污染中既有本地源也有外来源, 而季节差异、天气形势对周边污染来源有显著影响[9-10]。

气溶胶浓度变化与源排放、气象条件和化学转化3个主要因素的综合作用有关, 北京夏季中午前后气溶胶浓度再次升高通常与光化学反应有较好的对应关系[11]。在我国华北地区, 夏季的高温、高湿条件可形成气溶胶二次污染, 造成PM10, PM2.5浓度上升[12]。气象条件对气溶胶浓度变化的影响很大, 不利的气象条件可加重源排放致污效果, 形成空气污染。2007年8月17-20日试验就是一个例子, 北京实施“好运北京”尾气排放控制试验, 机动车单双号限行措施, 对改善空气质量发挥了作用, 观测到PM10日平均浓度下降。但就在试验期间, 8月17日11:00(北京时, 下同) 和20日14:00, 北京及周边地区受到“静稳型”天气形势控制, 形成有利于本地污染物浓度加大以及周边污染向北京集聚的气象条件影响, 北京及周边地区出现霾天气, 致使空气质量下降, 出现轻度污染[13-15]。

近年来, 我国夏季高温酷热天气频发[16]。北京盛夏季节的高温往往伴随高湿和静风 (即湿热“桑拿”天气)。研究揭示, 空气停滞的气象状态可使大气稀释能力降低, 导致污染物浓度加重[17-18]。

近年来, 考虑气象条件影响的污染预测研究已取得进展, 其中, 大气稀释和清除污染物能力的污染潜势指数PPI (potential pollution index) 预报, 取得了有意义的成果[19]。每年夏季, 北京及华北地区受大陆高压与副热带高压等天气系统影响, 出现以高温、高湿、静风和大气层结稳定等为特征的“静稳型”天气, 形成有利于北京局地污染物聚集及周边地区污染输送的气象条件。与此同时, 台风与中纬度天气系统相互作用对华北等地区带来的强暴雨[20], 又有利于该地区污染物的清除。

本文针对北京奥运空气质量预测对策的关键需求, 考虑北京及华北周边地区气象条件区域特征对北京空气质量的影响, 通过对高温、高湿、静风和大气层结稳定等气象因子与奥运历史同期北京地区高污染过程的相关分析, 研究敏感气象参数与大气气溶胶浓度变化的物理联系; 研究引入适应度函数分级方法, 诊断分析形成空气凝滞的“静稳型”特定气象条件下, 周边区域性污染可能向北京聚集的风场、温度场、湿度场等的特征, 获得周边区域污染向北京输送的权重; 着眼于大气热力与动力过程, 考虑这些敏感要素在影响空气质量中的贡献, 建立针对2008年北京奥运会期间的空气质量气象条件PLAM指数预报方法。

1 原理与方法 1.1 影响空气质量的敏感气象要素

根据中国气象局北京市观象台2000-2007年 (PM10) 逐日观测资料, 划分北京历史上出现PM10高峰值 (日平均浓度值大于150μg/m3) 过程, 研究北京夏季奥运会同期7-9月, 与高浓度PM10出现时段关系密切的气象要素及有关要素特征, 得到影响空气质量的敏感性气象因子, 进行北京逐日PM10浓度观测值 (y) 与气象要素xi(气压p, 最高气温tm, 近地面层水平风速V, 相对湿度hr, 水汽含量r等) 的相关分析。考虑制作预报的需要, 气象要素的历史样本对应取2000-2007年逐日08:00观测值。表 1给出北京2002-2007年7-9月PM10与气温、相对湿度的相关分析。类似地, 对日最高气温、08:00相对湿度、气压及水汽含量等进行相关特征分析, 并获得了相关性好的敏感影响参数。由表 1可见, 北京逐日PM10观测值与日最高气温、08:00相对湿度呈显著正相关, 相关系数分别为0. 6379和0. 6389, 达到0. 001的显著性水平。北京逐日观测PM10浓度值与气压、水汽含量等也得到好的相关结果, 相关系数为0. 6481和0. 6303, 相关系数达到0. 001的显著性水平。

表 1 2000-2007年7-9月PM10与气象要素相关分析 Table 1 Correlation of PM10 to meteoroligocal elemeats during July-September from 2000 to 2007

上述分析结果表明, 7-9月北京局地污染与高气温、高相对湿度、高气压、高水汽含量等有显著相关。通过相关分析, 从众多气象要素中分离出与高浓度PM10(＞150μg/m3) 出现时段关系密切的敏感气象要素, 作为影响空气质量的主要气象变量。

1.2 PLAM指数

对表 1中得到的敏感气象要素, 依据其在大气热力与动力过程中对影响空气质量的贡献, 建立针对北京奥运会期间空气质量气象条件指数PLAM (parameters linking air-quality and meteorology) 预报模型, 给出北京空气污染气象条件的客观定量诊断和预报。

(1)

式 (1) 中, p, t, V, hr, s分别为气压、气温、风、相对湿度及稳定度等敏感因子。

研究表明, 低能见度通常与低层大气中含有高浓度可吸入颗粒物、其他污染成分以及水汽含量等有关[21-22]。

描述和跟踪盛夏影响华北地区的天气过程, 包括“静稳型”天气的干绝热条件下沉增温或降雨条件下的湿绝热凝结、湿相当位温θe均为保守量[23-24]。引入凝结函数fc, 是与雾、霾相关的凝结函数[25-26]:

(2)

针对北京局地污染以及北京周边区域污染可能向北京输送的气象条件PLAM指数可表示为:

(3)

式 (3) 中, fc为凝结函数, fc量值适当时, 降水不出现, 贡献为正, 往往对应轻雾或霾; fc量值超过某临界值, 出现降水, 转为负贡献。VΩ为风速与风向相对于北京方位的投影[22], 周边地区适度的风速和风向指向目标地北京, 则对IPLAM贡献大, 有利于污染物向北京输送聚集, 反之贡献小, 甚至负贡献, 有利于污染物扩散。β为因局地地理条件、季节及排放源等因素改变的参数。

1.3 PLAM指数分级及其应用

PLAM指数客观定量给出影响北京空气质量的气象条件诊断和预报结果, 其值越高, 表示越有利于污染堆积; 数值越低, 越有利于污染扩散。对周边地区而言, 它表征该地区污染向北京输送的强度和方位。PLAM指数的计算结果可直接提供数值模式参考。为适应日常公众服务需要, 从量级上可将PLAM指数连续值相应划分为5个等级。表 2给出空气污染气象条件PLAM指数的分级和意义。

表 2 空气污染气象条件PLAM指数分级和意义 Table 2 Grades and meaning of PLAM index

2 PLAM指数预报实例 2.1 机动车限行前预报实例

2008年6月北京地区处于奥运减排措施尚未实施阶段。图 1给出6月24日和25日PLAM指数24 h预报场分布。红色区域表示气象条件有利于污染物聚集。由图 1a可见, 6月24日有利于污染集聚的气象条件主要出现在北京西南部地区, 其南边接壤的冀中和天津西北部有较好的输送条件。图 1b显示, 6月25日整个北京地区污染进一步加重, 与河北中部、南部区域输送条件 (图 1b箭头) 加强有关。预报结果与实况一致 (图略)。

图 1. 2008年6月24日 (a) 和25日 (b) PLAM指数24h预报 Fig 1. 24-hour forecast of PLAM index on 24 (a) and 25 (b) Jun 2008

2.2 奥运开幕式前夕和当日预报

图 2为2008年8月8日08:00 850 hPa高空形势分析。由图 2可见, 当时北京处于一次弱冷空气 (高空槽) 抵达前的槽前暖区中, 副热带高压主体虽位于日本海, 高压脊已西伸控制华北至长江中下游广大地区。北京及周边地区处于高空槽前与西伸的西太平洋副热带高压之间, 北京奥动会开幕式当天受高空槽继续东移影响会导致降雨, 如果副热带高压加强或维持, 则北京会出现“静稳型”系统控制下的“桑拿”天气 (高温、高湿、微风), 不利于污染物扩散。因此, 开幕式的天气预报要在降雨和闷热两种截然不同的结果中做出选择, 预报难度很大。

图 2. 2008年8月8日08:00 850 hPa高空形势分析 (单位:dagpm) Fig 2. Situation of 850 hPa at 08:00 8 August 2008 (unit:dagpm)

图 3a是起报时间为2008年8月5日08:00的PLAM指数48 h预报, 预报奥运会开幕式前1天 (8月7日) 情况。由图 3a可见, PLAM指数预报8月7日北京西北部PLAM指数大于100, 具有高污染气象条件。河北南部虽然有成片的高值区 (90～100), 但无法有效地向北京输送 (图 3a箭头所示)。表明北京地区在静稳天气形势控制下, 因气象条件不利于污染物扩散易形成局地污染。

图 3. 2008年8月5日PLAM指数48h预报 (a) 及7日PLAM指数12h预报 (b) Fig 3. 48-hour forecast of PLAM index on 5 Aug 2008(a) and 12-hour forecast of PLAM index on 7 Aug 2008 (b)

图 3b是起报时间为2008年8月7日08:00的12 h PLA M指数预报。图 3b显示:北京大部分地区均为PLAM指数较高值区 (80～90), 北京中部和南部的PLAM指数值更高 (＞90)。值得注意的是, PLAM指数预报量级对比7日有所减弱, 峰值从7日的100减到8日的90。进入7月, 北京减排措施一直有计划执行, 北京奥运会开幕式前夕, PLAM指数提前2～3d预报出高“静稳型”气象指标, 供北京市政府和各级部门参考, 为更具针对性地实施临近强化应对措施赢得了时间。

PLAM指数预报结果与北京8月7-8日实际观测到PM10浓度上升趋势一致 (图 4), 这表明在北京奥运会开幕前几天, 在气溶胶及其前体物排放基本不变、甚至有所降低的情况下, 污染气象条件的加剧仍会导致北京PM10浓度的增加。图 4也给出了2008年7月1日-8月31日PLAM指数24 h预报结果, 北京市观象台PM10浓度观测结果以及北京市环保局公布的API值的时间序列。由图 4可见, 北京奥运气象保障期间, PLAM指数24h预报结果与北京市观象台PM10浓度升降的观测结果以及A PI公报值的涨落具有良好对应关系。三者的变化趋势较为一致, 表明对影响北京空气质量的气象条件的波动变化, PLA M指数均给出较为合理的预报。在奥运会全过程中, 每天08:00, PLAM指数提供12～72 h预报产品发送给北京奥运气象服务中心, 参与每日奥运气象服务大会商和制作服务公报, 为北京奥运会开、闭幕式以及北京奥运会全程的污染气象条件预报服务和保障提供科学和定量数据。

图 4. 2008年7月1日-8月31日北京市观象台PM10观测值、北京API公报及PLAM指数24h预报值的逐日分布 Fig 4. Distribution of PM10 observations in Beijng Weather Observatory, API in Beijing and 24-hour forecast of PLAM index

3 预报检验

为了检验PLAM方法的实际预报效果, 对2008年北京奥运会前后, 从2008年7月1日-8月31日PLAM指数预报效果进行了检验。检验采用两类独立观测系统资料进行, 即北京市观象台的实测PM10逐日观测资料和北京可吸入颗粒物API公报值分别进行检验。北京市观象台PM10实测数据采样包括5min, 30min和60min 3种, 对此3类数据样本分别作相关分析。图 5为独立样本PLAM 24 h逐日预报与北京市观象台PM10的小时浓度日平均值的相关分析, 其相关系数为0. 5723, 相关系数达到0. 001的显著性水平。PLAM24 h逐日预报与另一组独立样本API逐日值的相关分析检验, 相关系数为0. 6972, 达到0. 001显著性水平。

图 5. 2008年7月1日-8月31日PLAM 24 h预报结果与北京市观象台PM10实测值相关分析 Fig 5. Correlation between 24-hour PLAM forecast results and PM10 in Beijing Weather Observatory during 1 July to 31 August 2008

本文给出的污染气象条件预报方法研究是参数化方法用于空气质量预报的初步尝试, 有待于进一步改进和提高。从图 5可见, 虽然PLAM24 h预报结果与PM10实测值总体相关性好, 相关系数通过0. 001显著性检验, 但有的数据点与相关趋势线有较明显偏离。由图 4可知, 奥运气象保障期间北京PM10的逐日波动变化监测全过程中, 对几次PM10波动高峰过程 (相对高污染时段), PLAM指数都做出成功预报, 但强度不够, 一方面是北京市观象台局地性影响较大, PM10波动较大, 预测有难度; 另外, PLAM指数对高振幅PM10波动不够敏感, 强度偏弱。分析发现, 季节对PLAM指数有明显影响, 这些有待通过更多的预报例证作深入分析研究和改进。

4 结果与讨论

本文利用与空气污染密切相关的污染气象条件指数PLA M方法, 提前1～3 d预报气象条件对北京夏季空气质量的影响, PLAM指数还通过引入适应度函数分级方法, 根据周边不同观测站点实测风场相对于北京的贡献, 量化周边地区污染输送的方位和距离权重, 定量诊断出北京周边地区污染向北京集聚的可能区域及其方位和强度。

PLAM预报产品参与了2008年北京奥运会期间的实时预报服务与气象保障, 为北京奥运会开、闭幕式及7-8月的空气质量气象条件提供了全程分析预报服务。检验结果表明:PLAM指数与北京PM10浓度有较好的相关。

高速发展的大城市及其周边区域大气污染与天气过程的定量联系是值得关注的问题。本文研究面对北京奥运会期间“静稳型”天气对空气质量影响的预报需求, 开展了夏季空气质量指数预报方法研究。目前城市的发展与环境保护及改善是国内外普遍关注的科学问题, 我国长三角地区、珠三角地区等发达大城市群落地带的空气质量监测预警及对策面临新的需求, 本研究具有实际应用意义和推广前景。

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