广州市大气污染分布规律，本文主要内容关键词为：大气污染论文,广州市论文,规律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
城市是一个高度依赖能源、物质和信息输入、输出，以维持其自身不断发展庞大的开放体系。随着经济的快速发展，城市规模不断扩大，城市人口、城市工业和机动车辆也不断增加，与此同时，城市大气环境问题也日显突出并引起人们的普遍关注和政府的高度重视。很多国家制定了严格的标准以控制大气污染，如美国国会于1990年通过了《清洁大气法修正案》，控制SO[，2]的排放量，同时对一些重点源实行排污许可证制度；日本就大气污染物的总量控制、限制燃料使用、控制机动车污染等方面制定了《大气污染防治法》。我国也建立了一整套适合国情的大气污染控制政策体系，并使大气环境得到较好的改善。目前，关于城市大气环境的研究如城市大气污染特征、大气污染物浓度与气候环境、大气污染监控及预警、大气污染的治理技术和污染源区的分析等均取得了很多成果。
本文根据广州市近20年以来的环境监测资料和相近年份的气候统计资料，对广州市区大气污染的分布规律进行研究，分析大气污染的时空分布特征并探讨其成因，以便为防治大气污染、保护城市生态环境提供有关科学依据。
1 广州市大气污染的分布规律
人类许多活动如工矿企业、行驶的汽车、餐饮业、楼房道路建设等都会向大气排放有毒有害污染物。据有关资料统计，广州市近20年来主要的大气污染物有：二氧化硫（SO[，2]）、氮氧化物（NO[，x]）、一氧化碳（CO）、总悬浮微粒（TSP）、降尘（DF）等，其中SO[，2]及NO[，x]和CO分别主要来源于工业生产和交通运输，TSP和DF则主要来源于餐饮业和建筑业。目前，广州交通污染源尾气排放量对广州大气质量的“贡献”跃居为首位。分析广州市1981～1997年的环境监测资料表明，广州大气污染具有以下分布规律。
1.1 季节变化明显
将广州市区1981～1997年所有监测站点各污染物的日平均质量浓度按冬（1月）、春（4月）、夏（7月）和秋（10月）分别计算多年均值于表1，从表1可知：各污染物质量浓度存在明显的季节变化规律，即冬季和秋季污染较严重，夏季污染最轻。另外，将行政区或功能区按季节统计其结果也是如此，如广州1981～1997年各行政区SO[，2]季日平均质量浓度均以冬季最高，春秋季次之，夏季最小。其中荔湾区，冬季日平均浓度为0.171mg/m[3]，春秋季分别为0.105mg/m[3]、0.097mg/m[3]，夏季则只有0.065mg/m[3]。越秀区冬季为0.09mg/m[3]，春秋季分别为0.053mg/m[3]、0.051mg/m[3]，夏季为0.035mg/m[3]。其他各区及NO[，x]、CO、TSP的统计也有如此分布规律。
表1 1981～1997年广州市大气污染物质量浓度的季节分布
Tab.1 Seasonal change of the atmospheric pollutants’concentration in Guangzhou City from 1981 to 1997
监测项目
冬季（1月） 春季（4月）夏季（7月） 秋季（10月）
SO[，2]（mg/m[3]）0.0710.057 0.044
0.063
NO[，x]（mg/m[3]）0.1330.098 0.094
0.123
CO（mg/m[3]） 3.3252.521 2.104
2.573
TSP（mg/m[3]）0.3170.278 0.180
0.276
资料来源：广州市环境监测站。
1.2 年际之间具有光化学污染逐年增强的趋势
为了分析广州大气污染的年际变化规律，本文以1981～1997年全市各监测点的监测结果为基础数据，以我国《大气环境质量标准》的日平均质量浓度二级标准为依据计算广州市1981～1997年的各大气污染物的指数及污染负荷率，计算公式如下：
F[，i]=P[，i]/P其中：P[，i]=C[，i]/S[，i]，P=∑P[，i]
式中：F[，i]为污染物i的负荷率，P[，i]为污染物i的分指数，P为大气污染综合指数，C[，i]为污染物i的实测值，S[，i]为污染物i的评价标准（其中SO[，2]为0.06mg/m[3]、NO[，x]为0.1mg/m[3]、CO为4mg/m[3]、TSP为0.3mg/m[3]，DF为8t/km[2]·月）。计算结果如表2所示。
表2 1981～1997年广州市各大气污染物的评价指数和污染负荷率（％）
Tab.2 Evaluation indexs and pollutant load rates of each atmospheric contamination in Guangzhou City from 1981 to 1997
年份 SO[，2] NO[，x] COTSP DF综合指数
PiFi（％） PiFi（％） PiFi（％） PiFi（％） PiFi（％） P
19811.38
27.20.458.8 0.397.8
1.08
21.41.7634.75.07
19821.20
23.80.5110.1O.5811.9 0.86
17.21.8636.95.03
19831.10
22.1O.6412.80.5310.5 0.85
17.11.8637.34.98
19841.13
21.90.7314.20.6612.8 0.93
18.01.7133.15.17
19851.45
26.7O.7814.40.6812.5 0.92
16.91.5929.55.42
19861.13
21.61.0 19.10.6512.4 0.76
14.51.6731.95.24
19871.43
24.61.1419.6O.6411.1 O.76
13.11.8231.45.79
19881.50
25.21.1619.50.6410.7 0.96
16.11.7028.55.95
19891.85
28.31.3320.40.7010.8 0.92
14.11.7326.46.53
19901.13
21.41.4828.10.6812.9 0.66
12.51.3225.15.27
19911.05
20.81.3326.40.7214.3 0.72
14.31.2224.25.04
1992O.78
16.51.5532.60.7415.4 0.56
11.71.1223.64.75
1993O.90
16.81.7232.30.7614.3 O.81
15.11.1421.45.33
1994O.92
19.91.1625.20.7315.8 0.75
16.21.0522.84.61
19950.77
17.51.0524.10.7416.9 0.71
16.21.1025.24.37
19960.70
14.71.7035.60.7215.2 0.61
12.81.0325.24.77
19970.66
14.51.3930.60.7817.2 07215.90.9921.84.54
从表2的结果发现，虽然各污染物的负荷率随年份不断波动，但NO[，x]和CO的负荷率逐年增加、SO[，2]和TSP则逐年减少的趋势明显。比较1981～1997年大气污染物评价指数和负荷率的结果说明：广州在20世纪80年代中期以前（1981～1986）各污染物的负荷率以DF最高、SO[，2]次之、CO最低为煤烟型污染特征；而1987～1997年间，全市大气中气态污染物评价指数和负荷率则以NO[，x]最高，如1994年全市实测NO[，x]年均日浓度值为：0.116mg/m[3]，污染指数为1.16，污染负荷比为25.2％，1996年达35.6％。这充分说明广州自80年代末以来NO[，x]的污染相当严重，光化学污染有逐年增强的趋势。特别是越秀区、东山区的主要干道的NO[，x]已大大超国家二级标准。NO[，x]造成的大气污染给人体呼吸道和眼睛等器官带来严重的危害，这已经引起有关方面的重视。
1.3空间分布不均匀
对广州市1981～1997年的大气污染物的日年平均质量浓度按功能区和行政区分别统计并计算各区的污染评价指数和污染负荷率如表3和表4。
表3 1981～1997年广州市不同功能区大气污染物评价指数和污染负荷率（％）
Tab.3 Evaluation indexs and pollutant load rates of atmospheric contaminant in the areas with different functions in Guangzhou City from 1981 to 1997
SO[，2] NO[，x] CO TSP
DF综合指数
功能区 PiFi（％） Pi
Fi（％）Pi Fi（％）
Pi Fi（％） Pi Fi（％） P
交通枢纽区0.913.42.20
32.8 1.32 19.7 0.82 12.31.45 21.66.69
工业区1.33
21.61.27
20.6 0.59 9.6 1.17 19.11.78 28.96.14
商业区0.97
18.41.23
23.3 0.75 14.3 1.04 19.71.27 24.15.26
混合区1.18
21.91.17
21.8 0.69 12.8 0.88 16.41.45 27.05.37
居民区0.93
19.61.01
21.4 0.52 10.9 1.00 21.11.27 26.84.73
表4 1981～1997年广州市不同行政区大气污染物评价指数和污染负荷率（％）
Tab.4 Evaluation indexs and pollutant load rates of atmospheric contaminant in the areas with different administrations in Guangzhou City from 1981 to 1997
SO[，2] NO[，x] COTSPDF
综合指数
行政区PiFi（％） Pi Fi（％） PiFi（％）Pi
Fi（％）
Pi Fi（％） P
荔湾区1.08 22.90.75 15.90.54 11.50.81 17.3 1.52 32.34.70
越秀区0.95 20.31.32 28.30.69 14.80.66 14.1 1.05 22.54.67
芳村区1.13 27.60.52 12.70.48 11.70.67 17.1 1.29 31.54.09
东山区0.73 19.30.94 24.80.49 13.10.61 16.1 1.02 26.93.79
海珠区O.90 23.90.72 19.10.47 12.50.66 17.6 1.01 26.83.76
黄埔区0.57 19.10.62 20.70.33 11.00.61 20.4 0.86 28.72.99
天河区0.78 24.10.67 20.60.35 10.80.45 13.8 0.99 30.53.24
白天区0.30 13.30.28 12.40.28 12.40.31 13.7 1.09 48.22.26
表2、3、4资料来源：广州市环境监测站。
从表3和表4可见，大气污染物的质量浓度依功能区和行政区不同而有较大的差异，其中工业区以DF和SO[，2]的负荷率较大，二者之和占50.5％，交通密集区则以NO[，x]和DF的负荷率较大，二者之和达54.4％。污染综合指数则以交通密集区和工业区为最大和次大，说明目前广州城区大气污染是机动车污染和工业污染并重。而行政区的污染指数由大到小是：荔湾、越秀、芳村、东山、海珠、天河、黄埔、白云区，表现了市区由东向西，由北向南污染趋强的特征。其中越秀和东山以NO[，x]和CO的污染最大，荔湾和芳村则是DF和SO[，2]污染最强，白云区主要是DF污染。全市最严重的污染物是DF和NO[，x]。
1.4 酸雨频率高并以春季最为严重
广州酸雨监测是在我国酸雨普查后于1983年开始的，根据1983～1990年的监测统计，全市频率为60％，其中市中心的越秀区和城西的荔湾区高达74％以上，雨水中硫酸根和硝酸根的平均含量分别高达14.7ppm和2.43ppm，雨水pH值最低在4以下，并有春季最为严重的季节分布规律。但自80年代中期以后，广州酸雨持续的频率不断增加，降雨的酸度值不断下降，到90年代中期，全市酸雨频率已达70％以上，而且夏秋冬酸雨水平已发展到接近，酸雨由春季向其它季节延伸。广州酸雨严重，不仅表现酸雨频率高和降水酸度大，而且分布广，其酸雨污染面积位于全省酸雨高发区和重酸雨区的中心轴线上，已成为全国第二大酸雨区。
2 广州大气污染分布规律的成因分析
影响城市大气污染分布的因素有气象因素、人为因素和地理因素等。地理因素的作用主要是地表自然景观和地貌形态的差异导致局地风向、风速和气温的不同而产生局地环流进而影响大气污染物的输送与扩散过程。所以，实际上导致大气污染分布时空不均匀的主要原因是影响大气扩散条件的气象因素和人为因素，如污染源的分布及排放强度等。
2.1 广州市大气污染分布规律与风
风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子，其中风向决定大气污染物的输送方向，风速则决定大气污染物的扩散速度。特别是其低层（200米以下）风向、风速的变化直接影响空气污染的聚散及各处的浓度分布。
广州不仅有大气候背景的盛行风，即冬半年盛行偏北风，夏半年盛行偏南风，也有地方风如热岛环流、海陆风。此外，在城市内部还受“高楼风”、“街道风”等局地环流的影响。城市风速和风向均有水平和垂直方向的时空变化，风速减小、风向不定、通风不良是广州城市地面风象的典型特征。此外，无论哪个季节，广州静风的出现频率比任何风向都高，年平均为29％，冬季高达35％。其它季节在25％～29％之间。
目前我国一般用污染系数即风向频率与平均风速的比值来定量反映风象因素对大气污染的影响。在污染物排放量一定时，污染程度和风向频率成正比，与风速成反比，污染系数越大，其下风方位的污染越严重。根据广州80年代的气象资料计算污染系数和累年风向频率如图1和图2。该市全年的污染系数以北和北北东方向较大，分别是4.6和3.2，其次是东和东南方向，分别为2.9和2.6，与广州市年风向频率以北和东北偏北方向较大，东和东南方向次之的分布基本一致。其中冬季市区的风向频率和污染系数分别以北—东北偏北最大，东南次之，夏季以偏南和东南偏南最大和次大。可见，广州的污染系数和风向频率在全年或冬夏季都是以西南偏西最小，广州城区以西和南为最大污染系数的下风方向，大气污染物主要向西或西南方向输送。由此可见，广州大气污染具有由东向西，由北向南趋强的空间分布特征受风向频率的影响显著。另外，静风时，污染源在烟源附近的空气中逐渐累积，形成高浓度，静风时间越长，累积的浓度更高。广州市区尤其冬季大气污染严重与当时静风频率高、通风不良等也密切相关。为避免大气污染物往往区及其周围累积、叠加，广州城区尤其东、北部位应尽量不设置污染较重的工业项目。
图1 广州市多年污染系数分布图
Fig.1 Distribution of annual pollution coefficient in Guangzhou
图2 广州市多年风向频率图
Fig.2 Distribution of annual wind direction frequency in Guangzhou
2.2 广州大气污染的分布与城市热岛
城市由于建筑物的屏蔽阻挡作用导致城市风速减小，热量不易扩散而形成热岛现象。广州自80年代以来，由于成群的高层建筑和众多的立交桥拔地而起，加上城市绿地覆盖水平较低，导致“热岛效应”突出，且有冬强夏弱、老城闹市区和西区最强、居民区次之、全市整体趋势是西强东弱的时空分布特征。
当热岛出现时，其水平辐合作用易促成空气中污染物质向市区内堆积并使市区经受多次的循环污染。所以，强烈的热岛效应有利于城区周围工业和建筑业、交通业的大气污染物向市中心集聚。强热岛出现的时间和地区，其空气中DF、NO[，x]、SO[，2]等污染也最严重。如越秀区为广州强热岛中心，对比1997年各月CO的浓度与热岛强度的变化曲线（图3）：两者有相同的变化规律，热岛强度越大，CO的浓度也越大。热岛效应以及由此引起的对低空温度层结和局地风场影响等的小气候效应，使得城区经常遭受各种高度污染源的封闭型污染。可见，广州大气污染冬强夏弱和由东向西、由北向南趋强的时空分布特征与广州热岛时空分布密切相关。
图3 1997年越秀区热岛强度和CO浓度的月际变化曲线
Fig.3 Monthly change of intensity of heat island and concentration of CO in Yuexiu areas in 1997
2.3 广州大气污染分布与逆温
逆温是指大气中某一高度范围内出现的气温随高度增加而升高的现象。当逆温出现时，大气层结稳定，沿垂直方向的扩散能力差，对湍流起抑制作用。因此，逆温层的存在很不利于污染物的扩散而直接影响地面的污染程度。
近20年以来，广州全年都有低空逆温出现，其中接地逆温比悬浮逆温略多，且具有冬强夏弱的特征。从10月到12月，各月早晨或傍晚，接地逆温频率达50～57％，接地逆温出现高度最多的是200米，最大强度达7.4℃/100米。根据黄增明等专家观测广州SO[，2]日平均浓度超标时的气象要素统计，当天气晴朗、静风、气温较低、接地逆温强度大于℃/100米或1.5℃/100米时，SO[，2]浓度都会明显超标。如当接地逆温的顶高达500米左右，200米以下温度直减率为－3℃/100米时，大气浑浊度均增高30～90％。SO[，2]、NO[，x]、TSP的浓度往往随着逆温强度及逆温频率的增大而不断增加。如1997年广州市TSP月均浓度的变化规律与接地逆温强度的月变化规律十分吻合（图4）。接地逆温强度较大的月份也是TSP月均浓度增强的月份。说明广州大气污染分布浓度具有冬强夏弱的季节变化规律与广州逆温的季节变化规律具有很大的一致性。另外，由于接地逆温平均高度仅有200米左右，近地层污染物不易向上扩散，极易形成局地堆积污染。所以，接地逆温是恶化广州市区大气污染的主要气象因素之一。
图4 1997年广州市接地逆温强度和总悬浮微粒浓度的月际变化分布
Fig.4 Monthly change of intensity of ground inverse temperature and concentration of TSP in Guangzhou in 1997
2.4 广州市大气污染分布与天气形势
从以上分析可知，广州城市大气污染的时空分布律与风向、风速和气温密切相关。事实上，影响城市大污染的气象因素很多，除了风、气温外，大气湿度、云、等都有不同程度的影响；另外，各气象因素对大气污物的扩散影响不是独立存在、单独起作用，而是相互响和制约的；再则，一定地区一定时间内的天气形势是各种气象因素综合作用的表现。因此，不利于大气污染物扩散的各种气象因素的综合表现实际是地面不利的天气形势特征。如广州冬季的天气形势，高空常为副热带高压、低空为变性冷高压控制，地面和低空风速较小，静风频率高，并伴有较强的辐射低空逆温和强热岛，低层大气层结稳定，混合层厚度低等，所以，不利于空气中污染物的扩散和稀释，而且高压的范围愈大，移动愈慢，大气高浓度污染持续时间就愈长；夏季时，广州受热带暖气团控制，气层不稳定，有上升气流，降雨多，逆温和热岛都较弱，有利于污染物的稀释扩散，因而污染的浓度很低，可见，广州市大气污染的季节分布规律受天气形势的季节变化影响较大。
2.5 广州酸雨严重是人为因素和气象因素综合作用的结果
据酸雨发展调查资料，广州酸雨污染除本地工业和交通污染物的排放外，中远距离污染物的贡献也很大。近十多年来，珠三角地区能源结构不尽合理，煤含硫率高，燃烧器技术水平低，直接导致SO[，2]年排放量迅速增加，每年珠江口两岸电厂群向外排放的SO[，2]估计达50万吨，而广州正好处于电厂群的夏季主导风的下风向，SO[，2]的影响首当其冲；加之广州较高的气温和湿度及长日照等气象条件，有利于大气污染物SO[，2]和NO[，x]的氧化，从而促进酸雨的发展，尤其是每年3～5月，因华南准静止锋的持续影响及其低空暖平流的相互作用，地面至1000米高度范围内低空逆温的频率达55％，在此状态下，空气中大量的SO[，2]和NO[，x]等被抑制在逆温层内，在高温高湿的环境中通过气相和液相氧化，加速了酸性降水的形成。广州酸雨的发展与珠江口两岸电厂的发展和广州机动车辆的增加几乎同步，也因此说明广州酸雨之所以严重，是人为因素和气象因素相互作用的结果。
2.6 广州光化学污染趋强主要与机动车辆的迅速增加有关
自上世纪80年代末以来，广州大气中NO[，x]和CO的污染负荷率逐年增加，光化学类污染急剧发展，这主要与车辆的迅速增加密切相关。如广州市机动车辆1981年只有7.2万辆，1987年增加到28.7万辆，到2002年达157.9万辆，机动车辆的增加速度远快于城市道路的改造速度，道路等级低、密度小、通行能力低导致广州交通阻塞现象突出。汽车量的猛增，使尾气排放总量和污染物种类大量增加，据统计，广州机动车排放的NO[，x]约占全市NO[，x]总量的60％。加之广州的热岛、逆温、静风等出现频率大，不利于污染物的对流和扩散，更进一步加大了光化学的污染程度，特别是交通拥挤，汽车在路上重新启动和发动机空转的次数越多，尾气排放量越大，因而越秀区和东山区及市内的主要交叉路口和交通要道等地带成为NO[，x]和CO污染的“重灾区”。要解决NO[，x]和CO污染问题，控制及改进广州市交通环境是关键。
2.7 不同区域大气污染物质量浓度的分布与污染源的排放强度呈相关
广州大气污染物的质量浓度依功能区和行政区不同而异，除了受气象条件的影响外，与污染源的分布和排放强度呈正相关。如工业区及荔湾区和芳村区因工矿企业大量排放SO[，2]而使SO[，2]的污染负荷率最大；交通密集区如越秀区和东山区由于地处繁华地带，机动车流量大，车辆排放NO[，x]和CO最多，因而NO[，x]和CO的负荷率最大，TSP主要来源于餐饮业，因此居民区和商业区的负荷较大，DF由于主要来源于建筑业，而且工矿企业、机动车辆、居民燃煤等也是重要来源，所以DF在各功能区的负荷率都大，尤其工业区居首，DF和NO[，x]是广州污染负荷率最大的污染物，这主要与广州自改革开放以来基础设施建设规模的不断扩大和机动车辆的迅速增加密切相关。
3 结语
广州地处低纬度，高温、多雨、湿度大；风向以北和北北东及东和东南方向为主，具有通风不良和静风频率高、近地层的逆温频率高、热岛效应强等特征。不仅有利于贴近城区周围工业和建筑业、交通业的大气污染物向西区和市中心集聚，形成局地的堆积污染，也有利于大气污染物SO[，2]、NO[，x]的转化，从而促进了酸雨和光化学污染的发展。广州市大气污染的分布规律是广州气象条件与污染源的分布与排放强度综合作用的结果。
要改善广州大气环境质量，不仅要在城市用地规划中考虑大气输送、扩散等自然通风条件对用地布局的影响，还应采取合理的规划措施如根据城市风、气温及天气形势的变化规律结合城市地形及其他自然条件和城市设施热量散发状况等，对城市工业区、道路、建筑和绿地系统等进行合理布局以达到改善大气环境的目的。为此，笔者提出下列对策：
（1）改善工业布局，调整工业结构。市政府应从战略高度，将能源、资源消耗高，污染难以解决的工业调整到城区以外，根据大气环境功能特征，重点调整西北和东部地区的工业结构；并充分利用大气环境容量，加高烟囱高度，尽量抬高污染源的排放高度到逆温层平均高度（200米）以上，减轻城区的污染危害；抓住西电东送的机遇，关闭部分中小型火电厂，同时对继续运行的热电厂实施脱硫工程，控制酸雨污染。
（2）加快城市公共交通的发展和道路建设的步伐，推广环保型交通工具及尾气净化等新技术，合理分流市区交通压力并强化机动车排气污染控制工作，从而有效减轻市中心机动车排气污染。
（3）树立生态设计观念，将城市气候与城市规划及建筑设计相结合，按主导风向规划建筑物的配置，充分利用太阳能等气候条件，注重自然通风和自然采光与遮阳，使用环保建筑材料，减少人均生态足迹，提高能源和资源利用效率，建立合理的生态建筑布局体系，减少因建筑设计造成的大气热污染。
（4）发挥靠山面水的优越条件，重视绿地系统和水面的规划及生态廊道建设，市区除了增加绿地面积和优化绿地结构，利用多层次绿化调节气温、过滤粉尘、吸收有害气体外，还应保护河涌湿地，适当扩大水域面积，形成城市园林绿地和水网相结合的绿心加楔形嵌入式生态绿地系统以增强自然抗灾屏障和生态系统的调节功能，降低城市热岛强度。
城市大气污染的分布规律及其成因十分复杂，还有很多问题需要探讨。如何综合评价气象因素的作用与潜力对城市发展可能产生的影响，如何充分利用有利的气候条件进行自然净化达到改善城市环境的目的等，应该引起有关部门的重视并值得进一步研究。