产业与气象--新疆气象手册（33）第2篇第9章第1节

 2020 02 12

《新疆气象手册》的序，前言 ，提要 ：http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1208089.html

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第9章 产业与气象

这里说的产业是指国民经济除第一产业（大农业）外的第二、三产业。产业气象是气象学中一门边缘学科。它兴起的直接动力是经济和社会发展对气象日益增多、日益增高和日益迫切的需求。

本章介绍的内容仅是“产业与气象”的几个方面。它们主要来自新疆气象科技服务实践经验的总结和专题研究成果。

1 新疆大气质量与评价

20世纪70年代以来，环境保护的首要目标是严格控制三废（废气、废水、废渣），并且制定了定量标准。大气质量的评价的核心内容就是因废气造成的空气污染状况的评价。

1．1 空气污染综合指数（API）

污染指数是依据环境质量标准将有关的污染物浓度等标准化，计算得到简单的无量纲指数，可以直观、简明、定量地描述和比较环境污染的程度。空气综合污染指数是各项空气污染物的单项因子的指数的合计值，可用于评价城市空气质量总体状况、年际变化以及城市间空气污染程度的比较。空气综合污染指数数值越大，表示空气污染程度越严重，空气质量越差；单项污染物的分指数在综合指数中所占的比例（即污染负荷系数）越大，其对综合指数的贡献越大，对空气污染程度的影响越大。

我国参加空气综合污染指数计算的污染物包括可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫（SO₂）和二氧化氮（NO₂）三项。API指数分为5级：0～50（I级）为优，51～99（Ⅱ级）为良；100～199（Ⅲ级）为轻度污染；200～299（Ⅳ级）为中度污染；API>300（V级）时为重度污染。

 乌鲁木齐三种污染物API值各月的变化

1．2 紫外线指数

是衡量某地正午前后到达地面的太阳紫外辐射对人体皮肤（或眼睛）可能损害的程度指标，它主要依赖于纬度、季节、平流层臭氧、云况、海拔高度、地面反射率和大气污染状态等条件。国际上惯例，紫外线指数一般用0---15的数字来表示，通常规定，夜间的紫外线指数为0，在热带高原地区，晴天无云时的紫外线指数为15。世界气象组织规定了单位紫外线指数相当于25mW/m²。紫外线指数是指当太阳在天空中的位置最高时（一般是在中午前后，即从上午十时至下午三时的时间段里），到达地球表面的太阳光线中的紫外线辐射对人体皮肤的可能损伤程度。紫外线指数变化范围用0－15的数字来表示，通常，夜间的紫外线指数为０，热带、高原地区、晴天时的紫外线指数为15 。当紫外线指数愈高时，表示紫外线辐射对人体皮肤的红斑损伤程度愈加剧。紫外线辐射对包括人在内的各动、植物的生理和生长、发育带来严重危害和影响。

1．3 污染系数

为了对风向和风速作同一考虑，便提出了污染系数的概念。某一方向的污染系数为：

D_i是第i方位的风向频率，u_i是该方位的平均风速。来自某方向的污染程度与风向频率成正比，与该风向的风速成反比。公式分子是无因次量，但分母是有因次，两者不便进行比较，故又提出了各方向的污染风频为：

是该地的总平均风速。这里的分子分母都是无因次量。

新疆各主要城市的风玫瑰图和污染风频的特征为：

⑴ 最多风向：北疆北部以偏北风为主，伊宁市以偏东风为主，乌苏市偏南风为主导风向。石河子是东风，昌吉是西南风，奇台是南风，吐鲁番、哈密、库尔勒是偏东风，库车、阿克苏是北风，喀什为西北风，和田是偏南风，若羌、且末是东北风。

⑵ 最多风向、污染系数、污染风频有很好的一致性，仅石河子有差别外，其他各地是一致的。

⑶ 静风频率很高，有17个站年静风频率是第一位的，只有奇台除外。冬季更是如此，有4个站静风频率高达50%以上，大部分站的静风频率在30%左右。

1．4 大气稳定度及联合频率

大气稳定度是影响空气污染的气象因素之一，它代表了大气垂直扩散能力的强弱，它表示空气是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动。不稳定类天气有利于大气污染物垂直扩散，而稳定的大气层结则不利于低层污染物的扩散。

计算大气稳定度的方法很多，在大气环境质量评价中，最经常采用的是帕斯圭尔法，该方法既考虑了大气的动力因素，也考虑了热力因素。另外该方法的主要特点是只利用地面常规气象资料便可推算近地层的大气稳定度，经常用于工程建设的大气环境评价。

联合频率是将风速按大小分成若干等级，再统计每一风速等级内各风向下、各稳定度出现的频率。主要用于不同风速条件下的各种大气扩散模式对污染物分布的计算。

1．5 大气混合层及高度

混合层由于温度层结不连续可产生上、下层间的湍流强度不连续而成。如下层空气湍流强，上层湍流弱，使不连续面以下能够发生强烈湍流混合，它所伸展的高度称为混合层高度。

混合层高度取决于起始温度的垂直结构和地面增温状况。午后混合层高度表征了一天中最大的铅直扩散能力，称最大混合层高度。它可以用干绝热曲线上升法确定。具体做法：在绝热图上，将出现地面最高气温时的干绝热线，与下午（19时）探空曲线相交，交点对应的高度即为最大混合层高度。上述方法中如以地面最低气温加3℃代替最高气温，得到的高度即为早晨最小混合层高度。

从全年平均的情况来看，早晨07时混合层顶的高度：北疆地区在2100～2200m之间，南疆地区在2800～3200m之间；19时混合层顶的高度：北疆地区在1400～1800m之间，南疆地区在1700～2400m之间。各季节混合层顶的高度会有不同程度的变化。

1．6 大气逆温强度

如果地面或者近地面的大气层是温度随高度而增加的逆温层，那么空气中的污染物质就难以扩散。北疆冬季的逆温层经常可以维持数天以至更长，它是新疆消除污染的特别不利因素。逆温按其底高可分为贴地逆温和脱地逆温两种。人们通常用逆温强度（100m气层内气温随高度而增加的度数）、逆温持续时间、逆温厚度及上部逆温底高度等来衡量某地空气污染的程度和历时长短。

1．7 污染浓度计算模式

目前应用最广泛的是高斯扩散模式，它表示污染物浓度依正态分布函数向水平和垂直方向扩展开，越偏离原点，污染浓度越低。在这个扩散方程中，假设扩散系数K等于常数，可以得到正态分布形式的解；从统计理论出发，在平稳和均匀湍流假定下也可以证明扩散粒子位移的概率分布是正态分布。实际大气不满足理论证明的前提条件，但是大量小尺度扩散试验表明，正态分布假设至少可以作为一种粗略的近似。

以高斯扩散模式为基础，根据污染源排放的性质，进一步发展了点源模式（如烟囱）、线源模式（如交通线）、面源模式（居民区）等。根据气象条件，又分为有风和静风模式。此外，还有根据物质守衡原理推导出的箱模式等。

1．8 扩散参数

大气污染物依照正态分布而扩散，计算正态分布扩散时就用到两个参数：横向扩散参数σ_y和垂直向扩散参数σ_z 。σ_y和σ_z也就是污染物浓度分布的标准差。这两个扩散参数本身也依距离而变化。它们的变化规律也是试验中要研究的另一项重要内容。根据试验资料：σ_y∝χ^p 。p值是大气稳定度的函数。而σ_z与距离的关系可以写成：σ_z∝χ^q，一般假定q是不随距离改变的系数。

新疆玛纳斯电场根据平衡球实际观测数据的计算结果

1．9 总悬浮颗粒物（TSP）

指能悬浮在空气中，空气动力学相当直径≤100μm的颗粒物。

目前，新疆有TSP观测的站点有：新疆环境监测中心站、博乐州环境监测站、石河子环境监测站、哈密环境监测站、阿克苏地区环境监测站、和田地区环境监测站。

塔里木盆地是我国主要沙尘源地之一，其腹地TSP含量是较高的，晴天天气为0.885mg·m⁻³，浮尘天气为4.168mg·m⁻³扬沙天气为7.871mg·m⁻³，沙尘暴天气TSP含量高达44.084mg·m⁻³，是扬沙天气的六倍多。

1．10 可吸入颗粒物（PM10）

指能悬浮在空气中，空气动力学相当直径≤10μm的颗粒物。

可吸入颗粒物即PM10，是环境空气质量自动连续监测系统的重要监测项目，目前国内外对PM10的自动连续监测基本有两种方法，一种是β射线衰减法，另一种是微量振荡天平（TEOM）法。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所使用的是R&P公司的TEOM1400a环境颗粒物监测仪。微量振荡天平法的振荡频率是由锥形空心管质量、滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量所决定，由于锥形空心管为特殊非热质材料制成，它与滤膜质量，在更换滤膜或仪器重新启动时是被作为本底值考虑，所以振荡频率只取决于沉积在滤膜上颗粒物的质量。因此，可以认为微量振荡天平法是一种直接质量测量法–称量法，测量的准确性基本取决于采样流。后者比前者先进。

 天山区2004年不同季节PM10平均质量浓度及气象因子情况

1．11 气溶胶光学厚度

大气气溶胶光学厚度是表征大气气溶胶状况的一个重要物理量，是评价大气环境污染、研究气溶胶辐射气候效应的一个关键因子。辐射在介质中传输时，路径上2点间的光学厚度（τ）等于沿2点路径的单位截面上所有吸收和散射物质产生的总衰减。根据Beer–Lambert–Bouguer定律，在地面直接测得的在给定波长上的太阳辐射E（W/m²）为：

其中E_0λ为大气外界太阳辐照度（太阳常数），R为测量时刻日地距离订正因数，也称为地球轨道偏心率订正因子，ｍ为大气光学质量，τ_λ为大气垂直总光学厚度。对于无水汽吸收的波段，大气垂直总光学厚度τ_λ可表示为：

τ_λ=τ_rλ+τ_aλ+τ_O3λ+τ_NO2λ

其中τ_rλ为分子散射（Rayleigh）光学厚度，τ_aλ为气溶胶光学厚度，τ_O3λ、τ_NO2λ分别为吸收气体O₃、NO₂的光学厚度。

利用CE318型自动跟踪扫描太阳光度计在乌鲁木齐、塔中、和田所测的1～1.5年数据资料，初步计算得到上述3地点气溶胶光学厚度的月分布值。

 新疆3个测站550nm气溶胶光学厚度的月分布

1．12 大气能见度

能见度用目标物的能见距离来表示大气透明状况。能见距离的定义有两种：一种是（地面气象观测规范规定）指具有正常视力（对比感阈为0.05）的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大距离；另一种是指目标的最后一些特征已经消失的最小距离。对同一目标，这两种定义确定的能见距离是不一样的，后一种要大一些。通常，在航空中的能见距离是指前者。影响能见距离的因子，在白天有大气透明度、目标与其背景的亮度对比和肉眼对比感阈；在黄昏、拂晓和夜间有大气透明度、灯光强度和视觉感阈。大气透明度的好坏，与当时的天气条件密切相关。有雾、霾、风沙、浮尘、降水等天气现象时，能见度一般都较坏。一般所说的能见度是指地面水平能见距离。目前除目测方法外，一些能见度测量仪器（如大气透射仪）已逐步投入使用。

1．13 空气污染潜势预报

不利于污染物扩散稀释的天气尺度的气象条件。它仅由气象因子定义，在污染物排放少的地方，即使出现高污染潜势，实际空气质量仍可很好。通常应根据某一地区的条件研究制定出一组气象判据，当预计将出现判据规定的气象条件时就发布空气污染潜势预报。

1．14 大气质量数值预报模式

在数值预报模式中嵌套污染扩散模式而形成的大气质量数值预报模式。目前气象业务部门大多使用的是由中国气象科学研究院研制的城市大气污染潜势和空气质量指数预报系统（CAPPS）。CAPPS分气象场预报和空气污染潜势预报及空气质量预报两部分，气象场预报采用MM5中尺度预报模式，污染潜势和污染指数预报采用了大气平流扩散的非静稳多箱模型。该模式预报的空气污染潜势能较好地反应实际气象条件下的通风扩散稀释和干、湿沉降消除大气污染的总能力，空气质量指数的预报公式和方法对源强和浓度监测的要求比较灵活，是一个很好的业务运行模式。

1．15 大气污染

大气本身具有一定的自净作用。只有当大气中的污染物质浓度超过大气的自净时才会造成大气污染。国际标准化组织（ISO）则认为“大气污染，通常指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害人体的舒适、健康和福利或危害了环境。”这里所说的舒适和健康，是包括了从人体正常的生活环境和生理的影响到引起慢性疾病、急性病以致死亡这样一个范围；而所谓的福利，则认为是指人类协调共存的生物、自然资源、财产以及器物等。

大气污染是人类对环境影响的一个重要方面。

1．16 大气污染类型

大气污染类型主要取决于所用能源和污染物的化学反应特性，而阳光、风、温度等气象条件也起着重要作用。根据污染物的化学性质及其存在状况划分，大气污染有以下几种类型：

⑴ 还原型污染 这类污染常发生在以使用煤炭为主、同时使用石油的地区，故称为煤炭型。

⑵ 氧化型污染 这类污染常发生在以使用石油为燃料的地区，故称为汽车尾气型污染。其主要污染源是汽车排气、燃油锅炉以及石油化工企业，主要的一次性污染是一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物。在阳光照射下它们能起光化学反应，生成臭氧、醛类、过氧乙酰硝酸酯等二次污染物。

⑶ 石油型污染 其主要污染物来自汽车排放、石油冶炼及石油化工厂的排放，主要包括NO₂、烯烃、连烷、醇等碳氢化合物，以及它们在大气中形成的臭氧，各种自由基及其反应生成的一系列中间产物与最终产物。

⑷ 混合型污染 其主要污染物包括以煤炭为燃料的污染源排放的污染物，以及从各类工厂企业排出的各种化学物质等。

⑸ 特殊型污染 是指有关工厂企业排放的特殊气体所造成的污染。这类污染常限于局部范围，如生产磷肥造成的氟污染、氯碱工厂周围形成的氯气污染等。

乌鲁木齐市从1997年11月开始有空气质量周报。周报显示，在采暖期21周（截止98年9月）中，乌鲁木齐市的空气污染指数均在101以上。其中，空气质量级别达到五级重度污染的有12周，空气质量级别达到四级中度污染的有6周，只有3周空气质量级别为三级轻度污染。乌鲁木齐市空气中的主要污染物除少数的二氧化硫、氮氧化物外，均为总悬浮颗粒物，说明尘的污染最为突出，这充分体现了本地区受煤烟—沙尘型污染的典型特征。

乌鲁木齐市冬季大气污染状况是非常严重的，已到了非治不可的地步。不同测点污染程度的不同还说明，在不同区域，受区域功能、人口分布状态、能耗情况等影响，其污染程度也有明显的不同。

1．17 医疗气象预报的流程

医疗气象预报流程由3个部分组成，首先分析常规天气图、城市环境资料及数值预报产品，制作出天气过程和相应的气象要素，依据人体生理机制，预报出可能发生的疾病的倾向，最后通过电视等媒体对社会发布。

关键问题，一是天气过程和气象要素、城市环境要素预报的准确性，直接影响医疗气象预报的准确性；二是建立正确的气象要素、城市环境要素与可能发生疾病真正的因果关系。建立医疗气象预报，必须长期积累气象、大气环境条件和医学资料，通过科学的统计分析，才能建立真正的因果关系，才能做出比较正确的预报结果。需要说明，天气、大气环境对人体的影响，对适应者和不适应者引起的反应差异很大，因此医疗气象预报并非是绝对准确，它仅仅是对未来天气、环境可能影响人体的健康评价。

医疗气象预报从时间尺度上划分，分为短期、中期和长期预报。短期预报可以逐日发布，中期预报每周发布一次，主要是制作疾病可能发生的过程；长期每月发布一次，主要预报未来气象条件可能引发传染病估价，为防止流行及早采取措施。

1．18 舒适度指数

舒适度指数度量温度、湿度、风等气象要素对人体综合作用，表征人体在大气环境中舒适与否，提示人们根据气象因子来调节生理、适应环境以及防范冷热突变的指数。

人类在大气环境中活动，经受着气象要素的综合作用，尽管人们通常用气温高低来表示环境冷热，但是，人体对外界冷热的舒适感，并不能仅仅依据气温和其他单一的气象要素来评价。当气温适中时，大气湿度变化对人体舒适感的影响较小，当气温较高或偏低时，才对人体的温热感产生影响。气流对人体体温调节也起着重要作用，它决定人体对流散热，并影响空气的蒸发力，从而间接影响出汗的散热效率。对流散热与气温有关，而气流对蒸发率的影响则与空气湿度有关。当气温低于人体皮肤温度时，气流总是产生散热效果，当气温高于皮肤温度时，可对人体起到加热和散热两个相对的作用。

目前常用的舒适度指数计算方法：

其中K：舒适度指数，T：温度，RH：相对湿度，V：风速。

舒适度等级划分表

1．19 大气污染对照度的影响

随着城市建设规模的扩大，工业的发展，大气污染也日趋严重。不仅直接污染大气环境，也导致了大气混浊度和光气候条件的变化。污染对总照度的影响主要是通过减少直接辐射而进行的。乌鲁木齐30年实测资料表明，散射辐射年际变化不大，每年平均值只相差约2%，没有显著的上升或者下降趋势，而冬季直接辐射平均每10年以23%的高速度递减，明显表现出逐年减小趋势。冬季的总照度的最大值为14.2×10⁶Lux，出现在1962年冬季，而1988年冬季为7.6×10⁶Lux，两者相差5.6×10⁶Lux。大气污染使乌鲁木齐冬季的光气候环境趋向恶化，长期下去会影响人们的健康以及卫生和工作条件，使电力能源消耗增加。

（杨青）