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气象资料在环境影响评价中的意义和作用 易海涛 中国京冶工程技术有限公司，北京 100088 摘要 气象资料的收集已经是环评中不可缺少的一环， 然而除了进行模式计算以外，这些资料似乎再无他用， 仅限于 收集和罗列。由于环评导则没有明确的说明和指导， 对绝大多数环评人员和审查人员来说， 对资料的实际意义和作用 不甚了然， 本文的阐释有助于相关技术人员深入理解基本气象资料在环境影响评价中的作用和意义。 关键词 环境影响评价;气象资料;意义 THE ROLE AND SIGNIFICANCE OF METEOROLOGICAL DATE IN ENVIRONMENTAL IMPACT ASSESSMENT Yi Haitao China Jingye Engineering Co． ，Ltd． ，Beijing 100088，China AbstractThe collection of meteorological data has been an indispensable part in EIA． But in addition to the calculation model，these data seem to be with no other use，except to be collected and listed． As the EIA guidelines do not provide clear guidance and instructions，the majority of environmental assessment staff members do not understand the practical significance of these ination very clearly．The explanation of this article is helpful to the relevant technical staff members for understanding in depth the role and significance of the basic meteorological data in environmental impact assessment． KeywordsEIA;meteorological data;significance 1环评导则中规定的资料项目 HJ 2. 22008环境影响评价技术导则大气环 境 中 8. 1. 3 规定， 对于各级评价项目， 均应调查评价 范围内 20 年以上的主要气候统计资料。包括年平均 风速和风向玫瑰图、 最大风速与月平均风速、 年平均 气温、 极端气温与月平均气温、 年平均相对湿度、 年均 降水量、 降水量极值、 日照等; 对于一级、 二级评价项 目， 还应调查逐日、 逐次的常规气象观测资料及其他 气象观测资料。 收集各项气象资料的目的与意义如下 1. 1关于资料年代的长度和极值 四季轮回， 周而复始。自然， 从统计学上分析， 资 料的年代越长， 各项要素的值就越真，这对于分析以 年为重现单位的极端事件是非常有用的。虽然不同 年代长度的统计资料其值是有差异的 不包括站址 变动因素 ， 但这种差异却不足以影响环评中的主要 结论， 所以使用 3 ～ 5 年的统计资料， 能足以说明这一 地区的基本气候情况即可。至于各项极值， 主要是用 在工程设计和安全风险分析中， 资料的年代越长， 极 值越真， 估算的事件重现概率越准确。但是在环境影 响评价报告中， 并不做这样的分析， 而要收集到 20 年 以上的极值， 成本较大。 1. 2关于风向和风向频率 1 风向决定了污染物的基本输送方向。但风向 分布所蕴含的意义远不限于画一个玫瑰图和描述一 下主导风向。中国的大部分地区是季风区域，在风 向分析时必须考虑冬夏季节的差别。环评中最常见 的误区就是主导风向和次主导风向的分析。简单的 年主导风向、 次主导风向分析往往不能揭示一个地区 风向分布的本质特征。 例如， 图 1、 图 2 分别是北京朝阳区年均、 7 月份 风向频率分布。从图 1 分析， 有些人认为， 朝阳区主 要风向是 NNW，次主导风向是 N， 而实际上这个说法 颇有问题。一方面 NNW 和 N 风向相邻，基本就是同 一方向的风向; 另外一方面， 这一说法掩盖了冬夏季 风向的明显差异。看看图 2 即可知道问题所在， 7 月 511 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 风向中， SE、 NNE 风为盛行风向， 前者是夏季风的反 映，后者是局地风向的反应，而且进一步的分析会 发现前者多出现在白天，后者多出现在夜间。再如， 图 3 是防城港市年均和夏季风向频率示意图， 如果只 看年均风向， SSW 风向是很少的， 但如果看夏季，那 么它是夏季的主导风向，而 NNW 代表陆地风占有一 定的比例。所以， 对于风向一定要做逐月的分析， 以 揭示冬夏盛行风向的明显不同。 图 1北京市朝阳区年均风向频率分布 图 2北京市朝阳区 7 月风向频率分布 a年均风向频率分布;b夏季风向频率分布 图 3防城港年均和夏季风向频率分布 2 目前， 因为模式计算的需要， 都收集有至少一 年逐时的风向资料， 应该利用它辨析风向在日夜间的 变化转换。在大多数地方这种变化是存在的， 这对于 模式计算中最高浓度出现时间的分析是有帮助的。 无疑， 夜间污染物会输送得更远。图 4 是风向日变化 的一个例子。 图 4新疆某地风向频率日变化 3 通常， 频率越高的风向， 其平均风速也越大， 理解这一点是有意义的。当扩散模式不能处理静风 且静风频率较高时，就可以把静风按照有风时的风 向频率分布来分配。 4 风向的连续性有一定的规规律可寻， 服从如 下的公式 Pn d P d 1 αΣ n－1 m 1 m －β 1 这里 Pn d 为风向 d 持续 n 小时的出现概率， P d 为风向 d 出现的概率， 参数 α， β 要从回归拟合 中求得， 采用 5 年以上的资料求得的参数， 公式就具 有很好的精度。由式 1 可知 通常只有出现频率比 较高的风向， 才有可能持续较长的时间。例如， 对嘉 峪关 地 区 拟 合 到 得 的 参 数 是 α 0. 67766， β 0. 791731， 相关系数大于 0. 98。 5 关于主导风向的问题。所谓“主导风向” ， 就 是气象上称谓的“盛行风向” 。“导则” 规定 “主导风 向指风频最大的风向角的范围。风向角范围一般在 连续 45左右， 对于以 16 方位角表示的风向， 主导风 向一般是指连续 2 ～ 3 个风向角的范围。某区域的主 导风向应有明显的优势， 其主导风向角风频之和应≧ 30 ， 否则可称该区域没有主导风向或主导风向不明 显” 。这个规定只专注于风向频率的大小， 忽略了在 中国的大部分区域， 是由冬、 夏季风主导的基本气候 常识 因为冬、 夏主导风向不同， 年均来说， 频率就比 较分散 ， 也忽略了由于地形作用而可能导致的风向 定势。如图 5 是新疆某地年均风向玫瑰， 由于山沟走 向的影响，长年顺沟有 2 个风向盛行， 且频率相差不 大，这时候如果说它没有主导风向 因为相邻三个风 向的频率和小于 0. 3， HJ 2. 22008 定义为没有主要 风向 ，或者只有一个主导风向都是不对的有没有 主导风向，主要应看它有没有主导的“因素” 并在风 向上表现出来。 这里涉及到风向分散度的概念， 一个定量的指标 可以描述它 611 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 图 5新疆某地年均风向玫瑰 I － Σ n i 1 PilnPi lnN 2 式中I 风向分散度， 取值 0 ～ 1; Pi i 风向的频率， Σ N i 1 Pi 1. 0 N 风向数目。 如某地只有一个风向，那么它的分散度为 0， 如 果各方位风向均匀分布， 那么它的分散度为 1. 0。假 定某地有一个风向的概率为 30 ，其余 16 个方位 含静风 均匀分布，那么它的分散度为 0. 9， 如果有 2 个风向， 频率各为 30 ， 其余 15 个方位 含静风 均匀分布， 那么它的分散度为 0. 767，对照 HJ 2. 2 2008 对主导风向的规定， 可知 当分散度低于 0. 9 时，一般会有明显的主导风向。 6 关于风向风速资料的内插。风向直接决定着 污染物输送和扩散的方位， 而风向的小时变化又是比 较大的， 因此当风向观测缺失时， 如何插补应当慎重。 偶尔的缺失， 一般以前一小时的测值来替代， 或者线 性内插， 都是可以的。但若是制度性的缺失，如每天 只有 4 次甚至三次的观测值，为了满足模式计算的 需要而内插到 24 小时的值是没有道理的， 这和随意 取值没有多大差别， 因为风向的时间变化并不是线性 的， 例如 02 时的风向是 N，08 时的风向是 S， 中间几 个小时的风向无法科学地内插， 何况凌晨还是静风的 多发时段。因此， 如果没有 24 小时的自记观测， 不能 勉强按导则的要求去计算逐时浓度。 7 观测时次问题。在评价收集气象资料时，经 常会遇到各种汇集的资料上，风向频率玫瑰图相差 比较明显的问题， 这可能缘于资料统计年代长度不一 致和资料的观测时次 3， 4， 8， 24 次 /日 不同， 但前者 的影响较小， 后者的影响很大， 因为每日小于 12 次的 观测不能捕捉到以24 h为变化周期的要素的大部分 变化。所以， 环境评价中风向风速分析要采用逐时自 记资料。 1. 3关于风速 1 静风的意义。绝对静风的情况是不多的， 气 象统计中的静风是指风速低于观测仪器启动时的风 速。一般情况下， 静风中的各个风向比例和有风风向 的比例相类似，理解这一点对于处理扩散模式中不 能处理的静风是有帮助的。 2 平均风速。无论在大气扩散模式中风速如何 影响浓度， 总体上风速越大这一地区污染物的扩散稀 释能力就越强。平均风速的大小受到多种因素的影 响 地形、 天气系统、 站点海拔高度等 ， 这里不去讨 论。由于观测平均时间的不同， 定时观测 2 min平 均 和自记观测 10 min平均 统计得到的平均风速 是不 一 样 的，因 为 前 者 静 风 的 定 义 为 风 速 小 于 1. 0 m/s， 而后者是0. 3 m/s; 偶尔缺失的风速观测值 可以采用前后测值进行线性内插来补齐。 3 最大风速。年代长度不一样， 最大风速的大 小不一样， 涉及到风险问题时， 如高大建筑、 设施的防 风问题 风震 摆 、 风压等 ， 这是个非常重要的参 数， 但在环评中它的意义不大。 4 风速的日变化。风速的日变化极大地受制于 地形和太阳辐射能量。一日中风速往往在午后达到 最大值， 这是因为地面湍流因为日照达到最大而引起 的，而在凌晨达到最小， 因为这个时候空气中上下层 的能量交换最小。环评中， 对平均风速的日变化分析 不多。 5 风速分布问题。以前， 由于使用 P-T 大气稳定 度分类方法， 常常需要统计各风速区间的频率。在 AERMET 模式中， 仍然提供这项统计结果。风速的 分布更多地描述了平均风速的构成特征 如微风和 大风段的平均风速及其出现频率 ， 在计算和分析风 致扬尘的源强时极有帮助。 风速分布可以用数学函数韦伯分布来很好的描 述，相关系数在 0. 95 以上。 风速的概率密度函数可以用下式描述 q v k c v c k－1 exp－ v c [] k 3 那么累积概率密度函数为 711 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 Q v ∫ ∞ 0 q v dv 1 － exp－ v c [] k 4 各风速段频率为 Pab v Q vb－ Q va 5 各风速段平均风速为 珔 Va， b ［∫ vb va vq v dv］/Pab v 6 式中 c 为尺度参数，以速度为量纲; k 为形状参数， 无因次量。用统计回归可以求得参数 c， k。近似地 有 c 珋v/0. 9 k ln lnT/ln 0. 9Vmax 珋 v 这里珋v 为观测期 T 时间长度内的平均风速， Vmax 为 T 时期内的最大风速。 1. 4地面温度 虽然在污染物扩散计算中， 低空温度廓线非常重 要， 但一般气象站没有这类资料， 模式中都是根据各 种其他参数间接估计得到的。至于地面气温， 在环境 影响评价中， 只有烟气抬升的计算中需要用到。所 以， 收集平均气温资料还是旨在了解该地区的基本气 候情况。从生态承载和恢复能力来考虑， 主要应该看 冬季平均气温的高低， 再结合降水和湿度情况，才可 以大致判断该地区的基本气候状况。 比较能反映一地区大气扩散能力和逆温情况的 参数是气温日较差和气温年较差。一般情况下， 日较 差越大， 该地区的逆温强度和频度会越大， 年较差越 大， 该地区的生态恢复条件越恶劣。目前， 环评报告 报告中， 还没有涉及到这些问题。 1. 5相对湿度和降雨量 对于大气环境和生态环境而言， 湿度是一个很重 要的参数， 因为它和降水、 风速、 温度等等都有关系。 可以说，平均湿度越大，这一地区的大气扩散自净 能力越好， 同时其生态“抗震” 和恢复能力也越强， 因 为湿度大， 对大气中污染物尤其是颗粒物的清洗作用 越大; 湿度大， 意味着水汽比较丰富， 对植被的生长越 有利， 在地表受到创伤以后，也就越容易恢复。但是 这个参数没有在模式计算中引用， 在环评报告中也基 本还没有涉及到这个参数。 平均降雨量和平均相对湿度在大气环境和生态 方面的作用相类似。不过，湿度大，不一定降水量 就大， 而降水量越大，湿度也会越大。 1. 6日照 日照时数和日照百分率是累年统计量之一。日 照时数与纬度和云量遮蔽度有关， 所以它与辐射热量 不是一个概念。在环评中基本没有分析过这个参数。 但日照的时间长短和强度在大气扩散中是关键性参 数， 因为它是大气扩散的主要原动力。由于一般情况 下， 没有太阳辐射平衡观测的资料， 所以在扩散模式 中就用地理经纬度结合云量和其他地面常规观测数 据来估计， 包括新版导则和推荐模式中使用的 L 参数 也是这样来确定的。所以扩散模式中才需要云量资 料，但不直接使用日照资料。 2气象条件与环境承载能力之间的关系 在环境影响评价中，气象条件仅仅是作为模式 计算的基本参数来使用， 虽然导则中要求收集 20 年 以上的统计资料， 但除了风向风速有基本分析以外， 其他参数都只是机械的收集。实际上气象条件作为 一种永不枯竭的自然资源， 在环境生态系统的稳定和 恢复能力、 污染物排放总量分配研究等方面有更直接 而重要的作用， 而目前还没有研究去关注。 目前， 环境、 生态承载能力有许多定义、 计算方法 或者评价指标， 国内尤其对大气环境承载能力的研究 较多， 这里我们不去评价和比较它们。概而言之， 环 境承载力可以理解为环境的“抗震、 恢复能力“ 。也 就是说， 每一个承载系统对任何人为的干扰都有一定 的忍耐极限， 当超过此极限， 系统就会被损伤、 难以恢 复。所以自然生态系统， 如水环境、 大气环境、 土壤环 境， 生态环境， 城市区域、 流域等都存在环境承载力的 问题。 目前关于环境承载力的研究有几个共同缺陷 1 局限于某一区域的承载力研究， 且没有统一的定 量指标， 因此不同区域之间的承载力没有可比性，更 没有在全国范围内的可比性; 2 局限于现象分析， 没 有把承载恢复能力和当地的气候条件直接联系起 来， 忽略了不同地理气象条件下， 对于同样的扰动， 环 境的“抗震、 恢复能力” 是不同的。 气象条件与环境承载力有最直接的关系。如 降 雨量、 风速等就直接影响大气的扩散自净能力; 降雨 量、 气温、 海拔等直接影响影响植被的生长和恢复能 力。所以我们完全可以把气象条件与大气、 生态环境 的承载力直接联系起来分析， 为全国的排放总量制定 和分配提供科学依据。 定义一个概念性的生态系数 E f { Mi} 7 811 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 这里{ Mi} 表示各气象要素的集合， 函数的具体 形式和需要的气象参数需要深入的研究来确定。根 据这一概念， 作一个简单开始， 我们权且用式 8 来 定义这个系数。 E R T V P 珔 R 珔T 珔V 珔P 8 式中 R、 T、 V、 P 分别为各地累年平均的相对湿度、 气 温、 风速和降雨量， 分母为相应参数的全国均值。 图 6 是根据全国 196 个基本气象站 30 年统计资 料绘制的生态系数 E 值的全国分布示意图。 注 由于资料的限制， 特别是在边界和西藏地区， 都是软件自动 外推绘制， 所以此图仅供参考 部分地区未包含在内 。精细的 系数分布需要收集全国所有基层站点的资料来绘制。实际应用 时可以根据当地气候资料来计算，但这需要首先定义统一的计 算方法。 图 6全国生态恢复 总量分配 系数分布示意 从图 6 中可以看出 E 值等值线沿 SENW 方向 渐次递减的明显趋势，其 0. 5 的等值线与中国古代 游牧与农耕区域的分界线大致相近， 自此线往西北， 气候条件逐步恶劣， 生态系统的“抗震、 恢复能力” 越 来越差， 在古代是传统的游牧区， 自此线往东南， 则条 件越来越优越， 在古代是传统的农耕区。这正说明地 理气候条件在生态系统研究中具有关键作用。 生态系数 E 可以看做是评价、 比较各地生态承 载能力、 生态恢复能力、 大气污染物排放总量、 水资源 消耗指标等的一个无量纲特征量或者权重参数应用 在相关评价体系中。例如 如果定义生态系数为 1. 0 为某种植被总量的恢复需要 1 年时间，那么在西北 的荒漠少雨之地可能就需要 1 /0. 01 100 年，在南 部的广州地区可能就只需要 1 /2. 5 年; 生态系数 E 还可以定义为某种大气污染物潜在 允许 排放量系数， 例如如 果规 定 1. 0 为 可 排 放 量 1 t/km2，那么在南方沿海地区，同样面积应该允许 排放2. 5 t/km2以 上， 在 乌鲁木齐就 只 能 允 许 排 放 0. 1 t/km2， 这是环境的可承载能力，剩余的能力 容 量 就是允许能力减去已经排放的量。对于南方地 区来说， 虽然它的系数大但地域面积小， 而北方虽然 系数小，但地域面积大， 总体上， 这要在大的区域上 考虑才有意义。在全国那么大的地域中， 那么复杂多 变的地理气候条件下， 目前都采用了基本相同的总量 控制原则， 难说是合理的。如果从气候条件的大势考 虑， 区分不同气候条件下的排放强度， 就能更科学地 对全国范围内的污染物排放总量和对生态承载能力 进行评估。 对于生态系数的研究来说， 式 8 肯定不是最合 适的， 它只是一个抛砖引玉的研究思路， 例如考虑大 气污染物排放总量时，风速可以赋予更大的权重， 考 虑生态恢复能力时， 可以使用一月平均气温并赋以较 大的权重等。笔者期望这里提出的思路能够引起相 关研究的兴趣。 参考文献 ［1］屠其璞． 气象应用概率统计学［M］． 北京 气象出版社， 1984． ［2］张学文． 气象预告问题的信息分析［M］． 北京 科学出版社， 1981． ［3］Iver A Lund． A model for estimating persistence probabilities［J］． Journal of Applied Meteorology，1982， 21 7 988- 994． ［4］李宗凯． 空气污染气象学原理及应用［M］． 北京 气象出版社， 1985． ［5］中国气象局． 中国气候资源地图集［M］． 北京 中国地图出版 社， 1994． ［6］王利华． 中国历史上的环境与社会［M］． 上海 三联书店， 2007． ［7］HJ 2. 22008 环境影响评价技术导则 － 大气环境［S］． ［8］李发荣． 基于突变级 数 法 的 我 国 西 部 城 市 环 境 承 载 力 研 究 ［J］． 环境工程， 2010， 28 S1 338- 342． ［9］卢聪景． 线性规划法计算工业区大气承载力的探讨［J］． 环境 科学与技术， 2008， 31 10 142- 144． ［ 10］刘伟． 区域大 气 环 境 承 载 力 评 价 指 标 体 系 与 评 价 方 法 研 究 ［C］． 世界现代田园城市空气环境污染防治学术交流会， 成都 2010． ［ 11］毛汉英． 区域承载力的定量研究方法探讨［J］． 地球科学进展， 2001， 16 4 549- 555． 作者通信处易海涛100088北京海淀区西土城路 33 号 中国京冶 工程技术有限公司 E- mailthiy tom． com 电话 010 82227815 2011 － 05 － 10 收稿 911 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期