天氣因數對PM2.5濃度的影響

蔣雷敏 李 佶

(浙江工業大學，浙江 杭州 310023)

0 前言

當前PM2.5已經越來越成為人們日常生活中關注的焦點，針對它的研究也是層出不窮，但是在這些研究中以化學元素對PM2.5影響的研究居多，純粹的研究天氣因數對PM2.5濃度的研究相對較少。空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物一般就屬于PM2.5范疇，它的顆粒較小，含有大量的有毒有害物質，嚴重威害人體健康。研究天氣因素對PM2.5的影響能更透徹的分析PM2.5濃度與天氣之間的關系，在已知天氣情況的前提下，能有效預測PM2.5濃度的變化規律，為建立天氣因數與PM2.5濃度之間的聯動關系創造了條件。

1 模型建立

考慮到PM2.5擴散與衰減隨機性較大，突變情況繁雜的特點，本文研究建立在一定的基本前提上。首先必須排除人為因素干擾和大氣環境的各項其他因素引起的非預期劇烈變化，其次假定風向在一定時間內保持一致，不考慮風向突變對PM2.5帶來的影響，地理特性具有一定的均勻性，忽略風向的因素的影響。

2 天氣因素對PM2.5影響分析

2.1 溫度對于PM2.5濃度影響分析

杭州地區一年中溫度的變化范圍一般是-5℃～40℃之間。天氣預報中溫度的指標有兩個,最高溫度和最低溫度,分別對這兩個指標進行統計,研究溫度對PM2.5濃度的影響。

研究對象為杭州市2013年6月至2014年3月的氣象資料數據，我們對數據進行了適當處理：(1)去掉突然PM2.5濃度激增和突降的點，排除人為的影響因素；(2)去掉顯然由天氣情況和風力大小等因數而引起PM2.5濃度巨大波動的點；(3)處理數據時，線性擬合曲線盡可能提高階次，以反映溫度對PM2.5微小的影響。

通過統計與圖像擬合我們發現，最高溫度和最低溫度對于PM2.5濃度的影響曲線走勢大致相同。在-5℃～13℃之間，PM2.5濃度隨溫度的升高有一個緩慢的上升趨勢，但上升幅度相當小。在17℃～26℃范圍內，PM2.5濃度隨溫度的升高有一個先下降后上升的過程。在26℃～40℃范圍內，PM2.5濃度隨溫度升高有一個較快的上升趨勢。

從物理上分析，溫度影響空氣中顆粒物濃度有兩方面：一方面，隨著溫度逐漸升高，混合層會提升，使大氣在豎直方向上擴散。若混合層高度越高，稀釋地表污染物的空氣需求就越大，導致PM2.5濃度降低[1]。另一方面，溫度與土壤揚塵、交通及工業排放呈正相關。溫度越高，越利于土壤顆粒揚入空氣，同時尾氣排放物也更容易進入空氣，導致PM2.5濃度增加。雖然本文研究的是天氣因素對PM2.5的影響，但是交通工業污染物早已滲透到空氣中，是天氣影響不容忽視的方面。

2.2 風力對于PM2.5濃度影響分析

當前天氣預報對于風的描述主要有兩個指標，分別是風向和風力。風向在很大程度上跟一個地方的地理位置，地質構造，季節因素有關。本文研究的數據對象提出如下基本假設：地理特性具有一定的均勻性，忽略風向的因素的影響。

本文的數據對象來自杭州的歷史天氣，杭州地屬亞熱帶季風氣候，風力大小在時間上具有明顯的慣性，在某個季節內的連續幾天風力大小都是具有相似性的。這使我們針對某個風力等級在盡量保持其他兩個變量相同的情況下，取其平均PM2.5濃度更具有科學性。

通過數據分析發現，隨著風力等級的增大，PM2.5濃度有一個波動下降的趨勢。原因可歸結為，風力越大，空氣流動速度越快，有助于顆粒物擴散，單位時間內PM2.5濃度相對就越低。

污染物濃度與風的關系取決于兩方面：風向、風力。風向決定污染物輸送方向，風力決定對污染物的稀釋程度。當輸送清潔空氣時，風力的加強利于污染物稀釋，PM2.5下降；當輸送空氣不清潔時，污染加劇，則風力加強反而會增加PM2.5的值[2]。

理論上PM2.5濃度隨著風力等級的增加表現出來應是一條不斷下降的曲線，但是通過數據處理后發現在多個風力等級處出現PM2.5波動。這是由于此時風輸送的不完全是清潔空氣，局部加重對PM2.5的影響，但這并不影響我們得出風力等級與PM2.5濃度呈負相關的結論。

2.3 氣象因素對于PM2.5濃度影響的分析

杭州地處中北亞熱帶過渡區，氣候呈現典型的亞熱帶季風氣候[3]，天氣情況種類較多。排除個別極端天氣，我們取：雨、雪、陰、晴、多云、霾，分出具體的15種天氣進行統計。

由于研究的自變量為是天氣狀況，應去除如秋季的秸稈燃燒等人為因素導致PM2.5激增的點。天氣影響長期存在，且具有一定連貫性，因此可以用PM2.5平均值作為各天氣情況下的代表來進行數據統計。

統計結果表明：

1)降水可以有效降低PM2.5濃度，降水強度越大，對于PM2.5的去除效果越好。在同樣的大氣環境下，PM2.5濃度較高，大氣中凝結核就越多，雨水更容易形成，雨水的下落過程又能吸附很多近地面附近的PM2.5微粒，從而有效降低PM2.5的濃度。

2)降雪對PM2.5的清除和沖刷作用比降雨更好，表明降雪比降雨更能使顆粒物有效沉降。隨著降雪強度的增加，空氣中氣溶膠沉降加劇，PM2.5濃度會有一個明顯的下降過程。

3)在晴天，多云，陰等天氣條件下，PM2.5的濃度較之前者普遍偏高。沒有降水，導致地面更容易揚塵，進而使PM2.5濃度大幅升高。多云轉晴空氣質量相對較好，晴轉多云空氣逆溫，空氣質量相對變差[4]。

3 結論

本文通過特定歷史數據，研究了天氣因數對PM2.5濃度的影響程度和影響方式，分析了各個天氣因數作用于PM2.5濃度的過程，為今后研究PM2.5變化及建立合理的PM2.5預測模型提供了理論依據。

[1]中國顆粒學會氣溶膠專業委員會.第九屆全國氣溶膠會議暨第三屆海峽兩岸氣溶膠技術研討會論文集[C].廣州,2007.

[2]中國氣象學會.城市氣象——讓生活更美好分會場論文集[C]//第27屆中國氣象學會年會.北京,2010.

[3]包貞,馮銀廠,焦荔,洪盛茂,劉文高.杭州市大氣 PM2.5 和 PM10 污染特征及來源分析[J].中國環境監測,2010,26(02):44-48.

[4]文一章,孫在,鄧川,付志民.杭州市下沙地區 PM2.5 濃度監測與分析[J].中國計量學院學報,2012,23(03):279-283.