2013年株洲市環境空氣質量變化特征及其與氣象條件的關系

吳萍等

摘要采用2013年株洲市大氣污染物逐時監測資料及同時段的氣象觀測資料，分析了株洲市空氣污染的時間變化特征及其與氣象條件的關系。結果表明，2013年株洲市首要污染物為PM2.5，全年有158 d空氣質量達到優、良，其中5～9月空氣質量較好，其余時段空氣質量較差；總的看來夏半年AQI小于冬半年，除O3污染物外，其余污染物較大濃度值主要出現在冬季，夏半年污染物濃度明顯小于冬半年；除O3污染物外，其余污染物均為白天濃度小于夜晚，下午為一日中濃度最低時段。風速、降水量、能見度與AQI均呈反相關關系，即風速越大越有利于污染物的擴散、降水對污染物有沖刷作用、能見度越高擴散條件越好；混合層高度越高、逆溫出現概率越小，污染物被稀釋、擴散的范圍越廣，對應污染物濃度越低，空氣質量較好。

關鍵詞污染物；AQI；變化特征；氣象條件；關系

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）29-215-04

大氣污染是世界各國所面臨的最大挑戰之一，隨著我國經濟的發展，當前我國城市大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍偏高，機動車尾氣污染物排放總量迅速增加，SO2和氮氧化物污染呈加重趨勢，這已對人民群眾身體健康和社會經濟可持續發展構成嚴重的威脅，引起各國政府的高度重視。大氣環境保護問題越來越受到氣象和環境保護工作者關注，成為當前亟待解決的環境問題之一。近年來，國內關于城市空氣質量特征及其氣象條件的研究取得了一系列的成果。有研究指出，在污染源變化相對穩定的情況下，空氣質量主要取決于大氣的擴散能力，特別是與天氣形勢密切相關；也有一些研究者通過分析城市空氣質量特征，建立預報預測模型。筆者在此分析了2013年株洲市空氣污染的時間變化特征及其與氣象條件的關系，揭示污染物的時間變化特征及污染物輸送規律，為城市大氣環境規劃和環境治理提供科學依據。

1資料與方法

以株洲市為研究區域，株洲市環境空氣質量為研究對象，選取2013年大氣污染物（O3、SO2、PM10、PM2.5、NO2和CO）的逐時監測資料、同時段的氣象觀測資料等。空氣質量數據來源于株洲市環境監測站提供的7個監測點（大京風景區、株冶醫院、市監測站、火車站、天臺山莊、市四中、云田中學）2013年逐時污染物的濃度資料。采用環境空氣質量指數（AQI）評價株洲市的環境空氣質量等級，其中這7個監測點分別代表農村地區、一般工業區、商業交通居民混合區、文化區等。氣象資料來源于株洲市國家基準氣候站逐時數據，株洲市國家基準氣候站位于株洲市荷塘鋪朝陽山山頂，周圍地理環境為郊外。

2結果與分析

2.1株洲市環境空氣質量特征

2.1.1污染物濃度及環境空氣質量的逐月變化。

從圖1可以看出，2013年株洲6種污染物濃度的逐月變化趨勢非常明顯，O3最大濃度出現在10月（120 μg/m3）、9月次之（105 μg/m3），4～10月O3濃度明顯大于其余月份，這可能與4～10月氣溫高于其余月份有關；SO2最大濃度出現在1月（78 μg/m3）、12月次之（75 μg/m3）；CO最大濃度出現在1月（23 mg/m3）、2和4月次之（1.7 mg/m3）；PM10、PM2.5和NO2濃度的逐月變化非常類似，NO2最大濃度出現在12月（68 μg/m3）、10月次之（54 μg/m3），PM10最大濃度出現在12月（162 μg/m3）、10月次之（146 μg/m3），PM2.5最大濃度出現在1月（143 μg/m3）、12月次之（133 μg/m3）。

由此可見，除O3污染物外，其余污染物較大濃度值主要出現在冬季，夏半年（4～9月）污染物濃度明顯小于冬半年（1～3、10～12月）。造成這種季節差異的原因可能是由于冬半年污染物擴散條件較差，經常出現逆溫層不利于污染物的擴散；另外冬半年降水較少、強度較小，對污染物的沖刷作用不大；還有冬半年處于取暖期，污染物排放增加。

利用環境空氣質量指數（AQI）對2013年株洲市逐月的空氣質量進行統計，從圖2可以看出，空氣質量為優天數在6～9月較多，空氣質量為良的天數在4～9月較多，其中6月全月空氣質量均為優或良、7、8月僅1 d未達到優或良；1、10～12月大部分天數空氣質量較差，其中1月有15 d達到重度及以上污染，10、12月有8 d達到重度及以上污染。

2.1.2空氣質量綜合指數AQI逐日的變化。2013年株洲市逐日AQI的時間變化（圖3）表明，總的看來夏半年（4～9月）AQI小于冬半年（1～3、10～12月）；1月AQI最大，達186，7月AQI最小，為39。即冬半年空氣質量明顯較夏半年差，7月空氣質量最好，1月空氣質量最差。2013年株洲市六級空氣質量（AQI>300）僅發生2 d，分別為10月30日和11月23日；五級空氣質量（201≤AQI<300）主要發生在1月上旬末至下旬初、10月下旬初至下旬末、12月上旬中等時段；四級空氣質量（151≤AQI<200）主要發生在1月下旬初至下旬末、12月下旬等時段；三級空氣質量（101≤AQI<150）主要發生在2月上旬前半段、2月中旬前半段、3月上旬中至中旬中、3月底至4月初、4月中旬、5月中旬末至上旬初、10月上旬初至中旬末、11月中旬中至下旬初等時段；其余時段均為一級和二級空氣質量。

2013年株洲市空氣質量有158 d達到優和良，占全年的56.3%；80 d達到輕度污染，占全年的21.7%；45 d達到中度污染，占全年的12.2%；34 d達到重度污染，占全年的9.2%；僅2 d達到嚴重污染。首要污染物為PM2.5，其次為PM10。

2.1.3污染物濃度的逐時變化。

從圖4可以看出，2013年株洲6種污染物濃度的日變化趨勢非常明顯，O3濃度的日變化呈單峰型，為67（08：00、09：00）～96（16：00、17：00）μg/m3，12：00～20：00 O3濃度明顯大于其余時段，這與12：00～20：00氣溫高于其余時段有關；SO2濃度的日變化呈雙峰型，在正午前后有一個主峰，在21：00前后有一個次峰，SO2的濃度為43（05：00～08：00）～49（12：00、14：00）μg/m3，12：00～20：00 O3濃度明顯大于其余時段，這與12：00～20：00氣溫高于其余時段有關；CO、PM10、NO2和PM2.5濃度的逐日變化非常類似，均為白天濃度小于夜晚，下午為一日中濃度最低時段，其中CO的濃度為1.14（16：00）～1.39（22：00）mg/m3、PM10的濃度為89（18：00）～105（24：00）μg/m3、NO2的濃度為32（16：00）～46（21：00）μg/m3、PM2.5的濃度為63（16：00、17：00）～75（21：00～24：00）μg/m3。

43卷29期吳 萍等2013年株洲市環境空氣質量變化特征及其與氣象條件的關系

2.2氣象條件對株洲空氣質量狀況的影響

2.2.1污染趨勢分析。分別對2013年株洲市逐日AQI與逐日風速、降水量和能見度進行相關分析，結果發現均呈反相關關系，相關系數分別為-0.47、-0.23、-0.57，均通過001顯著性檢驗。

風向影響大氣污染物的輸送擴散方向，風速影響大氣污染物的輸送擴散速率和范圍，為了綜合考慮風向和風速2個因子對污染物擴散的影響，在此定義一個無量綱系統即污染系數來表征對污染物變化趨勢，污染系數表達式為：污染系數=風向頻率/平均風速。根據株洲國家基準氣候站的有關資料，計算了株洲市區近地面層各方位的污染系數。從株洲市區污染系數玫瑰圖（圖5）可以直觀地看出株洲污染源排放的污染物對周圍地區的影響趨勢，2013年污染源排放的污染物對株洲市SE、SSE、S和SSW方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向的影響趨勢較小；春季污染源排放的污染物對株洲市NW、NNW、SE和SSW方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向影響趨勢較小；夏季污染源排放的污染物對株洲市NW和NNW方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向影響趨勢較小；秋季污染源排放的污染物對株洲市SE、SSE、S和SSW方向的影響趨勢較大；其余地區影響趨勢較小；冬季污染源排放的污染物對株洲市SE、SSE、和S方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向的影響趨勢較小。

2.2.2混合層和逆溫出現概率。

株洲市區逐時混合層高度和逆溫出現概率的變化（圖6）表明，每天的01：00～08：00和20：00～24：00株洲市區出現逆溫的概率較大，

逆溫概率為93.2%（20：00）～100%（04：00、05：00、07：00），且該時段混合層高度在110（05：00）～256（03：00）m，混合層高度較低，厚度較薄，不利于污染物的擴散，對應時段污染物濃度較高；而09：00～19：00出現逆溫的概率非常小，且該時段混合層高度較高，表明污染物可以被稀釋的最大大氣容量越大，污染物在垂直方向稀釋、擴散的范圍越廣，對應時段污染物濃度相對較低。

2013年株洲市區逆溫出現概率和AQI的逐月變化（表1）表明，3～9月逆溫出現概率較小，其余月份逆溫出現概率較大；4～9月AQI較小，空氣質量較高，其余月份AQI較大，空氣質量較上述月份差。對比株洲市空氣質量指數（AQI）發現，混合層高度與AQI有較好的相關性（圖7），兩者的相關性達0.87，1～3、10～12月混合層高度小，AQI大，空氣質量較低；4～9月混合層高度大，AQI小，空氣質量較高。

3結論

（1）2013年株洲市首要污染物為PM2.5，其次為PM10，全

年有158 d空氣質量達到優、良。其中5～9月空氣質量較

好，空氣質量為優、良的天數較多；1、10～12月大部分天數空氣質量較差，空氣質量為中度、重度、嚴重污染的天數較多。

（2）總的看來，夏半年AQI小于冬半年，除O3污染物外，

其余污染物較大濃度值主要出現在冬季，夏半年污染物濃度明顯小于冬半年。

（3）2013年株洲6種污染物濃度的日變化趨勢非常明顯，除O3污染物外，其余污染物均為白天濃度小于夜晚，下午為一日中濃度最低時段。

（4）分析2013年AQI與氣象條件的關系發現，逐日風速、降水量、能見度與AQI均呈反相關關系，即風速越大越有利于污染物的擴散、降水對污染物有沖刷作用、能見度越高擴散條件越好。混合層高度越高、逆溫出現概率越小，污染物被稀釋、擴散的范圍越廣，對應污染物濃度越低，空氣質量較好。

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