上海PM10質量濃度的空間分布及影響因素分析

荊 亮,徐玢花,杜 艷,仲 勉,馮加良

(上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

上海PM10質量濃度的空間分布及影響因素分析

荊 亮,徐玢花,杜 艷,仲 勉,馮加良

(上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

根據上海2010年1月—2011年12月17個環境監測點的PM10監測數據和同期地面氣象資料,分析了上海PM10質量濃度的季節變化和空間分布.結果表明:上海各監測點間PM10平均質量濃度的差異并不顯著,說明區域傳輸對上海的大氣污染有明顯影響;風向、風速對上海PM10質量濃度有顯著影響,靜風及W～S風向時PM10質量濃度較高,東風及東南風時PM10質量濃度較低.分析各監測點PM10質量濃度與全市平均質量濃度的差別時發現,不同季節、不同風向下上海PM10質量濃度的空間分布變化有較明顯的規律,污染物在不同功能區之間的相互輸送是導致不同風向時PM10質量濃度空間分布差異的重要原因.氣壓對上海PM10質量濃度的影響明顯,低氣壓時的PM10質量濃度明顯較低,但大氣壓和PM10質量濃度之間不存在線性關系.

上海;PM10;空間分布;氣象因素;污染輸送

PM10也稱可吸入顆粒物,是指空氣動力學直徑小于或等于10μm的大氣顆粒物,是影響我國大氣質量的主要污染物之一.大氣顆粒物能夠引起一系列嚴重的心血管及呼吸道疾病[1-2],并降低能見度[3-5].對我國大氣顆粒物的來源已有了較多的研究,燃煤排放、機動車尾氣、二次氣溶膠以及揚塵等已被發現是我國PM10的主要來源[6-7].除污染源外,風向、風速、溫度、濕度、氣壓、降水量等氣象條件會對大氣中PM10的質量濃度產生顯著的影響[8-20].

上海作為沿海城市,當內陸污染物向海洋輸送時會對上海的空氣質量產生重要影響.陰俊等[21]發現,受偏西風影響時上海PM10的質量濃度明顯升高.王茜[22]、陳海宇等[23]、Li等[24]應用氣團后向軌跡、潛在源貢獻分析等手段分析了影響上?？諝赓|量的污染物的來源,發現周邊地區如浙江、江蘇、山東等對上海的空氣質量會產生較大的影響[22-24].除區域間傳輸的影響外,區域內不同功能區之間污染物的輸送也會影響污染物的空間分布,因此,對污染物空間分布的分析有助于加深對污染源分布和污染物擴散、傳輸的認識[14],對城市規劃、工業布局調整和污染防治政策的制定具有重要的意義.

本研究根據上海2010年1月1日—2011年12月31日PM10的監測數據和同期地面氣象資料,對上海浦東新區、黃浦、徐匯、長寧、靜安、普陀、閘北、虹口、楊浦、寶山、閔行、嘉定、金山、松江、青浦、奉賢和崇明17個區縣PM10質量濃度的空間分布及其影響因素進行了分析,以期為改善上海市大氣環境質量和污染防治等提供科學依據.

1 數據來源與處理

本研究中PM10的空氣污染指數(air pollution index,API)分指數數據來自上海市環境監測中心公開發布的資料.本研究提取了浦東新區、黃浦、徐匯、長寧、靜安、普陀、閘北、虹口、楊浦、寶山、閔行、嘉定、金山、松江、青浦、奉賢和崇明共17個監測點2010年和2011年兩年的PM10的API監測數據.分析時,按照下式將PM10的API數據轉換為對應的質量濃度值:

式中,I為實測PM10指數,IH與IL為API分級限值表中最貼近I值的兩個指數值,IH為大于I的值,IL為小于I的值,CH與CL為與IH和IL對應的PM10質量濃度限值.

上海位于長江三角洲平原,基本沒有山嶺分布,平均海拔約為 4 m,各區縣的環境監測點基本受同一氣象場控制,同期地面氣象資料來自于Weather Underground網站(http://www.wunderground.com).上海屬于北亞熱帶季風氣候區.根據上海氣象統計資料,春季以東北風和東南風為主,西北風及北風也有一定分布;夏季以東南風為主,東風及東北偏東風次之;秋季風向變化較大,以東北風、北風、東風及東南風為主,西風及西北風也有少量分布,東北風的頻率相對較高;冬季以西北風、北風和東北風為主.

2 結果與分析

2.1 上海PM10質量濃度的季節分布特征

本研究將3—5月定為春季,6—8月定為夏季,9—11月定為秋季,12月—次年2月定為冬季[21].圖1為2010年1月1日—2011年12月31日上海PM10質量濃度隨季節變化的統計結果.

圖1 不同季節上海PM10平均質量濃度的空間分布Fig.1 Space distributions of PM10concentrations in Shanghai in di ff erent seasons

由圖1可以看出,上海PM10質量濃度有著明顯的季節變化規律:冬季≥春季＞秋季＞夏季,春夏秋冬四季所有監測點的平均質量濃度分別為82,57,70和86μg/m3.上海夏季PM10質量濃度低的主要原因如下:①夏季太陽輻射強、地面增溫快、大氣對流強烈,易于污染物的擴散[9];②夏季濕度大、降水多,濕沉降對污染物消除作用明顯[13,15];③夏季主導風向為來自海面的東南風,來自海洋的清潔空氣對局地排放的污染物有稀釋作用[22].冬季PM10的高質量濃度除氣溫低、靜穩天氣出現頻率高等氣象因素外,來自內陸地區的大氣污染物隨著北風(東北至西北)向上海的輸送也是重要原因之一[19,22].春季氣候干燥、風速大,容易導致揚塵增加(每年的3—4月上海易受北方沙塵的影響[20,23]),因此空氣中顆粒物質量濃度也較高.

從各監測點之間的比較可以看出,除金山在春季、夏季和秋季PM10質量濃度明顯較低外,其他各區的PM10質量濃度有一定差別,但差別不大,質量濃度波動范圍在春夏秋冬四季分別為全市平均質量濃度的13%,29%,19%和18%,說明區域傳輸對上海PM10質量濃度有較大影響[25].這與Wang等[26]發表的中尺度空氣質量模型的模擬結果一致.由于經濟的快速發展和上海地區城鎮化水平的不斷提高,本地污染源遍布各處,使得不同地點的PM10質量濃度較為接近.

對各監測點PM10質量濃度數據的仔細分析發現,對不同季節各監測點平均質量濃度與全市平均質量濃度的差別進行作圖分析可以更好地表現PM10質量濃度的空間分布特征(見圖2).由圖2可以看到,上海PM10質量濃度在不同季節的空間分布有一定差別,夏季和秋季時PM10質量濃度由東南向西北方向有升高趨勢,而冬季時高質量濃度區主要集中在中部及市區.

在春季,PM10質量濃度較低的監測點為金山、浦東新區和奉賢等,其中金山監測點的PM10質量濃度最低,說明這些地區的顆粒物排放源相對較少.PM10質量濃度較高的監測點為嘉定、寶山、松江、楊浦等,主要原因是這些基本都是上海市重要的工業區,PM10顆粒物的排放強度較大,因而質量濃度較高.

在夏季,離海邊距離最近的金山、浦東新區和奉賢監測點的PM10質量濃度較低,一個重要的原因是夏季盛行的東南風帶來了來自海洋的干凈空氣,可以有效稀釋當地排放的顆粒物質量濃度.PM10質量濃度較高的監測點為寶山、普陀和嘉定等,其中寶山監測點的質量濃度最高.與春季相比,普陀PM10的相對質量濃度明顯升高而松江有明顯下降,原因是普陀受到了上風向(市區)污染物的影響,而松江由于上風向金山和奉賢等地的顆粒物質量濃度較低,傳輸后對本地污染物質量濃度有一定程度的稀釋.

在秋季,PM10質量濃度較高的監測點依次為青浦、嘉定、松江、普陀.與夏季相比,秋季時的PM10高質量濃度區由夏季時的北部轉向西部及西南部.嘉定、松江等地PM10的局地排放強度較大,同時,上海秋季的主導風向為東風和北風,市區及寶山工業區的顆粒物會向西及西南方向傳輸,使得上述地區的PM10質量濃度水平進一步升高.

圖2 上海四季的PM10質量濃度空間分布Fig.2 Spatial distributions of PM10in Shanghai in di ff erent seasons expressed as the deviations from the averaged concentrations

與秋季及夏季相比(見圖2,其中紅色柱體表示高于對應季節全上海PM10質量濃度的平均值,綠色柱體表示低于質量濃度的平均值,紅色實心圓表示與質量濃度的平均值相等),冬季時上海西北部的嘉定及西部的青浦的PM10質量濃度明顯降低,嘉定的平均質量濃度甚至低于全上海的平均質量濃度,但中心城區尤其是徐匯和楊浦的相對質量濃度卻有所升高.上海冬季盛行西北風和東北風,郊區及外來顆粒物往市區輸送并和市區本身較高的顆粒物排放相互疊加,從而導致中心城區具有較高的PM10質量濃度水平.金山監測點相對質量濃度的升高(相比其他季節)反映了上風向松江及青浦等地污染物的輸送影響.浦東新區和奉賢監測點雖然冬季PM10絕對質量濃度較高,但相對質量濃度較低.一個可能的原因是在東北風向及其他非西北風向時,這兩個站點的PM10質量濃度較低,部分抵銷了西北風及西風時污染物輸送的影響,但具體原因仍有待進一步研究.

綜上所述,不同季節上海PM10質量濃度空間分布的差異可能主要源于不同風向下上海不同區域間顆粒物的相互輸送,而區域污染輸送會對上海的總體質量濃度產生影響.

2.2 不同風向下PM10的質量濃度及空間分布

為了克服季節平均質量濃度計算中風向的變化對空間分布結果的影響,本研究對不同風向時上海PM10質量濃度的分布進行了分析,以便更好地了解當地污染物的擴散情況及污染輸送的影響.分析過程中將風向分為13種,分別為北風(N,337.5?～22.5?)、東北風(NE, 22.5?～67.5?)、東風(E,67.5?～112.5?)、東南風(SE,112.5?～157.5?)、南風(S,157.5?～202.5?)、西南風(SW,202.5?～247.5?)、西風(W,247.5?～292.5?)、西北風(NW,292.5?～337.5?)和靜風(風速小且風向無規則變動),以及4種變化的風向:N～W(風向在270?和360?之間變動)、W～S(風向在180?和270?之間變動)、S～E(風向在90?和180?之間變動)和E～N(風向在0?和90?之間變動).

圖3為不同風向下上海全市PM10平均質量濃度的比較圖(其中豎線為標準偏差).由圖可知,靜風及W～S風向時的PM10質量濃度較高.靜風條件不利于污染物擴散,易造成顆粒物的積聚;而變動的風向常在風速較小時出現,污染物擴散較慢,且當風向來自W～S方向時,來自浙江、江蘇的污染物會通過傳輸影響上海的空氣質量[21,24].這可能也是當風向為W和SW時上海PM10質量濃度較高的原因.SE,E和NE風向時PM10質量濃度較低.這與在這些風向下來自于海面的清潔空氣對上海本地污染物的稀釋作用有關.E～N風向時上海PM10質量濃度最低的原因尚不清楚,有待進一步研究.

圖3 不同風向下上海PM10平均質量濃度比較圖Fig.3 Averaged PM10concentrations in Shanghai under di ff erent wind directions

圖4是上海在靜風、東南風、西北風和北風4種典型風向下的PM10空間分布圖(其中柱體含義同圖2).可見,靜風時污染物的水平輸送較弱,因此靜風時PM10的空間分布反映著局地源排放的強弱.寶山、普陀、松江、嘉定和楊浦較高的PM10質量濃度說明這些區縣的局地污染較嚴重,這與這些區縣較強的工業活動一致.金山、奉賢和浦東新區的相對質量濃度明顯較低,說明上海PM10的本地排放源主要集中在西部和西北部,較好地體現了上海的工業布局特征.

圖4 4種典型風向下上海PM10質量濃度的空間分布Fig.4 Spatial distributions of PM10in Shanghai under 4 typical wind directions

當主導風向為東南風時,PM10質量濃度以寶山和嘉定為最高,空間分布與夏季平均質量濃度的分布基本一致.東南風向下來自海面的清潔空氣對上海尤其是東部的金山、奉賢和浦東新區等地的局地污染物有較好的稀釋作用.市區污染物對下風向監測點有影響,嘉定相對質量濃度的增加應該是與市區污染物的輸送有關,而松江相對質量濃度的降低則說明東南風向對松江的本地污染物有稀釋作用.

西北風是上海冬季的主導風向,因此西北風向時PM10質量濃度的空間分布與冬季PM10的空間分布有較好的一致性.西北風向時PM10質量濃度高于全市平均值的地區主要集中在中心城區,而西北部嘉定與寶山的PM10質量濃度均低于平均值.西北風向時寶山和嘉定處于中心城區的上風向,其較強的污染排放會輸送至市區,導致市區的PM10質量濃度呈現一個相對較高的水平;與東南風向時相比,上海東南部金山和奉賢的PM10質量濃度雖仍低于全市平均值,但相對質量濃度明顯升高,尤其是金山的PM10質量濃度已接近全市平均值,這反映了上風向地區尤其是松江等地的污染物輸送對東南部地區的影響.

東北風(含北風)是上海分布頻率較高的風向(尤其是秋冬季).從圖4可以較清楚地看到,受東北風/北風影響時,上海PM10高質量濃度區向西南方向遷移.與西北風向時相比,松江、青浦以及閔行的PM10相對質量濃度明顯升高,而楊浦的相對質量濃度明顯下降,這與風向為東北及北風時寶山、楊浦處于市區的上風向而松江、青浦等地處于市區的下風向的地理分布相一致.

綜合不同風向以及不同季節時上海PM10質量濃度的空間分布,不同功能區之間的相互影響是造成不同風向下PM10質量濃度空間分布變化的主要原因,中心城區的PM10質量濃度會明顯受到郊區或工業區污染排放的影響,因此工業企業向郊區的轉移對改善中心城區的空氣質量作用有限.根據上海的風向統計結果(http://lishi.tianqi.com/shanghai/index.html),風向處于0?～180?之間的比例為總時間的70%左右,因此控制寶山工業區、浦東新區和金山的污染排放對改善及保障市區的空氣質量具有重要作用.

2.3 不同氣壓下PM10質量濃度的分布

氣壓與PM10質量濃度的關系較為復雜,不同研究者得到的結論常有不一致之處.王開燕等[17]研究了北京市冬季氣象要素對氣溶膠質量濃度變化的影響,發現PM10質量濃度與氣壓呈正相關性.張國璉等[27]對上海市空氣質量的研究也發現,氣壓與污染物質量濃度存在正相關性.金維明[28]發現PM10質量濃度與溫濕低氣壓呈反相關,與冷高壓呈正相關.郭利等[9]對北京地區PM10質量濃度與邊界層氣象要素的相關性進行分析后發現,6月觀測期間PM10質量濃度與氣壓的相關性不顯著,而11月觀測期間二者呈負相關.

2010—2011年上海的日均大氣壓在995～1 036百帕之間變化.按氣壓從低到高分成995～1 008百帕(低氣壓)、1 009～1 022百帕(中氣壓)和1 023～1 036百帕(高氣壓)三組,并分別統計了各區PM10的平均質量濃度(見圖5).可見,在低氣壓時PM10質量濃度明顯較低,而在中高氣壓時PM10質量濃度無顯著變化.氣壓較低時,氣流上升,大氣湍流較為劇烈,大氣混合層高度較高,有利于PM10的擴散和稀釋.低氣壓主要出現在夏季,清潔海風的稀釋作用也是導致低氣壓時上海PM10質量濃度明顯降低的重要原因.中高氣壓下的PM10質量濃度差別不大,說明氣壓和PM10質量濃度之間并不存在線性關系.

依據氣壓大小對全上海PM10質量濃度的日平均值進行了排序,并接每3個百帕氣壓差進行了分段平均,并利用分段后的結果分析了氣壓與PM10質量濃度的相互關系(見圖6,其中豎線為標準偏差).由結果可知,當氣壓在1 025百帕以下時,PM10質量濃度具有隨氣壓增加而增加的趨勢,但當氣壓繼續升高時PM10質量濃度不升反降,印證了氣壓和PM10質量濃度之間關系的非線性.由于不同氣象因素會同時影響大氣顆粒物質量濃度,這就大大增加了氣象因素與大氣污染程度相關性分析的復雜性.大氣壓力對大氣顆粒物質量濃度的影響方式和程度需要更進一步的研究.

圖5 不同氣壓下上海PM10質量濃度的空間分布Fig.5 Spatial distributions of PM10in Shanghai under di ff erent barometric pressures

圖6 上海全市平均PM10質量濃度隨氣壓的變化Fig.6 Variation of averaged PM10concentrations with barometric pressures

3 結論

(1)上海PM10質量濃度的總體空間分布較均勻,差異并不顯著,說明區域傳輸對上海的大氣污染有較大影響.

(2)風向對上海PM10質量濃度有明顯影響,靜風及W～S風向時PM10質量濃度最高,東風及東南風向時PM10質量濃度最低.

(3)不同風向時上海PM10質量濃度的空間分布改變與不同功能區之間污染物的相互輸送有關.

(4)氣壓對上海PM10質量濃度有明顯影響,低氣壓時PM10質量濃度明顯較低,但氣壓與PM10質量濃度之間不存在線性關系.

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Spatial distribution of PM10in Shanghai and the in fl uencing factors

JING Liang,XU Bin-hua,DU Yan,ZHONG Mian,FENG Jia-liang
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Daily PM10concentrations during January 2010 and December 2011 collected from 17 monitoring stations in Shanghai were analyzed together with the meteorological conditions to reveal seasonal and spatial distributions of PM10.Generally speaking, homogeneous distribution of PM10concentrations between the monitoring sites was found in Shanghai,suggesting the in fl uence of regional transport of pollutants on the air quality in Shanghai.Wind directions and speed had strong impact on the air quality in Shanghai, with higher PM10concentrations under calm and W～S winds and lower concentrations under east and southeast winds.Through the analysis of the spatial distributions of the PM10concentration by plotting the deviation of PM10concentration at each site from the averaged concentration of all sites,regular shifting of the spatial distribution of PM10in Shanghai under di ff erent seasons and di ff erent wind directions was found.Transport of pollutants between di ff erent functional zones in Shanghai under di ff erent wind directions was responsible for the spatial variation of PM10concentration in Shanghai.Obviously lower PM10concentrations were found under low barometric pressure,but no linear correlation could be found between pressure and PM10concentration.

Shanghai;PM10;spatial distribution;meteorological condition;transport of pollutants

X 513

A

1007-2861(2015)04-0481-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.003

2014-04-27

國家自然科學基金資助項目(41173097);上海市教委科研創新基金資助項目(12YZ027)

馮加良(1966—),男,研究員,博士,研究方向為大氣顆粒物.E-mail:fengjialiang@shu.edu.cn