影響空氣質量的氣象條件分析

梁廣秋

摘要：針對若干氣象條件進行了研究，選取5個代表性城市的三年空氣質量狀況和與其對應的歷史天氣條件數據資料，分析了空氣質量狀況與歷史天氣條件的關系。結果表明：從數據分析的結果來看，空氣質量與天氣條件有著密切關系，不同的天氣狀況，對應不同的空氣污染物質的稀釋、分散能力。

關鍵詞：大氣污染；氣象條件；空氣污染指數

中圖分類號：X51

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2016）08005204

1 引言

隨著城市規模的不斷擴大、工業和交通運輸業的飛速發展，導致人類生存的大氣環境日趨惡化，霧霾天氣時有出現，嚴重危害人類的健康。大氣污染已成為全世界最為關注的環境問題之一，評估一個國家、一個城市的現代化水平，環境質量日益成為了一個重要的參考依據[1]。空氣污染指數（API）[2]使公眾對空氣污染水平有相對直觀的了解，是依據大氣污染物的濃度計算出來的。一般來說，大氣質量監測單位會監測幾種大氣污染物質分別計算對應的指數，然后在指數中選取最大的值為最終的空氣污染指數值。不同的地方計算空氣污染指數的方法和原則不盡相同。在我國，監測控制的大氣污染物質包含：可吸入顆粒物（PM10）、O3、NO2、SO2等[3]。

2 研究現狀

我國關于氣象條件對空氣質量的影響也做過相關的研究，例如孫韌、劉長霞等在海洋性氣候對天津市濱海地區空氣質量的影響及預報中，統計分析了影響濱海地區天氣形勢，將天氣形勢分為不同的區域，得出不同大氣形勢產生不同的氣象條件，從而影響環境空氣質量的結論[4]。趙惠芳、楊建東等對晉江市2006年到2007年內的環境監測數據及同一時期氣象數據資料研究分析，得出在副熱帶高壓、冷空氣和臺風等天氣形勢影響下，大氣質量相對較好[5]；在入海高壓后部偏東氣流、弱冷空氣影響后期等天氣形勢的作用之下，空氣質量輕微污染[6]。王淑云、節江濤等基于滄州市2002年6月1日到2004年5月31日的環境空氣質量及與之對應的氣象資料也做過相關研究。楊義彬也在收集數據的基礎上對成都市的空氣質量與溫度、風速、大氣逆溫、降水等相關關系作了系統的分析研究。王宏、林長城等將影響福州市的天氣條件分為十個等級，并與其對應的空氣質量資料結合，分析了不同天氣形勢對于空氣質量的影響[7]，研究結論顯示地面倒槽和鋒前暖區是最不利于大氣污染物質分散的天氣型，空氣質量相對較好的天氣形式是低渦鋒面和臺風。山義昌、徐太安等的研究結果顯示有些污染物濃度隨季節和天氣條件的變化較大[8]，另外，霧、濃煙、浮沉等也是空氣污染的重要因素。

3 研究內容

本次研究主要是依據安徽蕪湖、安徽馬鞍山、江西九江、湖南常德和福建泉州5個城市三年的空氣質量狀況及與之對應的天氣條件的數據資料，從風速對API的影響、風速對主要污染物的影響和降水對API的影響三方面來分析影響空氣質量的氣象條件的。

本文研究的空氣質量數據來源于國家環保部網站公布的空氣質量公報，氣象資料來自于網絡上獲得的歷史天氣資料查詢結果。使用數據的時間跨度為2011年2月到2013年12月。

4 數據分析

4.1 風速對API的影響

分別分析5個城市風速對API指數的影響。以下的圖1～圖5為5個城市不同風速條件的API對比情況。

如圖1，不同的風速下，馬鞍山市API主要集中在50～100區間內。最小值在25附近，最大值在150左右。且由圖1還可以看出， 在微風時對應的API數值最大，在另外兩種情況下，API數值近似相等，且異常值隨著風速的增大逐漸減少。如圖2，在不同的風速下，蕪湖市的API數值相對集中且變化幅度很小，都集中在50～75附近。最大值為25，最小值為100。另外，與馬鞍山市的情況類似，隨著風速的增大，異常值的個數相對應地減少。如圖3，可以看出泉州市API數值在不同風速下，變化范圍不大。隨著風速的增大，API數值相對應的降低，但是在不同風速下最大值和最小值都近似相同，最大值約為15，最大值為100。另外，異常值總體上偏少。總的來說，相對于上面兩個城市，泉州市的空氣質量較好。如圖4所示，不同風速下常德市API數值變化范圍趨于穩定，在40左右。同時也可以看出，在大于5級的風速條件下，API的數值相對于前兩種情況下較大，這是由于風速大于5級的情況的天數很少，所以其API的值代表性較差，也就是說，這些值不具有一般性的規律。另外，在不同風速下API最大值和最小值呈現跳躍性變化；在微風的情況下，對應的異常值較多，其他兩種情況，幾乎無異常值。

分析風速對九江市API的影響圖5可以看出九江市常年風力穩定，無較大級風（大于5級）。相對于3～4級風而言，微風時API的數值較集中，變化范圍小。同時，兩種情況下的最大值近似相同，都在80附近，但最小值有所變化，微風時API對應的最小值約為25，3～4級風對應最小值為10左右。另外還可以看出，微風是對應的異常值較多。

總的來說，風速增大會導致空氣質量好轉，表現在平均值（中位數）下降和極端污染日的減少。

4.2 風速對主要污染物的影響

表1列出了這5個城市風速（微風、3～4級、大于5級）和主要污染物情況對應天數的比例。表1中的列表方式類似于二元概率分布表。例如馬鞍山分表中的“二氧化硫”一行中“3～4級（%）”一列的值為0.09，代表風速為3～4級并且主要污染物為二氧化硫的天數占總天數（研究時間段的總天數）的比例為0.09%。所以馬鞍山子表中的3行3列數據加起來應該為100%。但是由于空氣質量數據有缺失值，所以3行3列數據加起來不足100%。

分析表1中數據可以得出如下結果。

馬鞍山市：在3～4級風的條件下，空氣質量相對較好，而在風速大于5級時，無主要污染物對應的天數比例最少；風速對污染物二氧化硫的影響不明顯，在不同的風速下，二氧化硫污染對應的天數比例相同；在風速小于5級時，風速的變化對可吸入顆粒物的影響不大，但當風速大于5級時，對應的可吸入顆粒物污染天數比例顯著降低。

蕪湖市：風速大于5級時，無主要污染物對應的天數比例最少，空氣質量相對于其他兩種風速下較差，而在風速為3～4級時，空氣質量較好的天數相對多一些；在微風的氣象條件下，主要污染物為二氧化硫的天數比

例相對較多，當風速大于微風時，主要污染物為二氧化硫的天數比例相對較少，且維持穩定；主要污染物為可吸入顆粒物的天數比例在微風時相對較大，風速大于微風時對應的天數少很多。

泉州市：風速小于5級時，無主要污染物的天數比例相對較多，空氣質量較好，而當風速大于5級時，無主要污染物的天數比例急劇降低，變化較大；泉州市只在風速為微風時出現主要污染物為二氧化硫的天氣，且所占的天數比例也相對較低；當風速小于5級時，主要污染為為可吸入顆粒物的天數比例相對較大，且維持穩定，但當風速大于5級時，對應的天數比例降低。

常德市：當風速小于5級，空氣流動相對穩定時，無主要污染物天數比例相對較大，而當風速大于5級時，無主要污染物天數比例顯著降低；常德市當風速為3～4級時主要污染物為二氧化硫的天數比例最高，而當風速為微風和大于5級時，所對應的天數比例相對較少，且兩種情況下，兩者相差不大；主要污染物為可吸入顆粒物所對應的天數比例在風速小于5級的兩種風速條件下，所占的比例最大，且在兩種風速下對應的比例相差不大，當風速大于5級時，主要污染物為可吸入顆粒物的天數比例急劇降低。

九江市：和前幾個城市的情況大致相同，九江市在風速小于5級時，無主要污染物對應的天數比例相對較大，空氣質量較好，而當風速大于5級時，所對應的天數比例變化明顯，下降幅度較大；當風速為3～4級時，主要污染物為二氧化硫的天數比例對應較大，而在另外兩種風速下，所對應的比例都較風速為3～4級時小，且兩者對應的比例相同；主要污染物為可吸入顆粒物所對應的天數比例也和前幾個城市所對應的情況大致相同，當風速小于5級時，所對應的比例較大，但當風速大于5級時，所對應的天數比例迅速降低。

4.3 降水對API的影響

圖6～10分別列出了5個城市降水對API的影響情況，由于降水情況較復雜，本次只從收集的數據中選取了無雨、小雨、中雨、大雨具有代表性的降水情況來研究。

從圖6可以很明顯地看出隨著降雨量的逐漸增大，馬鞍山市對應的API數值逐漸遞減，呈逐級遞減的趨勢，可能原因為雨水對污染物質的吸附作用；同時，隨著降雨量的遞增，API數值也越來越集中。在無雨的天氣條件下，由于可以影響API的因素較多，所以對應的API異常值較多；還可以看出，隨著降雨量的遞增，API的最大值也在逐級遞降，最小值相對于最大值較穩定。

分析降水對蕪湖市API的影響圖7，可以看出當降雨量在大雨以下時，前三種降雨量下所對應的API數值大小變化幅度不大，同時，數值的集中范圍也相對穩定，變化不明顯；而當大雨時，API數值的變化范圍變大，可能原因為大雨天氣出現的概率較低，其API的數值不具有代表性，也就是說不具有一般規律性。另外，也可以看出最大值在逐級降低，但最小值變化無規律，變化較大；異常值的數量也隨著降雨量的增大，逐漸減少，API數值逐漸穩定。

如圖8所示，可以看出隨著降雨量的逐漸增大，泉州市API的數值總體上呈下降的趨勢，只在中雨的天氣條件下出現一點波動；同時也可以發現，隨著降雨量的增加，API數值的范圍也在一點點增大，逐漸分散，但總體變化范圍相對集中；在無雨的天氣條件下，API數值最大值和最小值相差最大，最大值為100，最小值20左右；且也和前兩個城市類似，在無雨的天氣條件下，出現異常值較多。

分析降水對九江市API的影響箱形圖9可以看出，隨著降雨量的增大，API數值總體上呈下降趨勢，但是下降趨勢不是很明顯，總體變化不是太大，且隨著降雨量的增大，API數值的變化范圍也不是很明顯，相對穩定；無雨的條件下，API的最大值和最小值相差最大，在小雨和大雨的情況下，最大值和最小值相差較少；同時，在無雨時，異常值相對較多。

從圖10可以看出，常德市的API數值隨著降雨量的逐漸增大而呈降低的趨勢，但在大雨時出現一些波動，這是因為大雨天氣出現的概率較低，其API數值不具有一般性規律；另外，API數值集中范圍變化不太明顯，總體上都比較集中；在無雨和中雨的條件下API最大值和最小值相差較大，大雨時最大值和最小值相差最小，也是在無雨時出現的異常值較多。

5 結論

通過對安徽蕪湖、安徽馬鞍山、江西九江、湖南常德和福建泉州5個城市三年的空氣質量和所對應的氣象條件的數據分析能夠定量的得出空氣質量與氣象條件之間存在著一定聯系。得出如下結論：針對5個所選城市風速對API的影響的分析可知，同一城市隨著風速的增大，API數值總體呈降低的趨勢，可能原因為風加速了空氣的流動，有利于污染物質的擴散；從風速對主要污染物的影響分析研究可知，風速的大小與無主要污染物天數比例呈負相關，風速較大時（大于5級），無主要污染物對應的天數比例較小；隨著風速的增大，可吸入顆粒物為主要污染物的天數比例總體呈降低的趨勢；隨著降雨量的增大，由于雨水對空氣污染物質的吸附作用，API總體呈逐漸降低的趨勢。

參考文獻：

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Abstract：This paper reviewed our countrys air pollution problems through the description of the atmospheric pollution source and analyzed only for the meteorological conditions this one aspect. Based on five cities nearly three years of air quality dates with the corresponding weather data， using the software draw a box plot， researched and analyzed the relationship between the two. Results from the perspective of data processing and analysis， air quality and meteorological conditions are closely related， different air conditions， different dilution and diffusion capacity of pollutants.

Key words：air pollution；air pollution index；meteorological conditions