徐州市區PM2.5濃度與氣象要素的相關性分析
——以2015年冬為例

李昌龍 王靜怡 高媛媛

(徐州市環境監測中心站， 江蘇 徐州 221002)

徐州市區PM2.5濃度與氣象要素的相關性分析
——以2015年冬為例

李昌龍 王靜怡 高媛媛

(徐州市環境監測中心站， 江蘇 徐州 221002)

以2015年12月—2016年2月徐州空氣監測站PM2.5、常規氣象儀以及激光雷達的觀測資料，探討徐州市城區PM2.5的質量濃度變化特征以及冬季PM2.5濃度與風向、風速、濕度、大氣邊界層高度等氣象要素的相關性。結果表明，觀測期內徐州市區PM2.5濃度超過GB3095-2012《環境空氣質量標準》二級濃度限值共有56天，平均濃度超標0.52倍；PM2.5濃度呈明顯的日變化特征；偏北風時，PM2.5濃度較高，冷空氣過程中，PM2.5濃度先升高后下降；PM2.5濃度與濕度呈正相關性，濕度為70%～80%時PM2.5濃度最高；與大氣邊界層厚度呈負相關性。

PM2.5；風速；風向；濕度；大氣邊界層；激光雷達

徐州市為內陸資源型工業城市，以能源和資源消耗型為主，煤炭、電力、冶金、焦化、建材、重工業等傳統行業為經濟支柱，用煤量大，工業污染物排放量較多；另外，徐州市地處北方地區，每年冬季進入采暖期，燃煤量增加，加重了城市空氣質量的污染程度。統計數據表明，徐州市區環境空氣污染特征以煤煙型為主，顆粒物(PM10和PM2.5)是影響環境空氣質量的首要污染物[1]。日常觀測中發現，一個城市大氣污染源的排放量在一段時間內是相對穩定的，大氣污染物濃度的時空分布在一定程度上主要取決于大氣擴散條件。不同的大氣擴散條件，可以使空氣污染物的濃度相差幾倍、甚至幾十倍[2]。潘本鋒等[3]曾指出降水、降雪和大風等天氣有利于大氣中PM2.5的去除。徐州地處暖溫帶季風氣候區，夏季太陽輻射強度高，風速較大，降水較多等均有利于污染物的稀釋、擴散和清除；但是，冬季多靜穩天氣，大氣擴散條件較差，降水較少不利于污染物的清除；且徐州冬季進入取暖季后燃煤量增加，各污染物排放量較大，統計數據顯示徐州市區冬季PM2.5污染明顯加重。本文以2015年12月—2016年2月連續3個自然月徐州市環境監測中心自動監測網絡的常規監測數據、氣象監測數據和激光雷達監測儀的采集數據進行分析，探索風向、風速、濕度、大氣邊界層高等氣象因素對徐州市冬季城市大氣中PM2.5濃度的影響。

1 資料與方法

1.1 區域概況

徐州位于江蘇省西北部，地處蘇、魯、豫、皖四省交界，東經116°22′～118°40′、北緯33°43′～34°58′之間，土地總面積11258km2。位居中緯度地區，屬于暖溫帶季風氣候區，既受東南季風影響，又受西北季風控制，四季分明，光照充足，冬夏季長，春秋季短，夏季高溫多雨，冬季寒潮頻襲。屬于黃淮平原，地勢低平，系黃河和淮河的直支流長期合力沖擊而成，地形由平原和山丘崗地兩部分組成，丘陵崗地約占10%，平原占90%，潮土類為本區沖積平原的主要土類，占全市土壤總面積的79.5%[4]。

1.2 數據來源

徐州市區環境空氣質量由黃河新村等7個環境空氣質量評價城市點的監測數據進行評價，點位分布見圖1。(圖中監測站點分別為：1黃河新村，2淮塔，3鼓樓區政府，4桃園路，5農科院，6新城區，7銅山區招生辦)。各監測站點按照《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664—2013)的要求開展SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.56種污染物的監測，監測數據在徐州市空氣質量指數(AQI)發布平臺(http://218.3.235.59:8023/)逐時對公眾發布。

圖1 徐州市區環境空氣自動監測點位分布示意圖

根據徐州市城市特有的地理條件、氣象條件等，選取黃河新村監測子站的日常監測數據探討氣象因素與PM2.5濃度的關系。該點位于徐州市主城區，具體位置在泉山區黃河南路60號(經度：117°9′57″，緯度：34°16′24″)，代表居民區，屬環境功能區的二類區。

1.3 監測儀器

地面氣象要素觀測采用荷蘭VAISALA 公司生產的六參數 WXT520 氣象儀；PM2.5采用美國Thermo Fisher 公司生產的5030-SHARP型監測儀，量程0～1000 μg/m3，最低檢測限0.5μg/m3(1小時分辨率)，流量1m3/h(16.7 L/min)，小時精度(<80μg/m3為時±2μg/m3，>80μg/m3時為±5μg/m3)；各個參數均采用24 小時連續采樣分析，采樣高度12m。

激光雷達監測儀采用中科光電AGHJ-I-LIDAR激光雷達系統，該系統擁有高空和低空兩個接收器。高空接收器的有效測量范圍為0.3～30 km；低空接收器的有效測量范圍為0.1～3km，垂直空間分辨率為15 m。高空接收器接收雷達原始回波信號和校正回波信號，根據PBR回波廓線強度對應其相應高度的大氣氣溶膠濃度梯度的變化確定大氣邊界層高度。激光雷達系統設定脈沖數為2 000，每5 min采集一次數據。觀測數據每小時進行統計，確保與黃河新村空氣自動站監測數據的匹配。

2 結果與討論

2.1 PM2.5濃度的變化特征

2.1.1 PM2.5濃度的月變化

將2015年12月-2016年2月徐州市環境空氣自動監測網中黃河新村等7個監測站點的PM2.5濃度日均值進行平均計算，得到徐州市城區PM2.5月均濃度。圖2為監測期內徐州市區PM2.5濃度日均值變化。從圖2可以看出，2015年冬季徐州市城區PM2.5有效監測天數90天，平均濃度89 μg / m3；超過環境空氣質量標準(GB3095-2012)中規定的日均濃度二級濃度限值(75 μg/m3)的天數共有56天，超標占比62.2%，平均濃度114.4 μg/m3，超標0.52倍；其中有8天空氣質量達到重度污染，PM2.5濃度明顯較高。這主要是兩方面原因造成的：(1)冬季太陽輻射強度較弱，多靜穩天氣，風速較小，且夜間容易出現逆溫等均不利于污染物的稀釋、擴散和清除；(2)徐州冬季進入取暖季后燃煤量增加，各污染物排放量較大。

圖2 2015年12月-2016年2月徐州市PM2.5濃度變化

1.2.2 PM2.5濃度的日變化

圖3為選取黃河新村站點2015年12月和2016年1月、2月某監測日PM2.5濃度小時變化。從圖3可以看出，徐州市城區PM2.5濃度呈明顯的日變化特征，夜間PM2.5濃度逐漸升高，在09時左右達到最高值；之后隨著太陽輻射強度的增加，大氣擴散條件增強，PM2.5濃度逐漸下降；18時左右，隨著太陽輻射強度降低，大氣擴散條件減弱，污染物逐漸積累，PM2.5濃度再次逐漸升高。

圖3 PM2.5濃度的日變化

2.2 PM2.5濃度與氣象要素的相關性

2.2.1 風向和風速對PM2.5濃度的影響

風速的大小反映大氣水平運動的程度，它直接決定大氣稀釋擴散能力的大小。風速小，不利于污染物向遠方擴散，污染物容易累積；風速大，有利于污染物的稀釋、擴散和清除[5]。

圖4 風速和風向與PM2.5濃度分布

利用2015年12月-2016年2月份的近地面常規氣象數據配以相應時段黃河新村監測站點的常規污染物監測數據繪制近地面風向、風速與PM2.5濃度的分布圖。從圖4可以看出，2015年徐州市冬季以西北風為主；風向為偏北風時，PM2.5濃度較高；風向為偏南風時，PM2.5濃度明顯較低。當風速< 4 m/s時，徐州市區PM2.5濃度容易超過《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)中二級濃度標準限值(75 μg/m3)；當風速> 4 m/s時，風向為偏北風時，仍出現PM2.5濃度>75 μg/m3，甚至超過150 μg/m3的情況。

2016年1月17日和22日為徐州市兩次典型的區域污染物輸送造成的空氣重污染過程(圖5)。從圖5可以看出，2016年1月17日00-07時，風速< 1.0m/s，大氣擴散條件較差，黃河新村監測子站點PM2.5濃度由72 μg/m3逐漸升至145 μg/m3；08時風速突然增大到5 m/s左右，PM2.5濃度迅速升至256 μg/m3，9時達到283 μg/m3；之后，隨著風速維持在3 m/s左右，PM2.5濃度逐漸下降，23時降至70 μg/m3。1月22日00-14時，徐州市區近地面風速< 1.2m/s，黃河新村監測子站點PM2.5濃度為45～80 μg/m3；15時風速突然增至4.5 m/s左右，PM2.5濃度從49 μg/m3升至170 μg/m3，最高達234 μg/m3；之后，隨著風速維持在3.5 m/s左右，PM2.5濃度逐漸下降，23時降至34 μg/m3。

圖5 PM2.5濃度與風速的變化

兩次污染過程中，PM2.5濃度均先升高又逐漸下降，這主要是因為：徐州市以能源和資源消耗型為主，煤炭、電力、冶金、焦化、建材等企業大多分布在徐州城區北部，工業污染物排放較多；另外，徐州北部的棗莊、濟寧，西部的淮北等城市均是燃煤能源大市，污染物排放量較大；當出現冷空氣時，以偏北風為主，并且風力較大，該地區的污染物容易傳輸到徐州市區，與本地積累的污染物進行疊加，導致PM2.5濃度升高，甚至在短時間內迅速升高，空氣質量達到嚴重污染；隨著冷空氣經過徐州，污染氣團逐漸疏散，徐州城區PM2.5濃度下降至低濃度值。

2.2.2 濕度對PM2.5濃度的影響

將2015年12月—2016年2月份黃河新村監測站的常規氣象與PM2.5的監測數據進行統計(圖6)，由于強降水對大氣中的顆粒物有明顯的清除作用，已剔除監測期間降雨和降雪時PM2.5的監測結果。從圖6可以看出，濕度﹤80% 時， PM2.5濃度隨濕度的增加而逐漸增大，相對濕度為70%～80%時PM2.5濃度最大，兩者呈明顯的正相關性。這可能是因為空氣中相對濕度較大時，細小顆粒物容易凝結，促進二次顆粒物的生成[6]；也可能是因為空氣中的相對濕度較大時，氣態SO2和NO2轉化為硫酸鹽和硝酸鹽，并與大氣中的堿性氣體發生反應，促進二次顆粒物的生成，造成PM2.5濃度逐漸升高并趨于穩定。濕度﹥80%時，PM2.5濃度有所下降，可能是因為細顆粒物吸濕長大后出現濕沉降。

圖6 PM2.5質量濃度與濕度的變化

2.2.3 大氣邊界層高度對PM2.5濃度的影響

大氣邊界層通常是指受地面直接影響，是人類活動和各項生態環境過程發生和發展的主要氣層。大氣邊界層中的空氣由于受地面摩擦或熱力作用的影響，在某個高度的穩定層下會出現顯著的垂直混合，其厚度就是混合層厚度，混合層高度反映大氣邊界層穩定度[7]。張婉春等[8]利用梯度法對激光雷達距離校正回波信號進行處理，得到了2013年1月北京地區的大氣邊界層高度；王珍珠等[9]利用激光雷達觀測發現北京城區夏季大氣邊界層有明顯的日變化特征。

圖7為2016年2月某監測日利用激光雷達回波信號繪制的大氣邊界層高度與近地面顆粒物濃度日變化圖。從圖7可以看出：(1)監測期間，徐州市城區大氣邊界層高度存在著比較明顯的日變化特征，夜間徐州市區大氣邊界層高度較低，平均高度在1.2 km左右；隨著太陽輻射增強，地面溫度升高，11時起大氣邊界層高度逐漸增加，16時左右出現最大值；之后，隨著太陽輻射強度下降，近地面溫度降低，大氣邊界層高度逐漸降低；白天大氣邊界層平均高度在2.0 km左右。(2)夜間大氣邊界層高度較低，PM2.5濃度逐漸升高，09時左右達到最高值；隨著大氣邊界層高度逐漸增加，大氣湍流作用增強，污染物在水平和和垂直方向上的擴散能力增強，PM2.5濃度逐漸降低；18時起，隨著太陽輻射強度下降，近地面氣溫降低，大氣邊界層高度下降，污染物的擴散能力減弱，PM2.5質量濃度再次逐漸升高。總之，大氣邊界層高度對PM2.5濃度的變化具有重要作用，兩者呈負相關性。

圖7 PM2.5質量濃度和大氣邊界高度的日變化

3 結論

(1)2015年冬季，徐州市區PM2.5濃度超過環境空氣質量標準(GB3095—2012)中的二級濃度限值有56天，超標占比62.2%；平均濃度114.4 μg/m3，超標0.52倍。PM2.5濃度呈明顯的日變化特征，PM2.5濃度在夜間逐漸升高，09時左右達到最高值；隨著太陽輻射強度的增加，PM2.5濃度逐漸下降，18時以后再次逐漸升高。

(2)徐州市冬季，風向為偏北風時，PM2.5濃度較高；風向為偏南風時，PM2.5濃度明顯較低。風速<4 m/s 時，徐州市區PM2.5濃度容易超過75 μg/m3；受冷空氣影響，外地污染物輸入與本地積累的污染物疊加，PM2.5濃度會在短時間內迅速升高，隨著冷空氣過境，PM2.5濃度逐漸下降至低值。

(3)徐州市冬季，空氣中的相對濕度<80%時，PM2.5濃度隨著濕度增加而增大，兩者呈正相關性；濕度為71%～80%時PM2.5濃度最大；當濕度>80%時，可能由于濕沉降造成PM2.5濃度有所下降。

(4)冬季徐州市城區大氣邊界層高度存在著明顯的日變化特征，夜間大氣邊界層高度較低，平均高度在1.2 km左右；白天大氣邊界層高度增加，平均高度在2.0 km左右，16時前后大氣邊界層高度最大。PM2.5濃度與大氣邊界層厚度呈負相關性，大氣邊界層高度越大，越有利于污染物在水平和垂直方向上的稀釋和擴散，PM2.5濃度越低。

[1] 李宗愷. 空氣污染氣象學原理及應用[M]. 北京：氣象出版社，1985：563-564.

[2] 張裕芬，朱坦，馮銀廠，等.氣象因素對環境空氣質量達標的影響分析[J].城市環境與城市生態，2006，19(4):33-36.

[3] 潘本鋒，趙熠琳，李健軍，等.氣象因素對大氣中PM2.5的去除效應分析[J].環境科技，2012，25(6):41-44.

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[6] 李燦，崔術祥，楊維，等. 相對濕度對室內細顆粒物粒徑分布影響的試驗研究[J]. 安全與環境學報，2014，14(4)：254-258.

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[8] 張婉春，張瑩，呂陽，等. 利用激光雷達探測灰霾天氣大氣邊界層高度[J]. 遙感學報，2013，17( 4)：987-992.

[9] 王珍珠，李炬，鐘志慶，等. 激光雷達探測北京城區夏季大氣邊界層[J]. 應用光學，2008，29(1)：96-100.

Correlation between PM2.5concentration and meteorological elements in Xuzhou City in winter of 2015

Li Changlong, Wang Jingyi, Gao Yuanyuan

(Xuzhou Environment Monitoring Center Station，Xuzhou 221002，China)

Based on the monitored PM2.5, and observation data from conventional meteorological instruments and laser radar in December 2015 - February 2016, the mass concentration variation of PM2.5in urban area of Xuzhou was discussed, and the correlation between concentration of PM2.5in winter and meteorological factors (wind direction, wind speed, humidity, atmospheric boundary layer height and etc) was explored. The results showed that there were 56 days when PM2.5concentration in the Xuzhou urban area exceeded the standard limit of class 2 of Ambient Air Quality Standards (GB3095-2012), the average concentration of PM2.5exceeded the standard limit by 0.52 times and showed obvious diurnal variation. Upon the northerly wind, the PM2.5concentration was in high. In the process of cold air, the concentration of PM2.5increased first and then decreased. The concentration of PM2.5was positively correlated with humidity and reached the highest at 70%-80% humidity, and negatively correlated with the thickness of atmospheric boundary layer.

PM2.5; wind speed; wind direction; humidity; atmospheric boundary layer; laser radar

2016-12-31;2017-02-17修回

李昌龍(1984-)，男，山東泰安人，碩士研究生，中級工程師，從事大氣環境監測與分析工作。E-mail: changlong7@163.com

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