大廠縣污染物濃度與氣象要素相關性研究

文_李紅星 郝國松 李娜

1.大廠回族自治縣氣象局；2.廊坊市氣象局

1 資料與方法

2013年我國開始執行新的空氣質量觀測標準，本文采用2014年1月1日～2016年12月31日大廠縣環境監測點（衛生局）日均質量濃度資料，以及同期的氣象觀測數據資料等進行研究。

本文主要采用典型相關分析（CCA）法進行分析。選擇大廠縣2014～2016年的氣象要素（氣溫、氣壓、降水量、相對濕度、風速、地表溫度）作為CCA的右要素場；選擇同期大廠縣污染物質量濃度（PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO、AQI）作為CCA的左要素場，進行標準化處理后作典型相關分析。

2 空氣質量概況

2.1 達標日數與重污染天數

2014～2016年大廠縣達標（AQI≤100）天數分別為94天、143天和131天，占總數的33.6%。重污染天氣（AQI＞200）天數分別為85天、67天、36天，占總數的17.2%。

2.2 空氣質量等級分布

統計大廠縣空氣質量等級發現（表1），2014～2016年重度以上污染天數總體下降13.5%。2015年和2016年較2014年優良天數增加，重度以上污染天數減少，空氣質量較2014年有明顯改善。

表1 2014～2016年大廠縣空氣質量等級分布

2.3 首要污染物分析

2014～2016年大廠縣首要污染物主要為PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2。

重度及以上污染首要污染物為PM2.5、PM10、O3，2014～2016年首要污染物均以PM2.5為最多占總數的87.8%，其次為O3占8.0%，最少為PM10占4.3%。從首要污染物的分月情況來看，除8月未出現PM2.5外，其余各月份均有可能出現，12月出現頻率最高占比20.0%，1月次高占比18.2%，而4～9月份PM2.5出現頻率很低，除8月頻率為0外，5月最低占0.6%；PM10在2月、3月、11月和12月出現，其余月份均未出現，2月出現頻率最高為37.5%，3月最低為12.5%；O3在5月、6月、7月、8月、10月出現，其余月份均未出現，8月出現頻率最高為46.7%，10月最低為6.7%。

而重度污染以下首要污染物除上述三者外，還有NO2和SO2。NO2在3月、5月、6月、7月、10月、11月出現，10月出現頻率最高占比37.5%。SO2在1月、2月、11月、12月出現，1月出現頻率最高占比50%。

2.4 不同級別空氣質量的月變化特征

分析2014～2016年空氣質量的月變化特征（圖1），重度及以上污染主要發生在初春和秋冬季節，主要月份為1月至3月和10月至12月，而初春之后，隨著湍流運動的加強和氣溫的升高，重污染明顯減少，4月至9月均沒有嚴重污染發生，特別是5月、6月、8月和9月空氣質量在中度污染以下，明顯優于其它月份。

圖1 2014～2016年大廠縣AQI指數月均變化

3 污染物質量濃度月分布

分析2014～2016年污染物質量濃度的月變化特征（圖2），PM2.5、PM10、SO2月變化曲線多呈現“峰-谷-峰”和“多峰多谷”的形勢，高峰值均出現在1月至3月和10月至12月。NO2月均濃度均維持在70μg/m3以下，并在7月或8月達到最低值，蔣維楣等指出由于NO2溶于水生成HNO2和HNO3，顆粒物與雨滴碰撞可附著在雨滴上或溶于水滴中并隨著降水沉降到地面，因而降水對清除空氣污染物起著重要的作用。O3月變化曲線呈現“谷-峰-谷”的形勢，最高值均出現在夏季（6～8月），楊俊益等研究表明，O3質量濃度的急劇上升主要因素是其前體物NOx和揮發性有機物濃度的升高，同時揮發性有機物可與氮氧化物在紫外光照射的條件下，發生一系列光化學鏈式反應，提高大氣的氧化性，引起地表O3濃度的增加，又加速二次細顆粒物的生成，引起夏季O3超標。CO月變化曲線大致呈“U”型分布，高峰值均出現在冬季（12～2月）。

圖2 2014～2016年大廠縣污染物質量濃度月均變化

4 污染物質量濃度與氣象要素相關性分析

4.1 簡單相關分析

分析污染物質量濃度的自相關關系矩陣（表2）發現，以下變量之間均有顯著的正相關關系，且相關系數均大于0.5：SO2與CO、CO與NO2、CO與PM10、CO與PM2.5、CO與AQI、NO2與 PM10、NO2與 PM2.5、NO2與 AQI；PM10與 PM2.5、PM10與AQI、PM2.5與AQI。值得注意的是，PM10、PM2.5兩者與AQI的相關系數達到了0.9以上，因此，可以認為當空氣中的PM10或PM2.5質量濃度增大時，相應的AQI指數也同時增大，導致空氣質量下降。

表2 污染物質量濃度的自相關關系矩陣

從污染物質量濃度與氣象因素之間的簡單相關系數矩陣（表3）來看，氣溫與 SO2、CO、NO2、PM10、PM2.5、AQI均有顯著的負相關關系，而與O3為顯著的正相關關系，且相關系數較大達到了0.7321。此外，地表溫度同氣溫的相關系數十分接近，表現出一致的相關關系，這也說明地表溫度與氣溫成顯著的正相關關系，氣溫越高則地表溫度越高。降水量與SO2、CO、NO2、PM10、PM2.5、AQI均有顯著的負相關關系，但是總體相關系數較小。氣壓與SO2、CO、NO2、PM2.5均有顯著的正相關關系，但與O3為顯著的負相關關系，且相關系數較大達到了-0.6387。相對濕度與CO、NO2、PM10、PM2.5、AQI具有顯著的正相關關系。風速與CO 、NO2、PM10、PM2.5、AQI具有顯著的負相關關系。由此可見，氣象要素與污染物質量濃度之間存在相關關系，氣象要素可相應影響局部地區空氣中污染物的濃度水平。

表3 污染物質量濃度與氣象因素之間的簡單相關系數矩陣

4.2 典型相關分析

由于變量間的交互作用，簡單相關系數矩陣只能作為參考，不能真正反映兩組變量之間的實質聯系。因此，引入典型相關分析法進行污染物質量濃度（U）和氣象因素（V）兩組變量間的相關性分析。

通過典型相關分析（表4～表6），共有4對典型相關系數通過顯著性檢驗（P＜0.01）。第一典型相關系數為0.845，氣溫和地表溫度同氣態污染物（O3、CO、NO2）密切相關。第二典型相關系數為0.542，相對濕度和風速同AQI、PM10、PM2.5密切相關。第三典型相關系數為0.386，相對濕度和降水量同NO2、SO2密切相關。第四典型相關系數為0.287，風速同PM10、AQI、PM2.5密切相關。

表4 污染物質量濃度與氣象要素的典型相關系數

表5 氣象要素組的典型變量系數

表6 污染物質量濃度組的典型變量系數

5 重度以上污染過程前中后期風的研究

典型相關分析表明，風速與AQI密切相關，直接關系到重污染形成和結束的時間。地面風向風速分布是影響雨、霾、霧等各類天氣的基礎要素，風速大小及風向輻合、輻散對污染物積聚和擴散有顯著影響。對于氣態污染物和顆粒污染物來說，風主要表現了平流輸送的能力，但它又是局地性最強的氣象因子之一。

統計21次連續重度以上污染天氣（重污染天氣）過程逐小時地面2min平均風速發現，重污染天氣前期和中期逐小時地面2min平均風力均≤3級，以2級以下為主，占比98.9%；重污染天氣后期由于較強冷空氣入侵，風力普遍在3級至5級之間，4級風占比例最大，為41.6%。可見風力≤2級是重污染天氣形成之前重要的氣象條件之一。這也與郭立平等在河北廊坊市連續重污染天氣的氣象條件分析的研究結果一致。

除地面風力之外，地面風向導致的輻合、輻散對污染物積聚和擴散也有一定影響。分析連續重污染天氣過程前中后期的逐小時2min風向得到風玫瑰圖，可以看出，在重污染天氣的前期靜風最多，風頻達到了19.5，W次多為8.9，ENE最少為1.6；中期也以靜風最多，其風頻高達23.9，SE次多為11.4，WNW最少為2.1；而后期NNW最多，風頻為21.7，NW次多為18.8，SW最少為0.1。

6 結論

（1）2014～2016年大廠縣重污染天數逐年遞減，2015年和2016年的空氣質量達標天數明顯多于2014年，大廠縣空氣質量有明顯改善。

（2）當大廠縣出現重度及以上污染時，首要污染物以PM2.5為最多占總數的87.8%，其次為O3占8.0%，最少為PM10占4.3%。以NO2為首要污染物最多出現在10月占37.5%，以 SO2為首要污染物最多出現在1月占50.0%。

（3）大廠縣PM2.5、PM10、SO2的月平均濃度高峰值均出現在1月至3月和10月至12月；NO2平均濃度維持在70μg/m3以下，在7月或8月達到最低值；O3高峰值均出現在夏季（6～8月）；CO高峰值均出現在冬季（12～2月）。

（4）簡單相關分析和典型相關分析結果表明，氣象因素可影響局地空氣中污染物質量濃度水平。而兩組變量間的第一典型相關系數0.845均大于其簡單相關系數中的任一系數，即典型相關分析效果優于簡單相關分析。

（5）通過污染物質量濃度與氣象要素兩組變量之間的典型相關分析，氣象因素中的氣溫和地表溫度主要影響氣態污染物（O3、CO、NO2）的濃度；相對濕度和風速主要影響顆粒物（PM10、PM2.5）濃度以及AQI指數；降水量主要影響NO2、SO2的濃度。

（6）地面風力≤2級是重污染天氣形成之前重要的氣象條件之一，連續重污染天氣形成前還需要關注靜風以及WSW～WNW之間的地面風向。重污染中期同樣以≤2的地面風力為主，風向多為靜風和E～SSE。重污染后期多由于較強冷空氣入侵，以4級風占比最大為41.6%，風向多為NW～N。