PM2.5污染與氣象條件的關(guān)系

金 宏， 劉燁焜

(1.集寧師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000;2.烏蘭察布市氣象局， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進，大氣環(huán)境中細顆粒物和灰霾濃度明顯升高，對人民群眾身體健康和生態(tài)安全構(gòu)成嚴重威脅，同時空氣污染也成為制約生態(tài)文明建設(shè)的核心問題。PM2.5是空氣中微細污染物，雖然含量很少，但對空氣質(zhì)量和能見度等有重要影響，是衡量空氣質(zhì)量重要指標[1-2]。相關(guān)研究表明，PM2.5濃度變化除受各種污染源增多因素影響外，大氣環(huán)流形勢和各種氣象要素變化對污染發(fā)生發(fā)展都有非常重要的貢獻，也制約著污染物稀釋、擴散、輸送和轉(zhuǎn)化的過程，進而影響大氣污染程度[3-6]。

烏蘭察布市地處我國正北方，具有重要的生態(tài)地位。近幾年P(guān)M2.5一直是影響全市空氣質(zhì)量的主要污染物之一。分析PM2.5污染時間分布特征，研究與氣象要素的相關(guān)性，為更好預(yù)防和治理PM2.5污染提供了科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于烏蘭察布環(huán)保局提供的集寧新區(qū)2015-2017年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度日均值，及烏蘭察布市集寧區(qū)(53480)測站的常規(guī)氣象觀測資料。選取6次PM2.5污染過程作為典型個例進行深入分析和論證，日期分別為2015年1月11日—15日，2月19日—20日，11月9日-13日，12月5日-12日，12月18日-24日，2016年2月10日-11日。

1.2 分析方法

利用統(tǒng)計學(xué)分析方法得出烏蘭察布市PM2.5質(zhì)量濃度時間分布特征。使用典型相關(guān)分析方法研究PM2.5與氣象要素之間的相關(guān)性。

2 烏蘭察布市PM2.5變化特征

2.1 PM2.5年變化特征

2015-2017年烏蘭察布市PM2.5年平均濃度分別為46、33、35 μg/m3，呈逐年下降趨勢。根據(jù)文獻 [7]，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)值超過100屬于污染級別。近3年優(yōu)、良和污染天數(shù)有243、694、159 d，分別占統(tǒng)計日數(shù)的22.2%、63.3%和14.5%。PM2.5、PM10和O3是本地三種主要污染物，其中以PM2.5為首要污染物天數(shù)有61 d，占總污染日數(shù)的38.4%，引起的重度污染有4 d，中度污染有9 d，是三種主要污染物中最易引發(fā)中重度污染的物質(zhì)。

2.2 PM2.5月變化特征

PM2.5月均濃度值變化具有明顯時間規(guī)律，濃度及污染天數(shù)都呈“凹”字形變化,如圖1所示。

圖1 2015-2017年P(guān)M2.5逐月變化圖

由圖1可以看出，11月至次年3月是濃度增大時期，月平均濃度為43.7 μg/m3，較其它月份濃度高44.7%；且污染天數(shù)增多，共有56 d，占全年P(guān)M2.5污染總天數(shù)的91.8%，其中12月和1月污染最嚴重。4月到10月濃度都維持在30 μg/m3左右，基本不會發(fā)生污染。

3 PM2.5與氣象條件的關(guān)系

3.1 PM2.5與環(huán)流形勢的關(guān)系

PM2.5污染一方面由于污染物排放的突增造成;另一方面也與不利于污染物擴散的天氣條件密切相關(guān)。其中大氣環(huán)流形勢是導(dǎo)致污染物濃度發(fā)生變化的重要原因。

對6次較重的PM2.5污染過程進行典型個例分析。500hPa平均位勢高度場，貝加爾湖以西地區(qū)存在明顯的高空槽(渦)，或呈現(xiàn)較平直的緯向環(huán)流，環(huán)流形勢持續(xù)時間長、變動小。在本市區(qū)域內(nèi)沒有大范圍槽脊波動，高層主要以偏西、西南氣流為主，氣壓梯度小，基本保持10個緯度內(nèi)有2～3根等高線。

當污染發(fā)生時，海平面氣壓場上表現(xiàn)為兩種形勢，如圖2所示。

(a) 2015年1月11日-15日 (b) 2015年2月19日-20日

(c) 2015年11月9日-13日 (d) 2015年12月5日-12日

(e) 2015年12月18日-24日 (f) 2016年2月10日-11日圖2 平均海平面氣壓場

由圖2可以看出，一種是北部存在寬廣的地面氣旋，中心結(jié)構(gòu)相對松散，本市處于低壓底前部；另一種是河套以西地區(qū)有地面倒槽向東北方向發(fā)展，東北地區(qū)存在弱高壓，本市處于高低壓過渡帶。

兩種地面形勢場中，本市都處在均壓場控制范圍內(nèi)，氣壓變化很小，10個經(jīng)度內(nèi)只有1～2根等壓線；等壓線呈經(jīng)向型分布，受明顯的偏南氣流控制。

分析得出，易發(fā)生PM2.5污染的環(huán)流形勢表現(xiàn)為高層有持續(xù)穩(wěn)定的偏西氣流，地面均壓場配合近地層持續(xù)偏南氣流輸送。這種穩(wěn)定的形勢場易使低層增溫、增濕，有助于低空暖蓋形成，穩(wěn)定層結(jié)長時間保持容易導(dǎo)致污染物的積累和增長，不利于污染物擴散。

3.2 PM2.5與風(fēng)向風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)是邊界層內(nèi)影響PM2.5污染擴散的重要動力因子。風(fēng)向決定著大氣中污染物的來源和輸送方向，風(fēng)速則影響PM2.5濃度的擴散稀釋快慢。

3.2.1 PM2.5污染與風(fēng)向的關(guān)系

當PM2.5濃度<100 μg/m3時，風(fēng)向以偏西風(fēng)為主，出現(xiàn)頻率為51.2%。當PM2.5濃度≥100 μg/m3時，風(fēng)向明顯向南偏轉(zhuǎn)，同時偏東風(fēng)占比明顯提高。6次典型污染過程中日最大風(fēng)速風(fēng)向是偏東風(fēng)的概率為28.6%，是西南風(fēng)的概率為42.9%。

結(jié)果表明，風(fēng)向?qū)τ诒镜貐^(qū)污染發(fā)生的貢獻主要表現(xiàn)為對污染物的輸送。偏西氣流引導(dǎo)下的空氣污染源相對較少；偏南、偏東氣流經(jīng)過地區(qū)空氣中污染物含量較高，更容易造成PM2.5濃度升高，從而形成污染。

3.2.2 PM2.5污染與風(fēng)速的關(guān)系

PM2.5日均濃度與日平均風(fēng)速、日平均10 min風(fēng)速和日最大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為-0.165、-0.206和-0.232，都呈顯著負相關(guān)，即風(fēng)速小，PM2.5的濃度高。污染發(fā)生日的平均風(fēng)速為1.6 m/s，小于日平均風(fēng)速2.4 m/s。

當風(fēng)速≤1.0 m/s時，PM2.5濃度為57 μg/m3，超標頻率為22.2%；風(fēng)速在1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5、2.5～3.0 m/s四個段內(nèi)時，PM2.5濃度分別為41、35、35、34 μg/m3，超標頻率分別為11.2%、4.6%、4.9%和4.3%；當風(fēng)速超過3 m/s后，濃度值和超標率又出現(xiàn)下降。表明風(fēng)速越小最容易形成污染，風(fēng)速越大，超標頻率會明顯降低。

分析得出，烏蘭察布地區(qū)PM2.5濃度變化隨著風(fēng)速增大而降低，在小風(fēng)速區(qū)間(0～2 m/s)，濃度對風(fēng)速敏感度高，風(fēng)速微小變化都會引起濃度較大波動；當風(fēng)速增大后，風(fēng)速對于PM2.5濃度的影響不十分明顯。

3.3 PM2.5與相對濕度的關(guān)系

相對濕度與PM2.5日均濃度存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.253。相對濕度小于30%時，PM2.5濃度為29 μg/m3，基本沒有超標日出現(xiàn)；相對濕度在30%～60%時，PM2.5濃度為35 μg/m3，超標日數(shù)明顯增加；當相對濕度在60%～90%時，PM2.5濃度值達到46 μg/m3，超標日數(shù)最多。

選取2015年12月5日-12日和18日-24日兩次典型過程進行分析。污染過程發(fā)生前相對濕度較小，5日開始升高，每日都超過60%。對應(yīng)時間段內(nèi)PM2.5濃度開始升高并接近100 μg/m3，8日和9日相對濕度都超過了80%，PM2.5濃度也達到最高值，形成中重度污染。18日相對濕度又達到并超過60%，PM2.5濃度也隨之再次升高，又形成中重度污染。25日后相對濕度低于60%，污染過程結(jié)束。

結(jié)果表明，相對濕度越大，PM2.5濃度升高越明顯，越容易形成污染。相對濕度達到60%～80%最有利于PM2.5的累積，并且持續(xù)時間越長，污染維持時間越長。

3.4 PM2.5與氣壓的關(guān)系

PM2.5日均濃度與日平均氣壓兩者間并不存在明顯相關(guān)性，但是對典型過程進行逐日分析，在污染發(fā)生之前1～3 d，日均氣壓值與PM2.5濃度存在反位向疊加關(guān)系。每次污染發(fā)生前，氣壓值相對較高，存在一個波峰區(qū)，對應(yīng)時間內(nèi)PM2.5濃度都相對較低，存在一個波谷區(qū)，這種疊加關(guān)系維持1～3 d。當污染發(fā)生時，氣壓短時間內(nèi)快速下降，之后維持穩(wěn)定，形成相對穩(wěn)定的環(huán)境場，此時間段內(nèi)PM2.5濃度會顯著增大，并出現(xiàn)一個極大峰值，從而形成污染。

4 結(jié) 語

1)PM2.5是烏蘭察布地區(qū)主要污染源之一，最易引發(fā)中重度污染。PM2.5濃度變化具有明顯季節(jié)性，11月至次年3月是濃度增大時期，其中12月和1月污染最嚴重。4月～10月基本不會發(fā)生污染。

2)高層持續(xù)穩(wěn)定的偏西氣流，地面均壓場配合近地層持續(xù)偏南氣流輸送，易使低層增溫、增濕，穩(wěn)定層結(jié)長時間保持容易導(dǎo)致污染物積累和增長。

3)西南風(fēng)或偏南風(fēng)控制下更容易導(dǎo)致PM2.5濃度升高。PM2.5濃度與風(fēng)速呈顯著負相關(guān)，PM2.5濃度對較小風(fēng)速的敏感度高，風(fēng)速微小的變化都會引起PM2.5濃度的較大波動。

4)相對濕度與PM2.5日均濃度呈顯著正相關(guān)，相對濕度達到60%～80%最有利于PM2.5的累積，并且持續(xù)時間越長，污染維持時間越長。

5)在污染過程發(fā)生前的1～3 d，PM2.5日均濃度與日平均氣壓存在反位向疊加關(guān)系。當污染過程發(fā)生時，氣壓出現(xiàn)快速下降，但持續(xù)時間很短，之后維持穩(wěn)定。