廣州PM2.5污染特征及與氣象因子的關系分析*

黃 俊 王超群 周寶琴 潘蔚娟# 王春林

(1.廣州市氣候與農業氣象中心，廣東 廣州 511430；2.廣州市氣象局，廣東 廣州 511430)

造成城市大氣污染的內因是污染物排放，外因是氣象條件。在不利氣象條件下，排放到大氣中的PM2.5不易于擴散而逐漸累積產生污染天氣，污染最直接的后果就是PM2.5的消光效應(散射和吸收)造成大氣能見度下降，影響城市正常的經濟活動和市民生活[1]。廣州作為粵港澳大灣區的核心城市，人口總量大，隨經濟快速發展、能源大量消耗，光化學煙霧、灰霾等大氣環境問題日益突出，具體表現為以PM2.5和O3為主的區域性大氣復合型污染[2-3]，其中以高濃度的PM2.5導致的低能見度事件以及氣溶膠輻射強迫對氣候變化的不確定性最受關注[4-5]。

近年來，許多學者對顆粒物污染及其氣象影響因素做了廣泛研究。天氣形勢、逆溫層結、混合層厚度、靜小風等氣象條件對PM2.5濃度具有顯著影響[6-8]。在珠三角地區，吳兌等[9]研究得出廣州地區PM2.5污染嚴重，PM2.5是造成能見度惡化的主要因素，且污染過程與區域靜小風關系密切; 高曉榮等[10]、陳歡歡等[11]研究得出珠三角區域PM2.5重污染過程主要影響天氣型為冷高壓變性出海型；FAN等[12]、吳蒙等[13]研究發現高壓反氣旋、臺風外圍下沉氣流以及海陸風易導致珠三角地區出現污染天氣;周軍芳等[14]和陳燕等[15]研究表明珠三角城市化過程導致城市風速減小、夜間逆溫增強、污染物擴散范圍變小，從而導致污染發生；王淑蘭等[16]133和胡曉宇等[17]基于CALPUFF和Models-3/CMAQ 模式研究發現珠三角城市間污染物傳輸作用比較顯著；廖志恒等[18]分析了2006—2012年珠三角地區的SO2、PM10、O3等污染物的變化特征，得出政府治理是驅動珠三角地區一次污染逐年好轉的主要因素,而政府對揮發性有機物(VOCs)排放控制相對薄弱加之氣象因子的共同作用可能是導致二次污染(尤其是O3污染)加劇的原因。

雖然對珠三角地區空氣污染狀況和變化規律已有較多研究，但近年來對廣州多年PM2.5濃度的變化規律以及與氣象因子之間相關性研究較少[19-20]。本研究基于2014—2016年廣州逐時PM2.5濃度和同期常規氣象數據，對PM2.5污染特征及與氣象因子的關系進行分析，并著重分析PM2.5濃度與能見度和相對濕度的關系，以期提高《大氣污染防治行動計劃》實施背景下，人們對廣州PM2.5污染的認識，可為進一步開展大氣污染預報及防治等提供參考。

1 數據及方法

常規氣象數據及PM2.5濃度數據來自廣州(黃埔)國家基本氣象觀測站，該站是廣州氣象觀測代表站，數據時段為2014—2016年。氣象數據主要包括逐時氣溫、氣壓、相對濕度、降水、風速、風向及能見度，所有觀測數據均為業務化運行，并經過質量控制。

PM2.5濃度觀測設備為德國GRIMM公司的EDM180型在線環境顆粒物粒徑譜儀，定期校準和維護，以保證監測數據的準確有效。按照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，對觀測期間PM2.5數據進行初步的質量控制和處理后，得到小時數據有效性為98.2%(25 839 h)。數據處理分析使用SQL Server 2012、Excel 2016、Matlab 2016、Origin 2017等軟件。

2 結果與討論

2.1 PM2.5污染等級頻率

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)中PM2.5污染等級標準，統計得出2014—2016年廣州PM2.5污染等級頻率，如表1所示?？梢钥闯?，2014—2016年PM2.5濃度等級為優的頻率高達62.43%，良的頻率為33.62%，輕度、中度、重度污染的頻率合計為3.94%。1月PM2.5污染最重，輕度、中度、重度污染頻率合計達20.16%。6—8月無輕度及以上污染，5—12月無中度及以上污染，3—12月無重度污染。

2.2 PM2.5濃度與氣象因子月變化

圖1為廣州2014—2016年PM2.5濃度逐月變化情況，可以看出，2014—2016年PM2.5質量濃度平均為32.7 μg/m3，其中2014年年均值最高，為39.3 μg/m3，超過GB 3095—2012中PM2.5年平均質量濃度的二級標準限值(35 μg/m3)，2015年年均值降低至28.2 μg/m3，相比上一年降低了28%，而2016年年均值略有反彈，至30.4 μg/m3，相比2015年增加8%?？傮w上，自2013年《大氣污染防治行動計劃》發布以來，廣州及周邊城市采取一系列大氣污染防治減排措施，有效改善了顆粒物的污染程度。

2014—2016年逐月變化特征總體上比較相似，其中夏季5—9月PM2.5濃度總體比較低，冬季比較高。冬季是我國污染事件高發的主要季節， 靜穩天氣頻發，容易形成較強的逆溫層，大氣邊界高度低，不利于PM2.5的擴散和稀釋。2014年PM2.5質量濃度最高在1月(79.4 μg/m3)，其次為3月(49.9 μg/m3)；2015年最高在2月(42.9 μg/m3)，其次為1月(42.1 μg/m3)；2016年最高在3月(46.8 μg/m3)，其次為12月(42.6 μg/m3)。2014—2016年的PM2.5質量濃度月均值最低均出現在6月，分別為24.7、16.3、17.4 μg/m3。

表1 2014—2016年PM2.5污染等級頻率分布

這種月變化差異主要和不同季節的大氣環流形勢有關，不同的主導風向、邊界層抬升和降水量產生不同的擴散、傳輸和沉降條件。此外也和人為源、自然源的季節變化以及廣州實施大氣污染防治計劃和采取污染減排措施等有關。

圖2為廣州2014—2016年PM2.5和常規氣象因子的逐月變化。由圖2可知，受氣象影響，廣州2014—2016年PM2.5逐月平均質量濃度總體上呈現“U”型變化趨勢，1月最高，為50.6 μg/m3，1—6月呈下降趨勢，到6月平均質量濃度降至最低，為19.5 μg/m3，7—12月增加；受大氣中PM2.5濃度的影響，能見度變化與PM2.5相反，能見度在6月達最高值(16.9 km)，3月最低(9.0 km)；廣州相對濕度總體比較高，介于71%～85%；氣溫介于13.6～28.6 ℃，與PM2.5濃度變化趨勢相反；風速整體變化波動不大，大多介于1.8～2.8 m/s；而氣壓變化情況則與PM2.5濃度類似，呈現“U”型結構；降水主要集中在5—8月，該時段對應的PM2.5濃度較低，其主要原因是降水通過濕沉降作用使得大氣中的PM2.5濃度降低[21]3278。

對兩組患者分別疝環充填式疝修術、平片無張力疝修術進行治療，對比兩組患者術后出現并發癥情況，結果表示觀察組切口感染2例，尿潴留0例。對照組切口感染的患者有4人，尿潴留的患者有2人，由此可以看出觀察組患者并發癥發生率明顯低于對照組患者并發癥發生率。并發癥發生率分別為6.06%（2/33）和18.18%（18/33），組間對比，差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.3 PM2.5濃度日變化

PM2.5濃度日變化如圖3所示。由圖3可知，PM2.5濃度在白天低，晚上高。8:00之后，隨著氣溫的逐漸增加，大氣湍流作用增強，且大氣邊界層高度抬升，大氣擴散能力逐漸增強，污染物濃度開始逐漸降低，在15:00達到最低值，之后又開始慢慢升高。到17:00之后，隨著邊界層高度的逐漸降低，大氣擴

圖1 2014—2016年PM2.5質量濃度逐月變化Fig.1 Monthly change of PM2.5 concentration from 2014 to 2016

圖2 2014—2016年逐月平均PM2.5質量濃度和氣象因子變化Fig.2 Monthly change of PM2.5 average mass concentration and meteorological factors from 2014 to 2016

圖3 PM2.5質量濃度日變化曲線Fig.3 Daily variation curve of PM2.5 mass concentration

表2 PM2.5與氣象因子的相關性分析1)

注：1)**表示在p<0.01下顯著相關，*表示在p<0.05下顯著相關，樣本量為25 839個。

注：靜風頻率為0.28%。圖4 不同風速和風向下的PM2.5質量濃度分布及風向玫瑰圖Fig.4 PM2.5 concentration distribution under different wind speed and direction and wind rose

散能力減弱，污染物開始逐漸積累，且正值下班高峰期，人類活動逐漸增多，污染物排放增加，加上廣州地區夜生活較為豐富，使得PM2.5濃度逐漸增加，22:00—23:00達到最大值，之后人類活動逐漸減少，PM2.5濃度在夜間呈現略微下降的趨勢。

2.4 PM2.5濃度與氣象因子的相關性

2.4.1 PM2.5濃度與各氣象因子的相關性分析

逐時PM2.5濃度與各氣象因子之間的相關性分析結果如表2所示?？梢钥闯?，PM2.5濃度與風速、降水、氣溫、能見度呈顯著或極顯著負相關，與相對濕度、氣壓呈顯著或極顯著正相關。PM2.5濃度與能見度的相關系數為-0.54，表明隨著污染物濃度的增加，能見度逐漸下降，PM2.5濃度對能見度的影響主要歸因于大氣中顆粒物對光的散射和吸收；PM2.5與氣溫呈負相關，與氣壓正相關，其主要原因是污染天氣主要發生在冬春氣溫比較低的季節，大氣比較穩定，易形成逆溫層[22]，不利于污染物的擴散；PM2.5與風速呈負相關，主要是風速是污染物擴散的主要動力因子，風速越大，越有利于污染物的擴散和稀釋；PM2.5與降水呈負相關，相關研究表明，降水產生濕清除作用，是大氣中氣溶膠粒子的主要清除機制，許建明等[21]3271對上海地區研究表明，降雨日的PM2.5濃度比非降雨日平均低約30%，在污染季節降低更加顯著(約低50%)；PM2.5與相對濕度呈正相關，高相對濕度下會使得PM2.5吸濕增長，易造成其濃度升高加重污染[23-24]，本研究在后面章節中繼續討論PM2.5、相對濕度和能見度的相關性。

2.4.2 風向、風速對PM2.5濃度的影響

水平風是影響局地空氣質量最重要的氣象條件，它會同時產生擴散和輸送兩種效應[25-26]。圖4為2014—2016年不同風速和風向下的PM2.5濃度分布和風向玫瑰圖?？梢钥闯觯瑥V州常年主導風向為北風，0～<3 m/s北風約占20%，其次為3～<6 m/s，占10%，風速基本在6 m/s以內。污染比較重的風速和風向主要為0～<2 m/s的偏北風，主要表現為本地污染物無法有效擴散而積累出現污染，6 m/s的西北偏北風及西南風也會使得PM2.5濃度偏高，可能是由于外地污染物的輸送導致本地出現污染。

進一步統計2014—2016年不同風向和靜風條件下的PM2.5平均濃度，如表3所示?？梢钥闯?，2014—2015年，在北風和靜風條件下PM2.5濃度最高，而2016年在東風條件下濃度最高；2014—2016年均是在南風條件下濃度最低。廣州地區偏南風主要是在夏季，夏季大氣擴散條件較好，有利于污染物的擴散，此外來自海上的空氣所攜帶的污染物濃度總體也較低；當風向逐漸向北偏轉時，特別是在偏北風的影響下，此時在冬春季節,時常出現靜穩天氣，大氣擴散條件較差，污染物容易發生積累使得濃度升高。此外廣州周邊城市排放的污染物可能會輸送至廣州地區[16]136，在不利擴散的天氣條件下更容易出現污染過程。

顆粒物對能見度的影響主要與顆粒物的質量濃度、粒徑譜分布、化學組分、吸濕特性、黑碳及其混合狀態、顆粒物的形狀等有關[27]45，尤其PM2.5對大氣能見度的影響更顯著。

在不同相對濕度情況下，對PM2.5和能見度進行冪函數擬合分析，如表4所示?？梢钥闯觯芤姸群蚉M2.5濃度為非線性關系，當70%<相對濕度≤80%時，PM2.5與能見度的相關性最好，這與陳義珍等[28]和張芷言等[29]得出結論一致，此時PM2.5對能見度的影響主要是PM2.5的吸濕作用造成能見度下降；當相對濕度>90%時，相關系數顯著降低；相對濕度>95%時擬合的相關系數為0.47，此時相對濕度對能見度降低的貢獻顯著高于PM2.5對能見度的貢獻，其主要原因是高濕條件下，隨顆粒物吸濕增長，氣溶膠的消光效應隨相對濕度呈指數增長，能見度的惡化主要是由相對濕度的增長所決定[27]48。

由于能見度與PM2.5濃度呈冪函數關系，一定相對濕度條件，當PM2.5低于某閾值時，能見度隨PM2.5濃度降低而迅速升高，而當PM2.5高于該濃度閾值時，能見度隨PM2.5濃度增加不明顯。不考慮相對濕度的情況下，當能見度為10 km(灰霾天氣)，統計得到PM2.5質量濃度敏感閾值為37.3 μg/m3；而在不同相對濕度情況下，能見度為10 km對應的PM2.5濃度閾值不同，隨著相對濕度的增加，PM2.5濃度閾值不斷減小 (見表4)。

圖5為不同相對濕度、PM2.5濃度區間下的能見度均值分布，PM2.5濃度和相對濕度增大，能見度逐漸下降，且等值線斜率逐漸增大。等值線斜率越大，表明能見度受相對濕度影響越大，受PM2.5濃度影響越小。低能見度主要分布在高相對濕度和高PM2.5濃度的區域(右上角)，高能見度分布在低相對濕度和低濃度區域，可見高相對濕度的污染天氣造成的能見度惡化程度遠大于低相對濕度下的污染天氣。當能見度>10 km時，等值線斜率較小，PM2.5濃度是影響能見度的關鍵因子，能見度隨PM2.5濃度的升高而降低，而受相對濕度的影響不大；當能見度<10 km，相對濕度>90%時，斜率明顯增加，此時能見度主要受相對濕度的增加而迅速降低，這與華北[30]4935及華中地區[31]的研究結論一致。

表3 不同風向和靜風條件下的PM2.5平均質量濃度

表4 不同相對濕度區間能見度與PM2.5質量濃度之間的關系1)

注：1)y為能見度，km；x為PM2.5質量濃度，μg/m3。

注：等值線上數字為能見度，單位km。圖5 不同相對濕度和PM2.5濃度下的能見度分布Fig.5 Distribution of visibility under different relative humidity and PM2.5 concentration

綜上所述，PM2.5濃度與相對濕度共同影響和制約廣州大氣能見度的變化，相對濕度較低的情景下，PM2.5濃度升高是影響能見度降低的關鍵因素，相對濕度比較高的情景下，相對濕度增大造成的顆粒物粒徑吸濕增長所引起的強烈消光作用是廣州能見度惡化的主要原因[30]4947。廣州地區在一般情況下，當PM2.5質量濃度高于37.3 μg/m3時，控制PM2.5對改善城市能見度成效相對緩慢，而當PM2.5濃度低于此閾值時，降低PM2.5將顯著提高大氣能見度。

3 結 論

(1) 2014—2016年廣州PM2.5平均質量濃度為32.7 μg/m3，1月PM2.5污染最重，輕度、中度、重度污染頻率合計達20.16%。6—8月無輕度及以上污染，5—12月無中度及以上污染，3—12月無重度污染。PM2.5濃度日變化特征白天時段低(15：00最低)，晚上時段高(22:00—23:00最高)。

(2) PM2.5濃度與風向、降水、氣溫、能見度呈負相關關系，與相對濕度、氣壓呈正相關關系。廣州地區在南風的條件下PM2.5濃度最低，0～<2 m/s的偏北風容易造成污染。

(3) PM2.5濃度與相對濕度共同影響和制約廣州大氣能見度的變化。隨著相對濕度的增加，PM2.5濃度的敏感閾值不斷減小，一般情況下，廣州PM2.5高于37.3 μg/m3時，控制PM2.5對改善城市能見度成效相對緩慢，而當PM2.5濃度低于此閾值時，降低PM2.5將顯著提高大氣能見度。