開遠市顆粒物濃度變化與氣象條件的關系探討

(開遠市生態環境執法監測站,云南 開遠 661600)

由于人類的生產活動、城市化和工業化的迅速增加，環境中的懸浮顆粒物質(顆粒物)濃度不斷增加，導致城市面臨嚴重的空氣質量問題，危害人類健康。近幾年，常住人口的不斷增加，能源消耗的持續加大，機動車數量和行駛里程的增加，給開遠的環境質量和生態環境帶來了巨大的壓力。對開遠市環境空氣狀況進行監測有著重要的意義。本文基于2010—2018年空氣自動監測數據和氣象數據，對開遠地區空氣顆粒物污染和氣象條件關系進行研究。

1 研究內容

(1)利用開遠市2010年1月1日—2018年12月31日的市政府站點和自來水公司站點的小時監測數據，分析開遠地區空氣顆粒物質量濃度的日、月和季節變化規律；通過監測點污染物質量濃度的差異，分析其空間分布。

(2)利用開遠地區2010—2018年空氣顆粒物的實測日均值、對應降雨時間和濕度的分析資料，分析氣象要素和空氣顆粒物之間的關系及季節性變化。

2 顆粒物與氣象條件的關系

2.1顆粒物質量濃度日變化

開遠市政府站點的顆粒物質量濃度的日變化呈“雙峰型”；總體表現為城區顆粒物濃度日變化趨勢比郊區劇烈，濃度比郊區高。這是因為當溫度升高時，空氣垂直對流加強，促進顆粒物質隨空氣運動向上輸送，地面濃度降低；反之，顆粒物濃度增加。城區下墊面基本為水泥和柏油路面，具有極好的導熱率和極小的熱容量，其熱效應要比植被下面是土壤的郊區變化大，在一天之內不同時間段受到的太陽輻射不同，溫度上升和下降的幅度不同，加上城區人口多、車流量大，污染物排放嚴重，引起城區地面顆粒物濃度曲線的上下變化。而郊區由于植被覆蓋率高，污染物排放少，濃度變化要平緩一些。

因夜間地面輻射降溫，形成穩定的邊界層，污染物難以擴散出去，故整個夜間的顆粒物濃度下降不多。到日出前后，隨著邊界層高度的緩慢抬升，以及前期污染物的沉降和擴散，在凌晨2∶00左右形成一個弱的谷值，降低到一天中最小值。其主要原因是空氣中顆粒比重比空氣大，不易在空中長久停留，加上夜間空氣趨于穩定，更利于其沉降。隨后由于早高峰期機動車排放迅速增加，顆粒物上升并在9∶00左右形成弱的峰值。上午的峰值是由于上下班高峰期機動車排放量增加，經過由排放源到顆粒物的轉化過程，在上午10∶00前后達到峰值。其后，氣溫逐步升高，穩定的邊界層被破壞，形成對流邊界層，污染物的擴散增強，顆粒物質量濃度逐漸下降。隨著下午下班，機動車活動開始，顆粒物濃度再次迅速上升，并在傍晚20∶00左右形成一個峰值，直到第二天凌晨。圖1是2016年某天的顆粒物濃度值曲線，具有一定的代表性。

不同季節顆粒物濃度日變化也有所不同，開遠顆粒物質量濃度的季節性日變化如下：春季(3—5月)和冬季(12月—次年2月)顆粒物濃度日變化波動較大，夏季(6—8月)和秋季(9—11月)平緩。主要是因為夏秋季節多雨水，空氣易被沖刷，同時邊界層高，對流強烈，污染物得以清除，尤其在早晚機動車排放高峰期階段，因此，變化曲線較為平緩。

從監測數據可看出，夏季、秋季的曲線變化趨于一致，但冬季的曲線變化在上午10∶00左右最高。主要是因為上午為機動車活動高峰期易將市區內道路灰塵和工業粉塵等粗粒子攜卷到空中，污染物排放嚴重，其中的大直徑顆粒物也被排放到空中，所以導致春季中午達到較高的濃度。冬季顆粒物濃度表現為上午高于下午，而其他季節濃度日變化曲線為對稱分布，這是由于原本冬季污染源排放高，再加上溫度低，濕度小，逆溫層厚，使得污染物濃度從晚上就開始持續積累，一直延續到中午，直到下午，溫度升高，逆溫層被破壞，才使得污染物得到擴散。

2.2 顆粒物濃度比值在季節性上的變化

開遠市內監測點的比值各季節有所不同。夏季比值最低，冬季比值最高，這是因為：夏季雨水對細粒子的沖刷貢獻要比粗粒子大，同時由于夏季也存在著二次轉化形成，而冬季采暖，大量煤炭燃燒釋放，加上空氣流通不暢，逆溫層穩定，污染物堆積，使得比值偏高。其次是春秋季，春季風大使得大量粗粒子進入開遠市區，濃度增大，相對比值降低；秋季，空氣粒子光化學轉化和吸濕增長，使得濃度也增加。

從開遠市監測點和濃度關于季節性的變化可以看出，各顆粒物濃度呈明顯的季節性變化，濃度值冬季最高，其次是春季，然后是秋季，夏季最低。顆粒物較大的季節性差異主要在于，夏季較高的相對濕度和溫度使得顆粒物二次轉化和吸濕增長，加上日照強烈，氣體污染物在紫外線照射下很容易發生化學反應轉化成二次粒子，使得夏季濃度異常升高。秋季，在空氣氧化性條件下，易發生光化學煙霧，氣態粒子也會發生二次轉化，使低層顆粒物濃度增加。

2.3 氣象要素與顆粒物的季節性相關分析

開遠市氣象要素對污染物質量濃度有顯著的影響。當地面受低壓控制時，低層氣旋，四周空氣流向中心，高層為反氣旋，氣團由中心向四周輻散，從而在垂直方向上，形成由下而上的垂直輸送，利于污染物隨空氣向上擴散，使近地面顆粒物濃度下降；相反，若地面受高壓控制，中心部位出現下沉氣流，抑制污染物向上擴散，污染物積累，顆粒物濃度增加。風速增大，會加快顆粒物的擴散和遷移，同時不同季節的主導風向會帶來清潔程度不同的干濕空氣，對顆粒物濃度的變化產生較大影響。

由于污染物是在干空氣狀態下測得的實測資料，所以與相對濕度直接相關性不大。相對濕度與其他要素呈弱的相關性，說明其與其他要素之間的影響不大。溫度與氣壓存在負相關，與邊界層高度正相關，說明當溫度升高時，會影響氣壓降低，邊界層升高；當溫度降低時，氣壓升高，邊界層降低，與現實情況一致。溫度與風速有弱的相關系數，說明二者之間無太大影響。風速與邊界層高度呈正相關，當邊界層升高時，空氣對流活動加強，從而使風速增大。氣壓與邊界層高度呈負相關，這可能是因為：當邊界層升高時，空氣向上擴散，致使單位氣柱內空氣重量減少，地面氣壓下降。

春季，氣壓、邊界層高度和風速呈負相關，與溫度呈正相關。溫度和氣壓呈顯著負相關。主要是因為開遠春季冷、暖空氣活動頻繁，常有氣旋與冷氣，易形成地面高、低壓交替和控制，形成不同的天氣形勢，造成污染物濃度的變化。冷空氣過境前受高壓支配，污染物來源主要受本地區排放影響。冷氣過境后，高壓減弱，地面轉為低壓控制，氣溫上升，同時受冷空氣后大風天氣影響，大量地面揚塵和沙塵隨空氣向下游輸送，從沿途灰塵帶來沙塵粒子向開遠城區輸送, 使得開遠市空氣顆粒物質量濃度升高很快。隨著冷空氣離開開遠，氣壓逐漸升高，當地面受高壓控制時，近地面層處于穩定狀態，溫度下降，邊界層高度下降，空氣垂直擴散能力減弱，同時風力減少，污染物很難遷移、擴散。在這種天氣背景下風速對粗粒子質量濃度的影響要比細粒子顯著。當風速增加時，有效地破壞了穩定的天氣系統，粗粒子輸送、遷移和沉降的效果要比細粒子顯著，所以風速對濃度的影響要大，相關性更好。

夏季是個高溫高濕的季節，在充足的降雨量下，污染物得到沖刷和沉降；同時邊界層在夏季上升，空氣層結不穩定，垂直對流活動強，利于污染物隨空氣層擴散。當風速增加時，也利于污染物的擴散。

夏季和秋季高濕度條件下, 風速增大、 粗粒子吸濕后的輸送、遷移和沉降的效果要比細粒子顯著,其質量濃度下降更快；而風速小，相對濕度大時,粗粒子比細粒子更容易持續積累,使其質量濃度上升更快。

冬季氣象因素對粗粒子質量濃度的影響要比細粒子的影響明顯。這是因為，冬季一旦發生相對濕度增大、風速減小和逆溫層加厚等不利氣象條件，粗細粒子都會發生持續累積，質量濃度均升高。當氣象條件轉好，利于顆粒物沉降或擴散時，粗粒子比細粒子更易去除，其輸送遷移和沉降的效果均好于細粒子，因此質量濃度下降程度比細粒子的顯著，所以粗粒子質量濃度對相應溫濕度的響應較好。

3 結論

3.1 顆粒物質量濃度日變化時空分布特征

開遠市顆粒物濃度的日變化空間分布差異大，東城區顆粒物變化趨勢平緩；西城區濃度高，變化較為劇烈。

晚上顆粒物濃度大于白天。白天受溫度影響，在上午10∶00左右形成峰值。上午隨著早高峰期機動車排放的增加，顆粒物濃度會迅速上升。受盆地山谷環流影響，在夜間顆粒物濃度會呈下降趨勢，在傍晚20∶00左右形成第二個次峰值呈現“雙峰型”。

開遠市顆粒物濃度日變化具有明顯的季節性分布。總體表現為春季和冬季(12月—次年3月)顆粒物濃度日變化波動較大，夏季和秋季較為平緩(5—10月)。

3.2 顆粒物質量濃度空間分布特征

顆粒物存在顯著的空間差異，低值分布在東城區，高值分布在西城區。

3.3 顆粒物濃度值在季節上的分布特征

開遠市顆粒物濃度值季節性變化顯著。夏季濃度值最低，秋季其次，春季高，冬季濃度值最高。

3.4 氣象要素與顆粒物相關性的季節分析

氣象要素與顆粒物的相關性在各季節有顯著差異。春冬季節，只與溫度呈正相關，但是冬季的相關性比春季好。相比與風速的相關性，風速對顆粒物的影響要大得多。夏季，顆粒物質量濃度與邊界層高度和風速、濕度有顯著負相關性(就是指刮風時空氣流動，空氣濕潤時空氣質量會好些)。秋季，顆粒物質量濃度與氣壓、邊界層高度和風速、濕度呈顯著負相關。

氣象要素對不同顆粒物影響程度也不同。夏季、秋季，氣象要素的相關性比較好；春季、冬季由于下霧濕度高，會產生全年顆粒物濃度最高值。6年來，年度顆粒物最大值基本都是下霧天氣時出現的，由于水氣像降落傘一樣把空氣中的顆粒物懸浮固定在空中不沉降，造成下霧時空氣污染比不下霧時高很多，所以冬季下霧時最好減少外出活動時間。而下雨時相當于大自然做了一次大型空氣凈化，雨水會把空氣洗刷干凈，下雨時空氣質量會好很多。