丹東市大氣顆粒物質量濃度變化特征及其與氣象要素的關系

范佳文，譚麗靜，王文武，樊希彬，單璐璐，馬云龍

(1.丹東市人工影響天氣辦公室，遼寧丹東 118000；2.丹東市氣象局，遼寧丹東 118000)

隨著大氣污染防治工作的推進，我國大氣顆粒物污染問題有所減輕，但大氣顆粒物污染依舊影響著絕大多數城市，對人民的身體健康和日常生活造成一定影響[1-2]。近年來關于大氣顆粒物的研究主要集中在京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等經濟發達地區[3-5]，而遼寧地區大氣顆粒物的研究則多集中于以重工業為主的遼寧中部城市群[6-8]。丹東市位于遼寧省東南部，是著名的旅游城市，良好的空氣質量對發展旅游業十分重要。少數學者[9-11]對丹東大氣顆粒物污染的特征、來源和危害，與能見度的關系等方面進行了一定研究，但研究資料有限，缺乏年際變化特征分析。此外，有不少研究對大氣顆粒物質量濃度與氣象要素的關系進行了一定的探討[8，12-14]，但針對丹東地區的相關研究仍處于空白。本文通過分析丹東市大氣顆粒物質量濃度的時間變化特征及其與氣象要素的關系，為今后丹東市持續改善空氣質量提供一定理論依據。

1 資料與方法

所使用的氣象資料為2008—2017年逐日地面氣象觀測資料，來自丹東國家基本氣象站；所使用的2008—2017年大氣顆粒物質量濃度資料來自丹東中韓沙塵暴監測站，觀測儀器為GRIMM180顆粒物監測儀，原始數據資料為5 min間隔的PM10、PM2.5、PM1質量濃度觀測數據，原始數據資料經過篩選，去除儀器異?；驒z修造成的異?；虿豢捎玫牟糠謹祿?，剩余數據資料通過算術平均轉換為日均值數據，以供進一步統計分析。

大氣顆粒物質量濃度限值的分級標準參照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)[15]，具體見表1。

根據東北氣候特征，定義春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月；汛期為6—9月，非汛期為10月—次年5月；供暖期為11月—次年3月，非供暖期為4—10月。

表1 大氣顆粒物質量濃度限值

2 大氣顆粒物質量濃度時間變化特征

2.1 年際變化

由圖1可得，2008—2017年丹東市大氣顆粒物質量濃度年際變化具有一定的波動性，PM10質量濃度最高值出現在2009年，為88.4 μg/m3，PM2.5和PM1質量濃度最高值均出現在2015年，分別為60.4、54.4 μg/m3；PM10質量濃度次高值出現在2015年，PM2.5和PM1次高值出現在2009年；PM10、PM2.5、PM1質量濃度最低值均出現在2017年，分別為52.4、33.3、29.7 μg/m3。2008—2017年PM2.5與PM10質量濃度比值(以下簡寫為PM2.5/PM10)的平均值為67.1%，說明丹東市大氣顆粒物中細顆粒物比例較大；PM2.5/PM10最高值、最低值分別出現在2008、2010年，分別為74.9%、53.1%。此外，2015—2017年大氣顆粒物質量濃度持續降低，PM2.5/PM10也同步降低，與2015年相比，2017年PM10、PM2.5、PM1質量濃度分別下降了33.0、27.1、24.7 μg/m3，降幅分別為38.6%、44.9%、45.4%。

圖1 2008—2017年丹東市大氣顆粒物質量濃度年際變化

根據表1中年均質量濃度限值，2009、2010、2013、2015年PM10年均質量濃度超標，其余年份均達到二級標準；2017年PM2.5年均質量濃度達到二級標準，其余年份均超標。2015—2017年丹東市大氣顆粒物年均質量濃度達標情況逐年改善。

由表2可得出， 2008—2017年PM10、PM2.5達到一級標準平均日數分別為117、128 d，除2008、2014年外，其余年份PM10達到一級標準日數均少于PM2.5。2015年PM10、PM2.5達到一級標準日數最少，分別為47、57 d，2009年、2013年較少，且這3年PM2.5超標日數最多。2015—2017年PM10、PM2.5達到一級標準日數持續增加，2017年達到最大值，分別為192、215 d，且相比2015年，PM10、PM2.5達到一級標準日數分別增加了145、158 d，增幅分別為309%、277%。

從達標率(指達到二級標準及以上的日數占全年統計日數的比率)來看，2008—2017年PM10、PM2.5平均達標率分別為96.5%、 88%，除2010年外，其余年份PM10達標率均高于PM2.5。PM10達標率最高、最低年份分別是2008年和2010年，PM2.5達標率最高、最低年份分別是2017年和2015年。2015—2017年PM10、PM2.5達標率均呈上升趨勢。

綜上所述，2009、2013、2015年丹東市大氣顆粒物污染情況較為嚴重，2015—2017年污染狀況持續改善，其主要原因在于，自2015年起丹東市政府逐步加強大氣環境整治力度，實施燃煤鍋爐淘汰、加強重點工業源監管、加強秸稈禁燒管控、機動車污染防控等多項舉措。此外，2008—2017年丹東市PM10質量濃度與PM2.5相比，總體上達標情況更好，但達到一級標準日數略少。

2.2 月、季變化

由圖2、圖3(第23頁)可見：丹東市大氣顆粒物質量濃度具有明顯的月和季節變化特征。大氣顆粒物質量濃度1月和12月最高，7月最低；冬季最高，夏季最低，春季和秋季基本持平；非汛期顯著高于汛期；供暖期顯著高于非供暖期。另外，PM2.5/PM10也具有一定的季節特征，主要表現為夏季最高，春季最低，汛期顯著高于非汛期。上述特征的主要原因可能是汛期(含夏季)降水多，對大氣顆粒物尤其是粗顆粒物有較好地清除作用，而供暖期(含冬季)煤炭消耗量增加，排放的煙塵等污染物直接導致大氣顆粒物濃度整體顯著增加[16]。

表2 2008—2017年丹東市大氣顆粒物質量濃度達標情況

圖2 2008—2017年丹東市大氣顆粒物平均質量濃度月變化

由表3可得，全年各月PM10、PM2.5達到一級標準日數總體先升后降，最多均在7月，分別為177、165 d，最少均在1月，分別為50、55 d；PM10、PM2.5達到二級標準日數總體先降后升，最多分別出現在1月和12月，為227、173 d，最少均在7月，分別為67、74 d；PM10、PM2.5超標日數最多分別在1月和12月，為24、78 d，PM10超標日數最少在6、7月，均為0 d，PM2.5超標日數最少、次少分別出現在6、7月。上述分析進一步說明丹東市大氣顆粒物質量濃度總體狀況7月最優，12月—次年1月最差。

3 非汛期大氣顆粒物質量濃度超標與達標時期的氣象條件對比

從表3可以看出PM10、PM2.5超標日主要集中在非汛期，考慮到汛期超標日數較少，統計意義不大，故僅將非汛期內大氣顆粒物質量濃度超標時期氣象條件與達標時期的同類氣象條件進行對比。由表4可得，非汛期PM10超標日與達標日相比，日均氣溫降低了3 ℃，日均降水量減少了0.5 mm，地面10 m日均風速減小了0.3 m/s，日均最小水平能見度減小了2 268 m；非汛期PM2.5超標日與達標日相比，日均氣溫降低了2.8 ℃，日均相對濕度增加了9.7%，日均降水量減少了1.0 mm，日均風速減小了0.9 m/s，日均最小水平能見度減小了3 988 m。分析表明，非汛期大氣顆粒物超標日與達標日相比，日均氣溫和最小水平能見度明顯偏低，日均降水量偏少、風速偏小。這是因為：氣溫偏低時，氣層相對穩定，不利于顆粒物的稀釋擴散，導致顆粒物積累質量濃度上升而超標；降水偏少，其對顆粒物的清除作用降低；風是大氣污染物擴散的主要動力，風速偏小時，同樣不利于顆粒物擴散；而超標日顆粒物質量濃度較高，其產生的消光效應加劇，導致能見度偏低。此外，非汛期PM2.5超標日與達標日相比，相對濕度明顯偏高，這是由于相對濕度高時，空氣中水汽充足，水汽易吸附細顆粒物從而導致其質量濃度升高。

圖3 丹東市大氣顆粒物四季(a)、特定時期(b)質量濃度對比及不同時期PM2.5/PM10(c)變化特征

表3 2008—2017年丹東市逐月大氣顆粒物質量濃度達標情況

表4 2008—2017年丹東市非汛期大氣顆粒物質量濃度超標與達標時期氣象要素日均統計值

4 大氣顆粒物質量濃度與氣象要素的相關性分析

由表5可知，非汛期PM2.5、PM1質量濃度與相對濕度呈顯著正相關，相關系數分別為0.267，0.297；與風速呈顯著負相關，相關系數分別為-0.409，-0.436。非汛期氣溫、相對濕度、降水、風速與PM2.5、PM1質量濃度的相關性均明顯好于PM10。表明非汛期氣溫、相對濕度、降水、風速對細顆粒物質量濃度影響更顯著，且粒徑越小越顯著。其中相對濕度、風速對細顆粒物質量濃度影響尤為顯著，反映出非汛期內與氣溫相關的動力擴散作用和降水的清除作用對顆粒物質量濃度影響較小，而空氣中水汽對顆粒物的吸附作用和風的擴散作用對顆粒物尤其是細顆粒物質量濃度影響較大。

表5 丹東市不同時期大氣顆粒物質量濃度與氣象要素的相關系數

注：**為通過α=0.01的顯著性檢驗(雙尾)；*為通過α=0.05顯著性檢驗(雙尾)。

汛期PM2.5、PM1質量濃度與風速呈顯著負相關，相關性明顯好于PM10，說明汛期風速對細顆粒物質量濃度影響更顯著。汛期PM10質量濃度與降水量的負相關性好于PM2.5、PM1，說明汛期降水對粗顆粒物的清除作用更強，也進一步解釋了汛期PM2.5/PM10高于非汛期的特征。

從四季來看，春季、秋季大氣顆粒物質量濃度與氣溫、降水量、風速均呈不同程度負相關，其中PM2.5、PM1質量濃度與風速的相關性最為顯著，相關系數春季分別為-0.315，-0.357，秋季分別為-0.338，-0.333，說明春、秋兩季風的擴散作用對細顆粒物質量濃度影響十分顯著。冬季大氣顆粒物質量濃度與相對濕度呈顯著正相關，與風速呈顯著負相關，其中PM2.5、PM1質量濃度與相對濕度(相關系數分別為0.464、0.503)、風速(相關系數分別為-0.523、-0.572)的相關性最好，說明冬季與氣溫相關的動力擴散作用和降水的清除作用對顆粒物質量濃度影響較小，而空氣中水汽對顆粒物的吸附作用和風的擴散作用對顆粒物尤其是細顆粒物質量濃度影響較大。此外，春季PM10質量濃度與降水量的相關性小于PM2.5，說明春季降水對PM2.5的清除作用強于PM10，夏季則相反，這也進一步解釋了PM2.5/PM10春季低、夏季高的特征。

5 結論

(1) 2008—2017年丹東市大氣顆粒物質量濃度年際變化具有一定的波動性，2009、2013、2015年丹東市大氣顆粒物污染情況較為嚴重，2015—2017年丹東市大氣顆粒物污染狀況持續改善；PM10質量濃度與PM2.5相比，總體上達標情況更好，但達到一級標準日數略少。

(2)丹東市大氣顆粒物質量濃度具有明顯的月和季節變化特征，1月和12月最高，7月最低；冬季最高，夏季最低；非汛期顯著高于汛期；供暖期顯著高于非供暖期。另外，PM2.5/PM10也具有一定的季節特征，主要表現為夏季最高、春季最低，汛期顯著高于非汛期。

(3)非汛期PM10、PM2.5超標日與達標日相比，氣象條件有一定差異，主要表現為氣溫和能見度偏低，降水偏少，風速偏小。

(4)非汛期PM2.5、PM1質量濃度與相對濕度呈顯著正相關，與風速呈顯著負相關，且氣溫、相對濕度、降水、風速與PM2.5、PM1質量濃度的相關性均明顯好于PM10；汛期PM2.5、PM1質量濃度與風速呈顯著負相關。春、秋、冬季PM2.5、PM1質量濃度與風速的負相關性最顯著，此外冬季PM2.5、PM1質量濃度與相對濕度的正相關性也十分顯著。