影響污染物濃度的氣象條件

董群，肖王星，俞科愛*，張晶晶

(1.北侖區氣象局，浙江 寧波 315826； 2.寧波市氣象臺，浙江 寧波 315000)

隨著社會經濟的快速發展，空氣質量問題日益嚴重，空氣污染問題已呈現出明顯的區域化特征，經濟發展、地形地貌、氣候條件對城市空氣質量產生重要的影響[1-2]。

北侖區位于浙江省東部的寧波市境東部。作為一個臨港大工業基地，北侖區集中了包括北侖電廠、寧波鋼鐵廠、臺塑化工、吉利汽車、申洲織造公司等在內的眾多大型企業，這些大型企業對北侖的環境空氣影響究竟如何已經成為北侖區政府和老百姓關注的焦點，是北侖區進一步打造適合移居城市的必要參數之一，更是招商引資所必須要控制的重要因素[3-6]。同時，北侖區農業經濟發展也是極為重要，其中柴橋街道更有“杜鵑之鄉”的美譽。大氣污染對農業生態環境的影響和危害需要特別關注，更是已成為工業“三廢”之首。各種形式的大氣污染達到一定程度時，會直接影響農作物、果樹、蔬菜、飼料作物、綠化作物的正常生長，畜禽因攝入含污染物過多的飼料后致病或死亡，導致農業生產的經濟損失。大氣污染物進入農業環境后，不僅直接影響農業生產，而且進入農用水域、土壤的污染物又間接危害植物、動物及微生物的生長[7-8]。因此，有必要對PM2.5、NO2、SO2等污染物進行分析研究。

本文通過深入分析2015—2018年度北侖區域內的區環保大樓環境空氣自動站的監測數據，對北侖區的環境空氣質量特征進行了系統的研究，且將其與寧波市的環境空氣質量特征進行了對比分析，并對影響其濃度的氣象條件進行分析，以更好地把握其發展趨勢，為治理環境、推動農業提出合理化的參考和建議。

1 材料與方法

1.1 材料

研究所用的環境數據為2015—2018年寧波市8個國標站的逐時PM2.5、NO2、SO2濃度數據，其中，用北侖區環保大樓的環境監測數據來分析北侖區的污染物濃度特征。研究所用的2015—2018年的溫度、相對濕度、風向風速等氣象數據均來自己質控過的北侖國家一般氣象站、鄞州國家一般氣象站和鎮海國家一般氣象站數據庫，數據為逐小時觀測數據。

1.2 方法

本文主要的計算方法為算術平均數，又稱均值，是統計學中最基本、最常用的一種指標，主要適用于數值型數據。

2 結果與分析

2.1 北侖區空氣質量

由圖1可知，2015—2018年北侖區SO2、NO2、PM2.5濃度整體呈下降趨勢，但波動較大，年平均濃度分別為12.8、42.4、36.3 μg·m-3。污染物濃度具有明顯時間變化特征，夏季最低，秋季略高，春冬季最高。就平均值而言，1月的SO2濃度最高，為17.0 μg·m-3；8月最低，為8.4 μg·m-3。12月NO2和PM2.5濃度達到最高，分別為59.0、55.9 μg·m-3；8月降至最低，分別為22.3、22.9 μg·m-3。3類污染物濃度日變化各不相同，其中NO2變幅明顯大于PM2.5，具體為SO2單峰單谷型，先升后降，峰值出現在中午12：00，谷值在24：00；NO2和PM2.5為雙峰雙谷型，峰值出現在9：00—11：00、20：00—22：00，谷值在3：00—5：00、16：00。

圖1 2015—2018年北侖區三類污染物濃度年、季、日的變化趨勢

2.2 與寧波市區污染物濃度對比

北侖區與寧波市三類污染物濃度基本呈相同變化特征，即年變化呈整體下降的趨勢是一致的，但北侖區波動略大，SO2、NO2比寧波市偏高0.3、3.0 μg·m-3，PM2.5比寧波市偏低5.1 μg·m-3。季節變化趨勢對比(圖2)表明，兩地均表現為夏秋季濃度較低、春冬季較高，但北侖區SO2、NO2濃度偏高主要出現在上半年，尤其是春季。寧波市區PM2.5濃度偏高則在秋冬季，12月最高。兩地的三類污染物濃度日變化基本一致。

圖2 2015—2018年北侖區與寧波市三類污染物濃度差值的月分布

2.3 氣象條件對污染物濃度的影響

在一個地區排放源相對穩定的情況下，氣象條件對環境空氣質量狀況起主導作用[9-11]。如圖1、3所示，北侖區溫度季節分布與三類污染物分布正好相反，即夏季溫度最高時三類污染物含量最低，秋季增加，春天的含量繼續增高，而冬天溫度最低時其含量最高。一日中的溫度最低值出現在5：00，最高值出現在13：00，可見SO2濃度分布與溫度分布略接近，而NO2和PM2.5的濃度分布與溫度分布略相反。SO2濃度日變化趨勢與相對濕度幾乎相反，即濃度高(低)值時，濕度較低(高)；NO2和PM2.5濃度則與相對濕度幾乎一致，濃度最低值出現的時刻也是相對濕度較低。風速具有白天大、夜間小的較明顯日變化特征，即早上5：00風速最小，隨后逐漸增大，至14：00達到最大，隨后風速又逐漸減小。由此可見，SO2濃度變化趨勢與風速變化一致，NO2和PM2.5則相反。

圖3 2015—2018年北侖區溫度、相對濕度、風速的日變化

以易出現污染天氣的冬季為例，小時整點AQI>150、AQI≤50分別代表污染空氣和清潔空氣。由圖4可見，污染空氣的風向主要來自第四象限，其中，西北偏西風、西風頻率最高，占污染空氣41.9%，此兩類風向的平均AQI為203；清潔空氣的風向離散性比較大，特別是第一、二象限風向明顯增多。

圖4 2015—2018年北侖清潔空氣(左)與污染空氣(右)的風頻、風速、AQI

北侖以南的海上來風能明顯改善北侖區空氣質量。值得關注的是，東北偏北風向雖然頻率不高，僅2.4%，但這類風向的AQI有時是最大，平均達210，有時卻是AQI最小，僅28，需要進一步分析研究。

運用徐大海、俎鐵林等[12]提出的含靜風效應的污染系數α計算方法，即：

α=16fi/ui+4f0/3。

其中，fi為各風向出現頻率、f0為靜風頻率、ui為各風向的平均風速。

由圖5可見，NNE和NE方位的大氣污染系數最小為0.42，SSE方位的最大為1.08，四方位滑動累積最小值所在方位是最小污染方位，說明原點的源對此方位內污染最輕，最小污染方位下風方位為最輕污染范圍。

圖5 北侖區大氣污染系數的風向

統計表明，北侖區四方位滑動累積最小方位是NNW～NE，累積值為1.8，最大值的方位是SSE～SW，累積值為3.52，即來自西南偏南方位的風向對北侖區大氣污染最小，偏北到東北方位污染最大。

3 小結

北侖區PM2.5、NO2、SO2濃度呈逐年下降趨勢，環境狀況日益改善。污染物濃度具有較明顯的時間特征。一是夏季較低，秋季次之，冬春季較高的季節特征。其中1、12月最高，7、8月最低。二是具有不同日變化特征。SO2最高值出現中午12：00，最低在半夜；NO2最高值出現在夜里至次日早上，最低在15：00—16：00；PM2.5最高值出現在8：00—9：00，最低在16：00。北侖區PM2.5濃度較寧波市偏低，但NO2、SO2濃度則偏高，特別是北侖區春季SO2濃度高于冬季，且較明顯高于寧波市。

氣溫、風速的日變化趨勢與SO2比較一致、與NO2和PM2.5相反；相對濕度與NO2和PM2.5比較一致、與SO2相反。北侖區四方位污染系數滑動累積最小值所在象限是西北偏北-東北方位，最大則是東南偏南-西南方位，即西南偏南方位的風向對北侖區大氣污染最小，偏北到東北方位的風向污染最大。冬季小時AQI>150的最多風向是西北偏西風和西風，清潔空氣的風向離散性比較大；值得關注的是，同級別風速的東北偏北風雖然出現次數極少，但這類風向控制下的空氣質量有時污染最嚴重，平均AQI高達210，有時卻最潔凈，平均AQI僅28，需要進一步分析研究。

根據大氣環境承載力，合理規劃工業園區，加快產業結構調整，加強重點污染源監控；根據大氣污染時間分布及地域分布，合理布置農業品種以及防御措施，提高作物生長質量，保證農業經濟有序發展。