基于氣象要素對于空氣質量影響的探究

張戈一 茍家滿

(中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053)

1 概述

近年來，隨著我國經濟的緊迫發展、城市化進程的加速發展、能源行業的發展和交通工具使用范圍的加大，大氣污染日益嚴重，造成污染性的天氣也越來越復雜，尤其在以京津冀地區為首的多維度下的污染日益突顯，造成霾現象反復發生[1,2]。從1950年到2000年的近50年的時間里，中國年平均霾日數呈增多趨勢，特別是2008年—2018年這10年以來霾日數量增長趨向明顯[3,4]，而且這種增長的趨勢很有可能繼續延續下去。

2 研究區概況

北京市是地處于華北大平原的靠北地區。西北由于有山脈的影響，所以地勢比較高，因此相比較而言東南方向的區域比較低。北京市東南方向與天津北部經濟中心相互接壤，其余部分均被河北省包圍，處于河北包圍范圍的中心地區。北京市的面積雖然并不大，但是北京市的人口數量非常多，與其他經濟發達的國家一樣，在首都由于人類活動的旺盛，造成的影響相對來說也比全國內其他區域的要大。

3 空氣質量與各氣象要素之間的關系

3.1 數據來源

1)中國氣象數據中心提供的氣象數據;

2)天氣后報網提供的歷史天氣日值數據;

3)水利部信息中心提供的地下水月報;

4)國家統計局提供的中國各城市2008年—2018年統計年鑒。

本文選取了北京市氣象站(54511)2017年1月～12月日值數據。天氣后報網站中包括了中國各個省市的歷史天氣，其中包括天氣狀況，風力風向，溫度，AQI數值。數據處理過程：本文中需要采用的各種數據，均需處理后使用。降雨量，篩選出54511氣象站的降雨量數據，對于有微量降雨無法計數的數據，均用小于1 mm來替代。蒸發量，蒸發量的數據是小型和大型蒸發皿的蒸發數據量，使用該數據是為了測定北京市水面蒸發的折算系數。最高溫度，最低溫度，用于計算日平均氣溫，用二者的平均值代替日平均氣溫。風向數據，用數字代替各種風向，將數字還原成風向后，用風向數據做統計圖。水利部提供的地下水動態月報中，里面包含了每個月地下水位的等值線圖，從圖中讀取地下水的平均值作為實際地下水位。

3.2 空氣質量與降雨量相關分析

由于北京市所處的地理位置，降雨是一種能夠有效降低空氣中各種污染物的手段。雨水結合空氣中各種污染物降落到地面,使空氣中的污染物得到自然凈化,所以降雨對減少污染物和抑制揚塵有很好的作用。而降雨過后產生的效果也非常好，空氣質量在降雨當天以及降雨過后都保持了非常低的水平(見圖1)。

通過擬合出的公式可以看出來，降雨量和AQI值呈現負相關，也就是說隨著降雨量的增加，在降雨過程中,雨滴可以不斷地將大氣中的微粒俘獲、溶解或沖刷下來,帶走和稀釋了空氣中的污染物，有效地降低大氣污染物的濃度，而降雨量的減少，也會導致空氣中污染物顆粒的富存，在北京，長達150 d的無降雨記錄也是造成空氣質量變差的原因之一。通常,雨滴的作用是可以兼并粒子直徑相對較大的氣溶膠粒子，通過雨滴所進行的俘獲作用，使得空氣中的氣溶膠減少，從而導致了AQI值將會降低，空氣質量也會相應的變好。

3.3 空氣質量與平均氣溫相關分析

平均溫度相對較高的季節，由于溫度影響了大氣層的活性，不容易形成逆溫層且逆溫層的生成存在時間較短，而且大氣相對流動比較強，空氣質量較好；而溫度較低的季節，大氣層活性較低，形成的氣溫逆層長時間不會消失，并且由于這種方式的影響，會影響了空氣的流動性，這種長時間的逆溫層的存在并不利于污染物的擴散，所以也就易造成空氣污染(見圖2)。

3.4 空氣質量與風速相關分析

北京西北部為山脈，春季、夏季、秋季主導風向為南風，容易造成污染物在平原地區匯集，冬季主導風向為北風，但風力往往不足以將冬季燃煤等產生的大量污染擴散出去。

通過圖3中的關系我們可以看到風速越大，空氣質量指數越低，空氣質量越好，風速越小，空氣指數越高，空氣質量越差。風對空氣質量的影響主要體現在風會影響大氣流動，風的形成是由于氣壓差，風的流動方向也是由高氣壓方向流向低氣壓方向。在風的運動過程中，風會攜帶北京市的污染物質，移動到其他位置。風對空氣質量的影響是物理作用，運動時間越長，所攜帶的量越多，空氣質量越好。

3.5 空氣質量與相對濕度的相關分析

對于空氣濕度的研究，分為兩個部分研究，第一有降水日下空氣濕度的研究，空氣濕度與空氣質量指數呈現的關系；第二篩選出無雨雪日以及雨雪日之后1 d的空氣質量，因為前文中已經提到，降水與空氣質量呈負相關。除此之外，還應該篩選出風速較大的日子，以北京市的地質條件，污染物在風速較大的情況下，容易被風帶走，從而影響了空氣質量。結果如圖4所示，從圖4中可以看出來，在無降雨日和大風天氣的影響下，空氣濕度和AQI顯著性檢驗有意義，通過曲線擬合，可以看到相對濕度和AQI呈正相關關系，說明在靜風無雨水干擾的情況下，空氣濕度越大，空氣質量越差，空氣濕度越小，空氣質量越好。

3.6 空氣質量與氣壓相關分析

將北京市2017年的每日平均本站氣壓數據統計可知，全年平均本站氣壓為1 013.1 hPa，其中冬季的平均氣壓為1 023.9 hPa，春季為1 010.4 hPa，夏季為1 002.0 hPa，秋季為1 016.3 hPa。夏季氣壓較低，空氣質量較好，冬季氣壓較高，空氣質量相對較差，就季度氣壓平均值與空氣質量而言，兩者呈負相關。這是因為在夏季氣壓較低的時候，大氣層容易發生對流，而對流越強，空氣的自凈能力也就越強，空氣質量也就會越好;相反，大氣壓越低，對流緩慢導致了污染物不易擴散，滯留等現象，造成空氣污染。但是日均氣壓與AQI值并不具有相關關系。說明氣壓與空氣質量之間具有更復雜的關系，并不是簡單直接的線性關系(如圖5所示)。

4 結語

本文主要通過對各種氣象要素(降雨量、風速風向、空氣濕度、日平均溫度、氣壓)和空氣質量指數進行相關性分析，通過相關性分析發現降雨量、風速、空氣濕度和AQI直接相關，具有線性關系，降雨量、風速以及日照時間和AQI呈負相關。其他因素諸如日照時間、日平均溫度、日氣壓等，均與AQI具有更為復雜的關系。在這之中，空氣濕度對AQI的影響系數比較大，其線性關系的擬合程度比較高，比較具有研究的價值。