成都市PM2.5污染特征及其與地面氣象要素的關(guān)系分析

曹 楊，王晨曦，趙曉莉，劉煒樺

(1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程加快，污染物的排放總量不斷增加，污染范圍不斷擴(kuò)大，城市環(huán)境空氣污染問題日益嚴(yán)峻，已經(jīng)引起社會廣泛關(guān)注，政府改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量的壓力劇增。準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量預(yù)報有利于廣大市民和社會各界合理安排生活、工作以及各種社會活動，有利于環(huán)境管理和決策部門有針對性地加大污染源控制、及時發(fā)出警報并采取有效措施，預(yù)防嚴(yán)重污染事件的發(fā)生。

眾多研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境空氣質(zhì)量不僅與污染源排放有關(guān)，也受氣象條件影響[1-4]。當(dāng)污染源排放相對穩(wěn)定時，氣象條件是影響空氣質(zhì)量的重要因素，不利于污染物擴(kuò)散和沉降的氣象條件會導(dǎo)致污染物濃度升高，而有利于污染物擴(kuò)散和沉降的氣象條件會降低其濃度[5-10]。不同地區(qū)受地形地貌和氣候特征等因素影響，存在不同的污染特征，影響空氣質(zhì)量的主要氣象要素也不同，因此有必要對當(dāng)?shù)乜諝馕廴九c各氣象要素的關(guān)系進(jìn)行分析，選取或組建對本地污染貢獻(xiàn)影響較敏感的氣象要素因子，為提高當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量預(yù)報準(zhǔn)確性做準(zhǔn)備。

成都市位于四川盆地，全年風(fēng)速較小，靜風(fēng)比例高，空氣濕度大，大氣中的污染物以PM2.5為主[11-12]。但是，較多學(xué)者分析成都地區(qū)空氣質(zhì)量與各氣象要素的關(guān)系時，大多采用資料時間不長，不能詳細(xì)地分類或者分級進(jìn)行分析。本文利用有資料以來的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料和同時期的地面氣象觀測資料，分析成都市PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)、月和日變化特征，并分不同空氣質(zhì)量等級分析空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關(guān)系，找到對成都地區(qū)污染貢獻(xiàn)影響較敏感的地面氣象要素，為提高成都市空氣質(zhì)量預(yù)報水平奠定基礎(chǔ)。

1 資料介紹

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料：來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站2014年5月13日—2017年12月31日的成都市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)小時報數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型包括PM2.5，PM10，SO2，NO2，O3和CO等污染物的質(zhì)量濃度以及 AQI。成都市共有8個監(jiān)測站，其中靈巖寺站(99059)位于都江堰市，通常作為成都市區(qū)監(jiān)測站點的清潔對照站，草堂寺站(99057)資料長期缺測，均不參與本文的分析。地面氣象觀測資料：來源于成都市溫江國家基準(zhǔn)氣候站同時期的逐小時數(shù)據(jù)，氣象要素包括氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)(風(fēng)速、風(fēng)向)、降水等6種。成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站及氣候觀測站信息列于表1，圖1為成都市各監(jiān)測站點的空間分布圖。

表1 成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站及氣候觀測站信息

圖1 成都市各監(jiān)測站點的空間分布圖

2 PM2.5污染特征分析

圖2為成都市區(qū)6個有效環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站2015年1月—2017年12月的PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化圖。由圖可知，成都市區(qū)6個監(jiān)測站的PM2.5質(zhì)量濃度隨季節(jié)的變化趨勢比較一致，春季到夏季呈遞減趨勢，夏季到冬季呈遞增趨勢，夏季最小，冬季最大。

圖2 成都市區(qū)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化

圖3為成都市區(qū)6個有效環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站2015年1月—2017年12月的PM2.5質(zhì)量濃度月變化圖。由圖可知，成都市區(qū)6個監(jiān)測站的PM2.5質(zhì)量濃度月變化趨勢比較一致，月均值變化趨勢呈“U”形，1—4月呈下降趨勢，5—9月濃度較低且趨于平穩(wěn)，10—12月呈上升趨勢。5—9月為我國的主要降水時段，有利于沖刷和清除大氣中的PM2.5，且夏季對流天氣經(jīng)常發(fā)生，大氣在垂直方向上產(chǎn)生劇烈運動，不利于逆溫層的形成；進(jìn)入10月，對流天氣減少，秋冬季逆溫層維持時間更長且更穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣不利于大氣中PM2.5的稀釋和擴(kuò)散，另外秋冬季夜間輻射降溫，使得相對濕度增大，會造成PM2.5吸濕增長，加速PM2.5二次轉(zhuǎn)化，使其濃度升高，加重空氣污染程度[13]。

圖3 成都市區(qū)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度月變化

圖4為成都市區(qū)6個有效環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站2015年1月—2017年12月的PM2.5質(zhì)量濃度日變化。由圖可知，6個監(jiān)測站的日變化趨勢比較一致。PM2.5的日變化呈雙峰型，13—20時左右PM2.5質(zhì)量濃度相對較低，上午和夜間PM2.5質(zhì)量濃度較高，主要原因是早上07時人群活動開始，城市人群密度增大，汽車尾氣和工廠污染物等排放明顯增加，使得PM2.5質(zhì)量濃度有一個增加的趨勢；下午太陽輻射增強(qiáng)，湍流作用使大氣混合層高度增加，有利于污染物在垂直方向上的稀釋和擴(kuò)散[14]；入夜以后太陽輻射減弱，空氣中對流運動減弱，層結(jié)趨于穩(wěn)定，不利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸升高。總的來說，成都市區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢呈現(xiàn)出夜間高于晝間。

圖4 成都市區(qū)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度日變化

3 空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關(guān)系

根據(jù)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站的PM2.5污染特征分析可知，成都市區(qū)6個監(jiān)測站的分布趨勢比較一致，因此選擇距離溫江國家基準(zhǔn)氣候站比較近的金泉兩河站作為代表站進(jìn)行空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關(guān)系分析，兩站直線距離約10 km。文中選擇了2014年5月—2017年12月期間氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)(風(fēng)速、風(fēng)向)、降水等6種地面氣象要素，并且分不同空氣質(zhì)量等級進(jìn)行分析。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)，空氣質(zhì)量有6個等級，分別為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染。本文粗略分4個等級進(jìn)行分析，分別為優(yōu)良(包含優(yōu)、良)、輕度污染、中度污染和重度以上污染(包含重度污染和嚴(yán)重污染)。

3.1 空氣質(zhì)量與氣溫的關(guān)系

圖5為不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各溫度區(qū)間的概率分布圖，由圖可見，成都市氣溫主要分布在-5～35 ℃，空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，氣溫主要分布在0～15 ℃，隨著氣溫升高，優(yōu)良天氣比例逐漸增加。氣溫對空氣質(zhì)量的影響與空氣的對流活動有關(guān)。地表溫度升高時太陽輻射增強(qiáng)，熱力湍流和對流與動力湍流共同作用下使大氣混合層高度增加，有利于大氣污染物在垂直方向上的稀釋和擴(kuò)散；地表溫度降低時太陽輻射減弱，空氣中對流運動相應(yīng)減弱，近地面空氣向外強(qiáng)烈輻射迅速冷卻降溫形成逆溫層，不利于大氣污染物在垂直方向上的稀釋和擴(kuò)散[15-17]。但并不是說溫度越高，空氣質(zhì)量越好，溫度上升到一定程度或者在持續(xù)高溫條件下，大氣中的O3濃度會因光解而升高，大氣中的活躍光化學(xué)成分會反應(yīng)生成更多的二次性氣溶膠(主要是PM2.5)，反而加重空氣污染[18]。

圖5 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各溫度區(qū)間的概率分布

3.2 空氣質(zhì)量與氣壓的關(guān)系

圖6為不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各氣壓區(qū)間的概率分布圖，由圖可見，成都市氣壓主要分布在935～970 hPa，空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，氣壓主要分布在950～965 hPa，空氣質(zhì)量為優(yōu)良時，氣壓主要分布在940～955 hPa。氣壓的高低分布形成大氣環(huán)流，當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r，周圍高壓氣團(tuán)向中心運動，使低壓氣團(tuán)輻合上升產(chǎn)生較大風(fēng)力，有利于大氣中的污染物稀釋和擴(kuò)散；當(dāng)?shù)孛媸芨邏嚎刂茣r，中心出現(xiàn)下沉氣流，氣團(tuán)穩(wěn)定，不利于污染物稀釋和擴(kuò)散[16,19]。

圖6 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各氣壓區(qū)間的概率分布

3.3 空氣質(zhì)量與相對濕度的關(guān)系

圖7為不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各相對濕度區(qū)間的概率分布圖，由圖可見，成都市相對濕度較大，99.6%的樣本分布在相對濕度30%以上，約62%的樣本分布在相對濕度80%～100%；空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，約53%的樣本分布在相對濕度90%～100%，空氣質(zhì)量為優(yōu)良時，約41%的樣本分布在相對濕度90%～100%。較高的相對濕度容易引起PM2.5出現(xiàn)吸濕增長現(xiàn)象，從而影響大氣顆粒物群的物理化學(xué)特征，不利于低層大氣顆粒物的清除。總的來說，受特殊地形和氣候條件影響，成都市常年空氣濕度大，相對濕度增大容易引起嚴(yán)重空氣污染。

圖7 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各相對濕度區(qū)間的概率分布

3.4 空氣質(zhì)量與地面風(fēng)的關(guān)系

風(fēng)場是影響污染物隨大氣擴(kuò)散分布的重要因子，影響了污染物的干清除過程，其大小直接影響大氣水平擴(kuò)散的能力。風(fēng)速越大，大氣中的污染物被混合稀釋，向下風(fēng)向輸送，污染物濃度減小，空氣質(zhì)量越好；風(fēng)速越小，大氣的水平輸送能力越差，污染物的稀釋擴(kuò)散能力也越差，污染物濃度相應(yīng)增大，空氣質(zhì)量越差。一般認(rèn)為地面風(fēng)速在2 m·s-1以下為“小風(fēng)”，對大氣污染物的水平輸送、擴(kuò)散、稀釋不利，4 m·s-1以上風(fēng)速對污染物稀釋、擴(kuò)散能力增強(qiáng)明顯，污染發(fā)生概率降低[20]。

由圖8a可見，成都市空氣質(zhì)量為重度以上污染時，PM2.5樣本集中分布在地面風(fēng)速0～2 m·s-1，隨著地面風(fēng)速增大，優(yōu)良天氣比例增加。整體來看，成都市地面風(fēng)速較小，約85%的樣本分布在地面風(fēng)速0～2 m·s-1，地面風(fēng)速對大氣污染物的水平輸送、擴(kuò)散、稀釋不利，與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[11-12]。風(fēng)向也是影響污染物積累消散的一個重要指標(biāo)，由圖8b可知，隨著空氣質(zhì)量等級增高，北風(fēng)比例增加，南風(fēng)比例減小。由于地面10 m風(fēng)向受地形、植被、建筑等影響，其值對污染物分布的影響變化不夠敏感。近地面上層風(fēng)速較大時其擴(kuò)散能力也較強(qiáng)，會對貼地層有拖拽影響，因此在今后的工作中可以考慮以近地層(925 hPa)風(fēng)作為分析因子。

圖8 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各風(fēng)速(a)、風(fēng)向區(qū)間(b)的概率分布

3.5 降水對PM2.5的清除作用

降水對大氣污染物濃度的影響也較大，主要影響其濕清除過程，維持著大氣中污染物的源、匯平衡和大氣自清潔[21]。降水對PM2.5的清除過程包括云內(nèi)清除和云下清除兩個階段，云下清除是指雨滴在云下降落過程中，主要通過慣性碰并過程和布朗擴(kuò)散運動捕獲PM2.5，使其從大氣中清除[22-23]。為分析降水對PM2.5的清除作用，選用分析時段內(nèi)逐小時降水量和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。

提取降雨過程作為一次清除過程進(jìn)行分析，以第1次出現(xiàn)0.1 mm以上降水作為降水過程的開始時間，最后1次出現(xiàn)0.1 mm以上降水作為降水過程的結(jié)束時間，若中間出現(xiàn)間斷，中斷時間不足5 h，則作為一次降雨過程進(jìn)行處理。選取過程開始時間前3 h的PM2.5的平均質(zhì)量濃度(CON1)和過程結(jié)束時間后3 h的PM2.5的平均質(zhì)量濃度(CON2)作為一次過程清除前PM2.5質(zhì)量濃度(即PM2.5初始濃度)和清除后PM2.5質(zhì)量濃度[20]。降水對PM2.5的清除量(RC)定義為：

RC=CON1-CON2

(1)

RC>0定義為正清除過程，表示降水對PM2.5起清除作用；RC<0定義為負(fù)清除過程，表示降水對PM2.5沒有清除作用，反而促使PM2.5質(zhì)量濃度升高，這可能與降水時濕度增加，PM2.5吸濕增長導(dǎo)致二次反應(yīng)加劇有關(guān)；RC=0定義為零清除過程，表示降水對PM2.5濃度無影響。

圖9為2014年5月13日—2017年12月31日402次清除過程中降水對PM2.5的清除量與PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量的關(guān)系圖。由圖可見，降水對PM2.5的清除量隨PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量的增加而增大，呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.54、0.3、0.21，利用F檢驗進(jìn)行顯著性檢驗，取置信度99%，P<0.000 1，均通過了0.01的顯著水平統(tǒng)計檢驗。降水主要是通過慣性碰撞、布朗運動等機(jī)制碰并沖刷清除PM2.5，當(dāng)降水前PM2.5初始濃度較低、降雨量較小、降雨持續(xù)時間較短時，很難沖刷PM2.5，甚至?xí)驗榻邓沟脻穸仍黾樱琍M2.5吸濕增長導(dǎo)致二次反應(yīng)加劇，降水后的PM2.5濃度高于降水前，從而出現(xiàn)負(fù)清除過程。負(fù)清除過程隨PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量的增加而減少，降水對PM2.5的清除量與PM2.5初始濃度的線性關(guān)系最顯著，清除前PM2.5初始濃度較低時(小于50 μg·m-3)，存在較多負(fù)清除過程，隨著PM2.5初始濃度增大，負(fù)清除過程逐漸減少。

圖9 PM2.5清除量與PM2.5初始濃度(a)、降雨持續(xù)時間(b)和累積降雨量(c)的關(guān)系

4 結(jié)論

本文利用成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料和地面氣象觀測資料，分析了成都市PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)、月和日變化特征，并分不同空氣質(zhì)量等級分析空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

①成都市區(qū)6個監(jiān)測站的平均PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)、月和日變化趨勢比較一致；春季到夏季呈遞減趨勢，夏季到冬季呈遞增趨勢；月均值呈“U”形變化趨勢，1—4月呈下降趨勢，5—9月趨于平穩(wěn)，10—12月呈上升趨勢；PM2.5質(zhì)量濃度夜間高于晝間。

②氣溫對空氣質(zhì)量的影響與空氣的對流活動有關(guān)，此外氣溫還會影響大氣化學(xué)過程，整體來看，隨著氣溫升高，優(yōu)良天氣比例逐漸增加；氣壓的高低分布形成大氣環(huán)流，成都市空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，氣壓主要分布在950～965 hPa；成都市常年空氣濕度大，較高的相對濕度容易引起PM2.5出現(xiàn)吸濕增長現(xiàn)象，從而影響大氣顆粒物群的物理化學(xué)特征，引起嚴(yán)重空氣污染；降水主要影響大氣污染物濃度的濕清除過程，對PM2.5的清除量隨PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量增加而增大。

③受地形和氣候條件影響，成都市地面風(fēng)速較小，約85%的樣本分布在地面風(fēng)速0～2 m·s-1，地面風(fēng)速對大氣污染物的水平輸送、擴(kuò)散、稀釋不利；隨著空氣質(zhì)量等級增高，北風(fēng)比例增加，南風(fēng)比例減小，由于地面10 m風(fēng)向受地形、植被、建筑等影響，其值對污染物分布的影響變化不夠敏感。

④綜上所述，成都地區(qū)對空氣污染比較敏感的地面氣象要素為氣溫、氣壓和降水，在今后的工作中可以考慮加入近地面和高空氣象條件進(jìn)行分析，比如以近地層(925 hPa)風(fēng)作為分析因子，高空風(fēng)速和混合層高度是影響大氣污染物垂直擴(kuò)散的重要因子，1 500 m高度以下逆溫層的存在不利于污染物稀釋擴(kuò)散等。