重慶市主城區氣象要素與空氣質量相關性研究

廖代強，向波，劉永明

(1.重慶市氣候中心，重慶 401147； 2.重慶市環境科學研究院，重慶 401147)

城市是一個復雜的綜合體，城市大量的污染源排放和幾乎所有的人群活動影響均發生在城市近地層，產生城市空氣污染的原因是多方面的，影響城市大氣污染水平的主要因子有3個：特殊的城市下墊面、污染物排放源和氣象條件。從長期或平均狀態來說，大氣環境質量取決于城市的能源結構、交通和工業排放污染物的多少，但從短時、實時狀態而言，卻主要與大氣背景質量以及當地、當時的氣象條件和大氣擴散能力有關。前兩者一般相對穩定，而城市邊界層特別是城市近地層的風、溫、濕和湍流結構對城市大量污染物的輸送、擴散、化學轉化和干濕清除起著重要的作用[1]。因此，從某種意義上來說，城市污染程度主要取決于城市及周邊地區的風場、溫度場和湍流場；特別是典型的重污染事件總是與城市熱島環流和邊界層逆溫等現象密切相關，如“倫敦煙霧事件”[2]，“洛杉磯光化學煙霧事件”和1999年我國國慶70周年期間重慶發生的嚴重污染等。

我國從20世紀70年代開始關注氣象對空氣質量的影響。氣象和空氣質量的相關性研究主要集中在兩個方面：1)空氣質量和單個氣象因子的相關性；2)空氣質量和地面天氣形勢之間的相關性。在空氣質量和單個氣象因子的相關性分析方面研究比較多，如北京市氣象科學研究所的王淑英等[3]研究認為PM10污染狀況的優劣變化與氣象條件密切相關。其濃度的變化在穩定天氣時與相對濕度呈正相關，與能見度、風速和氣壓呈反相關；受風沙影響時，其濃度的變化與風速和氣壓呈正相關。孫韌等[4]認為天津市空氣質量與城市風速、降水、霧及大氣逆溫有密切的關系。空氣中顆粒物濃度和風速呈現出較好的負相關[5]等。

本研究利用主城區2010—2012年的氣象要素和大氣環境質量監測數據，對氣象條件與大氣環境質量進行相關性分析，以期為科學提出重慶主城區大氣環境質量目標以及污染防治措施提供必要支持，為重慶藍天行動提供技術支持。

1 前一日的空氣質量的影響

大氣污染具有較穩定的持續性。持續性表現在某日大氣中的污染濃度不僅與當時的源排放和氣象參數有關，而且可能與前幾天或前一天的污染狀況和氣象有關。因此在研究空氣質量和氣象要素的相關性之前，先對前一日的空氣質量對當日空氣質量的影響進行研究。

用前一日的污染指數作為持續性的度量，進行相關性分析，結果見表1。前一日污染指數均與當日污染指數呈高度顯著正相關，且相關系數甚高，表明某日大氣中的污染濃度不僅與當時的源排放和氣象參數有關，而且可能與前一天或前幾天的污染狀況和氣象有關。其原因有兩個方面：一是氣象條件具有一定的持續性；二是污染物本身存在一定的持續性，并會日復一日地積累(據其在大氣中的生命周期而定)，且污染物的存在也會使某些氣象條件得以維持。例如在霧日里，污染物的存在會阻礙到達地面的日照，因此限制了熱力對流而使霧難以消散。

2 氣象要素之間的自相關性分析

各氣象要素之間并非完全獨立，而是存在復雜的協變關系。因此，有必要分析各氣象要素之間的相互關系。在進行氣象要素間的相關分析時，由于不需要考慮不同年份間的污染源變動因素，將2010—2012這3年的氣象數據作為整體以增大樣本量，使得統計分析結果更為可靠。經分析各氣象要素間的簡單相關關系，可以得到：

1)風速與降雨量、溫度、水汽壓、混合層高呈顯著正相關，與相對濕度、氣壓、總/低云量呈顯著負相關。其中，風速與混合層高、溫度、相對濕度、氣壓的相關性較好，尤其是風速與混合層高相關系數高達0.725。

2)降雨量與風速、溫度、相對濕度、水汽壓、總/低云量、混合層高呈顯著相關，與氣壓、穩定度呈顯著負相關，但各相關系數絕對值均較小。

3)溫度與風速、降雨量、水汽壓、混合層高呈顯著正相關，與相對濕度、氣壓、總/低云量呈顯著負相關。其中，溫度與氣壓、水汽壓的相關性最好，相關系數絕對值在0.85以上。

4)相對濕度與降雨量、氣壓、總/低云量呈顯著正相關，與風速、溫度、水汽壓、穩定度、混合層高呈顯著負相關。其中，相對濕度與總/低云量相關性較好，相關系數在0.5以上。

5)氣壓與相對濕度、總/低云量呈顯著正相關，與風速、降雨量、溫度、水汽壓、混合層高呈顯著負相關。其中，氣壓與溫度、水汽壓的相關性最好，相關系數絕對值在0.8以上。

6)水汽壓與風速、降雨量、溫度、混合層高呈顯著正相關，與相對濕度、氣壓、總/低云量呈顯著負相關。其中，水汽壓與溫度、氣壓的相關性最好，相關系數絕對值在0.8以上。

7)總/低云量與降雨量、相對濕度、氣壓呈顯著正相關，與風速、溫度、水汽壓、穩定度、混合層高呈顯著負相關。其中，總/低云量與相對濕度的相關性較好，相關系數在0.5以上。

8)穩定度與降雨量、相對濕度、總/低云量、混合層高呈顯著負相關，其中與總/低云量、混合層高相關性較好，但各系數均在0.5以下。

9)混合層高與風速、降雨量、溫度、水汽壓呈顯著正相關，與相對濕度、氣壓、總/低云量、穩定度呈顯著負相關。其中，混合層高與風速相關性最好，相關系數為0.725。

3 空氣質量和不同氣象要素之間的相關性分析

本研究選擇2010—2012年重慶主城日平均污染指數資料與沙坪壩氣象觀測站同期的氣象要素觀測資料進行相關性分析，以逐年分析為主。由于氣象日(0～23點)和空氣質量日(前日13時到次日的12時)不一致，相關分析前，預先把氣象數據整理成與空氣質量日一致的日氣象數據。

3.1 與風的關系

風是邊界層內影響污染物稀釋擴散的重要因子，而風速是造成快速水平輸送或平流的主要原因，風向決定大氣污染物濃度分布。由于本研究的污染指數資料采用的是重慶市主城各測點的平均數據，而氣象數據為沙坪壩氣象站的觀測數據。由于風向是一個非連續的無序變量，這里暫不考慮風向對污染物的分布影響。

排入大氣中的污染物在風的作用下，會被輸送到其他地區，風速的大小與大氣稀釋擴散能力的大小之間存在直接的對應關系。重慶市常年的氣象特征是平均風速小、靜風頻率高，出現浮塵、沙塵暴天氣概率小，一般情況下也不會出現因強風而形成的次生效應現象(即強風使上升煙云彎曲提早抵達地面或使煙云在建筑物背風側造成下洗，引起地面濃度大幅增加的現象)。因此，理論上來說，對于重慶市，平均風速越大，越有利于污染物的水平擴散，污染物指數應越低。圖1為全部研究時段逐日API指數與平均風速的散點分布，隨風速的增大，空氣流動加劇，API值降低；當風速在2 m/s以上，API值很少超過100，即很少出現Ⅲ級污染日(只有2次)。表2為地面風速與各污染指數的簡單相關分析結果，無論是分季節還是全年，地面風速與各污染指數相關性均較好，呈負相關，與預期結果一致；其中，從逐年全年分析結果來看，各污染指數均與地面風速呈顯著負相關。偏相關分析結果也顯示(表3)，在控制混合層高、相對濕度、氣壓等協變量的條件下，各污染指數仍與地面風速呈顯著負相關。

圖1 2010—2012年逐日API與地面平均風速的散點分布圖Fig.1 Scatter distribution diagram of daily API and average surface wind speed from 2010 to 2012

表2 2010—2012年地面風速與各污染指數的相關系數

表3 2010—2012年地面風速與各污染指數的偏相關系數

3.2 與降雨的關系

降雨對空氣質量的影響主要在于兩個方面：一是云內的雨滴對污染物的吸附、吸收作用，二是云下的雨水對污染物的沖刷、洗脫等作用。眾多研究表明，降雨與空氣質量關系密切，雨水能夠有效地吸收、淋洗空氣中的各種污染物，使空氣中的污染物得到自然凈化，降雨過程一般會帶來空氣質量的好轉。為充分了解降雨對空氣質量的影響，本研究對降雨量、降雨歷時以及有無降水與各空氣污染物指數的相關關系進行了統計分析。

表4給出了2010—2012年降雨量、降雨歷時以及有無降水與各污染指數的逐年簡單相關分析結果。從中可以看出，各污染指數均與降水量、降雨歷時以及有無降水呈顯著負相關，表明降雨過程可帶來空氣質量好轉，與其他研究結果一致。其中，降雨歷時、有無降雨這兩個因子與各污染指數的相關性均好于降雨量，更能反映降雨對大氣污染物的凈化作用。在PM10、SO2和NO2這3個污染分指數中，PM10、SO2指數與降雨指標的相關性明顯好于NO2，表明降雨對大氣中的PM10、SO2的凈化作用要強于NO2。從表5中降雨日與無降雨日的三大污染物濃度描述性統計結果可得：與無降雨日相比，降雨日各污染物濃度均有所下降，從年均值比較來看，3種污染物中，可吸入顆粒物PM10濃度的下降幅度最大，降雨日比無降雨日平均下降36%左右。

表4 降雨與各污染指數的相關系數

表5 2010—2012年各季度降雨分布及空氣質量變化情況

從API與日降水量的散點分布圖(圖2)也可直觀地看出：2010-2012年中，API超過Ⅱ級標準(>100)的時間主要集中在無降雨日，其比例為78%左右；當降雨量大雨10 mm時，API值基本在100以下，只有5.8%的時長API值>100(表5)。

圖2 2010—2012年逐日API與日降水量的散點分布圖Fig.2 Scatter distribution diagram of daily API and daily rainfall from 2010 to 2012

從表6可以看出，空氣質量為I級時絕大部分為降雨天，降雨的平均概率為94.8%，空氣質量為II級時46.7%的時間為降雨天，而空氣質量為III級及以上時降雨的概率比較低，為16.3%～29.8%。這從另一個方面說明了降雨和空氣質量的高度相關性。

表6 API在各等級下的降水概率(%)

雖然空氣質量與降雨的相關性非常密切，但常常存在降雨量小而空氣質量比較好的情況，本研究特別對降雨量少的情況進行了統計分析。

表7所示為2010—2012年降雨量小于10 mm情況下其他氣象要素對空氣質量的影響。在降雨量小于10 mm的情況下，空氣質量明顯受到風速和飽和水汽壓等氣象要素的影響。也就是說，在由于降雨量小而對空氣質量影響不甚顯著的情況下，風速和飽和水汽壓的變化對空氣質量的影響相對比較顯著。進一步說明了空氣質量的變化是多氣象要素協同作用的結果。

表7 2010—2012年降雨量小于10 mm情況下其他氣象要素對空氣質量的影響

在無降雨(降雨量<1 mm)的情況下，API≤50的時長主要與風速較大和良好擴散的天氣形勢有關。無降雨且API≤50的時長中，平均風速在2 m/s以上，天氣形勢主要為有利于擴散的回流型、鋒后型及強低壓等。

3.3 與溫度的關系

溫度本身對大氣擴散沒有直接的物理上的影響，主要通過與其他氣象要素的協變作用以及對大氣化學反應條件的改變來間接改變污染物濃度。此外，溫度還可能與1年之內的排放量波動有關，譬如某些地區冬季會由于采暖而使得SO2、煙塵排放量增加，高溫時期也可能因用電負荷激增而使得電廠的SO2、煙塵排放量增加，這些都可在一定程度上間接影響大氣中的SO2、PM10等污染物濃度。由表8所示相關分析結果可知，日均溫度與污染指數的關系相對比較復雜，既有正相關也有負相關，這也體現了溫度可從多方面影響大氣中的污染物濃度。從全年分析結果來看，各污染指數與日均溫度均呈負相關，且除2010年外相關系數均達到顯著性水平(置信度為0.05)，反映了我市冬季大氣污染普遍比較嚴重的實際情況。但若控制與溫度相關性較強的氣壓、水汽壓以及風速因子后，溫度與污染指數呈顯著正相關(表9)。從另一方面說明：在全年分析中，溫度之所以與各污染指數呈負相關，可能原因主要在于它對水汽壓、風速等重要氣象因子的協變作用。

表8 2010—2012年日均氣溫與各污染指數的相關系數

表9 2010—2012年日均氣溫與各污染指數的偏相關系數

3.4 與相對濕度的關系

相對濕度是指空氣中的水汽壓與同一溫度下的飽和水汽壓之比，其大小表示空氣接近飽和的程度，反映空氣中水汽含量的多少。相對濕度的大小，不但取決于水汽壓，而且取決于溫度，是溫度與水汽壓綜合反映的結果。從全年相關分析結果來看，相對濕度和各污染指數均呈負相關，且除2010年外，各相關系數均能通過置信度為0.05的顯著性檢驗。然而，若進一步將降雨天氣(經常為高濕天氣)與無降雨天氣分開考慮，相對濕度與各污染指數并非全為負相關；尤其是在無降雨日天氣下，相對濕度與各污染指數總體上呈正相關，其原因可能是由于無降雨高濕天氣常與霧日天氣聯系在一起，伴隨著逆溫和穩定的天氣系統，導致大氣擴散條件較差，污染物濃度升高。

3.5 與云量的關系

云量的多少與降水有密切關系，而降水沖刷和云內吸附能使大氣中污染物顯著減少；另一方面，云對太陽輻射有反射作用，它的存在會減少到達地面的太陽直接輻射，同時云層又加強了大氣的逆輻射，減少地面的有效輻射，因此云層的存在可以減小氣溫隨高度的變化，增加大氣的穩定度，從而減弱大氣污染物的擴散，使污染加劇。此外，云層既可作為限制污染物稀釋擴散的屏障，又可作為向上擴散的通道，根據大氣穩定情況而定。可見，云對大氣污染物的影響情況比較復雜，即有正向的影響，也有反向的影響，是多方面綜合作用的結果。

對比分析API各級下的總云量/低云量可知，云量與空氣污染指數有比較密切的關系。表現為污染等級越高，平均云量(總云量、低云量)越少。

從云量與各污染指數的相關分析結果來看，若不排除降雨日的全年樣本進行分析，則無論總云量還是低云量均與各污染指數呈顯著負相關，云量越多，大氣污染濃度越低；其中，又以低云量與各污染指數的相關性更顯著。若單獨對無降雨日樣本進行分析，則總/低云量與各污染指數相關性較差，既有正相關也有負相關，且僅有個別相關系數通過置信度為0.05的檢驗。

綜上所述，在進行全年樣本分析結果時，總/低云量與各污染指數之所以呈顯著負相關，可能主要與降雨日的降雨沖刷和云內吸附有關。

3.6 與穩定度、混合層高的關系

計算穩定度級別(多分類有序變量，取值分別為1、2、3、4、5、6，分別與A、B、C、D、E、F類穩定度級別相對應)、混合層高度與各污染指數的簡單相關系數，得出各類污染指數與穩定度級別呈正相關，且基本上都能通過置信度為0.05的顯著性檢驗，表明大氣越穩定，污染指數越高；而混合層高則與污染指數呈顯著負相關，表明混合層越高，越有利于污染物的擴散，污染指數越低，與理論一致。總體而言，以混合層高度作為穩定參數與污染指數的相關性要好，且由于穩定度級別為多分類有序變量，線性相關假設并不一定適用，后續的分析主要以混合層高與各污染指數的關系為主。

3.7 與地面氣壓的關系

氣壓對空氣污染物的影響比較復雜，視各地的具體情況而異。孟燕軍等研究指出，北京市地面氣壓場主要受地形條件的影響，不利于污染物擴散類地面天氣形勢以低壓類出現頻率最高；而苗愛梅等[6]則研究發現，太原市高壓類天氣以E-F穩定性天氣為主，往往平均氣壓高的月份是該市污染最嚴重的月份；李雄等[7]在南寧的研究也表明，地面平均氣壓與SO2、NO2、PM10污染物濃度呈顯著正相關。

對于重慶市，簡單相關分析結果表明地面平均氣壓與各污染指數均呈顯著正相關。其可能原因之一是由于重慶市的高壓天氣以冬季出現頻率最高，而冬季地面風速小、逆溫頻率高，水平與垂直方向的大氣擴散條件均較差，故污染往往比較嚴重，這與太原的情況基本一致。當控制與氣壓相關性最強的溫度因子后，除2010年外，氣壓與各污染指數的相關性基本上呈負相關，進一步證明氣壓與各污染指數呈顯著正相關的原因之一是重慶市的高壓天氣以冬季出現頻率最高。

3.8 與水汽壓的關系

水汽壓表示大氣中水汽的分壓力，其大小反應了大氣中水汽含量的多少。理論上來說，水汽對污染物有一定的稀釋作用，故水汽壓應與污染物濃度成反相關，因為它直接影響SO2、NOX等的吸收以及顆粒狀物質轉變成水滴的速率。若單獨只考慮水汽壓與各污染指數間的關系，則水汽壓升高，污染指數降低，與理論一致；除2010年外，水汽壓與各污染指數的相關系數均能通過置信度為0.05的顯著性檢驗。當控制溫度與氣壓這兩個協變量后，水汽壓仍與各污染指數呈負相關，且各偏相關系數的顯著性與否基本上同簡單相關系數，進一步證明水汽對污染物有一定的稀釋作用。

4 結論

本研究根據重慶主城區2010-2012年的逐日的氣象要素和大氣環境質量監測數據，對氣象條件與空氣污染指數(API)進行相關性研究，分析氣象條件影響空氣質量的機制及協同作用，明確顯著影響空氣質量的氣象要素，得出以下結論：

1)當天的空氣質量與前一天的空氣質量相關性非常顯著，相關系數在0.6以上。

2)各氣象要素之間存在明顯的協同作用，共同影響主城的空氣質量。其中風速與混合層高度，溫度與氣壓、水汽壓，相對濕度與云量(總云量和低云量)，氣壓與水汽壓，總云量與低云量之間相關性較好。

3)主城空氣質量與大部分氣象要素之間存在著相關性。風速與空氣污染指數呈顯著負相關(風速>2 m/s時，96.7%的時間API≤100)；降水與空氣污染指數呈顯著負相關(降水>10 mm時，94.2%的時間API≤100)；總、低云量與空氣污染指數呈顯著負相關(低云量對空氣質量的影響高于總云量；非降雨日，相關性不顯著)；溫度、水氣壓和混合層高度與空氣污染指數呈顯著負相關；相對濕度與空氣污染指數總體為負相關，多數呈顯著相關；氣壓和大氣穩定度與空氣污染指數呈顯著正相關。其中空氣污染指數與降雨、風速的相關性尤為密切，降水對污染物濃度的影響大小順序為：PM10>SO2>NO2。