新鄉市大氣污染特征與氣象因子相關性分析

王金蘭，胡亮帆，李改琴，王 軍

(1.新鄉市氣象局，河南新鄉 453000；2.濮陽市氣象局，河南濮陽 457000；3.許昌市氣象局，河南許昌 461000)

大氣污染特征與氣象擴散條件之間的關系，一直是國內外學者關心的焦點問題[1-3]。諸多研究表明[4-6]，在污染物總排放量一定的情況下，氣象條件對環境空氣質量影響很大。魏玉香等[7]研究不同風速下污染物質量濃度分布時指出，污染物質量濃度與風速大小呈反相關；馬敏勁等[8]通過對蘭州大氣污染特征研究發現，大氣污染與穩定的逆溫層結密切相關。邱粲等[9]對濟南市2001—2010年環境空氣污染指數及同期氣象資料進行相關分析，結果表明環境空氣污染指數與氣象要素的相關系數較高。趙克蕾等[10]分析了2012年庫爾勒市PM10大氣污染狀況和質量濃度變化特征。徐娟娟等[11]在分析關中盆地一次霾重污染天氣時發現，污染物質量濃度與低層風關系密切。紀凡華等[12]在探究聊城大氣污染事件發展規律時發現，2012年后冬季污染最嚴重，夏季污染最輕，霾和霧月出現日數與月大氣污染出現日數呈明顯正相關。鄭海濤等[13]對2014年河南一次重污染過程模擬后注意到，盡管河南各地區同時出現高污染，但其來源各不同。董貞花等[14]對2015年河南省3次重污染過程進行模擬，發現靜穩天氣有利于污染物的發展持續。

新鄉市位于河南省北部，屬于“2+26”通道城市之一，地勢西高東低，平原占地總面積78%，是暖溫帶大陸性季風氣候。近年來，新鄉市經濟發展迅速, 大氣污染物排放總量大，加之地形條件等因素,致使城市大氣污染加重，尤其是秋冬季，重污染天氣頻發。本文分析新鄉市首要大氣污染物質量濃度變化特征，進一步探究首要污染物與氣象因子的相關性，為提高大氣污染氣象條件等級預報和服務水平提供科學依據，為政府大氣治理提供技術支撐。

1 資料和方法

1.1 資料來源

2015—2016年AQI(Air Quality Index，空氣質量指數)，PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2等大氣污染物逐日和逐小時監測數據取自新鄉市環境保護局環境監測站，同期新鄉市常規氣象觀測數據取自中國氣象科學數據共享服務平臺(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)的中國地面國際交換站氣候資料日值數據集和逐12時MICAPS氣象觀測資料。

1.2 分析方法

采用Pearson相關系數法，分析研究氣溫、相對濕度、海平面氣壓、10 min風速、24小時變溫(ΔT24，指當天的日平均氣溫減去前一天的日平均氣溫)、24小時變壓(ΔP24，指當天的日平均氣壓減去前一天的日平均氣壓)等氣象因子與PM10和PM2.5及O3的質量濃度(分別用C(PM10)、C(PM2.5)、C(O3)表示)的相關性。

分析首要污染物質量濃度的季節變化時，季節按氣象上的春、夏、秋、冬四季劃分，其中春季指3—5月，夏季指6—8月，秋季指9—11月，冬季指12月—次年2月。因資料樣本有限，能完整反映冬季的只有2015年12月和2016年1月、2月，為了盡可能利用現有資料反映冬季首要污染物質量濃度的變化趨勢，用2015年1—2月代表2014年冬季，用2016年12月代表2016年冬季。

2 首要污染物占比分析

新鄉市開展長期監測的主要大氣污染物有PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2等，每種污染物對大氣污染的貢獻并不相同，作為首要污染物出現的頻次也不相同。新鄉市首要污染物出現時數最多的是PM2.5，2015年占比約65%，2016年占比約58%；其次是PM10，2015年占比約34%，2016年占比約39%；O3也占一定比例，2015年占比約1%，2016年占比約3%。SO2、NO2占比很小，全年中只出現過1～2 h；CO占比0，從未成為首要污染物。因此，僅分析對環境空氣質量影響較大的PM2.5、PM10、O3三種首要污染物的月、季變化特征，及其與主要環境氣象因子之間的相關性。

3 首要污染物質量濃度變化特征

3.1 C(PM2.5)的變化

3.1.1 月變化特征 2015、2016年C(PM2.5)的變化特征基本一致(圖1)，峰值分別出現在12月和1月，谷值均出現在8月。2015年C(PM2.5)1月為127 μg/m3，隨后開始下降，6—9月維持在66 μg/m3左右的低位波動變化，8月降至64 μg/m3，達到谷值；隨后上升，12月驟升至184 μg/m3，達到年度內峰值。而2016年C(PM2.5)的峰值出現在1月，為165 μg/m3；隨后下降，在5—8月維持在較低水平，尤其是8月降至39 μg/m3，達到年內谷值；隨后波動上升，在11月后快速上升，12月升至152 μg/m3。

圖1 2015年和2016年新鄉市C(PM2.5)月變化

3.1.2 季節變化特征 從季節均值來看(圖2)，C(PM2.5)季度變化特征較明顯，均是冬季高、夏季低，春秋兩季基本持平。2015年春季為87.7 μg/m3，夏季降到66 μg/m3，秋季上升到79.7 μg/m3，冬季達到峰值152.3 μg/m3。2016年形勢開始好轉，春季為76 μg/m3，較2015年下降11.7 μg/m3；夏季較2015年大幅下降11.7 μg/m3，降到了42.7 μg/m3；秋季逐漸上升到77.7 μg/m3，與2015年基本持平；而冬季大幅攀升，再次達到峰值152 μg/m3。

圖2 2015—2016年新鄉市C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)季節變化

3.2 C(PM10)的變化

3.2.1 月變化特征C(PM10)月變化與C(PM2.5)相近但不相同(圖3)。2015年C(PM10)從1月的194 μg/m3開始平穩下降，8月降至谷底，為112 μg/m3；隨后緩慢上升，12月驟升至283 μg/m3，達到最高值。2016年C(PM10)最高值出現在1月，為243 μg/m3；隨后波動下降，3月有所反彈，然后緩慢下降，8月降至谷底，為67 μg/m3；隨后波動上升，11月猛升至180 μg/m3，12月攀升至217 μg/m3。兩年均在8月達到谷值，但質量濃度相差近2倍，2016年5月開始C(PM10)較2015年明顯下降，且這種趨勢維持到8月，這與2016年雨水顯著偏多有一定關系，另外與管控措施關系密切。

圖3 2015年和2016年新鄉市C(PM10)月變化

3.2.2 季節變化特征 從季節均值(圖2)來看，C(PM10)與C(PM2.5)走勢幾乎平行，都是冬季高夏季低，且每個季節C(PM10)均高于C(PM2.5)。2015年春季為161.7 μg/m3，夏季降到122.7 μg/m3，秋季上升到131 μg/m3，冬季攀升到峰值，達231 μg/m3。2016年整體形勢有所好轉，春季為157.3 μg/m3，較2015年略降低，夏季較2015年明顯下降，降到75 μg/m3，秋季上升到130.7 μg/m3，與2015年基本持平，冬季繼續攀升，再次達到峰值，達217 μg/m3。

兩年相比較可以看出，在多雨的夏季，不論是C(PM10)還是C(PM2.5)，均降到年度最低，而冬季則大幅攀升，這與采暖期排放物增加有關。而且，2016年四季的質量濃度較2015年均有所下降，證明隨著管控力度加大，管控成效開始顯現。

3.3 C(O3)的變化

3.3.1 月變化特征C(O3)的月變化特征與PM10、PM2.5正好相反(圖4)，特別是2015年，呈單峰型， 1月C(O3)只有19 μg/m3,后面一路攀升，6月達到峰值90 μg/m3，隨后直線下降，12月達到谷值17 μg/m3。2016年則呈雙峰型，有6月和9月兩個峰值，1月C(O3)為19 μg/m3，是年內谷值，同樣在6月達到峰值，為92 μg/m3，9月達到次高值，為82 μg/m3。2016年9月O3再次升高的原因有待進一步研究。

圖4 2015年和2016年新鄉市C(O3)月變化

3.3.2 季節變化特征 從季節分布上來看(圖2)，2015年和2016年兩年O3的變化特征完全一致，均為夏季高冬季低，不同的是2016年春、夏、秋三個季度的C(O3)值均比2015年偏高，2016年春季為70 μg/m3，較2015年同期高出8.3 μg/m3，2016年夏季為77 μg/m3，較2015年同期高出3.3 μg/m3，2016年秋季為46.3 μg/m3，較2015年同期高出12 μg/m3。C(O3)夏季高，尤其6月達到峰值，與夏季氣溫高、日照時長長密切相關[15]。

4 首要污染物質量濃度與氣象因子的相關性

4.1 C(PM2.5)與氣象因子的相關性

逐月計算C(PM2.5)與6個氣象因子的相關性(見表1)，結果各不相同：C(PM2.5)與相對濕度、ΔT24在絕大多數月份呈正相關，相對濕度越大，ΔT24越高，對應C(PM2.5)越高，所有月份中不存在負相關的情況；C(PM2.5)與10 min風速在所有月份均呈負相關，即風速越小，則對應C(PM2.5)越高；C(PM2.5)與ΔP24絕大多數月份呈負相關，ΔP24越小，則對應C(PM2.5)越高，所有月份中不存在正相關的情況；C(PM2.5)與海平面氣壓大多數月份呈負相關，海平面氣壓越低，C(PM2.5)越高，但在6、7月卻呈正相關；C(PM2.5)與溫度的相關沒有規律可循，其中有5個月不相關，1、3、10、11月正相關，而6、7、12月負相關。

表1 2015—2016年新鄉各月氣象要素與C(PM2.5)的相關性

4.2 C(PM10)與氣象因子的相關性

逐月計算6個氣象因子與C(PM10)的相關性(見表2)可知：C(PM10)與相對濕度在1、2、12月及3、5、9月呈正相關，相對濕度越大，C(PM10)越高；在4、8、10、11月不相關；但在多雨的6、7月卻是負相關，這與雨水充沛，沖刷造成污染物濕沉降有關。C(PM10)與海平面氣壓大多數月份呈負相關，海平面氣壓越低，C(PM10)越高；在7月卻呈正相關。C(PM10)與10 min風速大多數月份呈負相關，在春季和夏初卻呈正相關。這可能和春季多大風，地表干燥，風速大時容易起揚沙有關；另外，風速大時，外地污染物遠距離傳輸也是因素之一。C(PM10)與溫度大多數月份呈正相關，只在7月和12月呈負相關；C(PM10)與ΔP24在春季呈正相關，在秋、冬季多呈負相關；C(PM10)與ΔT24大多數月份呈正相關，只有3月是負相關。

表2 2015—2016年新鄉各月氣象要素與C(PM10)的相關性

4.3 C(O3)與氣象因子的相關性

逐月計算6個氣象因子與C(O3)的相關性(見表3)，發現C(O3)與C(PM10)和C(PM2.5)的規律不同：C(O3)與溫度、10 min風速在所有月份均呈正相關，溫度越高，10 min風速越大，C(O3)越高；C(O3)和ΔT24在絕大多數月份呈正相關，只在2月和11月沒有通過顯著性檢驗；C(O3)與相對濕度在所有月份均呈負相關，相對濕度越大，C(O3)越低；C(O3)與海平面氣壓在大多數月份呈負相關，氣壓越高，C(O3)越低，只在1月和7月呈正相關，3月和11月沒通過顯著性檢驗；C(O3)與ΔP24的關系沒有規律可循，其中有5個月不相關，1、5、8、10月負相關，而2、7、11月正相關。

表3 2015—2016年新鄉各月氣象要素與C(O3)的相關性

5 結論

(1)新鄉市首要污染物主要為PM2.5、PM10、O3。C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)均存在明顯的月際變化，C(PM2.5)和C(PM10)， 1月是峰值(或次峰值)，然后逐漸下降，8月達到谷值；隨后緩慢升高，進入采暖季后快速上升，12月攀升到次峰值(或峰值)。C(O3)則相反，1月是谷值(或次谷值)，然后逐漸上升，6月達到峰值；隨后開始下降，12月達到次谷值(或谷值)。從季節變化上看，C(PM2.5)和C(PM10)都是冬季最高，夏季最低；C(O3)則是夏季最高，冬季最低。在大氣環境治理管控中，建議冬半年重點關注PM2.5和PM10的管控，而夏半年則務必關注O3污染源的治理。

(2)C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3) 與氣溫、相對濕度、海平面氣壓、10 min風速、ΔT24、ΔP24等的相關性各不相同。C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)大多數月份都與海平面氣壓呈負相關，與ΔT24呈正相關；C(PM2.5)和C(PM10)多數月份與10 min風速呈負相關。C(PM2.5)與相對濕度絕大多數月份呈正相關，與ΔP24大多數月份呈負相關；C(PM10)與相對濕度冬季呈正相關，夏季呈負相關，春、秋兩季規律不明顯，與ΔP24春季呈正相關，秋、冬季多呈負相關。C(O3)與溫度、10 min風速在所有月份都呈正相關，與相對濕度在所有月份都呈負相關，與ΔP24沒有規律可循。