瑞麗市空氣污染狀況與氣象條件的相關性研究

周 晗 宋曉萌 李福林 郭開波 楊志軍 徐永剛

（云南省瑞麗市氣象局 德宏州生態環境局瑞麗分局，云南 瑞麗678600）

1 概述

近年來，隨著我國工業生產和經濟建設的高速發展，汽車數量的迅速增加，煤炭和石油等燃料消耗量的劇增，導致了空氣污染的不斷加劇，尤其是霧霾天氣的頻繁發生，給社會經濟建設和人體健康造成了極大危害。空氣污染引發的人體健康問題如呼吸系統疾病、心腦血管疾病等引起了社會各界的普遍關注。

過量排放污染物是造成污染的根本原因，但是氣象條件和地形因素等方面對污染物濃度的變化和一些重污染事件的發生有很大影響。

氣象要素往往制約著空氣污染物的稀釋、擴散、輸送和轉化過程，影響著空氣污染物的分布與濃度。瑞麗市壩區屬大氣環境弱擴散區域，氣象條件不利于污染物擴散，目前瑞麗市本地的氣象因素對空氣污染影響的研究不多，也缺乏適合瑞麗的預報指標。

為確保瑞麗市的人居環境，提高空氣污染氣象條件預報等級水平，急需開展瑞麗市空氣污染狀況與氣象條件的相關性分析研究，為給瑞麗市大氣污染預警提供科學依據。

2 資料與方法

2.1 資料來源

2.1.1 空氣污染資料

空氣質量日報資料為德宏州生態環境局瑞麗分局提供的2016 年6 月到2019 年4 月污染數據，資料包括空氣質量指數（AQI）、首要污染物、空氣質量級別等數據。污染物濃度資料為瑞麗市逐小時污染資料，包括6 種污染物（PM2.5、PM10、NO2、O3、SO2、CO）小時濃度、AQI 和首要污染物等。

2.1.2 氣象資料

氣象資料來源于瑞麗市氣象局，包括溫度、風速、相對濕度等常規氣象要素，以及對應騰沖站探空氣象數據。

2.2 研究方法

Pearson 相關系數：

Pearson 相關系數主要反映的是變量之間的線性相關關系及密切程度，對任意變量x、y 之間的相關系數的計算公式如（1）：

3 瑞麗市空氣污染特征分析

3.1 根據瑞麗市2016 年6 月至2019 年4 月的空氣質量日報數據，對瑞麗市的AQI 的時間特征進行分析。首先對瑞麗市的污染天數進行統計分析，結果如表1。可見瑞麗市環境空氣質量出現污染主要集中在每年的3、4、5 月份，2 月、6 月份污染天數均為1 天，12 月份污染天數為2 天，其余月份均未出現污染。進一步對空氣質量指數（AQI）時間變化特征進行分析，發現每年的空氣質量指數從6 月份開始逐步下降，8、9 月份達到最小值后開始逐步上升，到次年4、5 月份達到最大值。

表1 2016-2019 年瑞麗市各月污染天數統計表

3.2 以瑞麗市環境空氣質量監測各等級所占比例進行分析，對比瑞麗市環境空氣質量近期變換趨勢。如表2，因2016 年數據不包含1-3 月數據，2019 年數據不包含5-12 月，此兩年不做比較；2018 年優的天數較2017 年增加，而良的天數則減少，超標天數增加，空氣質量優良率下降。總體來說，瑞麗市空氣質量主要以優良為主，約占95.06%，出現污染的天氣主要為輕度污染，而中度污染和重度污染鮮有出現，所占比例僅為0.65%和0.11%。

3.3 首要污染物指的是空氣質量指數在50 以上時，某一污染物的空氣質量指數最大的空氣污染物，圖2 是瑞麗市首要污染物所占比例情況。分析可知：瑞麗市環境空氣質量主要受臭氧、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）三種污染物的影響，其中顆粒物的影響最大，超過50%。二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳均能達到《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）的一級標準，所以此次研究瑞麗市環境空氣質量變化只針對臭氧、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）的濃度變化趨勢進行探討。

表2 2016-2019 年瑞麗市各空氣質量等級比例

圖1 瑞麗市首要污染物所占比例

3.4 對瑞麗市的PM10、PM2.5及O3三種污染物濃度的月均值進行分析（圖2），如圖可見PM10濃度月均值在每年的4 月份均大于其他月份，而后逐步下降到7、8 月份達到最小，而后逐步上升，在11 月份后又逐步下降后再次年1、2 月份開始上升，每年內3-4 月及11 月左右月均值均比其他月份大；PM2.5濃度月均值在每年的4 月份均大于其他月份，而后逐步下降到7、8 月份達到最小，而后逐步上升，每年內3-4 月及11 月左右月均值均比其他月份大；O3濃度在4 月份質量濃度值均在全年最大，而后逐步下降到8 月份達到最小，而后逐步上升，在11 月份后逐步下后再次年1、2 月份開始上升，每年內3-4 月及11 月左右月均值均比其他月份大。

圖2 PM10、PM2.5 及O3 濃度月均值變化圖

綜上所述，瑞麗市環境空氣質量出現污染天數基本在每年的3、4、5 月份，為了解出現污染天氣的污染物在每天的質量濃度變化，對每年的3、4、5 月份出現污染天氣的小時均值進行分析，以便了解首要污染物在每天的時間變化，結果發現，O3濃度白天均高于夜間；在早晨8、9 時出現最低值，而后逐步上升到到達16、17 時達到最大值，從19、20 時后逐開始下降。PM10、PM2.5兩種污染物濃度的日變化無相對穩定的規律。

4 瑞麗市空氣污染狀況與氣象要素的相關性分析

造成污染的原因主要是污染源的過量排放和不利于大氣擴散的氣象條件，在污染源一定的情況下，空氣污染的主要影響因素是氣象條件。本文將選取瑞麗市的PM2.5、O3、PM10濃度和AQI 與溫度、風速、降水量、相對濕度、氣壓五個地面氣象要素進行相關性分析。了ɑ=0.01 水平的顯著性水平檢驗，表4 同。

表3 瑞麗PM2.5、O3、PM10 濃度和AQI 與風速的相關系數

表4 瑞麗PM2.5、O3、PM10 濃度和AQI 與降水的相關系數

表3～4 分別為瑞麗的PM2.5、O3、PM10濃度和AQI 與與風速、降水量的相關系數（溫度、相對濕度、氣壓相關系數略）。表3 可以看出風速與三種污染物濃度和AQI 整體上均呈負相關。風速增加，有利于污染物的水平擴散，使污染物濃度降低，污染減弱，空氣質量變好。

表5 為PM2.5、O3、PM10濃度和AQI 與降水的相關系數，可以看出降水與四者均呈明顯的負相關，相關性顯著。降水量與PM2.5、PM10濃度的負相關更顯著一些，主要原因是降水對污染物具有濕清除的作用，尤其是對PM2.5、PM10顆粒物的清除效果更明顯，相關性更顯著。

通過相關系數可以看出溫度與PM2.5濃度冬季呈負相關，其他季節呈正相關；與O3、PM10濃度、AQI 均是在10-12 月、1 月呈負相關，其余月份呈正相關；溫度與三種污染物的相關性在春夏季更為顯著，多數通過了0.01 的顯著性檢驗。O3是光化學產物，溫度高有利于光化學反應生成O3，從而使其濃度升高。相對濕度與三種污染物濃度和AQI 的相關性呈負相關，且與PM2.5、PM10濃度的相關性更顯著，基本上都通過了0.01 的顯著性檢驗，可能是因為瑞麗相對濕度比較大，大部分時間的相對濕度在70%以上，污染物可以通過吸濕增長產生沉降，從而造成顆粒物濃度隨著相關濕度的增大呈遞減趨勢。氣壓與三種污染物濃度和AQI 的相關性為部分月份的氣壓與污染物濃度呈正相關，部分月份的氣壓與污染物濃度呈負相關，但相關性均是較弱，僅在個別月份通過的顯著性檢驗。

5 瑞麗污染個例分析

2016 年6 月至2019 年4 月，瑞麗市共有46 天為污染天氣，其中輕度污染天氣有39 天，中度污染6 天，重度污染僅有1天。重度污染出現在2016 年6 月21 日，AQI 達259，首要污染物為O3，該污染過程僅有這一天為污染天氣，主要原因可能是太陽輻射強，光合作用促進O3合成，是污染濃度升高，污染加重。

在這些污染過程中發現，2017 年4 月11 日、12 日、15 日均為中度污染，污染過程持續時間長，因此本文將主要分析該污染過程。

因瑞麗無探空站，因此選取臨近站點騰沖站的探空數據進行分析。通過對2017 年4 月10-15 日08 時的探空溫度曲線分析發現，連續6 天的08 時，在795-832hPa 范圍內均有逆溫層出現，平均逆溫厚度為217.5m，平均逆溫強度為2.49℃/(100m)，其中4 月12 日空氣質量指數最大，逆溫厚度也最大，為315m。地面無降水，風速較小，均在1m/s 左右，水平擴散能力弱，不利于污染物的擴散，加上近地面層逆溫層的存在，抑制污染物的擴散，污染物濃度增加，使污染加重。

圖3 2017.04.10-04.15 的08 時探空溫度曲線

6 結論

6.1 瑞麗市環境空氣質量整體以空氣優良為主，但仍有污染出現，出現污染主要集中在每年的3、4、5 月份，發現每年的空氣質量指數從6 月份開始逐步下降，8、9 月份達到最小值后開始逐步上升，到次年4、5 月份達到最大值。

6.2 瑞麗市環境空氣質量主要受臭氧、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）三種污染物的影響，其中顆粒物的影響最大，超過50%。二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳均能達到《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）的一級標準。

6.3 將瑞麗市的PM2.5、O3、PM10濃度和AQI 與溫度、風速、降水量、相對濕度、氣壓五個地面氣象要素進行相關性分析。可以看出溫度與三種污染物的相關性在春夏季更為顯著，多數通過了0.01 的顯著性檢驗。O3是光化學產物，溫度高有利于光化學反應生成O3，從而使其濃度升高。風速與三種污染物濃度和AQI 整體上均呈負相關。風速增加，有利于污染物的水平擴散，使污染物濃度降低，污染減弱，空氣質量變好。降水對污染物具有濕清除的作用，與四者相關性顯著。降水量對PM2.5、PM10顆粒物的清除效果更明顯。相對濕度與三種污染物濃度和AQI 的相關性呈負相關，氣壓與三種污染物濃度和AQI 的相關性相關性均較弱。

6.4 通過個例分析發現，瑞麗近地面層有逆溫存在，地面風速較小，無降水，不利于污染的擴散，使污染物濃度上升，造成污染天氣的出現。