沈陽市2019 年PM2.5 與PM10 濃度變化特征研究

劉 楓 李思慧 呂程熙 薛潔曉 布乃順

（遼寧大學環境學院，遼寧 沈陽110036）

近年來，隨著經濟快速發展以及工業化和城鎮化水平不斷提高，大氣污染問題日益突出[1]。目前國內大部分城市的灰霾天氣是由顆粒物污染造成的，PM2.5和PM10是導致大氣污染的首要污染物，對空氣質量、經濟發展以及人體健康造成影響[2]。根據《2019 年中國生態環境狀況公報》顯示，全國有47.2%的城市PM2.5年均濃度和32.0%的城市PM10年均濃度超過二級標準。可見，城市的大氣環境治理仍面臨著巨大的挑戰，研究PM2.5和PM10的變化特征和影響因素對于改善城市空氣質量具有重要意義。

人類活動與氣象條件共同作用影響大氣污染[3-4]。先前的研究分析了顆粒污染物和氣象因素之間的相關性，研究表明氣象條件可以在很大程度上影響污染物的擴散、稀釋和積累[5]。逆溫、靜風、日照強烈、濕度較小的天氣條件不利于顆粒物的擴散和去除。而這些研究主要集中在京津冀、長三角、珠三角等地區[3,6,7]。東北地區快速的經濟發展和城市化伴隨大量的能源消耗，導致嚴重的大氣環境問題[8]。沈陽是東北地區高速發展的重要工業城市，由于人為活動和工業排放以及不利天氣的影響，近年來頻繁出現灰霾天氣[9]。根據《2019 年沈陽市環境質量公報》，2019 年沈陽市空氣質量超標天數為81 天，其中首要污染物為PM2.5的天數占54.3%，PM10占6.2%；PM2.5和PM10的年均濃度分別達到43μg/m3和77μg/m3，分別超過國家環境空氣質量二級標準0.2 倍和0.1 倍。因此，研究沈陽地區的顆粒物污染物的時間變化與氣象條件的關系有助于制定當地有效的控制措施。

本文以沈陽市2019 年的地面監測數據為基礎，分析了PM2.5和PM10的濃度變化特征及其與氣象條件的相關性，為進一步加強沈陽市大氣污染治理、改善其空氣質量提供理論參考。

1 區域概況與數據來源

1.1 區域概況

沈陽（41.77°N，123.50°E）位于東北南部，是東北政治、經濟和文化中心[4]，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，年均氣溫6.2～9.7℃，降水集中在夏季，溫差較大，地勢由東北向西南傾斜。

1.2 數據來源

本研究統計了2019 年中國環境檢測總站（http：//www.cnemc.cn）發布的沈陽市PM2.5和PM10逐時濃度數據。從國家氣象信息中心（http://data.cma.cn/site/index.html）獲得各氣象因子的數據。

2 結果與討論

2.1 PM2.5 和PM10 季節變化特征分析

圖1 2019 年沈陽市PM2.5 和PM10 濃度月均變化

污染物濃度的季節變化主要受排放強度和氣象因素的影響[10]。冬季的燃煤取暖會增加煤粉塵、氮氧化物和硫化物的排放量[4]，秋季的生物質燃燒也不可避免的加重了PM2.5和PM10的污染。由表1 看出秋冬季溫度低，冷空氣活動容易造成逆溫，不利于大氣擴散[11]。還有降水量少、風速小等特點也使PM2.5和PM10濃度上升。夏季較高的溫度導致大氣層結構不穩定，有利于顆粒物擴散，降水增強了對污染物的清潔和沖刷作用，并且濕度可以減少土壤粉塵排放。此外，沈陽夏季盛行東南風，清潔的海風起到一定的稀釋作用[3]，這使得夏季的顆粒物濃度是四季最低值（PM2.5：23.3μg/m3；PM10：41.8μg/m3）。

表1 氣象因素的月均變化

2.2 PM2.5 和PM10 濃度日變化

PM2.5和 PM10質量濃度的日變化范圍分別為30.9-50.1μg/m3和66.1-90.1μg/m3，兩者表現出相同的變化趨勢（圖2），這與人類活動和大氣環境的變化都息息相關[7,11]。晚上污染物積累隨著日出大氣邊界層高度抬升，在垂直方向上的稀釋作用加強，使得污染物濃度開始逐漸下降。6:00-9:00 人類活動逐漸增加出現早高峰，交通排放出現了PM2.5和PM10的第一個峰值。9:00 之后溫度逐漸上升增強了大氣的湍流作用。波谷在12:00 到18:00 出現，隨著下班時間的到來和夜晚邊界層的下降，顆粒物又積累起來。

圖2 PM2.5 和PM10 質量濃度日變化

2.3 PM2.5 和PM10 濃度與氣象因子的相關性

分析顆粒物和氣象變化的相關性對于預測污染物變化有重要意義。PM2.5和PM10濃度與各氣象因子之間的相關性析結果如表2 所示。PM2.5和PM10濃度與溫度、降水量和相對濕度呈顯著負相關。大氣對流需要一定的溫度差，當近地面的氣溫較高時大氣的對流作用會稀釋顆粒濃度[5]。降水對大氣顆粒污染物具有沖刷作用，沉降過程將顆粒物帶至地面，而且降水不利于起沙與揚塵的發生[6]。海平面氣壓能夠影響大氣對流活動，下沉氣流會抑制污染物的向上擴散，因此，氣壓與PM2.5和PM10質量濃度呈正相關。PM2.5濃度與風速呈負相關，與PM10濃度呈正相關，其相關系數值說明風速對PM2.5和PM10質量濃度影響不顯著。

表2 PM2.5 和PM10 與各氣象因素Pearson 相關系數

3 結論

3.1 2019 年沈陽市PM2.5和PM10月均濃度變化趨勢總體呈“U”字型，一年中PM2.5和PM10濃度在8 月份最低，在1 月份最高。PM2.5和PM10濃度的季節性變化表現為冬季>春季>秋季>夏季。

3.2 PM2.5和PM10質量濃度的日變化表現出相同的變化趨勢，均為白天低，晚上高。受到人為活動的影響在6:00 到9:00 呈增長趨勢，然后開始下降，在16:00 達到最低值，波谷出現在12:00 到18:00。

3.3 溫度、相對濕度、降雨量和氣壓是影響沈陽市區PM2.5和PM10的重要氣象要素，風速對PM2.5和PM10濃度影響不顯著。