自貢市PM2.5 特征與風向的關系探究

楊茜 何軍 劉忠鵬 王志

（四川省自貢生態環境監測中心站 四川自貢 643000）

0 引言

環境空氣質量關乎人類身體健康。近年來，全國環境空氣質量狀況堪憂，大部分地區均呈現出以顆粒物污染為主的污染態勢，關于空氣中顆粒物污染的研究越來越多［1-7］。

大氣顆粒物由于其化學成分復雜、來源多樣，對人體危害較大。此外，顆粒物濃度升高會降低大氣能見度，造成霧霾天氣。2015 年實施《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）以來，PM2.5濃度呈逐年下降趨勢，但2014—2017 年PM2.5作為首要污染物占比最高，在55.3%～74.0%之間。

自貢市四季氣候變化明顯，氣候變化對空氣污染有顯著影響。冬季的污染狀況在四季之中最為嚴重。冬季氣溫低、天氣靜穩，污染物不易擴散；連續多云天氣導致晝夜溫差較大，夜晚逆溫使污染物進一步累積，凌晨會出現大范圍霧霾天氣，顆粒物污染嚴重。2017 年冬季（1 月～2 月）自貢市共出現2 次大范圍寒潮天氣，冬季寒潮對污染態勢改善明顯，但寒潮到達自貢前會使污染物擠壓南下，污染物濃度會達到峰值。春季氣溫波動明顯，整體天氣晴好，擴散條件較好，陰雨天氣較多，冷空氣強度較低但頻率較高，對污染態勢有小幅度改善。夏季極端天氣頻發，暴雨天氣較多并伴有短時強風，能明顯改善空氣污染，此外夏季光照較強，強日照導致顆粒物抬升，午后顆粒物濃度低于早晚。秋季，連陰雨天氣較多，11 月開始出現霧霾天氣，空氣質量變差。

研究PM2.5的污染特征對于治理自貢市空氣污染具有重要意義。長期觀測發現，PM2.5的濃度與風向變化有著密切關系。因此，掌握PM2.5與風向之間的變化規律，對（東經104°44′55″，北緯29°22′32″）探究自貢市空氣污染源具有重要借鑒意義。本文以自貢市空氣自動監測站大塘山的監測數據作為研究對象，分析PM2.5與風向變化之間的關系，以期為尋找污染源提供參考和科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

選用國家空氣質量聯網監測管理平臺自貢市大塘山站點一個完整統計年的數據，即從2016 年12 月1 日0 時至2017年11 月30 日23 時的PM2.5和風向連續監測小時值數據，其中PM2.5的單位為μg/m3，風向用度數表示。

1.2 研究方法

本研究按照氣象分類標準將風向按度數分為16 個方向，詳見表1。

表1 風向分類

本文繪制整個統計年以及統計年份季節各風向上風向頻數、PM2.5總濃度值（總濃度值為小時累積值）和PM2.5均值（該風向上的總濃度值比上該風向上的風向頻數）的雷達圖，探究該統計年以及不同季節大塘山站點的主導風向，探究該統計年以及不同季節PM2.5濃度的來源情況，為決策部門對區域大氣污染聯防聯控管理提供依據。

此外還分析了春季秸稈焚燒期間PM2.5的分布情況，繪制該時期各風向上PM2.5均值雷達圖，探究特殊時期對PM2.5濃度的影響，為決策部門對特殊時期污染源的管控工作提供依據。

按照PM2.5數值對污染物等級進行分類，詳見表2。根據不同污染等級類別，繪制各風向上PM2.5的均值雷達圖，探究不同污染等級中PM2.5濃度的來源情況。

表2 PM2.5污染等級

2 分析與結果

2.1 PM2.5 風向年度值變化情況

2016 年12 月至2017 年11 月16 個風向的風向頻數見圖1（a）。從圖1（a）可見，在該統計年中風向總頻數為8 482 次（扣除無效監測），其中在北東北—東和西西南—西6 個風向上的頻數較高，北東北—東風向頻數在770 次～936 次之間，西西南—西風向頻數在888 次～1 002 次之間。由此可見，該統計年中，風向多為北東北—東和西西南—西。

圖1（b）為PM2.5在16 個風向上的年總濃度值。可以看出，其分布規律與風向頻數的分布規律一致，PM2.5年總濃度值在北東北—東和西西南～西6 個風向上的濃度較高，北東北—東風向上PM2.5年總濃度值在55 636 μg/m3～72 469 μg/m3之間，西西南—西風向上PM2.5年總濃度值在65 780 μg/m3～63 653 μg/m3之間，峰值出現在東北風向上，為72 469 μg/m3。該統計年中，在北東北—東和西西南—西6 個風向上PM2.5濃度累積量較大。

PM2.5在16 個風向上的年均值見圖1（c），各個風向上PM2.5年 均 值 在57.5 μg/m3～79.8 μg/m3之 間，PM2.5年 均 值 為71.0 μg/m3。從圖中可以看出，PM2.5高值（以高于該統計年年均值為標準）集中在北東北—東和南西南—西西南風向上，北東北—東風向上PM2.5均值范圍在72.3 μg/m3～79.8 μg/m3之間，南西南～西西南風向上在74.1 μg/m3～76.6 μg/m3之間，峰值（79.8 μg/m3）出現在東東北方向上。PM2.5年均值能反映污染嚴重程度，以上分析可得出：16 個風向上，在北東北—東和南西南～西西南7 個風向上PM2.5污染較嚴重，東東北風向上細顆粒物污染最嚴重。結合大塘山周邊環境，北東北—東方向近處為農村片區，農村階段性秸稈焚燒對PM2.5濃度有一定的貢獻，遠處為內江市市區，城市綜合產生的污染物對PM2.5濃度有一定的貢獻；南西南—西西南方向存在幾個工業廠區，工廠排放的廢氣對PM2.5濃度有一定的貢獻。由此可見，實施內江市和自貢市的區域大氣污染聯防聯控管理是有必要的。

綜合分析圖1 可以看出，各方向上PM2.5濃度年均值的最高值和最低值相差22.3 μg/m3，在數值上差距相對較小，所以各方向上PM2.5年總濃度值必然是和該方向的風向頻數一致，故圖1（a）中各方向上的風向頻數分布規律和圖1（b）中各方向上PM2.5年總濃度值分布規律基本一致。

圖1 細顆粒物年度風向特征圖

2.2 PM2.5 風向季節性濃度均值變化情況

圖2 為四季風頻圖，四季風頻圖規律與年風頻圖規律類似，四季普遍存在北東北—東和西西南—西風向出現頻數高，在西北和東南風向的頻數變化不明顯，在東北和西南風向的頻數變化明顯。由于四川盆地屬于季風區，在夏季偏西風居多，在冬季偏東北風居多，春秋兩季是風向交替變化的時期，偏西風和偏東北風的頻數相當。而自貢市恰好位于內江市的西南方向，會造成兩地污染物的相互傳輸，再次印證了兩市做好區域大氣污染聯防聯控管理工作的必要性。

圖2 分季節風向頻數圖/次

圖3 為四季PM2.5均值圖。從圖中可見，PM2.5濃度均值在冬季最高，其次是秋季、春季，夏季最低。冬季PM2.5濃度較大，究其原因，一方面與天氣因素有關，進入冬季，受靜穩天氣與不利氣象條件協同影響，空氣擴散條件逐漸變差，夜晚大氣逆溫明顯，污染物累積不斷加劇。另一方面與人為因素有關，人為因素主要是春節燃放煙花爆竹、工業企業生產和汽車尾氣等。夏季PM2.5濃度較小，主要原因是太陽輻射強，引起的對流旺盛，同時夏季降雨大，兩者都有利于PM2.5的擴散或稀釋。春秋兩季處于冬夏兩季的交替期，風場以及降水等氣象因素類似，并都存在秸稈焚燒現象，因此春秋兩季污染物濃度相當，且居于冬夏兩季濃度值之間。

圖3 四季細顆粒物（PM2.5）均值雷達圖/（μg/m3）

春季PM2.5均值較大值出現在東北—東及西南—西西南風向上，最大值出現在西南風向上（66.8 μg/m3）。夏季PM2.5均值較大值出現在北—東東北及西西南—西西北風向上，最大值出現在東東北和西風向上（48.7 μg/m3）。秋季PM2.5較大值出現在北東北—東南和南—西西南風向上，最大值出現在南西南風向上（80.3 μg/m3）。冬季PM2.5均值較大值出現在東北—東及南東南—西西北風向上，最大值出現在西南風向上（146.3 μg/m3）。四個季節的PM2.5均值較大值的風向與圖1（c）統計年PM2.5均值較大值的風向大體一致，均為偏東北和偏西南方向，全年對于PM2.5排放源的管控工作，著重點放在這個兩個風向上。冬季PM2.5均值較大值更為集中在偏西南方向，冬季要特別注意偏西南方向工廠園區排放源的管控工作。

2.3 秸稈焚燒污染物特征

自貢地區秸稈焚燒一般集中在4 月～5 月、10 月～11 月。在這兩段時間內，空氣PM2.5濃度顯著增加，大氣環境惡化。2017年秋季秸稈焚燒前，由于環境主管部門采取了有效禁燒措施，秋季秸稈焚燒行為得到有效遏制，因此本研究僅分析了春季秸稈焚燒的污染物風向特征，該統計年秸稈焚燒期為4 月20日至5 月21 日。圖4 為秸稈焚燒期間風向頻數雷達圖。由圖4 可見北東北—東東南和西西南—西風向風頻次數較多，這與春季風向頻數較大值出現的方向一致。圖5 是秸稈焚燒期間各風向上PM2.5均值雷達圖。秸稈焚燒期間PM2.5的風向特征顯示在大塘山偏東北風向和偏西南風向上均值較高，大塘山東北方向為農村，秸稈焚燒主要發生在農村地區，PM2.5在東北風向的均值較春季大，這就印證了農村秸稈焚燒能降低空氣質量。

圖4 秸稈焚燒期間風頻圖/次

圖5 秸稈焚燒期間細顆物（PM2.5）均值雷達圖/（μg/m3）

2.4 不同污染等級PM2.5 的風向特征

本文還研究了優良（AQI≤100）、輕度（100＜AQI≤150）、中度（AQI＞150）及以上三個等級PM2.5年均值的風向特征。圖6為三個污染等級PM2.5均值濃度雷達圖。從圖中可見，優良污染等級PM2.5均值在東北—東東南和西南～西西南風向上較大；輕度污染等級PM2.5均值在東北—東、南西南和西西南風向上較大；中度污染及以上污染等級PM2.5均值在北東北—東北、南東南—南、西南—西西北風向上較大。在輕度污染和中度污染及其以上污染等級類別中，偏東北方向和偏西南風向PM2.5濃度的貢獻較大，和圖1（c）得出的結論一樣。除此之外，在中度污染及其以上污染等級類別中，偏南方向和偏西北風向對于PM2.5濃度的貢獻也比較明顯。究其原因，南邊為自貢市主城區，西北方向為內江市威遠縣城區，兩地區的城市綜合污染源的排放所引起的。

圖6 三個污染等級細顆粒物濃度均值雷達圖

3 結論

（1）該統計年中，大塘山風向以北東北—東和西西南—西風向為主。夏季偏西風更明顯，冬季偏東北風更明顯。

（2）該統計年中，PM2.5濃度均值反映出的特征：在北東北—東和南西南—西西南這7 個風向上PM2.5污染較嚴重，東東北風向上PM2.5污染最嚴重。大塘山偏東北方向，近處的農村秸稈焚燒，遠處的鄰市城市綜合污染源，大塘山偏西南方向的工廠園區的污染源排放，都對PM2.5濃度升高有一定的貢獻。

（3）在季節分析中，PM2.5濃度均值在冬季最高，其次是秋季、春季，夏季最低。各季節均值較大值出現的風向大致和結論（2）一致，但在冬季，偏西南方向的工廠園區的污染源排放對PM2.5的貢獻更為明顯。

（4）秸稈焚燒期間，地處大塘山東北方向為農村，對PM2.5濃度的貢獻較春季大。

（5）在分析輕度污染和中度污染及其以上類別PM2.5的風向特征中，除偏西南和偏東北方向對PM2.5濃度貢獻較大外，在中度污染及其以上類別PM2.5的風向特征中，鄰市城區綜合污染源的排放對PM2.5濃度貢獻比較明顯。