重慶中心城區空氣污染特征及氣象影響因素分析 ①

江文華， 周國兵， 陳道勁， 韓余， 吳政謙， 鄒倩

重慶市氣象臺， 重慶 401147

空氣質量的優劣程度與一個城市的綜合競爭力密切相關， 直接影響到投資環境和居民健康， 因此越來越受到政府和公眾的關注． 城市化過程是發展中國家實現現代化的必經之路， 但是該過程往往會導致環境污染加劇， 大城市工業集中、 人口密集、 大量消費化石燃料， 而高密度的建筑群又不利于大氣污染物的擴散， 因此容易發生嚴重的空氣污染．

近年來， 我國多地多次出現空氣污染事件， 國內學者在空氣污染特征及其影響因素方面進行了大量研究， 研究結果表明， 大氣污染物的時空分布及其濃度不僅與污染源的分布、 類型和排放量有關， 還與地形、 氣象條件等密切相關[1-2]． 重慶地處四川盆地邊緣的丘陵低山地帶， 中心城區位于“兩江”(長江和嘉陵江)和“四山”(縉云山、 中梁山、 銅鑼山和明月山)之間的槽谷地帶， 平均風速小， 相對濕度較高， 地理氣象條件不利于大氣污染物的擴散， 加之傳統的重工業城市和資源稟賦較差， 其空氣質量一直受到廣泛關注． 根據環境保護部統一部署和要求， 重慶中心城區作為全國首批74個城市(京津冀、 長三角、 珠三角等重點區域以及直轄市、 省會城市和計劃單列市)之一， 自2013年開始實施《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)、 《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 663—2012)， 并向社會發布PM2.5等大氣污染物的實時濃度、 空氣質量指數(AQI)等信息． 2013年至2017年重慶市以中心城區為重點實施新一輪“藍天行動”， 控制燃煤及工業廢氣污染、 城市揚塵污染、 機動車排氣污染及餐飲油煙機揮發性有機物污染， 增強大氣污染監管能力， 2018—2020年重慶實施貫徹國務院打贏藍天保衛戰三年行動計劃方案， 以中心城區和渝西片區為重點控制區， 著力優化調整“四個結構”， 強化“四控兩增”措施， 大幅減少主要大氣污染物排放量， 協同減少溫室氣體排放． 2020年重慶市空氣質量優良天數達到333天， 全市空氣質量普遍有所改善， 中心城區空氣質量持續改善， 但是距離重慶市的新要求和社會的新期待還有差距， 國家生態文明建設、 長江經濟帶和“一帶一路”發展戰略， 均對空氣質量提出了較高的要求． 目前對重慶地區大氣污染研究大多集中于特定大氣污染物、 較短時段或較小區域空氣污染的相關分析[3-6]， 對于中心城區空氣污染較長時段的綜合分析較少， 本研究利用重慶中心城區環境空氣質量監測數據以及氣象站觀測數據， 運用統計方法， 對中心城區2013—2020年空氣污染特征進行了分析， 并就常規氣象要素對中心城區主要大氣污染物濃度的影響進行了探討， 以期為空氣質量預報和空氣污染預警提供參考， 為有關部門制定防治大氣污染與保護城市生態環境的決策提供科學依據．

1 資料說明

本研究所用空氣質量監測數據來源于中國環境監測總站官網(http： //www.cnemc.cn/)及重慶市生態環境局官網(http： //sthjj.cq.gov.cn/)， 監測污染指標6項： PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO和O3． 所用的氣象數據為重慶中心城區沙坪壩氣象站(國家基本氣象站)觀測數據， 日值數據時段為2013年1月1日—2020年12月31日， 氣象觀測日值數據與空氣質量監測日值數據統計時段相同．

本研究對季節的劃分： 春季3—5月， 夏季6—8月， 秋季9—11月， 冬季1—2月、 12月．

2 結果分析

2.1 空氣質量總體概況

根據環境保護部發布的《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)行業標準， 按照AQI大小， 將空氣質量分為一級優(0≤AQI≤50)、 二級良(51≤AQI≤100)、 三級輕度污染(101≤AQI≤150)、 四級中度污染(151≤AQI≤200)、 五級重度污染(201≤AQI≤300)、 六級嚴重污染(AQI>300)．

圖1為2013—2020年重慶中心城區首要污染物分布． 由圖1可見， 重慶中心城區2013—2020年空氣質量以良為主， 未出現嚴重污染； 首要污染物主要為PM2.5， 其次為O3， SO2和CO未成為首要污染物； 污染日(AQI>100)首要污染物主要為PM2.5， 其次為O3； 重度污染日首要污染物基本為PM2.5． 由此可見， 2013—2020年影響重慶中心城區空氣質量的大氣污染物主要為PM2.5和O3．

圖1 2013—2020年重慶中心城區首要污染物分布

2.2 空氣污染的季節變化特征

按照《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)行業標準， PM2.5日均質量濃度超過75 μg/m3， 其空氣質量分指數IAQI超過100， 統計中視為當日PM2.5超標， O38小時滑動平均(O3_8h)日最大質量濃度超過160 μg/m3或1小時平均(O3_1h)日最大質量濃度超過200 μg/m3， 其空氣質量分指數IAQI超過100， 統計中視為當日O3超標．

圖2為2013—2020年重慶中心城區PM2.5、 O3累計超標天數月分布． 由圖2可見， PM2.5污染、 O3污染均呈現出明顯的季節差異， PM2.5超標天數呈“冬高夏低”特征， 超標日主要出現在初春、 秋末和冬季， 其中冬季最為嚴重， 尤其是1月， 其次為12月， 夏季很少出現PM2.5超標現象； O3污染以輕度污染為主， 超標天數呈“夏高冬低”特征， 超標日主要出現在春末、 夏季和初秋， 其中夏季最為嚴重， 尤其是8月， 其次為7月， 中度及以上污染日主要出現在6—8月．

圖2 2013—2020年重慶中心城區PM2.5和O3累計超標天數月分布

據統計， 2013—2020年重慶中心城區4—10月有出現同一天PM2.5和O3均超標(雙超標)的情況， 其中9月出現雙超標的天數最多．

2.3 空氣污染的年變化特征

圖3為2013—2020年重慶中心城區PM2.5和O3超標天數逐年變化． 由圖3可見， 重慶中心城區PM2.5超標天數2013—2020年總體呈下降趨勢； O3超標天數2013—2015年呈逐年減少的趨勢， 2016年略高于2015年， 2016—2018年呈逐年增加趨勢， 2019年和2020年較2018年略有減少． 從各年超標天數來看， 重慶中心城區2013—2016年PM2.5超標天數各年均明顯高于O3超標天數， 2017年PM2.5超標天數略高于O3超標天數， 2018—2020年O3超標天數均較明顯高于PM2.5超標天數． 由此可見， 2013—2020年重慶中心城區PM2.5污染總體呈減弱趨勢， 而O3污染問題近年來日益凸顯．

圖3 2013—2020年重慶中心城區各年PM2.5超標天數及O3超標天數年變化

3 氣象因子對主要大氣污染物濃度的影響

城市空氣質量的好壞與氣象條件關系密切， 在不同的氣象條件下， 同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍甚至幾百倍， 這是由于大氣對污染物的稀釋擴散能力隨著氣象條件的不同而發生巨大變化的緣故， 空氣污染往往發生在不利的氣象條件下．

近年來， 影響重慶中心城區空氣質量的大氣污染物主要為PM2.5和O3． PM2.5在大氣中含量的增加導致能見度降低[7]， 影響生活、 交通和城市景觀， 另外對農作物產量和生態系統也有影響， 相對較粗顆粒， PM2.5顆粒粒徑更小， 比表面積更大， 在環境中滯留的時間更長， 吸附的有害物質更多， 更易進入人體支氣管和肺泡區， 對人體健康的危害更大[8]． O3作為重要的溫室氣體和大氣強氧化劑， 在對流層化學物質循環中扮演著重要的角色， 它具有很強的反應活性， 可直接損傷人體呼吸道、 皮膚、 眼睛和免疫系統等， 直接傷害植物葉片， 導致森林死亡及農作物減產， 對流層臭氧尤其是近地面臭氧濃度的增加嚴重影響著人類健康、 生態環境， 同時也威脅著區域氣候變化[9]．

由于PM2.5和O3的生成機制有較大差異， 氣象因子對PM2.5和O3濃度的影響有較大的不同， 在此就氣溫、 風、 相對濕度、 氣壓和降水等常規氣象要素對PM2.5和O3濃度的影響分別進行分析． 2020年受疫情影響污染源排放變化較大， 因此本研究僅用2013—2019年的資料就氣象因子對PM2.5和O3濃度的影響進行分析．

3.1 氣象要素對PM2.5濃度的影響

空氣中的PM2.5主要是由工業及人類生產生活排放產生的， 包括化石燃料燃燒、 機動車尾氣排放、 工業污染、 道路揚塵和建筑揚塵等． 由圖2可見， 重慶中心城區PM2.5污染呈現出明顯的季節差異， 主要出現在初春、 秋末和冬季， 其中冬季最為嚴重． 與北方城市不同， 重慶沒有采暖期和非采暖期之分， 污染源排放沒有較為明顯的季節變化特征， 因此PM2.5污染的季節差異主要與本地地理氣候環境有關．

對2013—2019年全年和各季節重慶中心城區PM2.5日均濃度與日平均氣溫、 日最高氣溫、 日最低氣溫、 10 m高度平均風速、 日降水量、 日平均相對濕度(由于降水對PM2.5有沉降、 稀釋作用， 而降水時空氣相對濕度很高， 故在此僅選取無降水日的相對濕度進行平均)、 日平均氣壓、 24 h變壓(當日日平均氣壓與前一日日平均氣壓的差值)等氣象要素的相關性進行了分析， 結果列于表1． 由表1可見， 從全年來看， PM2.5日均濃度與氣溫、 平均風速、 降水量、 24 h變壓呈負相關關系， 與氣壓呈正相關關系， 無降水情況下與相對濕度呈正相關關系， 各相關系數均在α=0.01水平上有統計學意義； 從各季節來看， 春季PM2.5日均濃度與平均風速、 降水量、 24 h變壓呈負相關關系， 各相關系數均在α=0.01水平上有統計學意義； 夏季PM2.5日均濃度與降水量、 24 h變壓呈負相關關系， 無降水情況下與平均相對濕度呈正相關關系， 各相關系數均在α=0.01水平上有統計學意義； 秋季PM2.5日均濃度與平均風速、 降水量、 24 h變壓呈負相關關系， 各相關系數均在α=0.01水平上有統計學意義， 其中與降水量的相關最為顯著； 冬季PM2.5日均濃度與平均風速、 降水量、 24 h變壓呈負相關關系， 與最高氣溫、 平均氣溫呈正相關關系， 無降水情況下與平均相對濕度呈正相關關系， 各相關系數均在α=0.01水平上有統計學意義， 其中與平均風速的相關最為顯著， 冬季PM2.5平均濃度與冷空氣活動頻率以及強度密切相關．

表1 2013—2019年重慶中心城區PM2.5濃度與各氣象要素的相關系數

3.2 氣象要素對O3濃度的影響

對流層臭氧作為重要的痕量氣體成分， 除少量來自平流層的輸入外， 主要是由人類活動產生的氮氧化物(NOx)和揮發性有機物(VOCs)等前體物在光照下經過光化學反應生成[10]， 氣象條件對臭氧的光化學反應、 擴散和傳輸有重要影響．

近年來， 我國臭氧污染問題日益凸顯[11]， 對于氣象因子對O3濃度的影響， 國內學者進行了大量研究， 從研究結果來看， 太陽(紫外)輻射、 氣溫、 相對濕度等氣象要素是影響O3濃度的重要因素， 城市高濃度的O3往往形成于強太陽輻射、 高溫、 低濕的天氣下， 但不同地區風等氣象要素對O3濃度的影響不盡相同[12-15]．

據統計， 2013—2019年重慶中心城區首要污染物為O3的天數中O3_8 h占97.7%， O3_1 h僅占2.3%， 以下對O3_8 h濃度與各氣象要素的相關性進行分析．

從日變化來看， 重慶中心城區近地面臭氧濃度呈顯著的單峰變化趨勢， O3濃度夏季從08時左右開始出現升高趨勢， 其他季節從09時左右開始出現升高趨勢， 16時左右達到一天中的峰值， 之后逐漸下降， 夜間保持在較低水平[16]． 根據重慶中心城區臭氧的日變化特征結合過去的研究[17]， 利用2013—2019年中心城區O3監測數據及沙坪壩氣象站的觀測數據， 對O3_8 h質量濃度與日最大紫外輻照度、 日照時數、 日最高氣溫、 白天平均相對濕度(由于白天的降水對O3濃度有影響， 而降水時空氣相對濕度高， 故在此僅選取白天08—20時無降水日的相對濕度進行平均)等氣象要素的相關性進行了分析． 圖4為2013—2019年重慶中心城區O3_8 h質量濃度日最大值與日最大紫外輻照度、 日照時數、 日最高氣溫、 白天平均相對濕度的散點圖． 由圖4來看， O3_8 h質量濃度與紫外輻照度、 日照時數、 最高氣溫呈正相關關系， 白天無降水時與平均相對濕度呈負相關關系， 計算得到各相關系數絕對值均大于0.70， 相關有統計學意義， 其中O3_8 h質量濃度與最高氣溫的相關系數最高， 超過0.80， 相關極有統計學意義； 太陽紫外輻射越強， 日照時間越長， 越有利于O3的光化學生成； 總體來看O3_8 h質量濃度隨著氣溫的升高而上升， 當氣溫超過30 ℃時O3_8 h質量濃度超標現象開始增多， 當氣溫超過35 ℃時O3_8 h質量濃度超標現象明顯增多但離散度明顯增大， 表明O3_8 h質量濃度并不是完全隨氣溫的升高而上升； O3_8 h質量濃度隨相對濕度的增加而降低， 相對濕度高于70%時O3_8 h質量濃度離散度明顯減小且未出現超標現象， 表明高濕對O3濃度有明顯的減弱作用．

圖4 2013—2019年重慶中心城區O3_8 h質量濃度日最大值與各氣象要素的散點圖

圖5 白天10 m高度平均風速V≥2 m/sO3超標日白天的風向玫瑰圖(風向頻率： %)

風對O3濃度的影響較為復雜， 主要是因為風速較小時風對O3及其前體物的稀釋擴散作用較小， 對O3及其前體物的遠距離傳輸作用也較小， 風速較大時風對O3及其前體物的稀釋擴散作用較大， 對O3及其前體物的遠距離傳輸作用也較大， 因此風速較大時風向對O3濃度的影響更為顯著． 從統計來看， 2013—2019年重慶中心城區O3超標日白天10 m高度平均風速V≥2 m/s的比例僅占9.6%， O3超標現象大部分發生在低風速天氣條件下．對白天10 m高度平均風速V≥2 m/s O3超標的個例進行分析， 結果表明這些個例均出現在6—8月． 圖5為白天10 m高度平均風速V≥2 m/s O3超標日白天的風向玫瑰圖． 由圖5可見， 這些個例白天的主導風向主要在NW-N-NNE區間內， 其次在ENE-E-ESE區間內．

白天的降水對O3濃度的影響主要表現在兩個方面， 一方面降水發生時云量較多， 云層削弱了到達地面的太陽輻射， 減弱了O3的生成， 使O3濃度降低； 另一方面降水發生時相對濕度大， 水汽含量高， 水汽通過反應消耗O3， 使O3濃度降低． 統計表明， O3超標日白天有降水的天數僅占6.1%． 對這些個例進行分析， 發現這些個例均發生在7月、 8月， 降水多為對流性降水， 降水時間較短， 16.7%的個例降水出現在13時之前， 83.3%的個例降水出現在16時之后． 從統計來看重慶中心城區夏季O3平均小時濃度呈明顯的“單峰型”變化規律， O3濃度08時左右開始上升， 16時左右達到峰值， 在13—19時保持較高值[18]． 為了研究白天不同時段發生的降水對O3濃度影響的差異， 比較2018年8月11日與2018年8月3日這兩個觀測日O3濃度的變化， 這兩個觀測日在最大太陽紫外輻照度、 日照時數、 最高氣溫、 白天的平均相對濕度、 白天10 m高度平均風速及白天的降水量等方面均較為接近(表2)， 其O3小時質量濃度變化見圖6． 由圖6來看， 兩個觀測日在降水開始后O3質量濃度均出現明顯降低， 但由于降水發生時段有所不同， 當日的O3_8 h質量濃度值有較大差異， 2018年8月3日白天的降水發生在15時到16時之間， 降水開始后O3質量濃度降低， 16時O3小時質量濃度已經降至125 μg/m3以下， 當日O3_8 h質量濃度最大值為106 μg/m3， 未超標， 而2018年8月11日白天的降水發生在17時到18時之間， 16時O3小時質量濃度接近200 μg/m3， 14—17時各時段O3小時質量濃度均超過180 μg/m3， 降水開始后O3質量濃度降低， 當日O3_8 h質量濃度最大值為166 μg/m3， 超過國家環境空氣質量二級標準(HJ633—2012)， 這兩個觀測日O3_8 h質量濃度值差異較大， 主要是因為白天的降水發生在不同的時段， 使得O3濃度的變化發生了不同的改變． 由此可見， 白天發生的降水對O3濃度有降低作用， 但不同時段發生的降水對O3濃度變化的影響有所不同．

表2 不同觀測日氣象要素比較

圖6 不同降水時段O3小時質量濃度隨降水變化

4 結論

1) 從首要污染物來看， 2013—2020年影響重慶中心城區空氣質量的大氣污染物主要為PM2.5和O3， 重度污染日首要污染物基本為PM2.5．

2) 從季節變化來看， 2013—2020年重慶中心城區PM2.5污染、 O3污染均呈現出明顯的季節差異， PM2.5超標主要出現在初春、 秋末和冬季， 其中冬季最為嚴重， 尤其是1月， 其次為12月； O3超標主要出現在春末、 夏季和初秋， 其中夏季最為嚴重， 尤其是8月， 其次為7月．

3) 從年變化來看， 2013—2020年重慶中心城區PM2.5污染總體呈減弱趨勢， 而O3污染問題近年來日益凸顯．

4) 從全年來看， PM2.5日均濃度與氣溫、 風速、 24 h變壓、 降水量呈負相關關系， 與氣壓呈正相關關系， 無降水情況下與相對濕度呈正相關關系； 不同季節氣象因子對PM2.5濃度的影響不盡相同．

5) O3濃度的變化受多種氣象要素作用， 太陽紫外輻射、 日照時長、 氣溫、 相對濕度、 風速、 風向及白天有無降水等均對O3濃度產生影響； 強太陽輻射、 高溫、 低濕、 低風速天氣條件下容易形成高濃度O3， 白天風速較大時主導風向在NW-N-NNE區間或ENE-E-ESE區間時也可能出現O3超標現象； 白天的降水對O3濃度有降低作用， 但不同時段發生的降水對O3濃度變化的影響有所不同．