徐圩港區(qū)PM2.5污染特征與氣象因素的相關(guān)性研究

何烽 邵傳慶 羅磊 喬旭 陳楠

(連云港徐圩港口投資集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，大氣環(huán)境壓力與日俱增，逐步成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。PM2.5是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒物，其作為大氣環(huán)境污染的主要物質(zhì)，不但可以降低大氣能見(jiàn)度，還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生極為不利的影響。大量流行病學(xué)研究表明，PM2.5與呼吸系統(tǒng)和心腦血管疾病以及死亡率之間存在一定關(guān)系。

采取有效、可靠的措施來(lái)減少PM2.5造成的大氣污染，必須先要了解PM2.5的空間及時(shí)間變化。Wang等分析了中國(guó)31個(gè)省會(huì)城市大氣污染物的時(shí)空變化，研究證實(shí)氣象變量在PM2.5的形成過(guò)程中起著重要作用[1]；曹陽(yáng)等人對(duì)比了武漢市漢陽(yáng)區(qū)PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和同期氣象數(shù)據(jù)，分析了大氣污染特點(diǎn)和主要?dú)庀髼l件影響[2]；此外,部分研究也表明PM2.5濃度主要受區(qū)域污染排放、外部污染輸送以及溫度、氣壓、風(fēng)速、降水等氣象條件影響[3]。

徐圩港區(qū)位于黃海海州灣西南岸，是連云港市區(qū)域性中心港口的重要組成部分。在綠色港口建設(shè)過(guò)程中，PM2.5污染給徐圩港區(qū)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。由于區(qū)域氣候條件不同，PM2.5濃度與氣象因素之間的相關(guān)性研究因區(qū)域而異，因此探究徐圩港區(qū)PM2.5污染特征同溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速和降水等氣象參數(shù)之間的關(guān)系可為大氣污染防治提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 站點(diǎn)和數(shù)據(jù)

徐圩港區(qū)共設(shè)置4個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，分布于港區(qū)已建設(shè)形成的陸域部分，涵蓋一港池、二港池和四港池，站點(diǎn)具體位置如表1所示。上述站點(diǎn)均為自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，包含PM2.5和風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓力等氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)。

表1 監(jiān)測(cè)站位置及類型

研究過(guò)程中主要使用2021年度徐圩港區(qū)區(qū)控站點(diǎn)PM2.5監(jiān)測(cè)日均值和氣象參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)參考其余三個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)值，若數(shù)據(jù)相差超過(guò)20%則取平均值。降雨量數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在研究風(fēng)向因素對(duì)PM2.5數(shù)值影響過(guò)程中，為將風(fēng)向進(jìn)行數(shù)值化表征，北、東、南、西分別設(shè)置為0°、90°、180°和270°，其余風(fēng)向數(shù)值如表2所示。

表2 風(fēng)向與數(shù)值對(duì)照表

在研究PM2.5濃度月度變化與氣象因素關(guān)系時(shí)，由于溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速以及降水單位不同，因此采用歸一化處理，利用matlab軟件中的mapminmax函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使氣象參數(shù)表征值在[0，1]內(nèi)。

在研究降水對(duì)港區(qū)PM2.5濃度影響過(guò)程中，鑒于當(dāng)日降水量<1mm對(duì)PM2.5基本無(wú)影響，因此研究中僅統(tǒng)計(jì)當(dāng)日降水量≥1mm的情況，據(jù)此計(jì)算港區(qū)2021年度降水次數(shù)為78次。同時(shí)，為探究降雨前后PM2.5清除效果，引入“PM2.5清除率”的概念，清除率計(jì)算方法如下。

Q=(Q1-Q2)/Q1×100%

式中：Q1為降水前24hPM2.5平均濃度，單位為μg/m3；Q2為降水后24hPM2.5平均濃度，單位為μg/m3；Q為降水對(duì)PM2.5的清除率，單位為%。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5數(shù)值月度變化與氣象因素關(guān)系

徐圩港區(qū)月度PM2.5均值和氣象參數(shù)歸一化數(shù)據(jù)整理后如圖1所示。2021年度徐圩港區(qū)PM2.5濃度變化顯示出明顯的季節(jié)性特征，冬季(12—2月)PM2.5數(shù)值最高，約46.1μg/m3；春季(3—5月)數(shù)值出現(xiàn)降低，尤其是4—5月份，均值約25.5μg/m3；夏季(6—8月)數(shù)值進(jìn)一步降低，至7月份出現(xiàn)年度最低值，約12.3μg/m3；秋季(9—11月)PM2.5數(shù)值開(kāi)始出現(xiàn)升高，月度均值約25.9μg/m3。為更好地描述PM2.5濃度和各氣象因素之間的相關(guān)性，在趨勢(shì)變化基礎(chǔ)上，計(jì)算了各組合之間的相關(guān)性系數(shù)，結(jié)果如表3所示。在所有氣象因素中，溫度、濕度、風(fēng)速和降水均與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，而與氣壓和風(fēng)向則呈正相關(guān)，各氣象因素相關(guān)性排序?yàn)椋簻囟?降水>氣壓>風(fēng)速>風(fēng)向>濕度。這種季節(jié)性的差異可能和徐圩港區(qū)暖溫帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候相關(guān)，此外受到季風(fēng)氣候和海陸地形的共同影響可能使規(guī)律更加明顯[4]。

圖1 PM2.5數(shù)值月度變化與氣象因素關(guān)系

表3 PM2.5數(shù)值與氣象因素相關(guān)系數(shù)

2.2 PM2.5數(shù)值與溫度的相關(guān)性研究

徐圩港區(qū)2021年度日均溫度變化在0—35℃之間，將其分為7個(gè)梯度區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)各溫度區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)日數(shù)頻率和該區(qū)間內(nèi)的PM2.5日均值，結(jié)果如圖2所示。除高溫天氣(>30℃)外，各區(qū)間樣本充足，基本趨勢(shì)為隨溫度升高PM2.5數(shù)值下降，但在5—10℃區(qū)間內(nèi)PM2.5日均值出現(xiàn)高值，考慮由于春季和冬季出現(xiàn)數(shù)次外源性空氣污染事件導(dǎo)致數(shù)值增加。溫度對(duì)PM2.5數(shù)值影響原因有二：一是溫度升高，氣體擴(kuò)散速度增大，導(dǎo)致PM2.5傳輸和稀釋速率增加；二是低溫常導(dǎo)致逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)，有減緩熱力環(huán)流的速度，影響大氣升高的作用[5]。

圖2 不同溫度區(qū)間下的PM2.5平均數(shù)值

按照季節(jié)分別繪制PM2.5日均值-日溫度均值散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，數(shù)值關(guān)系圖如圖3所示，擬合結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，PM2.5數(shù)值和溫度在春、秋季呈負(fù)相關(guān)，在夏、冬季呈正相關(guān)。春、冬兩季相關(guān)性并不明顯，且冬季受外源性空氣污染事件影響較大。夏季呈正相關(guān)的主要原因是高溫時(shí)段大氣流動(dòng)穩(wěn)定，利于污染物的聚集。

圖3 2021年各季節(jié)PM2.5數(shù)值和溫度值(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

表4 PM2.5數(shù)值和溫度值線性擬合結(jié)果

2.3 PM2.5數(shù)值與濕度的相關(guān)性研究

將相對(duì)濕度分為7個(gè)梯度區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)日數(shù)頻率和該區(qū)間內(nèi)的PM2.5日均值，結(jié)果如圖4所示。2021年度相對(duì)濕度值(%RH)基本處于40—100，當(dāng)相對(duì)濕度值(%RH)大于80時(shí)，PM2.5日均值基本保持在較低水平。

圖4 不同濕度區(qū)間下的PM2.5平均數(shù)值

按照季節(jié)分別繪制PM2.5日均值-日濕度均值散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，數(shù)值關(guān)系圖如圖5所示，擬合結(jié)果如表5所示。在春季、夏季和秋季二者均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中夏季R2>0.45，呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性，考慮夏季空氣中水汽含量較少，當(dāng)通過(guò)霧炮、噴淋等方式增加濕度后，水分的急劇增加可使PM2.5微粒密度減小和濃度降低；同時(shí)，微粒被水分覆蓋增加沉降數(shù)量，從而使PM2.5數(shù)值下降。

表5 PM2.5數(shù)值和濕度值線性擬合結(jié)果

圖5 2021年各季節(jié)PM2.5數(shù)值和濕度值(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

2.4 PM2.5數(shù)值與氣壓的相關(guān)性研究

將氣壓值分為5個(gè)梯度區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)日數(shù)頻率和該區(qū)間內(nèi)的PM2.5日均值，結(jié)果如圖6所示。徐圩港區(qū)年度氣壓值基本分布在[1 000hPa,1 030hPa]區(qū)間內(nèi)，PM2.5數(shù)值同氣壓值呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，主要原因?yàn)椋寒?dāng)表面以低壓為主時(shí)，在周圍高壓氣流的作用下形成豎直朝上的向心氣團(tuán)，有利于PM2.5顆粒的擴(kuò)散和稀釋；而表面以高壓為主時(shí)，中心形成向下的氣流，使PM2.5顆粒積聚和富集。

圖6 不同氣壓區(qū)間下的PM2.5平均數(shù)值

按照季節(jié)分別繪制PM2.5日均值-日氣壓均值散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，數(shù)值關(guān)系圖如圖7所示，擬合結(jié)果如表6所示。春季、秋季呈現(xiàn)正相關(guān)性，夏季、冬季呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。其中夏季相關(guān)性不明顯，主要由于夏季PM2.5數(shù)值普遍較低，隨氣壓條件變化不顯著；而冬季由于低氣壓場(chǎng)天氣形勢(shì)下經(jīng)常出現(xiàn)靜風(fēng)，且多有低云阻擋，間接造成空氣中污染物不易垂直擴(kuò)散，使得顆粒物不斷累積，導(dǎo)致呈負(fù)相關(guān)[6]。

圖7 2021年各季節(jié)PM2.5數(shù)值和氣壓值(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

表6 PM2.5數(shù)值和氣壓值線性擬合結(jié)果

2.5 PM2.5數(shù)值與風(fēng)向的相關(guān)性研究

將風(fēng)向分為8個(gè)梯度區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)日數(shù)頻率和該區(qū)間內(nèi)的PM2.5日均值，結(jié)果如圖8所示。徐圩港區(qū)2021年度多北風(fēng)、東北風(fēng)、東南風(fēng)和南風(fēng)，即以海面方向來(lái)風(fēng)為主，風(fēng)向由北沿東至南狀態(tài)下，PM2.5數(shù)值逐漸增加，考慮主要由于來(lái)自海洋的潔凈氣團(tuán)有利于清除區(qū)域PM2.5顆粒[7]。

圖8 不同風(fēng)向區(qū)間下的PM2.5平均數(shù)值

按照季節(jié)分別繪制PM2.5日均值-風(fēng)向值散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，數(shù)值關(guān)系圖如圖9所示，擬合結(jié)果如表7所示。四個(gè)季節(jié)二者均呈現(xiàn)出正相關(guān)性，其中夏季和秋季較為明顯。

表7 PM2.5數(shù)值和風(fēng)向線性擬合結(jié)果

圖9 2021年各季節(jié)PM2.5數(shù)值和風(fēng)向(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

2.6 PM2.5數(shù)值與風(fēng)速的相關(guān)性研究

將風(fēng)速分為5個(gè)梯度區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)日數(shù)頻率和該區(qū)間內(nèi)的PM2.5日均值，結(jié)果如圖10所示。風(fēng)速作為重要的氣象因素，對(duì)PM2.5水平和垂直遷移影響較大，同時(shí)它還直接影響著PM2.5的區(qū)域濃度和擴(kuò)散速度?？梢钥闯?，2021年度日平均風(fēng)速在0—6m/s，PM2.5濃度值和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)且比較明顯。

圖10 不同風(fēng)速區(qū)間下的PM2.5平均數(shù)值

按照季節(jié)分別繪制PM2.5日均值-風(fēng)速值散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，數(shù)值關(guān)系圖如圖11所示，擬合結(jié)果如表8所示。四個(gè)季度二者均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，其中秋季和冬季顯著，說(shuō)明隨著大氣流動(dòng)速度的增加，PM2.5的擴(kuò)散加快，較大程度地利于空氣質(zhì)量的改善。

圖11 2021年各季節(jié)PM2.5數(shù)值和風(fēng)速(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

表8 PM2.5數(shù)值和風(fēng)速線性擬合結(jié)果

2.7 PM2.5數(shù)值與降水的相關(guān)性研究

將降水分為5個(gè)梯度區(qū)間，并統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的出現(xiàn)日數(shù)頻率和該區(qū)間內(nèi)的PM2.5日均值，結(jié)果如圖12所示。2021年度徐圩港區(qū)內(nèi)日均降水多集中于1—20mm范圍內(nèi)，其中1—5mm范圍降水約占75.89%。隨著降水量的增加，當(dāng)日PM2.5數(shù)值逐漸下降，在[1mm,40mm]區(qū)間內(nèi)趨勢(shì)較為明顯，考慮降水可導(dǎo)致PM2.5顆粒濕沉降，降水量增加致使對(duì)PM2.5的清除能力增強(qiáng)。但是當(dāng)降水量大于40mm時(shí)，PM2.5的濃度值不降反升，說(shuō)明降水量的繼續(xù)增加對(duì)濕沉降不再起作用，濕沉降達(dá)到作用上限；此外降水量>60mm的樣本數(shù)量有限[8]。整理2021年度每次降水前后24h時(shí)的PM2.5數(shù)值以及相應(yīng)的清除率，結(jié)果如圖13所示。在[1mm,60mm]區(qū)間內(nèi)隨著降水量的增加，清除率逐漸由25.31%升高至47.47%，說(shuō)明徐圩港區(qū)降水對(duì)PM2.5顆粒產(chǎn)生的吸附、碰撞或沖刷作用明顯，清除效果突出。

圖12 不同降水區(qū)間下的PM2.5平均數(shù)值

圖13 不同降水區(qū)間前后PM2.5均值及清除率

3 結(jié)論

探究PM2.5數(shù)值同氣象因素間關(guān)系，溫度、濕度、風(fēng)速和降水均同PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，而氣壓和風(fēng)向則呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)排序：溫度>降水>氣壓>風(fēng)速>風(fēng)向>濕度。針對(duì)PM2.5數(shù)值和溫度，夏季和冬季呈現(xiàn)正相關(guān)性，秋季呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；針對(duì)PM2.5數(shù)值和濕度，除冬季外均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，其中夏季相關(guān)性較為明顯；針對(duì)PM2.5數(shù)值和氣壓，夏季、冬季呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，秋季、冬季呈現(xiàn)正相關(guān)性；針對(duì)PM2.5數(shù)值和風(fēng)向，四個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)出正相關(guān)性，夏季和秋季較為明顯；針對(duì)PM2.5數(shù)值和風(fēng)速，四個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，考慮和擴(kuò)散條件相關(guān)；針對(duì)PM2.5數(shù)值和降水，隨降水量增加PM2.5清除率逐漸上升，但到達(dá)一定降水量后可能達(dá)到濕沉降作用上限。綜上所述，氣象因素對(duì)徐圩港區(qū)PM2.5數(shù)值有較大影響，后續(xù)可根據(jù)氣象因素變化采取有針對(duì)性的PM2.5污染防控措施。