駐馬店市PM2.5污染特征及其與氣象要素的關(guān)系研究

張 婉

（駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000）

0 引言

近年來，我國區(qū)域性PM2.5污染問題日益突出，雖然我國針對(duì)大氣環(huán)境污染推行了一系列防治措施，但局部區(qū)域霾天氣依然頻發(fā)，大氣污染形勢嚴(yán)峻［1］。隨著空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的逐步開展，氣象、環(huán)保等諸多領(lǐng)域的專家在環(huán)境氣象、氣象參數(shù)與污染濃度之間的關(guān)系，以及空氣污染預(yù)報(bào)等方面進(jìn)行了研究［2-4］，并且取得了一定成果。張夏琨等［5］指出，風(fēng)速在一定范圍內(nèi)影響空氣污染物濃度；強(qiáng)降水可有效對(duì)凈化空氣，而弱降水會(huì)使空氣質(zhì)量變得更差。何烽等［6］對(duì)不同季節(jié)細(xì)顆粒物與氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)夏季的相對(duì)濕度和秋季的風(fēng)速與PM2.5濃度相關(guān)性較好。Zhao 等［7］通過天氣預(yù)報(bào)模型研究氣候變化對(duì)加利福尼亞空氣質(zhì)量的影響，結(jié)果表明當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量與溫度的變化有很大關(guān)系。尚子溦［8］研究了不同氣候區(qū)代表城市的空氣污染特征，并利用數(shù)值模式產(chǎn)品和污染物濃度數(shù)據(jù)建立了空氣污染精細(xì)化預(yù)報(bào)模型，為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供了技術(shù)支持。由此可見，研究大氣污染物濃度的時(shí)空分布特征及其與氣象要素的關(guān)系，對(duì)大氣污染治理、防控和預(yù)測意義重大。

駐馬店市地處淮河以北的黃淮平原南部，是我國地理和氣候的過渡地帶，承東啟西，貫?zāi)贤ū保S著城市的快速發(fā)展，能源消耗量的劇增導(dǎo)致駐馬店市大氣污染問題日益嚴(yán)峻，大氣污染防治迫在眉睫。本研究對(duì)2021 年3 月至2022 年2 月駐馬店市PM2.5污染特征進(jìn)行分析，并選取本地風(fēng)速、氣溫、輻射、降水量、相對(duì)濕度和邊界層高度等氣象因子，探究其與PM2.5之間的關(guān)系，為大氣污染預(yù)報(bào)與防治提供依據(jù)。

1 資料與方法

本研究PM2.5數(shù)據(jù)來源于自駐馬店市環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站，參考《環(huán)境空氣中質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633—2012）的標(biāo)準(zhǔn)，按照PM2.5日均濃度劃分污染等級(jí)，小于35 μg∕m3的為優(yōu)，35～75 μg∕m3為良，75～115μg∕m3為輕度污染，115～150μg∕m3為中度污染，150～250μg∕m3為重度污染，大于250μg∕m3為嚴(yán)重污染；氣象數(shù)據(jù)來自駐馬店市國家氣象觀測站。

利用SPSS 研究氣象要素及其與PM2.5濃度之間的相關(guān)性，Pearson 相關(guān)系數(shù)用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度［9］。

2 PM2.5污染特征分析

2.1 PM2.5濃度隨時(shí)間變化

2021 年3 月至2022 年2 月，駐馬店市空氣污染等級(jí)由優(yōu)到重度污染天數(shù)依次為：188 天、134 天、23 天、13 天、7 天，未出現(xiàn)嚴(yán)重污染情況，PM2.5和PM10濃度超過75 μg∕m3的污染日全年占比12%。PM2.5和PM10濃度隨時(shí)間變化如圖1 所示，駐馬店市PM2.5日均濃度范圍為9.2～176.4μg∕m3，年平均濃度為44.5μg∕m3，超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值35μg∕m3，污染形勢依然嚴(yán)峻。

圖1 2021年3月至2022年2月駐馬店市PM2.5、PM10濃度日變化

駐馬店市PM2.5濃度月變化如圖2 所示、季節(jié)變化見表1。駐馬店不同月份PM2.5濃度表現(xiàn)為2 至8月下降，8 月至次年1 月升高的“單峰型”結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在冬季1月份（102.5μg∕m3），最小值為夏季7 月份（17.6μg∕m3），最大值是最小值的5.8 倍。從不同季節(jié)來看，春季、夏季、秋季和冬季PM2.5平均濃度分別為39.7μg∕m3、21.6μg∕m3、44.1μg∕m3、73.0μg∕m3，冬季平均濃度分別是春季、夏季和秋季的1.8、3.4和1.7倍。

表1 駐馬店市PM2.5濃度季節(jié)變化

圖2 駐馬店市PM2.5濃度月變化

2.2 PM2.5和PM10的關(guān)系

圖1 同時(shí)還展示了PM2.5和PM10的比值隨時(shí)間的變化，由圖1可知，比值范圍為18%～97%，平均值62%。PM2.5∕PM10比值具有一定的季節(jié)變化規(guī)律，春季、夏季、秋季和冬季平均值分別為55%、63%、58%和70%，最大值出現(xiàn)在冬季，最小值出現(xiàn)在春季，冬季比值是春季的1.3倍。這是因?yàn)榇杭旧硥m天氣較多，對(duì)粗顆粒物的貢獻(xiàn)更大，而冬季取暖活動(dòng)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的細(xì)顆粒物污染。

3 氣象條件及相關(guān)性分析

2021 年3 月至2022 年2 月駐馬店市氣象要素日變化如圖3 所示。由圖3 可知，駐馬店市月均氣溫范圍在1.8℃～27.2℃，年均氣溫為15.4℃，較常年值（15.5℃，1991—2020年）基本持平。月累計(jì)降水量在7.4 ～321.7 mm之間，年累計(jì)降水量為1 057 mm，較常年值（924.8 mm，1991—2020年）偏多14%。輻射量在7月份達(dá)到最高值1 793.5μW∕cm2。氣溫、降水量和輻射的高值區(qū)均集中在6 月份、7 月份和8 月份（夏季），呈“單峰型”分布。月均風(fēng)速以靜風(fēng)為主，均保持在3 m∕s 以下，相對(duì)濕度范圍在61%～92%之間，均呈小幅波動(dòng)態(tài)勢。

圖3 2021年3月至2022年2月駐馬店市氣象要素月變化

采用Sperman檢驗(yàn)方法對(duì)氣象條件之間及PM2.5質(zhì)量濃度和氣象條件之間進(jìn)行相關(guān)性分析。分析對(duì)象包括：氣溫（℃）、相對(duì)濕度（%）、風(fēng)速（m∕s）、輻射（μW∕cm2）、降水（mm）、靜穩(wěn)指數(shù)（無量綱）、邊界層高度（m）和PM2.5質(zhì)量濃度（μg∕m3）。

駐馬店市氣象條件之間及PM2.5質(zhì)量濃度和氣象條件之間的相關(guān)性見表2。由表2 可知，氣象條件之間存在一定的相關(guān)性；氣溫和輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)；相對(duì)濕度和降水成正比，和風(fēng)速成反比；邊界層高度和氣溫、風(fēng)速、輻射強(qiáng)度均呈正相關(guān)，且相關(guān)性較好。

表2 PM2.5質(zhì)量濃度及氣象條件之間的相關(guān)性

污染物濃度與當(dāng)?shù)貧庀髼l件有著密切的聯(lián)系。由表2 可知，PM2.5濃度與氣溫、輻射、降水和邊界層高度均呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度和風(fēng)速呈弱的負(fù)相關(guān)。這可能是因?yàn)榻邓l(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的高濕對(duì)顆粒物有清除作用，但高濕可以促進(jìn)顆粒物吸濕增長；高風(fēng)速在一方面可以吹散污染物，但也會(huì)存在上游污染傳輸現(xiàn)象，帶來上游污染物，并使顆粒物處于懸浮分散狀態(tài)，從而導(dǎo)致污染加重［6］。

邊界層高度和風(fēng)速的乘積可用來反映大氣的擴(kuò)散稀釋能力［9］。駐馬店市不同季節(jié)風(fēng)速、邊界層高度和大氣擴(kuò)散稀釋能力見表3。由表3 可知，平均風(fēng)速和邊界層高度的最高值出現(xiàn)在春季，冬季的邊界層高度最低，從大氣擴(kuò)散稀釋能力來看，冬季明顯低于春季、夏季和秋季，且冬季的采暖活動(dòng)產(chǎn)生大量的污染物，導(dǎo)致駐馬店冬季PM2.5污染嚴(yán)重。

表3 駐馬店市不同季節(jié)大氣擴(kuò)散稀釋能力

相鄰兩天PM2.5濃度變化明顯的污染個(gè)例及相關(guān)氣象條件見表4。相鄰兩天污染物排放量變化不大，因此大氣擴(kuò)散稀釋能力對(duì)PM2.5濃度變化有較大影響。2021 年11 月20 至21 日，風(fēng)速和邊界層高度均翻倍，直接導(dǎo)致大氣擴(kuò)散稀釋能力增加2.7倍，因此21 日PM2.5濃度下降明顯。2021 年12 月23 至24日為同樣的情況，風(fēng)速和邊界層高度均有所增加，大氣擴(kuò)散稀釋能力增加明顯，污染程度由中度污染降為良。2022 年1 月15 至16 日為個(gè)例，伴隨著風(fēng)速的減小和邊界層高度的明顯降低，大氣擴(kuò)散稀釋能力降至原來的一半以下，PM2.5污染也從輕度污染升至中度。

表4 相鄰兩天濃度變化明顯的污染個(gè)例PM2.5濃度及氣象條件

4 結(jié)論

①2021 年3 月至2022 年2 月，駐馬店市大氣污染日全年占比12%，PM2.5日均濃度范圍為9.2～176.4μg∕m3，年平均濃度為44.5μg∕m3；季節(jié)變化為冬季最高，春季和秋季次之，夏季最低；月變化呈“單峰型”分布，峰值出現(xiàn)在1月，最小值在7月。

②PM2.5和PM10比值范圍為18%～97%，平均值62%，并表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在冬季，最小值出現(xiàn)在春季。

③氣溫、降水量和輻射均呈“單峰型”分布，風(fēng)速和相對(duì)濕度均呈小幅波動(dòng)態(tài)勢。從相關(guān)性來看，氣溫和輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)；相對(duì)濕度和降水成正比，和風(fēng)速成反比；邊界層高度和氣溫、風(fēng)速、輻射強(qiáng)度均呈正相關(guān)。

④PM2.5濃度與氣溫、輻射、降水和邊界層高度均呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度和風(fēng)速呈弱的負(fù)相關(guān)；高濕可以促進(jìn)顆粒物的濕沉降，但也會(huì)促進(jìn)其吸濕增長，加重污染；高風(fēng)速雖然可以減輕污染，但也可能帶來上游污染物，從而導(dǎo)致污染加重。

⑤風(fēng)速和大氣邊界層高度所代表的大氣擴(kuò)散稀釋能力對(duì)PM2.5污染有較大影響。從空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的角度看，風(fēng)速和大氣邊界層高度的變化可以作為判定未來產(chǎn)生PM2.5污染的重要依據(jù)。