上海市青浦區(qū)PM10污染狀況及其與氣象要素的關(guān)系

朱 敏 陳海宇 張驍君

（1.上海市奉賢區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 201400；2.上海市青浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,上海 201700；3.上海市長寧區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 200052）

PM10是評價大氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。大氣顆粒物中，可吸入顆粒物PM10的直徑小于10微米，可進入呼吸道，能夠引起一系列嚴重的心血管及呼吸道疾病[1,2]。同時，環(huán)境空氣中的顆粒物還會引起能見度的降低[3]。而且，自2006年青浦區(qū)建立環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，對外發(fā)布空氣質(zhì)量日報以來， PM10一直是本地區(qū)空氣的首要污染物。

影響PM10濃度的主要有兩方面的因素，一是污染源；二是氣象條件，在本地污染源保持基本不變的情況下，主要是氣象條件的變化影響了污染物質(zhì)的傳輸、稀釋、擴散和轉(zhuǎn)化，從而引起空氣質(zhì)量的變化[4]。大氣擴散的理論研究和試驗研究表明，在不同的氣象條件下，同一污染源排放所造成的空氣污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍，這正是大氣對污染物的稀釋、擴散能力隨著氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化的緣故[5]。已有文章采用相關(guān)與回歸分析的方法探討空氣污染與氣象要素的關(guān)系[6,7]，或是從理論上描述氣象條件對污染物遷移擴散的影響[8,9]。

本文以2006～2010年的青浦區(qū)PM10月均濃度及同期地面氣象要素降雨量、大氣濕度、風(fēng)速為研究對象，著重分析了PM10濃度與相關(guān)氣象要素間的關(guān)系。從而了解不同氣象條件下PM10濃度的變化情況，為改善青浦區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量和污染防治等提供了科學(xué)依據(jù)。

1.材料與方法

本文所采用的數(shù)據(jù)為2006～2010年青浦區(qū)環(huán)境空氣自動監(jiān)測站監(jiān)測的PM10的日均和月均質(zhì)量濃度；同期地面降雨量、大氣濕度和風(fēng)速等氣象要素的日均值和月均值。

PM10的濃度以及氣象條件存在明顯的季節(jié)規(guī)律，因此，文中涉及分春（3、4、5月）、夏（6、7、8月）、秋（9、10、11月）、冬（11、12、1月）來探討季節(jié)變化的不同影響和差異。

2.結(jié)果與分析

2.1 PM10濃度的變化

2006～2010年青浦區(qū)的PM10年均濃度處于0.079～0.096 mg/m3的范圍，達到空氣質(zhì)量二級標(biāo)準0.10 mg/m3。5年的月均濃度如圖1所示，由圖可知，一年的濃度高值出現(xiàn)在冬季，冬季北方冷空氣頻頻南下，將大量顆粒污染物帶入本地區(qū)，而且冬季氣溫低，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成空氣對流弱，湍流小，PM10難以得到迅速的擴散和遷移，導(dǎo)致PM10濃度較高。PM10濃度低值出現(xiàn)在夏季，夏季雨量充裕，對顆粒物有沖刷作用，并且夏季大氣對流強烈，易于污染物的擴散。

圖1 2006～2010年P(guān)M10月均濃度變化圖

2.2 降水量與PM10的關(guān)系

顆粒物與雨滴碰撞可附著在雨滴上或者溶于水滴中并隨著降水沉降到地面，因而降水對清除空氣污染物起著重要的作用[10]。

首先從宏觀上比較2006～2010年P(guān)M10月平均濃度與相應(yīng)的降水量的關(guān)系，如圖所示。由圖可知，總體上降雨量大的月份PM10濃度較低。

圖2 2006～2010年月平均降水量與PM10月平均濃度關(guān)系圖

通過計算2006～2010年每個降雨日PM10日均濃度的改變量（即降雨日與前一日的PM10日均濃度之差），研究分析不同季節(jié)的降雨對PM10濃度的影響，計算結(jié)果見表1。

表1 不同等級降雨量下PM10日平均濃度的改變量（mg/m3）

可以看出，與無降雨狀態(tài)（R=0）相比，降雨能在不同程度上降低PM10的濃度。日降雨量達到或超過5 mm的降雨對氣溶膠粒子濃度降低作用最顯著。 當(dāng)日降雨量在5 mm以下時，PM10濃度日變化不明顯，也就是降雨的清除作用不明顯。當(dāng)降雨量不大時，空氣中的水汽會吸附更多的氣溶膠粒子，當(dāng)氣溶膠粒子濃度增加的效應(yīng)大于微量降雨的清除能力時，PM10濃度增加。

同時，為了了解連續(xù)降雨對PM10濃度的影響，用上述方法計算了連續(xù)降雨日第1～3天逐日的降雨清除量，結(jié)果見表2。

表2 連續(xù)降雨日對PM10清除能力的對比分析（mg/m3）

由表2可知，在春、冬季節(jié)，第一日降雨對PM10的清除能力最高，隨著時間的推移第二日和第三日的清除能力逐漸減小。因為連續(xù)降雨使得PM10值不斷降低，導(dǎo)致PM10去除量也相應(yīng)不斷減少；而在夏季，連續(xù)降雨期間PM10每日的清除量相差不大，因為夏季的雨往往是以雷陣雨的形式出現(xiàn)，間歇的雨水使得PM10濃度在一段時間內(nèi)降低后又反彈，連續(xù)降雨日每天的PM10濃度沒有顯著下降，導(dǎo)致PM10的去除量也無顯著差別；而在秋季，第一日降雨對PM10的清除能力最小，第二日的消除能力最大，這是因為秋季連續(xù)降雨日往往第二日雨量較大的緣故。

將降雨前一日PM10濃度和當(dāng)日的降雨量作為變量因子，以PM10濃度改變量為應(yīng)變量進行線性回歸計算?；貧w方程為

式中，Y為PM10濃度的改變量，Con為前一日PM10濃度，RP為當(dāng)日的降雨量，a、b為系數(shù)，c為一常數(shù)，利用上式分別計算了四個季度PM10濃度改變量的回歸方程的系數(shù)及兩個變量因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)R,計算結(jié)果見表3。

表3 各季節(jié)PM10濃度的回歸方程系數(shù)

表3中的系數(shù)表明：夏、秋兩季PM10濃度改變量與上述兩因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)較高。系數(shù)a的絕對值比b大，說明前一日PM10平均濃度對Y的作用比降雨量大，由此可知PM10本底濃度的大小對PM10在降雨過程中的清除量影響重大。同時秋、冬季節(jié)系數(shù)b的絕對值大于春夏季節(jié)，由此可知，春夏季降雨對PM10的改變作用要大于秋冬季節(jié)。

2.3 濕度與PM10的關(guān)系

2006～2010年青浦區(qū)大氣濕度與PM10的月均關(guān)系如圖3所示?？梢?，大氣濕度夏季較高，春冬季較低。而夏季的PM10濃度則低于春冬季節(jié)，由此大致可見PM10與大氣濕度呈負相關(guān)關(guān)系。

圖3 2006～2010年月均大氣濕度與PM10月均濃度關(guān)系圖

青浦區(qū)的大氣濕度處于60%～80%的天居多。夏季空氣濕潤，大氣濕度基本大于60%，冬季較為干燥，大氣濕度小于60%的天數(shù)占40%。

選取2009年一年的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每天的大氣空氣濕度和PM10污染等級，分四個季節(jié)分別計算和分析不同濕度條件下不同污染等級天數(shù)出現(xiàn)的頻率，如表4所示。

表4 不同濕度條件下出現(xiàn)不同污染等級天數(shù)的頻率

由表4可知，PM10濃度與大氣濕度基本呈負相關(guān)關(guān)系。當(dāng)空氣干燥，大氣濕度小于60%時，PM10污染等級很少出現(xiàn)“優(yōu)”（空氣質(zhì)量等級為一級），同時三級天（PM10污染等級為三級）的大氣濕度也基本小于60%。比較各濕度區(qū)間60%～69%，70%～79%和＞80%，隨著大氣濕度的增加，一級天數(shù)所占比例基本呈不斷增加的趨勢。當(dāng)大氣濕度達到大于80%時，空氣質(zhì)量為“優(yōu)”的天數(shù)占71.3%?？傮w而言，空氣干燥，大氣濕度較小的情況下，較易形成PM10的污染，而大氣濕度高時，PM10濃度較低，不易出現(xiàn)PM10污染。

然而有研究表明，濕度增加時污染物濃度升高，灰塵等顆粒物作為水汽的凝結(jié)核，凝結(jié)后沉于大氣低層，使灰塵濃度升高，在足夠的濕度和降溫條件下形成霧，加劇大氣污染（南寧文章）。這與我們的結(jié)論相左，因為本地區(qū)的實際情況是高濕度的產(chǎn)生往往伴隨著降雨的發(fā)生。莫雨淳等[11]研究了南寧市的大氣濕度與PM10污染的關(guān)系，結(jié)果表明大氣較干燥時，PM10污染等級很少為“優(yōu)”，當(dāng)濕度超過70%之后，PM10的污染等級開始好轉(zhuǎn)，一級天占大部分時間。該結(jié)論與本文的分析結(jié)果相仿。

2.4 風(fēng)速與PM10的關(guān)系

風(fēng)速是影響大氣擴散條件的重要因素，是大氣水平擴散能力的重要指標(biāo)，它決定大氣稀釋、擴散能力的大小，是影響空氣污染的重要條件。選取2009年一年的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每天的平均風(fēng)速和PM10污染等級，分四個季節(jié)分別計算和分析不同風(fēng)速條件下不同污染等級天數(shù)出現(xiàn)的頻率，如表5所示。

表5 不同風(fēng)速條件下出現(xiàn)不同污染等級天數(shù)的頻率

有表5可知，三級天在風(fēng)速小于1.5 m/s時，出現(xiàn)頻率最高。在春季，比較W≤3.5 m/s的三個風(fēng)速區(qū)間，隨著風(fēng)速的上升，一級天出現(xiàn)的概率（占本區(qū)間出現(xiàn)頻次的概率）增大；但當(dāng)風(fēng)速大于3.5 m/s時，一級天出現(xiàn)頻率為零，三級天出現(xiàn)的概率增大（占本區(qū)間出現(xiàn)頻次的33%）。在冬季，風(fēng)速小于2.5 m/s時，隨著風(fēng)速增大，三級天出現(xiàn)的概率下降；但當(dāng)風(fēng)速大于2.5 m/s時，三級天出現(xiàn)的概率增加。秋季的風(fēng)速小于1.5 m/s或大于3.5 m/s時，一級天出現(xiàn)的概率都較高。一般來說，風(fēng)速越大，單位時間內(nèi)空氣污染物被輸送的距離越遠，輸入的空氣量越多，空氣污染就越輕：風(fēng)速越小，空氣污染就越重，特別是在小風(fēng)時，更加不利于污染物的輸送擴散，使得大量污染物在市區(qū)堆積，往往造成嚴重的局部空氣污染。但當(dāng)風(fēng)速大到一定程度時，會將地面的塵土吹起，使得PM10污染變得嚴重。只有在相對適宜的風(fēng)速范圍內(nèi)，地面塵土不致吹揚，污染物又能等到良好的擴散。在本地區(qū)，春夏季節(jié)的適宜風(fēng)速是1.5～3.5 m/s,冬季的適宜風(fēng)速是1.5～2.5 m/s。

PM10濃度的影響因素眾多，不同地區(qū)不同季節(jié)的風(fēng)速條件與PM10的關(guān)系也不盡相同。國內(nèi)也有部分文獻關(guān)注了風(fēng)速對于PM10的影響，其中鄭美琴等[12]的研究發(fā)現(xiàn)南京地區(qū)平均風(fēng)速超過5 m/s時，很少出現(xiàn)三級天，且當(dāng)風(fēng)速超過6.5 m/s時，隨著風(fēng)速的提高，污染物濃度呈下降趨勢。申占營等[13]的研究表明在鄭州市區(qū)，三級天主要出現(xiàn)在風(fēng)速≤2 m/s的情況下，風(fēng)速在2.1～2.9 m/s時，出現(xiàn)三級天的頻率最低，得出的結(jié)論與本文相似。

3.結(jié)論

通過定量分析降雨量、濕度和風(fēng)速三大氣象因素對PM10濃度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）日降雨量達到或超過5mm的降雨對PM10濃度降低作用較顯著。 當(dāng)日降雨量在5mm以下時，降雨的清除作用不明顯。春夏季降雨對PM10的改變作用要大于秋冬季節(jié)。

（2）PM10濃度與大氣濕度基本成負相關(guān)關(guān)系；大氣濕度增加，出現(xiàn)PM10污染天氣的概率下降。

（3）風(fēng)速過小或過大都會加重PM10污染，春夏季節(jié)的適宜風(fēng)速是1.5～3.5 m/s,冬季的適宜風(fēng)速是1.5～2.5 m/s。

[1] Fuentes M，Song H R，Ghosh S K， et al.Spatial association between speciated fine particles and mortality [J].Biometrics，2006，62（5）：855-863.

[2] Brunekreef B， Holgate S T.Air pollution and health.Lancet，2002，360（9341）：1233–42.

[3] 宋宇，唐孝炎，張遠航等.北京市大氣能見度規(guī)律及下降原因 [J].環(huán)境科學(xué)研究，2003，16（2）：10-12.

[4] 馮建軍，沈家芬，梁任重等.廣州市PM10與氣象要素的關(guān)系分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25（1）：78-81.

[5] 寧海文.西安市大氣污染氣象條件分析及空氣質(zhì)量預(yù)報方法研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2006.33-34.

[6] 劉國紅，彭朝瓊，黃廣文等.深圳市2002～2005年大氣污染物濃度與氣象因素的關(guān)系研究[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2008，35（2855-2857）.

[7] Gupta A K，Patil R S，Gupta S K.A statistical analysis of particulate data sets for Jawaharlal Nehru Port and surrounding harbour region in India[J].Environmental Monitoring and Assessment，2004，95（1-3）：295-309.

[8] 趙壁，張建華，劉獻輝等.洛陽市大氣污染特征與氣象要素24小時變化分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2004，20（1）：21-23.

[9] 屠月青，慕彩蕓.哈密市空氣污染物濃度分布特征及其與氣象因子的關(guān)系[J].沙漠與綠洲氣象，2010，4（6）：42-46.

[10] 魏玉香，童堯青，銀燕等.南京SO2、NO2和PM10變化特征及其與氣象條件的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報，2009，32（3）：451-457.

[11] 莫雨淳，鄭鳳琴，廖國蓮等.南寧市PM10濃度與氣象條件分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2008，29（1）：55-56.

[12] 鄭美琴，盧振禮.日照市區(qū)PM10污染物特征及其與氣象要素的關(guān)系[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報，2006，29（3）：413-417.

[13] 申占營，熊杰偉，陳東等.鄭州市區(qū)PM10污染狀況及相關(guān)氣象條件分析[J].河南氣象，2005，1：28-29.