天氣因數(shù)對PM2.5濃度的影響

蔣雷敏 李 佶

(浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310023)

0 前言

當(dāng)前PM2.5已經(jīng)越來越成為人們?nèi)粘Ｉ钪嘘P(guān)注的焦點，針對它的研究也是層出不窮，但是在這些研究中以化學(xué)元素對PM2.5影響的研究居多，純粹的研究天氣因數(shù)對PM2.5濃度的研究相對較少?？諝庵兄睆叫∮诨虻扔?.5微米的顆粒物一般就屬于PM2.5范疇，它的顆粒較小，含有大量的有毒有害物質(zhì)，嚴(yán)重威害人體健康。研究天氣因素對PM2.5的影響能更透徹的分析PM2.5濃度與天氣之間的關(guān)系，在已知天氣情況的前提下，能有效預(yù)測PM2.5濃度的變化規(guī)律，為建立天氣因數(shù)與PM2.5濃度之間的聯(lián)動關(guān)系創(chuàng)造了條件。

1 模型建立

考慮到PM2.5擴(kuò)散與衰減隨機性較大，突變情況繁雜的特點，本文研究建立在一定的基本前提上。首先必須排除人為因素干擾和大氣環(huán)境的各項其他因素引起的非預(yù)期劇烈變化，其次假定風(fēng)向在一定時間內(nèi)保持一致，不考慮風(fēng)向突變對PM2.5帶來的影響，地理特性具有一定的均勻性，忽略風(fēng)向的因素的影響。

2 天氣因素對PM2.5影響分析

2.1 溫度對于PM2.5濃度影響分析

杭州地區(qū)一年中溫度的變化范圍一般是-5℃～40℃之間。天氣預(yù)報中溫度的指標(biāo)有兩個,最高溫度和最低溫度,分別對這兩個指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計,研究溫度對PM2.5濃度的影響。

研究對象為杭州市2013年6月至2014年3月的氣象資料數(shù)據(jù)，我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)處理：(1)去掉突然PM2.5濃度激增和突降的點，排除人為的影響因素；(2)去掉顯然由天氣情況和風(fēng)力大小等因數(shù)而引起PM2.5濃度巨大波動的點；(3)處理數(shù)據(jù)時，線性擬合曲線盡可能提高階次，以反映溫度對PM2.5微小的影響。

通過統(tǒng)計與圖像擬合我們發(fā)現(xiàn)，最高溫度和最低溫度對于PM2.5濃度的影響曲線走勢大致相同。在-5℃～13℃之間，PM2.5濃度隨溫度的升高有一個緩慢的上升趨勢，但上升幅度相當(dāng)小。在17℃～26℃范圍內(nèi)，PM2.5濃度隨溫度的升高有一個先下降后上升的過程。在26℃～40℃范圍內(nèi)，PM2.5濃度隨溫度升高有一個較快的上升趨勢。

從物理上分析，溫度影響空氣中顆粒物濃度有兩方面：一方面，隨著溫度逐漸升高，混合層會提升，使大氣在豎直方向上擴(kuò)散。若混合層高度越高，稀釋地表污染物的空氣需求就越大，導(dǎo)致PM2.5濃度降低[1]。另一方面，溫度與土壤揚塵、交通及工業(yè)排放呈正相關(guān)。溫度越高，越利于土壤顆粒揚入空氣，同時尾氣排放物也更容易進(jìn)入空氣，導(dǎo)致PM2.5濃度增加。雖然本文研究的是天氣因素對PM2.5的影響，但是交通工業(yè)污染物早已滲透到空氣中，是天氣影響不容忽視的方面。

2.2 風(fēng)力對于PM2.5濃度影響分析

當(dāng)前天氣預(yù)報對于風(fēng)的描述主要有兩個指標(biāo)，分別是風(fēng)向和風(fēng)力。風(fēng)向在很大程度上跟一個地方的地理位置，地質(zhì)構(gòu)造，季節(jié)因素有關(guān)。本文研究的數(shù)據(jù)對象提出如下基本假設(shè)：地理特性具有一定的均勻性，忽略風(fēng)向的因素的影響。

本文的數(shù)據(jù)對象來自杭州的歷史天氣，杭州地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，風(fēng)力大小在時間上具有明顯的慣性，在某個季節(jié)內(nèi)的連續(xù)幾天風(fēng)力大小都是具有相似性的。這使我們針對某個風(fēng)力等級在盡量保持其他兩個變量相同的情況下，取其平均PM2.5濃度更具有科學(xué)性。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)力等級的增大，PM2.5濃度有一個波動下降的趨勢。原因可歸結(jié)為，風(fēng)力越大，空氣流動速度越快，有助于顆粒物擴(kuò)散，單位時間內(nèi)PM2.5濃度相對就越低。

污染物濃度與風(fēng)的關(guān)系取決于兩方面：風(fēng)向、風(fēng)力。風(fēng)向決定污染物輸送方向，風(fēng)力決定對污染物的稀釋程度。當(dāng)輸送清潔空氣時，風(fēng)力的加強利于污染物稀釋，PM2.5下降；當(dāng)輸送空氣不清潔時，污染加劇，則風(fēng)力加強反而會增加PM2.5的值[2]。

理論上PM2.5濃度隨著風(fēng)力等級的增加表現(xiàn)出來應(yīng)是一條不斷下降的曲線，但是通過數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)在多個風(fēng)力等級處出現(xiàn)PM2.5波動。這是由于此時風(fēng)輸送的不完全是清潔空氣，局部加重對PM2.5的影響，但這并不影響我們得出風(fēng)力等級與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論。

2.3 氣象因素對于PM2.5濃度影響的分析

杭州地處中北亞熱帶過渡區(qū)，氣候呈現(xiàn)典型的亞熱帶季風(fēng)氣候[3]，天氣情況種類較多。排除個別極端天氣，我們?nèi)。河?、雪、陰、晴、多云、霾，分出具體的15種天氣進(jìn)行統(tǒng)計。

由于研究的自變量為是天氣狀況，應(yīng)去除如秋季的秸稈燃燒等人為因素導(dǎo)致PM2.5激增的點。天氣影響長期存在，且具有一定連貫性，因此可以用PM2.5平均值作為各天氣情況下的代表來進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

統(tǒng)計結(jié)果表明：

1)降水可以有效降低PM2.5濃度，降水強度越大，對于PM2.5的去除效果越好。在同樣的大氣環(huán)境下，PM2.5濃度較高，大氣中凝結(jié)核就越多，雨水更容易形成，雨水的下落過程又能吸附很多近地面附近的PM2.5微粒，從而有效降低PM2.5的濃度。

2)降雪對PM2.5的清除和沖刷作用比降雨更好，表明降雪比降雨更能使顆粒物有效沉降。隨著降雪強度的增加，空氣中氣溶膠沉降加劇，PM2.5濃度會有一個明顯的下降過程。

3)在晴天，多云，陰等天氣條件下，PM2.5的濃度較之前者普遍偏高。沒有降水，導(dǎo)致地面更容易揚塵，進(jìn)而使PM2.5濃度大幅升高。多云轉(zhuǎn)晴空氣質(zhì)量相對較好，晴轉(zhuǎn)多云空氣逆溫，空氣質(zhì)量相對變差[4]。

3 結(jié)論

本文通過特定歷史數(shù)據(jù)，研究了天氣因數(shù)對PM2.5濃度的影響程度和影響方式，分析了各個天氣因數(shù)作用于PM2.5濃度的過程，為今后研究PM2.5變化及建立合理的PM2.5預(yù)測模型提供了理論依據(jù)。

[1]中國顆粒學(xué)會氣溶膠專業(yè)委員會.第九屆全國氣溶膠會議暨第三屆海峽兩岸氣溶膠技術(shù)研討會論文集[C].廣州,2007.

[2]中國氣象學(xué)會.城市氣象——讓生活更美好分會場論文集[C]//第27屆中國氣象學(xué)會年會.北京,2010.

[3]包貞,馮銀廠,焦荔,洪盛茂,劉文高.杭州市大氣 PM2.5 和 PM10 污染特征及來源分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2010,26(02):44-48.

[4]文一章,孫在,鄧川,付志民.杭州市下沙地區(qū) PM2.5 濃度監(jiān)測與分析[J].中國計量學(xué)院學(xué)報,2012,23(03):279-283.