2015年武漢市PM2.5變化特征及其與氣象要素的關(guān)系

江 鴻，柳戊弼，張翠榮，劉增一，黃鐘呂

(湖北省武漢市氣象局，湖北武漢 430040)

?

2015年武漢市PM2.5變化特征及其與氣象要素的關(guān)系

江 鴻，柳戊弼，張翠榮，劉增一，黃鐘呂

(湖北省武漢市氣象局，湖北武漢 430040)

利用空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對武漢市2015年P(guān)M2.5變化特征及其與降水、氣溫、風(fēng)速、氣壓和相對濕度的關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明，PM2.5濃度變化趨勢呈U型，1～12月的濃度變化是逐漸先減小后增大；1～3、10～12月的濃度大于4～9月的濃度，其中1月濃度最大，7月濃度最小，冬季各個(gè)月份的濃度普遍比夏季高。PM2.5濃度與月平均氣溫、月降水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與月平均氣壓呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，最大風(fēng)速和平均相對濕度對于PM2.5濃度的影響存在雙重性。

PM2.5；變化特征；氣象要素；武漢市

PM2.5也稱為可入肺顆粒物、細(xì)顆粒物，它的直徑大小不到人的發(fā)絲的1/20[1]。PM2.5的污染危害是廣泛的，但最主要的是體現(xiàn)在對人體健康的危害和大氣能見度的影響2個(gè)方面[1]。PM2.5的粒徑小、比表面積大，易于富集空氣中的有毒有害物質(zhì)，如更容易富集重金屬元素，并可以隨人的呼吸進(jìn)入氣管和支氣管，甚至進(jìn)入到肺泡和血液中，導(dǎo)致各種疾病[2]。PM2.5濃度高往往伴隨著能見度的明顯惡化，增加交通事故發(fā)生頻率，還會(huì)降低農(nóng)作物的光合作用，使農(nóng)業(yè)減產(chǎn)等[3]。

武漢市位于長江及其最大支流漢江的交匯處，有“中國經(jīng)濟(jì)地理中心”之美譽(yù)，是湖北省省會(huì)及我國中部地區(qū)中心城市。近年來，武漢的經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)進(jìn)程顯著加快，快速發(fā)展過程中空氣環(huán)境質(zhì)量也不容忽視。PM2.5是武漢市空氣中主要污染物之一。筆者利用2015年空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對武漢市2015年P(guān)M2.5變化特征及其與近地面的氣象要素的關(guān)系進(jìn)行分析，以期為城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、地方相關(guān)部門大氣污染治理防治等提供參考。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)概況武漢市地處長江中下游平原、江漢平原東部(113°41′～115°05′E、29°58′～31°22′N)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，具有雨量充沛、日照充足、四季分明、夏高溫、降水集中、冬季稍涼濕潤等特點(diǎn)。1月平均氣溫最低，為4.0 ℃；7月平均氣溫最高，為29.1 ℃，夏季長達(dá)3個(gè)多月；春秋兩季各約2個(gè)月左右。初夏梅雨季節(jié)雨量較集中，年降水量為1 315.9 mm。

1.2資料來源空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于武漢市環(huán)保局。氣象要素?cái)?shù)據(jù)來源于武漢市氣象局，包括氣溫、風(fēng)速、相對濕度、降水、氣壓等。具體時(shí)段為2015年1月1日～12月31日。多年平均值為1981～2010年的平均值。

1.3空氣質(zhì)量等級根據(jù)HJ633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)》(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)，將空氣質(zhì)量分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染6個(gè)等級，對應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度分別為0～35、35～75、75～115、115～150、150～250、>250 μg/m3[4]。

1.4分析方法利用空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，對武漢市2015年P(guān)M2.5變化特征及其與近地面氣象要素(降水、氣溫、風(fēng)速、氣壓和相對濕度)的關(guān)系進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1PM2.5變化特征分析2015年武漢市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)為192 d，優(yōu)良率為52.6%。在全年173 d污染日中，武漢市首要污染物分別為PM2.5、O3、PM10、NO2，其中以PM2.5居多，占65.3%。由圖1可見，2015年P(guān)M2.5污染總的變化趨勢呈U型，是1～12月逐步先減小后增大，個(gè)別月份存在不同。1～3、10～12月的濃度大于4～9月的濃度，其中1月濃度最大，7月濃度最小，冬季各個(gè)月份的濃度普遍比夏季高。夏季污染相對較輕，這種季節(jié)性差異主要是由于夏季太陽輻射強(qiáng)，地面溫度高，大氣對流活動(dòng)旺盛，不太容易形成逆溫層且逆溫層生成存在時(shí)間短，降雨天數(shù)較多，降雨量較大，這樣促使PM2.5能夠得到有效擴(kuò)散或清除；冬季氣溫相對較低，風(fēng)速較小，光照較弱，日照時(shí)間短，逆溫層出現(xiàn)的頻率高且持續(xù)時(shí)間長，不利于污染物擴(kuò)散。1月PM2.5平均質(zhì)量濃度最高，該月31 d出現(xiàn)霾的天數(shù)高達(dá)25 d。

圖1　2015年P(guān)M2.5濃度月平均值變化Fig.1　Changes of monthly average PM2.5 concentration in 2015

2.2PM2.5濃度與氣象要素的關(guān)系

2.2.1與降水的關(guān)系。從圖2可看出，月降水量越大，PM2.5平均質(zhì)量濃度越低。降水具有濕清除作用，明顯的降水有助于清除懸浮于空氣中 PM2.5，降低空氣中 PM2.5的質(zhì)量濃度。降水對PM2.5清除作用的發(fā)生時(shí)間與降水量有關(guān)。PM2.5是吸濕性氣溶膠粒子，由于其是空氣中重要的凝結(jié)核，具有“吸濕增長”的光學(xué)特性。降水量較大時(shí)，降水當(dāng)天PM2.5濃度就開始下降。降水量特別小時(shí)，降水當(dāng)天PM2.5由于吸濕增長作用質(zhì)量濃度反而增大，次日開始降低。可見降水量特別小時(shí)，降水對PM2.5的清除作用具有滯后性。

圖2　PM2.5濃度與月降水量的關(guān)系Fig.2　Relationship between PM2.5 concentration and monthly precipitation

2.2.2與氣溫的關(guān)系。由圖3可見，PM2.5濃度與月平均氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān)，這與PM2.5濃度的季節(jié)變化規(guī)律相一致。氣溫從春季到夏季先逐漸升高，之后從夏季到秋季逐漸降低，冬季達(dá)到全年最低氣溫，對應(yīng)的PM2.5濃度春季到夏季先減小，從夏季到秋季后增大，到冬季PM2.5濃度最高。1月平均氣溫最低，為5.2 ℃，對應(yīng)1月的PM2.5濃度為131 μg/m3；7、8月平均氣溫較高，分別為27.2和27.7 ℃，對應(yīng)7和8月的PM2.5濃度分別為36和41 μg/m3。

圖3　PM2.5與平均氣溫的關(guān)系Fig.3　Relationship between PM2.5 concentration and average temperature

圖4　PM2.5濃度與最大風(fēng)速的關(guān)系Fig.4　Relationship between PM2.5 concentration and the maximum wind speed

2.2.3與風(fēng)速的關(guān)系。由圖4可知，風(fēng)速大小與 PM2.5質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不是很好。風(fēng)速大小影響PM2.5擴(kuò)散的速率，當(dāng)風(fēng)速偏小時(shí)會(huì)抑制PM2.5的擴(kuò)散，且易形成近地層逆溫，使近地面層污染物聚集，PM2.5質(zhì)量濃度增大；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，有利于PM2.5的擴(kuò)散，PM2.5質(zhì)量濃度減小，但當(dāng)處于重污染城市下風(fēng)方且風(fēng)速較大時(shí)，反而會(huì)使當(dāng)?shù)氐腜M2.5質(zhì)量濃度增大。因此，最大風(fēng)速對于PM2.5濃度的影響存在雙重性。2.2.4與氣壓的關(guān)系。氣壓的高低分布形成了大氣環(huán)流。在低氣壓場，存在垂直向上的運(yùn)動(dòng)，多有低云出現(xiàn)，容易出現(xiàn)降水天氣，對PM2.5有一定的擴(kuò)散清除作用，PM2.5濃度減少；在高氣壓控制下，多為晴好天氣，擴(kuò)散條件較差，PM2.5濃度增加。由圖5可知，PM2.5月平均濃度隨著平均氣壓的增大而增大，減小而減小。1、12月氣壓較高，PM2.5濃度較大；7月氣壓最低，PM2.5濃度最小。1～7月氣壓逐漸減小，濃度逐漸減小；7～12月氣壓逐漸增大，濃度逐漸增大。PM2.5濃度與地面平均氣壓呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5　PM2.5濃度與平均氣壓的關(guān)系Fig.5　Relationship between PM2.5 concentration and average atmospheric pressure

2.2.5與相對濕度的關(guān)系。由圖6可知，相對濕度與PM2.5質(zhì)量濃度無顯著相關(guān)關(guān)系。當(dāng)強(qiáng)降水天氣時(shí)，相對濕度大，對PM2.5有清除作用，PM2.5質(zhì)量濃度減小。但由于PM2.5是吸濕性氣溶膠粒子，當(dāng)降水很小或無降水、相對濕度較大時(shí)，大氣中的 PM2.5容易吸濕增長，使得PM2.5質(zhì)量濃度增大。因此，相對濕度對于PM2.5濃度的影響存在雙重性。

圖6　PM2.5濃度與平均相對濕度的關(guān)系Fig.6　Relationship between PM2.5 concentration and relative humidity

3　小結(jié)

(1)PM2.5濃度變化趨勢呈U型，1～12月逐步先減小后增大，1～3、10～12月的濃度大于4～9月的濃度，其中1月濃度最大，7月濃度最小，冬季各個(gè)月份的濃度普遍比夏季高。建議10～12、1～3月進(jìn)行相關(guān)污染控制措施。

(2)PM2.5濃度與月降水量、月平均氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與月平均氣壓呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，最大風(fēng)速和平均相對濕度對于PM2.5濃度的影響存在雙重性。

(3)明顯降水對PM2.5的影響較大，有清除的作用。在污染比較嚴(yán)重時(shí)，可采取人工增雨改善空氣質(zhì)量。

[1] 楊洪斌，鄒旭東，汪宏宇，等．大氣環(huán)境中PM2.5的研究進(jìn)展與展望[J]．氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，28(3)：77-82.

[2] 劉巖磊，孫嵐，張英鴿．粒徑小于2.5微米可吸入顆粒物的危害[J]．國際藥學(xué)研究雜志，2011，38(6)：428-431.

[3]王京麗，劉旭林．北京市大氣細(xì)粒子質(zhì)量濃度與能見度定量關(guān)系初探[J]．氣象學(xué)報(bào)，2006，64(2)：221-228．

[4] 環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行):HJ633—2012[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

Change Characteristics of PM2.5in Wuhan City and its Relationship with Meteorological Elements

JIANG Hong, LIU Wu-bi, ZHANG Cui-rong et al

(Wuhan Meteorological Bureau, Wuhan, Hubei 430040)

By using the air quality monitoring data and meteorological observation data, statistical analysis technique was used to analyze the relationship between PM2.5change characteristics and the precipitation, air temperature, wind speed, relative humidity and atmospheric pressure in 2015 in Wuhan City. Results showed that change trend of PM2.5concentration showed the shape of U. From January to December it gradually decreased and then increased. The concentrations of PM2.5from January to March, and from October to December were greater than that from April to September. Among them, concentration in January was the highest; that in July was the least. Concentration of each month in winter was generally higher than those in summer. PM2.5concentration was negatively correlated with monthly average temperature and monthly precipitation. It was positively correlated with average monthly atmospheric pressure. The maximum wind speed and relative humidity had duality impact on the concentration of PM2.5.

PM2.5; Change characteristics; Meteorological elements; Wuhan City

江鴻(1983- )，女，湖北武漢人，工程師，從事城市環(huán)境氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)工作。

2016-06-04

S 161

A

0517-6611(2016)20-190-02