上海氣象因素對(duì)PM2.5等大氣污染物濃度的影響

湯羹+馬憲國(guó)

摘要：統(tǒng)計(jì)了上海市2013年6月至2014年5月PM2.5、NO2、SO2月平均質(zhì)量濃度和氣象條件，分析了氣溫、風(fēng)向、風(fēng)力、降水量、濕度與污染物月平均質(zhì)量濃度的相關(guān)性.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：氣溫與污染物質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)性；夏季的主導(dǎo)風(fēng)向有利于污染物擴(kuò)散和稀釋?zhuān)镜闹鲗?dǎo)風(fēng)向則可引起污染物聚集；風(fēng)力的增強(qiáng)有利于污染物擴(kuò)散；降水是顆粒污染物沉降的方法之一，但在不產(chǎn)生降水的情況下濕度增大會(huì)造成二次氣溶膠的生成，使得污染物質(zhì)量濃度增加.

關(guān)鍵詞：氣象因素； PM2.5； NO2； SO2

中圖分類(lèi)號(hào)： TK 01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：Monthly average concentration of PM2.5，SO2，and NO2 and meteorological conditions in Shanghai from June 2013 to May 2014 was summarized.Correlation between monthly average concentration of air pollutants and temperature，win direction，wind power，rainfall，and humidity was analyzed.The negative correlation between temperature and concentration of air pollutants was found.The predominant wind direction in summer was helpful to the diffusion and dilution of air pollutants，while the predominant wind direction in winter would cause the accumulation of air pollutants.However，the enhanced wind power favored the diffusion of air pollutants.Rainfall was one method to cause the precipitation of particles in air pollutants.The increasing of humidity without rainfall could result in the formation of secondary aerosol and thus the growing of air pollutant concentration.

Keywords：meteorological condition； PM2.5； NO2； SO2

近年來(lái)，多次席卷全國(guó)多地的持續(xù)霧霾天氣引起了人們的高度關(guān)注，霧霾天氣已嚴(yán)重影響了人們的生活環(huán)境.上海市能源消費(fèi)量居全國(guó)榜首，高密度的能源消費(fèi)導(dǎo)致上海市大氣污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重[1-2].而細(xì)顆粒物PM2.5長(zhǎng)期懸浮于空氣中，是形成霧霾天氣的主要原因.

由于上海市采取了一系列工業(yè)生產(chǎn)清潔排放措施，在PM2.5的本地排放源中，流動(dòng)源已取代工業(yè)生產(chǎn)及燃煤成為占比最高的污染物來(lái)源.因此，上海市PM2.5等大氣污染物的防治重點(diǎn)在于控制流動(dòng)源排放和周邊區(qū)域輸送.大氣污染物流動(dòng)源排放和區(qū)域間傳輸都與氣象因素相關(guān).而上海是沿海城市，地處長(zhǎng)江中下游平原，天氣條件復(fù)雜多變，四季氣候特征明顯，氣象因素是影響大氣中PM2.5、NO2、SO2等污染物質(zhì)量濃度的重要因素之一.

1 數(shù)據(jù)分析

Ye等[3]認(rèn)為上海PM2.5的質(zhì)量濃度變化存在季節(jié)性特征.上?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（AQI）和主要污染物月平均質(zhì)量濃度變化如圖1所示.由圖可知，上海AQI指數(shù)和污染物質(zhì)量濃度具有正相關(guān)性.PM2.5、NO2、SO2質(zhì)量濃度變化與AQI變化趨勢(shì)相似，夏季和春季偏高，秋季會(huì)有所下降，冬季會(huì)達(dá)到峰值.而臭氧8 h質(zhì)量濃度在冬季會(huì)有所下降，因此冬季導(dǎo)致AQI大幅度上升的主要污染物是PM2.5.上海市2013年12月遭遇最嚴(yán)重霧霾“襲擊”，12月6日污染物質(zhì)量濃度達(dá)到600 μg·m-3以上，局部至700 μg·m-3以上.此次污染過(guò)程主要受到弱冷高壓控制的小風(fēng)靜穩(wěn)天氣影響，氣象條件不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣污染物持續(xù)累積.因此，氣象因素是影響污大氣染物質(zhì)量濃度的重要因素之一.

本文分析了2013年6月至2014年5月上海氣象因素（氣溫、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等）對(duì)PM2.5、SO2、NO2質(zhì)量濃度的影響，探索氣象因素與污染物質(zhì)量濃度的關(guān)系.

2 氣象條件對(duì)污染物濃度影響

2.1 氣溫

上海市氣溫季節(jié)性變化明顯，習(xí)慣上四季按照春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為12、1、2月劃分.圖2給出了上海各月份PM2.5、NO2、SO2月平均質(zhì)量濃度與溫度的關(guān)系.可以看出，污染物質(zhì)量濃度隨氣溫變化明顯，且與溫度呈負(fù)相關(guān)性.PM2.5、SO2、NO2月平均質(zhì)量濃度均隨氣溫的升高而降低，在夏季達(dá)到谷值；隨氣溫的降低而升高，在冬季達(dá)到峰值.隨著溫度逐漸升高，混合層會(huì)不斷提升，使大氣在豎直方向上更容易擴(kuò)散.若混合層高度越高，稀釋地表污染物所需的空氣量越大，導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度降低[4]；若氣溫降低，隨寒潮帶來(lái)逆溫現(xiàn)象，一般逆溫現(xiàn)象都會(huì)引致地面風(fēng)力減弱，空氣中的污染物聚集，PM2.5不易擴(kuò)散.另一方面，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致NO2、SO2、揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）和O3等氧化劑的光化學(xué)反應(yīng)更易發(fā)生，產(chǎn)生PM2.5的二次顆粒物.因此氣溫因素對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響是多向的.

2.2 風(fēng)向和風(fēng)力

上海時(shí)常會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，地面風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)時(shí)往往伴隨著高濃度污染物的出現(xiàn)[5].由圖1可知，上海市污染物質(zhì)量濃度在冬、春季高，在夏、秋季相對(duì)較低，而上海在我國(guó)東南沿海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季的主導(dǎo)風(fēng)向是東向風(fēng)[6]，冬季的主導(dǎo)風(fēng)向是西北季風(fēng)[7].圖3為PM2.5、NO2、SO2月平均質(zhì)量濃度與季節(jié)性主導(dǎo)風(fēng)向（偏西風(fēng)和偏東風(fēng)）頻率的關(guān)系.由圖3可知，PM2.5、NO2、SO2與偏西風(fēng)有較好的正相關(guān)性，各種污染物的質(zhì)量濃度峰值皆出現(xiàn)在11、12、1月，同樣偏西風(fēng)也在冬季高頻出現(xiàn)，說(shuō)明冬季不利于污染物擴(kuò)散.PM2.5等污染物質(zhì)量濃度與偏東風(fēng)有較好的負(fù)相關(guān)性.上海是海濱城市，夏、秋季盛行偏東季風(fēng)，當(dāng)偏東季風(fēng)頻率升高時(shí)，相應(yīng)污染物質(zhì)量濃度會(huì)有所下降，說(shuō)明在夏、秋季海面來(lái)的偏東季風(fēng)帶來(lái)干凈空氣，有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋.

2013年12月上海遭遇嚴(yán)重霧霾，12月6日的PM2.5質(zhì)量濃度甚至達(dá)到了461 μg·m-3，NO2、SO2質(zhì)量濃度分別達(dá)到128、67μg·m-3，AQI達(dá)到461，污染等級(jí)已是嚴(yán)重污染.隨后的幾天風(fēng)力增強(qiáng)，PM2.5、NO2、SO2質(zhì)量濃度都有所下降.當(dāng)風(fēng)力增強(qiáng)時(shí)，會(huì)使大氣中對(duì)流作用加強(qiáng)，污染物受到擴(kuò)散稀釋?zhuān)|(zhì)量濃度減??；當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，對(duì)流擴(kuò)散作用減弱，容易造成PM2.5近地層堆積，質(zhì)量濃度較高.風(fēng)力被證實(shí)對(duì)PM2.5等細(xì)小懸浮顆粒物的清除起到重要作用.Hien等[8]發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度減少有積極的影響.上海市在夏、秋季多遭遇臺(tái)風(fēng)影響，常伴有大風(fēng)天氣，因此污染物質(zhì)量濃度在夏、秋季相對(duì)較低.

2.3 降水量和濕度

上海具有明顯的季風(fēng)性氣候特征，夏季多風(fēng)多雨水，常受到臺(tái)風(fēng)影響也是其特征之一.上海2013年汛期是6～9月，6月7日進(jìn)入梅雨季節(jié)，6月30日出梅，整個(gè)汛期總雨量達(dá)到470.7 mm.圖4為污染物月平均質(zhì)量濃度與月平均降水量的關(guān)系.PM2.5作為細(xì)小顆粒，濕沉降是其主要的清除方式.當(dāng)降水量增大時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度會(huì)降低.冬季氣候干燥，降雨量少，PM2.5質(zhì)量濃度升高.而在夏、秋季SO2和NO2質(zhì)量濃度與降水量變化并沒(méi)有明顯的相關(guān)性，是因?yàn)樯虾Ｏ募緷穸却?、氣溫高，形成多雨悶熱潮濕的梅雨天?雖然SO2和NO2的可溶性成分會(huì)溶解在大氣水汽中，但夏季白天氣溫較高，大氣中的光化學(xué)反應(yīng)異?；钴S，生成了更多以細(xì)顆粒為主的二次氣溶膠.所以，當(dāng)空氣濕度很大卻又不能夠形成降雨天氣時(shí)，會(huì)造成污染物集聚，污染物質(zhì)量濃度反而會(huì)有所升高.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)2013年6月至2014年5月上?？諝赓|(zhì)量、氣象變化的統(tǒng)計(jì)分析，可得到如下結(jié)論：

（1） 2013年6月至2014年5月，上海AQI平均值為90.84，空氣質(zhì)量為二級(jí).PM2.5平均質(zhì)量濃度為59 μg·m-3，超過(guò)PM2.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（35 μg·m-3）的年平均限值，NO2和SO2年平均質(zhì)量濃度分別為43.58、21.5 μg·m-3，一年內(nèi)優(yōu)良天數(shù)達(dá)標(biāo)率為69.86%.上海大氣污染物質(zhì)量濃度變化有明顯的季節(jié)性，呈現(xiàn)出冬、春季高，夏、秋季低的規(guī)律，說(shuō)明各種氣象條件對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度都有不同程度的影響.

（2） 上海環(huán)境氣溫與污染物質(zhì)量濃度存在良好的負(fù)相關(guān)性，污染物質(zhì)量濃度分別在夏季和冬季達(dá)到谷值和峰值.說(shuō)明溫度高有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)鴾囟鹊蛣t有利于污染物聚集.然而，高溫可能會(huì)使形成PM2.5二次顆粒的光化學(xué)反應(yīng)活躍.因此，氣溫對(duì)污染物質(zhì)量濃度的影響是多向的.

（3） 上海是季風(fēng)性氣候，夏季主導(dǎo)東向風(fēng)，冬季主導(dǎo)西北風(fēng).東向風(fēng)是海上來(lái)風(fēng)，有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)鞅毕蝻L(fēng)可能會(huì)造成區(qū)域污染物的傳輸，導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度升高.在風(fēng)向變化不大的情況下，風(fēng)力的增強(qiáng)會(huì)造成空氣對(duì)流加劇，有利于降低污染物質(zhì)量濃度.

（4） 降雨是PM2.5顆粒濕沉降的方法之一，上海夏、秋季是汛期，且多受臺(tái)風(fēng)影響，降雨量增多，污染物質(zhì)量濃度降低.冬、春季天氣干燥，降雨量較少，使得污染物質(zhì)量濃度相對(duì)較高.另一方面，降水帶來(lái)的濕度增加有利于NO2和SO2在大氣中的化學(xué)反應(yīng)，生成二次氣溶膠，因此濕度對(duì)污染物質(zhì)量濃度的影響復(fù)雜.

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