淄博市環(huán)境空氣質(zhì)量特征及與氣象條件的關(guān)系

方 斌，劉厚鳳

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250014)

1 引言

環(huán)境空氣作為人們賴以生存的必要條件之一，其重要性不言而喻。我國當(dāng)前的大中型城市人口較多，由大量的資源消耗引發(fā)的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，有研究表明，空氣污染已經(jīng)成為了重要的致癌原因之一[1]，因此，對城市大氣環(huán)境質(zhì)量的研究也已經(jīng)越來越成為當(dāng)前研究的主要課題[2]。相關(guān)研究表明，氣象條件與城市空氣質(zhì)量有著密切的聯(lián)系[3,4]，研究兩者的變化規(guī)律及典型重污染時間段內(nèi)的氣象特點，有利于更加深入地理解兩者之間的關(guān)系[5]，并為以后的空氣質(zhì)量預(yù)報提供更好的參照。

淄博位于中國華東地區(qū)，是山東重要的陶瓷、建材、化工中心，煤炭資源較豐富，環(huán)境空氣質(zhì)量較差，是山東省空氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。本文利用2013～2015年淄博市的空氣質(zhì)量資料和同期的氣象資料，探討了淄博市近3年的空氣質(zhì)量變化特點及氣象條件對其的影響，以期為城市大氣環(huán)境的規(guī)劃和預(yù)防治理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 空氣質(zhì)量特征分析

2.1 年際變化特征

圖1 2013～2015年淄博市空氣質(zhì)量年際變化特征

從圖1可以看出，近3年以來，淄博市空氣質(zhì)量等級以三級為主，占統(tǒng)計天數(shù)的42.8%，二級次之，占35.53%，天數(shù)最少的是一級天數(shù)，不到占統(tǒng)計總天數(shù)的1%，由此可以看出淄博的空氣優(yōu)良天數(shù)占比較低，空氣質(zhì)量整體較差。從AQI的年際變化來看，2014年淄博空氣質(zhì)量最差，AQI均值為134；2013年最好，AQI平均值為113。

從首要污染物來看，淄博市近3年空氣質(zhì)量首要污染物以PM2.5為主，占非一級空氣質(zhì)量的62%，其次是PM10，其他污染物成為首要污染物的天數(shù)較少，這表明淄博市顆粒物的污染是最為嚴(yán)重的。2015年淄博市PM2.5為首要污染物的天數(shù)為205 d，PM10為首要污染物的天數(shù)為149 d，兩者占非一級空氣質(zhì)量天數(shù)的98%以上，顆粒物的主要來源包括揚塵風(fēng)沙，機動車的尾氣排放以及工廠企業(yè)的煙囪排放等[7]，淄博是山東省老的工業(yè)城市之一，這可能是導(dǎo)致其顆粒物污染最為嚴(yán)重的原因之一[8]。

2.2 時空變化特征

從表1和圖2可以看出，淄博市各污染物月均值呈現(xiàn)較好的規(guī)律，PM10最大濃度出現(xiàn)在12月份，PM2.5和SO2最大濃度出現(xiàn)在1月份，各污染物最小濃度基本出現(xiàn)在6、7、8月份，臭氧濃度6月份最高，12月份最低。11月至次年3月為淄博的采暖季，采暖期污染物排放增加[9]。

表1 淄博各污染物月均濃度 μg/m3

圖2 各污染物月均變化

從表2可以看出，淄博市高青、桓臺和沂源3縣空氣質(zhì)量較好，各項污染物濃度均低于其他區(qū)縣，空氣質(zhì)量較差的區(qū)縣為張店、淄川和周村。

表2 淄博市各區(qū)縣污染物年均濃度

3 空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系

3.1 AQI與地面常規(guī)氣象因素的相關(guān)性分析

(1)降水。一般來講，大氣中的氣態(tài)污染物較易溶于水，因此，降水能夠有效的清除大氣中的各類污染物，對于抑制揚塵和凈化空氣具有一定的作用，對于顆粒物的清楚作用更是尤為明顯[10]，表3是不同降水日AQI 和PM2.5的相關(guān)統(tǒng)計。

表3 降水、AQI和PM2.5的相關(guān)關(guān)系

從表3可以看出，降水對空氣質(zhì)量的影響是即時且強烈的，降水量越大，AQI的值越低，PM2.5的濃度更低，使大氣能見度改善[11]，空氣質(zhì)量優(yōu)良的概率也有了較大提高。由此可見，降水對淄博市空氣質(zhì)量的改善具有十分重要的作用[12]。

(2)風(fēng)速。通常來講，風(fēng)速與污染物的濃度成反比，即風(fēng)速越大，污染物濃度越低。這是因為風(fēng)能夠稀釋大氣中的污染物，并且隨著距離的增加，風(fēng)對污染物稀釋的作用更為顯著，風(fēng)速較少甚至是靜風(fēng)的時候，污染物不容易擴散[13]。有研究表明， 當(dāng)風(fēng)速較小時，比較容易出現(xiàn)重污染天氣，當(dāng)風(fēng)速較大(大于6 m/s)時，污染物的稀釋和擴撒較為強烈，即使是污染物較多時空氣質(zhì)量也有可能較好[14,15]。

(3)氣溫。氣溫對空氣質(zhì)量有顯著的影響，溫度的高低一定程度上決定了大氣污染的程度，這是因為低溫時對流較差，更容易出現(xiàn)逆溫層，污染物難以稀釋，導(dǎo)致濃度的積累，而溫度高時，對流較強，有利于污染物的擴散[16]。

從表4可以看出，溫度大于20 ℃時，平均AQI 最高，空氣質(zhì)量優(yōu)良率為44%，溫度為0 ℃以下時，平均AQI 最低，空氣質(zhì)量優(yōu)良率也是最低。由此可以看出，氣溫對空氣質(zhì)量有顯著的影響。

表4 氣溫對空氣質(zhì)量的影響

利用SPSS軟件，通過對2013～2015年淄博市的平均AQI和同期的氣象要素相關(guān)分析，得出它們的Pearson相關(guān)系數(shù)如表5。

表5 淄博市AQI與氣象因素的相關(guān)系數(shù)

注：*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

從表5得出，從日相關(guān)關(guān)系來看，淄博市AQI 與降水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，其在夏季關(guān)系更為顯著；與氣溫除在秋季外成正相關(guān)關(guān)系；與相對濕度在春夏季負(fù)相關(guān)，秋冬季正相關(guān)，但秋季未通過顯著性檢驗；與風(fēng)速除夏季外均成負(fù)相關(guān)關(guān)系；與氣壓的相關(guān)系數(shù)只在冬季成負(fù)相關(guān)并通過了顯著性檢驗。從月相關(guān)關(guān)系來看，AQI與風(fēng)速、相對濕度未通過顯著性檢驗，與降水、氣溫、濕度均成負(fù)相關(guān)，與氣壓成正相關(guān)關(guān)系[17]。

3.2 較高污染指數(shù)的天氣形勢分析

為了更好地了解城市空氣質(zhì)量與氣象條件之間的關(guān)系，選取了2015年12月17～27日的典型重污染過程，其中最高AQI達到487，在空氣質(zhì)量級別中為六級，該時段內(nèi)的污染物濃度及基本氣象條件見表6。

表6 12月17日～12月27日AQI指數(shù)與氣象條件

該時段為全年污染最嚴(yán)重的時段，整個重污染過程從12月19日持續(xù)到25日，且其中12月24日的PM2.5、PM10濃度分別為402 μg/m3和μg/m3，AQI達到全年最大的487。從氣象條件變化來看，發(fā)生重污染過程時的濕度明顯較大，風(fēng)速明顯較??；連續(xù)幾日的較大濕度和較小風(fēng)速是形成顆粒物重污染的原因之一，從溫廓線來看，12月19日之前，在150～250 m高度處始終存在逆溫層，其厚度變化程度不大；20日8時，逆溫層短暫消失，在20時再次出現(xiàn)在100～150 m高度處，且持續(xù)到22日8時；逆溫層再出現(xiàn)時厚度并不大，但發(fā)生逆溫的高度變低，使得近地面的污染物不易擴散。24日20時，逆溫再次出現(xiàn)，且持續(xù)到26日8時，期間逆溫層厚度一直較大且發(fā)生逆溫的高度較低，從而使得污染十分嚴(yán)重[18]。

圖3、圖4為污染最嚴(yán)重的12月24日淄博地表風(fēng)場和地面氣壓場圖，從上圖可以看出，24日山東上空環(huán)流較為平直，基本處于偏西氣流的控制之下，受來自內(nèi)陸冷空氣影響，風(fēng)速較小，加上淄博地面氣壓基本處于等壓場中，污染物難以擴散[19,20]。24日之后，風(fēng)速變大，地面氣壓變小，對污染物的擴散起到了一定的作用。

4 結(jié)論

(1)淄博市近3年空氣質(zhì)量較差，空氣質(zhì)量等級以三級出現(xiàn)的天數(shù)最多，2015年相對于2014年空氣質(zhì)量有所改善。淄博市空氣質(zhì)量首要污染物以PM2.5為主，其次為PM10。

圖3 2015年12月24日淄博地面風(fēng)場

圖4 2015年12月24日地面氣壓場

(2)淄博市空氣質(zhì)量有明顯的時間特征，AQI夏季月份最低，除O3外，其他污染物的濃度大部分也是6、7、8月最低，冬季污染物濃度較高。各區(qū)縣中，張店區(qū)、淄川區(qū)和周村區(qū)空氣質(zhì)量最差，高青縣、沂源縣和桓臺縣空氣質(zhì)量較好。

(3)氣象條件如降水、溫度、風(fēng)速、氣壓對空氣質(zhì)量都有影響，AQI與各氣象要素的月相關(guān)系數(shù)較高。

(4)淄博市典型的重污染過程是污染源和氣象條件共同作用的結(jié)果，污染最嚴(yán)重的時刻對應(yīng)典型的不利天氣形勢，改善空氣質(zhì)量不僅要考慮污染源因素，也要考慮氣象條件的影響。

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