大氣顆粒物濃度變化特征及其與氣象因子的關(guān)系研究

付敏 蔡磊 陳裕 陳進(jìn)

摘 要：利用馬鞍山市2017年5個大氣氣溶膠監(jiān)測資料和氣象站常規(guī)氣象資料，通過數(shù)理統(tǒng)計分析，研究該地區(qū)大氣顆粒物濃度變化特征。結(jié)果表明：2017年馬鞍山市PM2.5、PM10濃度年均值分別為55.0和91.3μg/m3；月變化上，PM2.5、PM10顆粒物濃度，全年變化大體相似，夏季最低，冬季最高，春季較高；1—8月逐月下降，8—12月濃度逐漸升高；日變化上，兩種顆粒物濃度變化呈明顯的雙峰特征，9時達(dá)到最高，16時達(dá)到最低，夜間顆粒物濃度也處于較高水平；氣象因子對顆粒物濃度的影響顯著，風(fēng)和降水對大氣顆粒物的擴(kuò)散和稀釋有著十分重要的作用，大氣顆粒物濃度與風(fēng)速和降水呈顯著負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；氣象因子；變化特征

中圖分類號 X513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）18-0119-03

PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物，也稱細(xì)顆粒物；PM10是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10μm的顆粒物，也稱可吸入顆粒物[1]。2016年安徽省16個地市空氣質(zhì)量中，日超標(biāo)顆粒物主要為PM2.5、PM10和臭氧[2]。馬鞍山市位于安徽東部、長江下游，近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，能源、交通（特別是城市汽車尾氣）規(guī)模的擴(kuò)大、城市人口的膨脹、大型工業(yè)開發(fā)區(qū)的建設(shè)，影響了城市空氣環(huán)境質(zhì)量，以細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物等為主要顆粒物的大氣環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，逐漸成為了制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、影響群眾身體健康、危害交通安全的突出問題。對1個城市而言，在大氣污染源變化相對穩(wěn)定的情況下，大氣顆粒物濃度變化情況主要是受氣象因素影響[3-5]，國內(nèi)許多學(xué)者都開展了大氣顆粒物特征分布與氣象因素變化關(guān)系的研究[6-9]。例如，焦利民等[10]利用武漢市2013年全年10個監(jiān)測點PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法和GIS空間分析方法分析武漢市時間變化特征和空間分布特征。結(jié)果顯示：武漢市夏季PM2.5污染輕微，冬季污染最嚴(yán)重。城區(qū)內(nèi)部PM2.5污染空間差異明顯，工業(yè)區(qū)和人口集中區(qū)表現(xiàn)為區(qū)域污染高值中心，城市綠地或公園以及大型水域周邊表現(xiàn)為低值中心。劉婷等[11]利用2012年3月20—24日的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和氣溶膠數(shù)濃度數(shù)據(jù)，分析了測點近地面及其上空的氣溶膠時空分布特征，研究了風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度對近地面氣溶膠分布的影響.結(jié)果表明：風(fēng)速增大，有利于氣溶膠垂直輸送和擴(kuò)散，導(dǎo)致氣溶膠數(shù)濃度減小，相對濕度較小時，其與氣溶膠數(shù)濃度呈正相關(guān)。魏玉香等[12]利用南京市大氣監(jiān)測資料，分析了南京市大氣中PM10變化趨勢及月季規(guī)律，評價了南京市空氣質(zhì)量狀況，結(jié)果表明：PM10顆粒物質(zhì)量濃度以夏季最低。進(jìn)一步研究不同氣象條件下顆粒物質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)，顆粒物質(zhì)量濃度與風(fēng)速反相關(guān)，且東南風(fēng)時濃度最高；降水對顆粒物有清除作用；霧、霾天氣下污染加劇。

本文基于2017年馬鞍山市氣象觀測資料和空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析馬鞍山市大氣中PM2.5、PM10顆粒物變化規(guī)律，探討氣象因素對顆粒物質(zhì)量濃度的影響，分析風(fēng)、降水與PM2.5、PM10濃度的關(guān)系，旨在更深入地了解和掌握馬鞍山市空氣環(huán)境質(zhì)量狀況，從而為改善馬鞍山市空氣環(huán)境質(zhì)量和對空氣污染預(yù)報預(yù)警等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來源于安徽省馬鞍山市國家基本氣象站，主要包括風(fēng)、降水，均為逐小時數(shù)據(jù)。PM2.5和PM10資料來源于馬鞍山市環(huán)保局5個氣溶膠濃度監(jiān)測國控站，分別是馬鋼動力廠、慈湖二小、湖東路四小、市教育基地、天平服裝，監(jiān)測點空間分布如圖1所示，主要集中在主城區(qū)。本研究從安徽省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)境空氣質(zhì)量實時發(fā)布系統(tǒng)獲取馬鞍山市2017年1月1日至2017年12月31日全年5個PM2.5和PM10監(jiān)測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由圖2可知，就全年來看，12月份城區(qū)PM2.5、PM10濃度最高，分別為88.0μg/m3和131.1μg/m3；8月份PM2.5、PM10濃度最低，分別為34.1和60.6μg/m3；PM2.5、PM10最高月濃度分別是最低月濃度2.6倍和2.2倍。PM2.5、PM10濃度，全年變化大體相似，1—8月逐月下降；8—12月，濃度逐漸升高；10—12月份濃度陡升。PM2.5、PM10濃度除夏季較低外，其他季節(jié)濃度均超過全國平均水平。主要原因是夏季大氣對流發(fā)展強(qiáng)烈，易于顆粒物的擴(kuò)散[16]；夏季多降雨過程[17]，對顆粒物起沖刷作用；夏季燃煤少，污染源少；而冬季天氣干燥，降水偏少，不利于顆粒物沉降。PM2.5、PM10顆粒物濃度以冬季和春季為最高，初春刮風(fēng)時容易將裸露的地面塵土和微塵卷起，多揚(yáng)沙、浮塵天氣[17]，顆粒物質(zhì)量濃度值處于較高的水平。

2.2 日變化特征 依次計算城區(qū)5個監(jiān)測點每天同一小時PM2.5、PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，得到城區(qū)PM2.5、PM10濃度日變化曲線圖（圖3）。由圖3可見，PM2.5濃度和PM10濃度日變化趨勢呈明顯的雙峰特征。

每日6時后，PM2.5、PM10濃度逐漸上升，至上午9時達(dá)到日間峰值。日出后，隨著人們外出活動高峰到來，各種污染排放開始累積，因此顆粒物濃度也隨之升高，并在上午外出高峰后達(dá)到小高峰。接著，2種顆粒物濃度逐漸下降，至下午16時達(dá)到1天中最低，中午時分，氣溫逐漸升高，局部溫差增大，空氣對流增強(qiáng)，使得顆粒物濃度隨之降低。此后，2種顆粒物濃度再次回升，至夜間23時達(dá)到夜間峰值；再后，2種顆粒物濃度有所降低但基本穩(wěn)定在較高水平。

整體而言，夜間濃度高于日間濃度，但變化幅度小于日間。這是因為白天隨著太陽輻射增強(qiáng)，空氣溫度逐漸升高，有利于空氣對流擴(kuò)散，濃度水平相對較低；而夜間地表溫度降低且產(chǎn)生逆溫，顆粒物被壓縮，不利于擴(kuò)散，污染更加嚴(yán)重。

3 影響大氣顆粒物濃度的氣象因子

氣象因子對顆粒物的擴(kuò)散和稀釋作用已得到普遍認(rèn)同[18-20]，因此，在顆粒物濃度一定的條件下，氣象因子的選擇對研究其與顆粒物濃度的關(guān)系至關(guān)重要。其中風(fēng)和降水等氣象條件對于PM2.5和PM10。的污染程度有著很重要的影響。

3.1 風(fēng)對大氣顆粒物濃度的影響 風(fēng)對大氣顆粒物的輸送擴(kuò)散有著十分重要的作用。風(fēng)對大氣顆粒物起整體輸送作用，同時也對大氣顆粒物有沖淡稀釋作用。選取2017年馬鞍山基本氣象站逐日24個時次的風(fēng)速平均值為日均風(fēng)速。從表2可見，隨著風(fēng)速的增大，PM2.5、PM10濃度值均呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢，說明風(fēng)有利于顆粒物的擴(kuò)散，風(fēng)速越大，單位時間顆粒物被輸送或稀釋作用越強(qiáng)，單位體積空氣中顆粒物的含量就越低。

3.2 降水對大氣顆粒物濃度的影響 馬鞍山的降水量季節(jié)分布不均勻，2017年降水量以夏季最多，為558.2mm；冬季最少，為122.7mm；春、秋季分別為249.5、192.3mm。1960—2017年馬鞍山降雨量平均資料也顯示，夏季占年總量的45.6%，春季占25.7%，秋季占17.2%，冬季占11.5%。即夏季對顆粒物濕沉降作用明顯，空氣相對清潔，而秋冬季顆粒物有更長的時間積蓄，污染較重。其次，在不同季節(jié)，降水天氣下的環(huán)境空氣顆粒物濃度都會降低。由于降水的清潔作用，使得降水日的顆粒物濃度始終低于非降水日（表3）。

4 結(jié)論

（1）2017年馬鞍山市PM2.5、PM10污染較為嚴(yán)重，除夏季外，大多超標(biāo)。PM2.5、PM10濃度年均值分別為55.0μg/m3和91.3μg/m3，比全國年平均值高27.9%和21.7%。

（2）PM2.5、PM10濃度在季節(jié)變化上，夏季最低，冬季最高，春季較高。月季最高PM2.5、PM10濃度分別為88.0μg/m3和131.1μg/m3，最低PM2.5、PM10濃度分別為34.1和60.6μg/m3。最高月分別是最低月的2.6倍和2.2倍。

（3）1日中，PM2.5濃度和PM10濃度日變化趨勢呈明顯的雙峰特征。上午9時和夜間23時達(dá)到最高，下午16時達(dá)到1d中的最低值。整體而言，夜間濃度高于日間濃度，但變化幅度小于日間。

（4）風(fēng)和降水對大氣顆粒物的擴(kuò)散和稀釋有著十分重要的作用。大氣顆粒物濃度與風(fēng)速和降水呈顯著負(fù)相關(guān)，在不同季節(jié)，風(fēng)速越大、降水越多，對大氣顆粒物的輸送和稀釋作用越強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]環(huán)境保護(hù)部.GB3095-2012，環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].2012.

[2]安徽省環(huán)境保護(hù)廳.2016年安徽省環(huán)境狀況公報[EB/OL].[2017-06-12].http：//www.aepb.gov.cn/pages/Aepb15_ShowNews.aspx？Type=2&NewsID;=156846.

[3]申占營，陸斌，陳海波，等.降水過程中氣象條件對鄭州市區(qū)氣溶膠濃度的影響[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，32（3）：55-58.

[4]王開燕，王雪梅，張仁健，等.氣象條件對北京北郊冬季氣溶膠污染的影響[J].過程工程學(xué)報，2006，6（S2）：70-74.

[5]王開燕，王雪梅，張仁健，等.北京市冬季氣象要素對氣溶膠濃度日變化的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2008，21（4）：132-135.

[6]趙晨曦，王云琦，王玉杰.北京地區(qū)冬春PM2.5和 PM10污染水平和時空分布及其與氣象條件的分析[J].環(huán)境科學(xué)，2014，35（2）：418-427.

[7]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，2006，64（2）：221-228.

[8]林俊，劉衛(wèi)，李燕，等.大氣氣溶膠粒徑分布特征與氣象條件的相關(guān)性分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2009，25（1）：1-5.

[9]馬志強(qiáng)，趙秀娟，孟偉，等.霧和霾對北京地區(qū)大氣能見度響對比分析[J].環(huán)境科學(xué)研究，2012，25（11）：1208-1214.

[10]焦利民，許剛，趙素麗，等.武漢PM2.5時空特征分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（9）：70-74.

[11]劉婷，黃興友，高慶先，等.不同氣象條件下的氣溶膠時空分布特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2013，26（2）：122-128.

[12]魏玉香，童堯青，銀燕，等.南京SO2、NO2和PMl0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.

[13]中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部.2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報[EB/OL]..http：//www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/201805/P020180531534645032372.pdf.

[14]WHO，World Health Organization.Air Quality Guidelines -Global Update 2005[R].WHO/Europe：Copenhagen，Denmark，2005.

[15]于建華，虞統(tǒng)，魏強(qiáng)，等.北京地區(qū) PM10和 PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（1）：45-47.

[16]周曾奎，朱定真，吳震，等.南京城市氣候及其災(zāi)害性天氣[M].北京：氣象出版社，1999：27-55.

[17]安徽省氣象信息共享平臺[EB/OL].http：//218.23.45.28：9099.

[18]劉大錳，黃杰，高少鵬，等.北京市區(qū)春季交通源大氣顆粒物污染水平及其影響因素[J].地學(xué)前緣，2006，13（2）：228-233.

[19]張浩，石春娥，吳必文，等.合肥市能見度與相對濕度、PM2.5質(zhì)量濃度的定量關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報 2017，26（6）：1001-1008.

[20]李軍，孫春寶，劉咸德，等.氣象因素對北京市大氣顆粒物濃度影響的非參數(shù)分析[J].環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（6）：663-669.

（責(zé)編：張宏民）