延吉市PM2.5時(shí)空分布特征及其與氣象要素的相關(guān)性分析

付強(qiáng)， 趙晶， 趙春子

( 1.延邊朝鮮族自治州氣象局， 吉林 延吉 133001； 2.延邊大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 延吉 133002 )

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視.在各類大氣污染物中，PM2.5已經(jīng)成為影響我國(guó)城市大氣環(huán)境質(zhì)量的重要污染物.PM2.5不僅影響空氣能見(jiàn)度，而且危害人體健康，尤其是對(duì)心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)[1-2].延吉市于2015年實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，其中包含了PM2.5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).本文以2015年延邊朝鮮族自治州環(huán)境保護(hù)局3個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析延吉市PM2.5濃度的時(shí)空分布特征以及與氣象要素的關(guān)系，以期為延吉市空氣污染防治和空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

PM2.5小時(shí)濃度數(shù)據(jù)(24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))取樣站分別位于延吉市中心商業(yè)區(qū)(Y站)、中心商業(yè)區(qū)西南偏西3.5 km處的新城區(qū)(J站)、中心商業(yè)區(qū)西南偏西12 km處的遠(yuǎn)郊(C站).PM2.5統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為小時(shí)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2015年1月1日至2015年12月31日.PM2.5的日均值根據(jù)每天24 h(00:00—24:00)的數(shù)據(jù)求得，月均值和季均值根據(jù)PM2.5的日均值求得.全年中，1、2、12月為冬季，3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季.用Excel 2010、SPSS 22.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5濃度季節(jié)變化

圖1為3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不同季節(jié)的PM2.5濃度圖.按季節(jié)看，冬季PM2.5平均濃度最高，達(dá)到59.9 μg·m-3；其次為秋季、春季，分別為37.2 μg·m-3和34.1 μg·m-3；夏季最低，為16.3 μg·m-3.按站點(diǎn)來(lái)看，延吉市PM2.5濃度在冬季、秋季和春季Y站最高，分別為66.4、41.7 μg·m-3和36.0 μg·m-3，在夏季C站最高，為17.5 μg·m-3.

研究[3-9]表明，不同季節(jié)PM2.5平均濃度的時(shí)空變化主要是由污染物排放量、大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換兩方面因素決定的.由圖1可以看出，受污染物排放量的影響，延吉市3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各季節(jié)的PM2.5平均濃度均呈現(xiàn)冬季最高，秋季、春季次之，夏季最低的特征.出現(xiàn)該特征的原因是：延吉市每年10月中旬至次年4月中旬為供暖期，該段時(shí)間燃煤所產(chǎn)生的細(xì)顆粒物排放量明顯增多，進(jìn)而導(dǎo)致PM2.5平均濃度顯著增高.各季節(jié)3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5濃度的空間分布特征主要受大氣環(huán)流的季節(jié)性轉(zhuǎn)換影響.延吉市春季、秋季和冬季受西風(fēng)帶環(huán)流影響盛行偏西風(fēng)，夏季受海上高壓影響盛行偏東風(fēng)，在風(fēng)的作用下大氣污染物會(huì)向下風(fēng)向飄散，因此延吉市PM2.5濃度在春季、秋季、冬季Y站最高，在夏季C站最高.

圖1 各站點(diǎn)不同季節(jié)的PM2.5平均濃度分布圖

2.2 PM2.5濃度逐月變化

延吉市3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5月均濃度變化如圖2所示.由圖2可以看出，延吉市PM2.5月均濃度變化均呈單峰單谷型，高峰值出現(xiàn)在冬季，低谷值出現(xiàn)在夏季.1、2、11月和12月的PM2.5平均濃度較高(月均濃度均超過(guò)50.0 μg·m-3).其中Y站的月PM2.5濃度在12月份達(dá)到最高，為76.9 μg·m-3； J站和C站的月PM2.5濃度在1月達(dá)到最高，分別為63.5 μg·m-3和60.6 μg·m-3.在1月和12月，3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5濃度的中位數(shù)均在50.0 μg·m-3以上，第3和第4分位數(shù)在80.0 μg·m-3左右.統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)的超標(biāo)天數(shù)，結(jié)果顯示： 1月份，Y、J、C站點(diǎn)的超標(biāo)天數(shù)分別為19、17、16 d, 12月份超標(biāo)天數(shù)分別為20、19、16 d， 這2個(gè)月的超標(biāo)率均超過(guò)50%.

2.3 PM2.5濃度逐日變化

圖3為各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5平均濃度的逐日變化曲線.圖3中各站點(diǎn)曲線均呈鋸齒狀，且存在明顯的尖峰和深谷.1月、2月、3月、11月和12月尖峰處的PM2.5日均濃度遠(yuǎn)高于相鄰深谷，Y站、J站和C站相鄰尖峰和深谷的最大差值分別為238.9、233.5 μg·m-3和183.9 μg·m-3.其余月份尖峰處和相鄰深谷處的PM2.5日均濃度差值相對(duì)較小.1月、2月、3月、11月和12月的PM2.5濃度特征與這一時(shí)期(供暖期)的污染物排放量有關(guān).供暖期細(xì)顆粒污染物排放量增多，當(dāng)天氣不利于大氣污染物擴(kuò)散時(shí)，PM2.5濃度會(huì)隨著污染物的排放而不斷升高.當(dāng)天氣(如降水、大風(fēng)等天氣)有利于污染物擴(kuò)散時(shí)，PM2.5濃度會(huì)發(fā)生驟降，因此導(dǎo)致相鄰兩天的PM2.5日均濃度相差很大.

2.4 PM2.5濃度日變化

為分析延吉市PM2.5濃度的日變化規(guī)律，以季節(jié)為基本單元，統(tǒng)計(jì)3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)每日不同時(shí)刻PM2.5濃度的平均值，結(jié)果見(jiàn)圖4.從圖4可以看出，3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5濃度日變化在春季、秋季和冬季均呈現(xiàn)明顯的雙峰雙谷型，其中冬季最為明顯；夏季呈現(xiàn)不明顯的雙峰雙谷型.雙峰分別出現(xiàn)在7:00—10:00和18:00—20:00，雙谷分別出現(xiàn)在13:00—16:00和2:00—5:00，并且傍晚的低谷值要明顯低于凌晨時(shí)段.

統(tǒng)計(jì)分析延吉市的PM2.5觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，延吉市PM2.5濃度的日變化特征主要受早晚出行高峰汽車尾氣排放、采暖期每日的供熱燃煤時(shí)段，以及大氣湍流交換能力3方面因素決定.延吉市早晚出行高峰時(shí)段為7:00—9:00和17:00—19:00，采暖期供熱燃煤時(shí)段為5:00—9:00和16:00—20:00.大氣污染物的排放高峰時(shí)段與PM2.5濃度的高峰時(shí)段基本重合.下午和凌晨出現(xiàn)PM2.5濃度低谷值，一方面是由于污染物排放量減少，另一方面是由于白天伴隨氣溫不斷升高，大氣的湍流擴(kuò)散能力不斷增強(qiáng)，有利于大氣污染物在水平和垂直方向向外擴(kuò)散，因此一天中PM2.5平均濃度最低值一般出現(xiàn)在下午.

2.5 PM2.5濃度與氣象條件

PM2.5濃度與氣象要素密切相關(guān)[10-11].由表1可以看出，延吉市各月的PM2.5濃度與氣象要素均呈極顯著相關(guān)，但各季節(jié)相關(guān)性存在差異.春季PM2.5平均濃度與氣壓、氣溫日較差呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān)；夏季PM2.5平均濃度與氣溫日較差呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)；秋季PM2.5平均濃度與氣壓呈顯著正相關(guān)，與氣溫日較差呈顯著負(fù)相關(guān)；冬季PM2.5平均濃度與氣溫日較差、相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈極顯著負(fù)相關(guān).各氣象要素中，氣溫日較差與延吉市各季節(jié)PM2.5濃度均呈顯著正相關(guān).氣溫日較差可以反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度，氣溫日較差越大，大氣層結(jié)越穩(wěn)定，空氣在水平和垂直方向上的湍流運(yùn)動(dòng)就越小，越不利于大氣污染物稀釋擴(kuò)散.就氣壓而言，一般情況下當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r(shí)，四周高壓氣團(tuán)流向中心，使中心形成上升氣流，利于污染物向上擴(kuò)散；相反，若地面受高壓控制，中心部位出現(xiàn)下沉氣流，抑制污染物向上擴(kuò)散,在穩(wěn)定高壓的控制下，污染物積累，顆粒物濃度加劇.從相對(duì)濕度來(lái)看，相對(duì)濕度大會(huì)易使顆粒物聚集；但有研究[12]表明，當(dāng)相對(duì)濕度較高，并伴有降水時(shí)，會(huì)降低空氣中顆粒物濃度.

圖2 各站點(diǎn)的PM2.5月均濃度箱線圖

圖3 各站點(diǎn)PM2.5濃度逐日變化曲線

圖4 各站點(diǎn)PM2.5濃度日變化曲線

圖5為延吉市PM2.5濃度與風(fēng)向的關(guān)系.由圖5可以看出，風(fēng)對(duì)空氣污染物的來(lái)源、聚集和擴(kuò)散有重要影響.春季、秋季和冬季，在WSW風(fēng)向下PM2.5的平均濃度最高，達(dá)到61.2、34.8 μg·m-3和91.3 μg·m-3.其余風(fēng)向下，PM2.5的平均濃度明顯低于WSW風(fēng)向時(shí).根據(jù)以往預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，延吉市在雨雪天氣來(lái)臨前，通常出現(xiàn)WSW風(fēng)，使得細(xì)顆粒物不易擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較差.夏季， 在各種風(fēng)向下PM2.5的日平均濃度均低于20 μg·m-3，所以延吉市夏季的空氣質(zhì)量較好.

表1 不同季節(jié)PM2.5濃度與氣象因素之間的相關(guān)性

圖5 PM2.5濃度與風(fēng)向的關(guān)系

3 結(jié)論

1)從季節(jié)看，延吉市城區(qū)PM2.5濃度由高到低依次為冬季、秋季、春季和夏季，各季節(jié)的PM2.5濃度值分別為59.9、37.2、34.1 μg·m-3和16.3 μg·m-3.

2)延吉市PM2.5月均濃度變化呈單峰單谷型，月均濃度最高值出現(xiàn)在1月，2月開(kāi)始逐月遞減，10月份開(kāi)始回升.在1月、2月、11月和12月均出現(xiàn)PM2.5濃度超標(biāo)情況，其中1月和12月的超標(biāo)率超過(guò)50%.

3)延吉市PM2.5濃度逐日變化曲線呈鋸齒狀，具有明顯的尖峰和深谷，尖峰處的PM2.5日均濃度高于相鄰深谷.在1月、2月、3月、11月和12月，各空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5日均濃度變化劇烈，尖峰處PM2.5濃度遠(yuǎn)高于相鄰深谷，其余月份日均值濃度變化相對(duì)較小.

4)受污染物排放量日變化和大氣湍流擴(kuò)散能力日變化的影響，延吉市PM2.5濃度日變化曲線在春季、夏季、秋季和冬季都呈現(xiàn)雙峰雙谷型，其中冬季波動(dòng)最大，其次為秋季和春季，夏季最小.

5)延吉市PM2.5濃度與各類氣象要素之間存在顯著的相關(guān)性，且季節(jié)不同其相關(guān)性也存在差異.