近4年早春寶雞市區(qū)氣象條件對空氣污染的影響

韓 潔，徐迎春，龐 翻，李恩莉

(1.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006；2.武漢市氣象局，武漢 430299)

隨著經濟發(fā)展和城市化進程的加快，污染物的排放量不斷增加，污染范圍不斷擴大，以顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等為主要污染物的大氣環(huán)境污染問題日趨嚴重。環(huán)境污染對經濟建設和人體健康造成了極大危害，人們也開始更加關注空氣質量的相關問題。污染物的排放量和氣象條件是影響空氣質量的主要因素。周興江[1]利用北京市氣象要素數(shù)據與主要污染物濃度進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)污染物濃度與氣象要素之間有明顯的非線性關系。陳渤黎等[2]分析了2012—2014年常州市空氣質量與氣象要素之間的關系。張俠等[3]對2017年陜西氣象條件與大氣環(huán)境質量進行了分析，發(fā)現(xiàn)2017年1—3月陜西省首要污染物為顆粒物(PM2.5和PM10)，5—7月為臭氧。杜怡心等[4]研究表明西安地區(qū)臭氧已經成為除顆粒物之外的一大污染源。徐娟娟等[5]對關中一次重污染天氣過程的氣象特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)污染物質量濃度與低層風關系密切，當?shù)蛯訛槿跗巷L時，相對濕度逐漸上升，污染物質量濃度升高。已有的研究對冬季重度污染天氣的氣象條件分析較多，但是對于春季特別是早春3月的分析仍然較少。3月是季節(jié)轉換時節(jié)，氣溫起伏大、多沙塵天氣，導致首要污染物種類多，污染物質量濃度與氣象要素關系復雜，因此，通過對寶雞市區(qū)2015—2018年早春(3月)的氣象要素與污染物質量濃度的統(tǒng)計分析，探究影響3月各首要污染物質量濃度變化與不同氣象要素之間的關系，為寶雞市區(qū)早春空氣污染預測提供科學依據。

1 資料選取

采用的污染物質量濃度和AQI指數(shù)資料來自于寶雞市環(huán)保局監(jiān)測站提供的2015—2018年3月寶雞市8個環(huán)境監(jiān)測站的平均逐日空氣質量日報。PM2.5質量濃度(C(PM2.5))與PM10質量濃度(C(PM10))均指一個自然日24 h平均濃度的算數(shù)平均值，臭氧質量濃度(C8h(O3))是指一日內最大的連續(xù)8 h平均濃度的算數(shù)平均值。

由于寶雞市位于關中西部，為向東開口的“喇叭口”地形，南北山區(qū)空氣污染小，主要污染集中在川道地區(qū)，環(huán)境監(jiān)測站的8個站點均位于寶雞市區(qū)，寶雞市區(qū)的國家級氣象監(jiān)測站只有渭濱區(qū)氣象監(jiān)測站，因此選取寶雞市渭濱區(qū)氣象監(jiān)測站資料代表寶雞市區(qū)的氣象要素，并與8個環(huán)境監(jiān)測站平均AQI指數(shù)和主要污染物質量濃度數(shù)據進行對比分析。氣象資料主要包括MICAPS地面實況圖和溫度、降水量、平均風速、逐時風向風速、相對濕度等氣象要素的地面觀測資料。

2 2015—2018年3月寶雞市區(qū)污染日數(shù)與主要污染物

根據寶雞市環(huán)保局提供的寶雞市區(qū)的空氣質量日報，分析2015—2018年3月寶雞市區(qū)的污染日數(shù)發(fā)現(xiàn)，3月輕度污染以上日數(shù)最多為2018年和2016年的16 d，其次是2015年11 d，2017年最少為8 d。統(tǒng)計污染日中的首要污染物發(fā)現(xiàn)，首要污染物為PM2.5的日數(shù)最多，其中2018年和2015年最多為9 d，2017年最少為6 d；首要污染物為PM10的日數(shù)2016年最多為8 d，2017年最少為2 d；首要污染物為O3的日數(shù)較少，2018年2 d，2016年1 d，2015年和2017年未出現(xiàn)。可見，近4 a中，寶雞市區(qū)3月大氣首要污染物主要為PM2.5、PM10，O3相對較少。2016年和2018年污染日數(shù)最多，首要污染物PM10和PM2.5出現(xiàn)較多。

表1 2015—2018年3月寶雞市區(qū)輕度污染以上首要污染物出現(xiàn)日數(shù)單位：d

年份2015201620172018PM2.59769PM102825O30102

3 2015—2018年3月AQI指數(shù)與降水、風向風速的關系

3.1 AQI指數(shù)與降水

對比2015—2018年3月的總降水量(見表2)可以看出：寶雞市區(qū)2017年降水量最大，其次是2015年，均較歷年同期(1981—2010年3月降水量平均值為24.8 mm)偏多1倍以上；2018年降水量與歷年同期基本持平；2016年最小。3月降水日數(shù)2015年最多為10 d，2018年和2017年同為9 d，2016年最少為7 d。比較大于5 d的連續(xù)無降水日數(shù)發(fā)現(xiàn)，除2015年1次外，其余各年均為2次，且2018年大于5 d的連續(xù)無降水日數(shù)持續(xù)時間最長。結合污染日數(shù)和AQI指數(shù)的分析來看，2018年和2016年寶雞市區(qū)降水量較少且無降水日數(shù)較多，其3月平均AQI指數(shù)均超過100；而2017年和2015年降水量多于歷年同期1倍以上，其大氣污染日數(shù)和月平均AQI指數(shù)明顯低于2016年和2018年?？梢?，降水量偏少，連續(xù)無降水日數(shù)持續(xù)時間長，空氣中的污染物無法有效清除而不斷累積，使得AQI指數(shù)升高，污染日數(shù)增多。

表2 2015—2018年3月寶雞市區(qū)AQI指數(shù)與降水情況對比

3.2 AQI指數(shù)與風向風速

受地形影響，寶雞市區(qū)3月多偏東風和偏西風。為了進一步分析不同風向下，AQI指數(shù)的變化，定義東風日與西風日，即統(tǒng)計一天中逐小時的風向，若東風時次大于西風時次，則定義該日為東風日，反之為西風日；若東、西風時次相同，選擇平均風速大的風向定義該日。計算東風日和西風日的平均風速、平均AQI指數(shù)，得到表3。從表3可以看出，只有2017年西風日數(shù)多于東風日數(shù)，其平均AQI指數(shù)為4 a中最??；2018年平均AQI指數(shù)110，為4 a中最高，其東風日數(shù)超出西風日數(shù)19 d，為4 a中最多。2015年和2016年東風日數(shù)均超過西風日數(shù)15 d，2015年東風日的平均風速1.6 m/s大于2016年的1.5 m/s；2016年西風日平均風速超過2015年0.1 m/s。由此可見，AQI指數(shù)與風速呈負相關，與已有的研究[6]一致；風向與AQI指數(shù)也存在一定聯(lián)系。當東風日數(shù)明顯多于西風日數(shù)時，AQI指數(shù)較高；反之則AQI指數(shù)較低。這與寶雞為向東開口的喇叭口地形有關，東邊開闊，越向西越狹窄，當吹東風時，有利于污染物堆積；吹西風時，有利于污染物的擴散。

表3 2015—2018年3月寶雞市區(qū)的AQI指數(shù)與風向風速對比

4 污染物質量濃度與氣象要素的關系

計算不同氣象要素與污染物質量濃度的相關系數(shù)(見表4)，選取相關性較大的氣象要素。為了避免降水與日平均氣溫同時對污染物質量濃度的影響，去除降水日后計算日平均氣溫與污染物質量濃度的相關系數(shù)。結果顯示，3種主要污染物質量濃度與日平均氣壓的相關性最好，呈負相關，相關系數(shù)均超過0.3，即氣壓升高，有利于污染物的擴散。C(PM10)與日降水量相關系數(shù)為-0.34，相關性較好。C(PM2.5)與日最小相對濕度相關系數(shù)為0.35，相關系數(shù)在各氣象要素中最高。C8h(O3)與日平均氣溫、日最小相對濕度的相關性最好，相關系數(shù)均超過0.5。由此可知，氣壓越高，越有利于污染物的擴散；降水量越大越有利于C(PM10)的降低；日平均氣溫越低、日相對最小濕度越大則有利于C8h(O3)的降低。

表4 2015—2018年3月寶雞市區(qū)氣象要素與污染物質量濃度的相關系數(shù)

4.1 污染物質量濃度與降水、氣壓、相對濕度和氣溫

2015—2018年3月，共有13次降水過程，其中單日降水5次，其余為連續(xù)2日以上的連續(xù)性降水。通過統(tǒng)計降水前后污染物質量濃度的變化發(fā)現(xiàn)，單日降水量小于1 mm對3種主要污染物的清除作用不明顯；其余3次單日降水量都大于3 mm，均使得C(PM10)降低，其中兩次使C(PM2.5)和C8h(O3)降低。8次連續(xù)性降水均使得C(PM10)和C8h(O3)下降，7次使C(PM2.5)下降。由此可知，不同強度的降水對C(PM10)降低效果最明顯，連續(xù)性降水對污染物的清除作用優(yōu)于單日降水，且小于1 mm的單日降水對3種主要污染物無明顯清除作用。降水量較小時，污染物吸濕作用明顯[7]，使得污染物質量濃度不降反升。

統(tǒng)計氣象要素變化趨勢與3種污染物質量濃度變化之間的關系(表5)發(fā)現(xiàn)，兩者相關系數(shù)(表4)小于0.3時，氣象要素的變化與污染物質量濃度變化的正負相關特征不顯著，這可能與樣本數(shù)較小有關；因此在表5中主要討論相關系數(shù)超過0.3時，氣象要素增大或減小引起污染物質量濃度變化的情況。結果顯示：當日平均氣壓減小時，C(PM10)69.5%呈增加趨勢，且平均增加7.2 μg/m3。 日最小相對濕度對C(PM2.5)的影響最大，當日最小相對濕度增加時，C(PM2.5)75.4%增加，平均增加11.0 μg/m3；當日最小相對濕度減少時，C(PM2.5)平均減小14.8 μg/m3。日最小相對濕度的減小與日平均氣溫的減小與C8h(O3)變化最為密切，日相對濕度減小使得C8h(O3)平均增加13.6 μg/m3，日平均氣溫減小使得C8h(O3)平均減小15.4 μg/m3。

表5 2015—2018年3月寶雞市區(qū)污染物質量濃度變化與氣象要素變化的對比

總體而言，3種主要污染物質量濃度分別與不同氣象要素的變化關系密切。C(PM10)變化與日平均氣壓關系密切，且為反相關；C(PM2.5)變化與日最小相對濕度正相關特征明顯；C8h(O3)與日最小相對濕度變化呈顯著反相關，與日平均氣溫的正相關特征明顯。

4.2 污染物質量濃度與風場

4.2.1 日平均風速、東西風日 從表4看出，C(PM2.5)與日平均風速的相關系數(shù)為-0.2，相比于C(PM10)和C8h(O3)，相關性較好。計算日平均風速與C(PM2.5)的變化量發(fā)現(xiàn)，當日平均風速增加時，C(PM2.5)平均減少3.6 μg/m3，反之，C(PM2.5)平均增加4.3 μg/m3。

分別統(tǒng)計東風日與西風日污染物的質量濃度(表略)，東風日3種主要污染物質量濃度均高于西風日。其中C(PM2.5) 東風日與西風日差距最大,差值為18.6 μg/m3，而C(PM10)與C8h(O3)東風日與西風日的差值均未超過10 μg/m3。

4.2.2 08時風場 計算08時、14時、20時、02時的風速與3種污染物質量濃度的相關系數(shù)，發(fā)現(xiàn)08時風速與污染物質量濃度的對應關系最好。

從圖1a可看出，近4年3月08時風向出現(xiàn)頻次最高為偏西北風(包括西北風、西西北風和北西北風)，其次是東東南風。從圖1b可以看出，C(PM10)超過150 μg/m3時主要風向為北東北風、東東北風和南東南風；C(PM2.5)超過100 μg/m3時主要為東東北風或西西南風；C8h(O3)超過100 μg/m3主要為東北風。分析可見，C(PM10)大值區(qū)多出現(xiàn)在鋒面附近的偏南風之中，或寶雞地區(qū)受東北路冷空氣影響時的偏東北風中。C(PM2.5)和C8h(O3)在偏東北風時較大，可能與無明顯天氣系統(tǒng)影響時，受地形影響，寶雞市區(qū)多偏東北風有關。

4.3 C8h(O3) 與日平均氣溫、日最小相對濕度

從圖2可以看出：C8h(O3)的大值區(qū)主要分布在日最小相對濕度20%～40%之間；當日最小相對濕度小于30%時，C8h(O3)呈上升趨勢，超過30%后，C8h(O3)開始下降。隨著日平均氣溫上升，C8h(O3)呈線性增長趨勢。分析O3為首要污染物當日的日最高氣溫，發(fā)現(xiàn)其主要出現(xiàn)在前期日最高氣溫突然增加5～8 ℃的當天，或出現(xiàn)在日最高氣溫為近期極值后的1～2 d。

圖1 2015—2018年3月寶雞市區(qū)08時風向的出現(xiàn)頻次(單位為次)(a)、08時不同風向與3種污染物質量濃度(單位為μg/m3)(b)的玫瑰圖

5 沙塵天氣對3月污染物質量濃度的影響

已有的研究表明，沙塵天氣對于本地及其下游地區(qū)的空氣質量會產生重大影響[8]。春季，特別是3月沙塵天氣對空氣污染的影響在一年中最重。馬敏勁等[9]利用近15年蘭州逐日空氣質量與地面觀測資料發(fā)現(xiàn)沙塵天氣的C(PM10)、C(PM2.5)比非沙塵天氣高1.2～5.4倍。以寶雞上游地區(qū)及本地在日觀測天氣現(xiàn)象和地面3 h實況圖中出現(xiàn)沙塵天氣(包括浮塵、揚沙、沙塵暴)為依據，定義沙塵影響日數(shù)，4 a共28 d。統(tǒng)計沙塵當天的污染物質量濃度與前一天的差值發(fā)現(xiàn)，沙塵天氣使C(PM10)、C(PM2.5)平均升高37.25 μg/m3和15.6 μg/m3，C8h(O3)平均升高0.7 μg/m3。因此，沙塵天氣使得C(PM10)與C(PM2.5)升高明顯，而對C8h(O3)影響不大。

3月氣溫回暖后，當有鋒面南下時，造成寶雞地區(qū)浮塵、揚沙天氣。統(tǒng)計4 a中28 d沙塵影響下的地面形勢場(圖略)，發(fā)現(xiàn)主要有兩種典型的地面形勢，一種是蒙古氣旋東移，另一種是冷空氣東移南下，均有利于鋒面攜帶沙塵過境，使C(PM10)和C(PM2.5)明顯升高。

6 結論

(1)2015—2018年3月，寶雞市區(qū)大氣污染的首要污染物為PM2.5、PM10和O3。2016年和2018年3月污染日數(shù)多，主要的氣象因素是降水量偏少，連續(xù)無降水日數(shù)持續(xù)時間長，日平均風速小，西風日多于東風日，易使得寶雞市區(qū)早春平均AQI指數(shù)升高。

(2)氣壓越高，越有利于三種主要污染物質量濃度的下降。連續(xù)性降水對污染物的清除作用優(yōu)于單日降水，且小于1 mm的單日降水對3種主要污染物無明顯清除作用。C(PM10)變化與日平均氣壓、日降水量關系密切，且為反相關；C(PM2.5)變化與日最小相對濕度正相關特征明顯；C8h(O3)與日最小相對濕度變化呈顯著反相關，與日平均氣溫的正相關特征明顯。

(3)東風日中3種主要污染物的質量濃度均高于西風日，且C(PM2.5)在東風日與西風日中差距最大。C(PM10)大值區(qū)多出現(xiàn)在鋒面附近的偏南風之中，或寶雞地區(qū)受東路冷空氣影響時的偏東北風中。C(PM2.5)和C8h(O3)在偏東風時較大，這與無明顯天氣系統(tǒng)影響時，寶雞地區(qū)多偏東風有關。

(4)C8h(O3)隨著日最小相對濕度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；日平均氣溫越高，C8h(O3)越高。O3為首要污染物主要出現(xiàn)在前期日最高氣溫突然增加5～8 ℃的當天，其次出現(xiàn)在日最高氣溫為近期極值后的1～2 d。

(5)沙塵天氣使得C(PM10)與C(PM2.5)升高明顯。早春影響寶雞市區(qū)的沙塵天氣主要有兩種地面形勢，分別為蒙古氣旋東移和冷空氣東移南下。