廣州PM2.5污染特征及與氣象因子的關(guān)系分析*

黃 俊 王超群 周寶琴 潘蔚娟# 王春林

(1.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣東 廣州 511430；2.廣州市氣象局，廣東 廣州 511430)

造成城市大氣污染的內(nèi)因是污染物排放，外因是氣象條件。在不利氣象條件下，排放到大氣中的PM2.5不易于擴(kuò)散而逐漸累積產(chǎn)生污染天氣，污染最直接的后果就是PM2.5的消光效應(yīng)(散射和吸收)造成大氣能見度下降，影響城市正常的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和市民生活[1]。廣州作為粵港澳大灣區(qū)的核心城市，人口總量大，隨經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、能源大量消耗，光化學(xué)煙霧、灰霾等大氣環(huán)境問題日益突出，具體表現(xiàn)為以PM2.5和O3為主的區(qū)域性大氣復(fù)合型污染[2-3]，其中以高濃度的PM2.5導(dǎo)致的低能見度事件以及氣溶膠輻射強(qiáng)迫對(duì)氣候變化的不確定性最受關(guān)注[4-5]。

近年來，許多學(xué)者對(duì)顆粒物污染及其氣象影響因素做了廣泛研究。天氣形勢(shì)、逆溫層結(jié)、混合層厚度、靜小風(fēng)等氣象條件對(duì)PM2.5濃度具有顯著影響[6-8]。在珠三角地區(qū)，吳兌等[9]研究得出廣州地區(qū)PM2.5污染嚴(yán)重，PM2.5是造成能見度惡化的主要因素，且污染過程與區(qū)域靜小風(fēng)關(guān)系密切; 高曉榮等[10]、陳歡歡等[11]研究得出珠三角區(qū)域PM2.5重污染過程主要影響天氣型為冷高壓變性出海型；FAN等[12]、吳蒙等[13]研究發(fā)現(xiàn)高壓反氣旋、臺(tái)風(fēng)外圍下沉氣流以及海陸風(fēng)易導(dǎo)致珠三角地區(qū)出現(xiàn)污染天氣;周軍芳等[14]和陳燕等[15]研究表明珠三角城市化過程導(dǎo)致城市風(fēng)速減小、夜間逆溫增強(qiáng)、污染物擴(kuò)散范圍變小，從而導(dǎo)致污染發(fā)生；王淑蘭等[16]133和胡曉宇等[17]基于CALPUFF和Models-3/CMAQ 模式研究發(fā)現(xiàn)珠三角城市間污染物傳輸作用比較顯著；廖志恒等[18]分析了2006—2012年珠三角地區(qū)的SO2、PM10、O3等污染物的變化特征，得出政府治理是驅(qū)動(dòng)珠三角地區(qū)一次污染逐年好轉(zhuǎn)的主要因素,而政府對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放控制相對(duì)薄弱加之氣象因子的共同作用可能是導(dǎo)致二次污染(尤其是O3污染)加劇的原因。

雖然對(duì)珠三角地區(qū)空氣污染狀況和變化規(guī)律已有較多研究，但近年來對(duì)廣州多年P(guān)M2.5濃度的變化規(guī)律以及與氣象因子之間相關(guān)性研究較少[19-20]。本研究基于2014—2016年廣州逐時(shí)PM2.5濃度和同期常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，對(duì)PM2.5污染特征及與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行分析，并著重分析PM2.5濃度與能見度和相對(duì)濕度的關(guān)系，以期提高《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施背景下，人們對(duì)廣州PM2.5污染的認(rèn)識(shí)，可為進(jìn)一步開展大氣污染預(yù)報(bào)及防治等提供參考。

1 數(shù)據(jù)及方法

常規(guī)氣象數(shù)據(jù)及PM2.5濃度數(shù)據(jù)來自廣州(黃埔)國(guó)家基本氣象觀測(cè)站，該站是廣州氣象觀測(cè)代表站，數(shù)據(jù)時(shí)段為2014—2016年。氣象數(shù)據(jù)主要包括逐時(shí)氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向及能見度，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)均為業(yè)務(wù)化運(yùn)行，并經(jīng)過質(zhì)量控制。

PM2.5濃度觀測(cè)設(shè)備為德國(guó)GRIMM公司的EDM180型在線環(huán)境顆粒物粒徑譜儀，定期校準(zhǔn)和維護(hù)，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效。按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，對(duì)觀測(cè)期間PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的質(zhì)量控制和處理后，得到小時(shí)數(shù)據(jù)有效性為98.2%(25 839 h)。數(shù)據(jù)處理分析使用SQL Server 2012、Excel 2016、Matlab 2016、Origin 2017等軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5污染等級(jí)頻率

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)中PM2.5污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)得出2014—2016年廣州PM2.5污染等級(jí)頻率，如表1所示?？梢钥闯?，2014—2016年P(guān)M2.5濃度等級(jí)為優(yōu)的頻率高達(dá)62.43%，良的頻率為33.62%，輕度、中度、重度污染的頻率合計(jì)為3.94%。1月PM2.5污染最重，輕度、中度、重度污染頻率合計(jì)達(dá)20.16%。6—8月無(wú)輕度及以上污染，5—12月無(wú)中度及以上污染，3—12月無(wú)重度污染。

2.2 PM2.5濃度與氣象因子月變化

圖1為廣州2014—2016年P(guān)M2.5濃度逐月變化情況，可以看出，2014—2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度平均為32.7 μg/m3，其中2014年年均值最高，為39.3 μg/m3，超過GB 3095—2012中PM2.5年平均質(zhì)量濃度的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg/m3)，2015年年均值降低至28.2 μg/m3，相比上一年降低了28%，而2016年年均值略有反彈，至30.4 μg/m3，相比2015年增加8%?？傮w上，自2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》發(fā)布以來，廣州及周邊城市采取一系列大氣污染防治減排措施，有效改善了顆粒物的污染程度。

2014—2016年逐月變化特征總體上比較相似，其中夏季5—9月PM2.5濃度總體比較低，冬季比較高。冬季是我國(guó)污染事件高發(fā)的主要季節(jié)， 靜穩(wěn)天氣頻發(fā)，容易形成較強(qiáng)的逆溫層，大氣邊界高度低，不利于PM2.5的擴(kuò)散和稀釋。2014年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度最高在1月(79.4 μg/m3)，其次為3月(49.9 μg/m3)；2015年最高在2月(42.9 μg/m3)，其次為1月(42.1 μg/m3)；2016年最高在3月(46.8 μg/m3)，其次為12月(42.6 μg/m3)。2014—2016年的PM2.5質(zhì)量濃度月均值最低均出現(xiàn)在6月，分別為24.7、16.3、17.4 μg/m3。

表1 2014—2016年P(guān)M2.5污染等級(jí)頻率分布

這種月變化差異主要和不同季節(jié)的大氣環(huán)流形勢(shì)有關(guān)，不同的主導(dǎo)風(fēng)向、邊界層抬升和降水量產(chǎn)生不同的擴(kuò)散、傳輸和沉降條件。此外也和人為源、自然源的季節(jié)變化以及廣州實(shí)施大氣污染防治計(jì)劃和采取污染減排措施等有關(guān)。

圖2為廣州2014—2016年P(guān)M2.5和常規(guī)氣象因子的逐月變化。由圖2可知，受氣象影響，廣州2014—2016年P(guān)M2.5逐月平均質(zhì)量濃度總體上呈現(xiàn)“U”型變化趨勢(shì)，1月最高，為50.6 μg/m3，1—6月呈下降趨勢(shì)，到6月平均質(zhì)量濃度降至最低，為19.5 μg/m3，7—12月增加；受大氣中PM2.5濃度的影響，能見度變化與PM2.5相反，能見度在6月達(dá)最高值(16.9 km)，3月最低(9.0 km)；廣州相對(duì)濕度總體比較高，介于71%～85%；氣溫介于13.6～28.6 ℃，與PM2.5濃度變化趨勢(shì)相反；風(fēng)速整體變化波動(dòng)不大，大多介于1.8～2.8 m/s；而氣壓變化情況則與PM2.5濃度類似，呈現(xiàn)“U”型結(jié)構(gòu)；降水主要集中在5—8月，該時(shí)段對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度較低，其主要原因是降水通過濕沉降作用使得大氣中的PM2.5濃度降低[21]3278。

對(duì)兩組患者分別疝環(huán)充填式疝修術(shù)、平片無(wú)張力疝修術(shù)進(jìn)行治療，對(duì)比兩組患者術(shù)后出現(xiàn)并發(fā)癥情況，結(jié)果表示觀察組切口感染2例，尿潴留0例。對(duì)照組切口感染的患者有4人，尿潴留的患者有2人，由此可以看出觀察組患者并發(fā)癥發(fā)生率明顯低于對(duì)照組患者并發(fā)癥發(fā)生率。并發(fā)癥發(fā)生率分別為6.06%（2/33）和18.18%（18/33），組間對(duì)比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.3 PM2.5濃度日變化

PM2.5濃度日變化如圖3所示。由圖3可知，PM2.5濃度在白天低，晚上高。8:00之后，隨著氣溫的逐漸增加，大氣湍流作用增強(qiáng)，且大氣邊界層高度抬升，大氣擴(kuò)散能力逐漸增強(qiáng)，污染物濃度開始逐漸降低，在15:00達(dá)到最低值，之后又開始慢慢升高。到17:00之后，隨著邊界層高度的逐漸降低，大氣擴(kuò)

圖1 2014—2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度逐月變化Fig.1 Monthly change of PM2.5 concentration from 2014 to 2016

圖2 2014—2016年逐月平均PM2.5質(zhì)量濃度和氣象因子變化Fig.2 Monthly change of PM2.5 average mass concentration and meteorological factors from 2014 to 2016

圖3 PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線Fig.3 Daily variation curve of PM2.5 mass concentration

表2 PM2.5與氣象因子的相關(guān)性分析1)

注：1)**表示在p<0.01下顯著相關(guān)，*表示在p<0.05下顯著相關(guān)，樣本量為25 839個(gè)。

注：靜風(fēng)頻率為0.28%。圖4 不同風(fēng)速和風(fēng)向下的PM2.5質(zhì)量濃度分布及風(fēng)向玫瑰圖Fig.4 PM2.5 concentration distribution under different wind speed and direction and wind rose

散能力減弱，污染物開始逐漸積累，且正值下班高峰期，人類活動(dòng)逐漸增多，污染物排放增加，加上廣州地區(qū)夜生活較為豐富，使得PM2.5濃度逐漸增加，22:00—23:00達(dá)到最大值，之后人類活動(dòng)逐漸減少，PM2.5濃度在夜間呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。

2.4 PM2.5濃度與氣象因子的相關(guān)性

2.4.1 PM2.5濃度與各氣象因子的相關(guān)性分析

逐時(shí)PM2.5濃度與各氣象因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，PM2.5濃度與風(fēng)速、降水、氣溫、能見度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度、氣壓呈顯著或極顯著正相關(guān)。PM2.5濃度與能見度的相關(guān)系數(shù)為-0.54，表明隨著污染物濃度的增加，能見度逐漸下降，PM2.5濃度對(duì)能見度的影響主要?dú)w因于大氣中顆粒物對(duì)光的散射和吸收；PM2.5與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與氣壓正相關(guān)，其主要原因是污染天氣主要發(fā)生在冬春氣溫比較低的季節(jié)，大氣比較穩(wěn)定，易形成逆溫層[22]，不利于污染物的擴(kuò)散；PM2.5與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，主要是風(fēng)速是污染物擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿σ蜃?，風(fēng)速越大，越有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋；PM2.5與降水呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)研究表明，降水產(chǎn)生濕清除作用，是大氣中氣溶膠粒子的主要清除機(jī)制，許建明等[21]3271對(duì)上海地區(qū)研究表明，降雨日的PM2.5濃度比非降雨日平均低約30%，在污染季節(jié)降低更加顯著(約低50%)；PM2.5與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，高相對(duì)濕度下會(huì)使得PM2.5吸濕增長(zhǎng)，易造成其濃度升高加重污染[23-24]，本研究在后面章節(jié)中繼續(xù)討論P(yáng)M2.5、相對(duì)濕度和能見度的相關(guān)性。

2.4.2 風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)PM2.5濃度的影響

水平風(fēng)是影響局地空氣質(zhì)量最重要的氣象條件，它會(huì)同時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)散和輸送兩種效應(yīng)[25-26]。圖4為2014—2016年不同風(fēng)速和風(fēng)向下的PM2.5濃度分布和風(fēng)向玫瑰圖?？梢钥闯?，廣州常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，0～<3 m/s北風(fēng)約占20%，其次為3～<6 m/s，占10%，風(fēng)速基本在6 m/s以內(nèi)。污染比較重的風(fēng)速和風(fēng)向主要為0～<2 m/s的偏北風(fēng)，主要表現(xiàn)為本地污染物無(wú)法有效擴(kuò)散而積累出現(xiàn)污染，6 m/s的西北偏北風(fēng)及西南風(fēng)也會(huì)使得PM2.5濃度偏高，可能是由于外地污染物的輸送導(dǎo)致本地出現(xiàn)污染。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)2014—2016年不同風(fēng)向和靜風(fēng)條件下的PM2.5平均濃度，如表3所示?？梢钥闯?，2014—2015年，在北風(fēng)和靜風(fēng)條件下PM2.5濃度最高，而2016年在東風(fēng)條件下濃度最高；2014—2016年均是在南風(fēng)條件下濃度最低。廣州地區(qū)偏南風(fēng)主要是在夏季，夏季大氣擴(kuò)散條件較好，有利于污染物的擴(kuò)散，此外來自海上的空氣所攜帶的污染物濃度總體也較低；當(dāng)風(fēng)向逐漸向北偏轉(zhuǎn)時(shí)，特別是在偏北風(fēng)的影響下，此時(shí)在冬春季節(jié),時(shí)常出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，大氣擴(kuò)散條件較差，污染物容易發(fā)生積累使得濃度升高。此外廣州周邊城市排放的污染物可能會(huì)輸送至廣州地區(qū)[16]136，在不利擴(kuò)散的天氣條件下更容易出現(xiàn)污染過程。

顆粒物對(duì)能見度的影響主要與顆粒物的質(zhì)量濃度、粒徑譜分布、化學(xué)組分、吸濕特性、黑碳及其混合狀態(tài)、顆粒物的形狀等有關(guān)[27]45，尤其PM2.5對(duì)大氣能見度的影響更顯著。

在不同相對(duì)濕度情況下，對(duì)PM2.5和能見度進(jìn)行冪函數(shù)擬合分析，如表4所示。可以看出，能見度和PM2.5濃度為非線性關(guān)系，當(dāng)70%<相對(duì)濕度≤80%時(shí)，PM2.5與能見度的相關(guān)性最好，這與陳義珍等[28]和張芷言等[29]得出結(jié)論一致，此時(shí)PM2.5對(duì)能見度的影響主要是PM2.5的吸濕作用造成能見度下降；當(dāng)相對(duì)濕度>90%時(shí)，相關(guān)系數(shù)顯著降低；相對(duì)濕度>95%時(shí)擬合的相關(guān)系數(shù)為0.47，此時(shí)相對(duì)濕度對(duì)能見度降低的貢獻(xiàn)顯著高于PM2.5對(duì)能見度的貢獻(xiàn)，其主要原因是高濕條件下，隨顆粒物吸濕增長(zhǎng)，氣溶膠的消光效應(yīng)隨相對(duì)濕度呈指數(shù)增長(zhǎng)，能見度的惡化主要是由相對(duì)濕度的增長(zhǎng)所決定[27]48。

由于能見度與PM2.5濃度呈冪函數(shù)關(guān)系，一定相對(duì)濕度條件，當(dāng)PM2.5低于某閾值時(shí)，能見度隨PM2.5濃度降低而迅速升高，而當(dāng)PM2.5高于該濃度閾值時(shí)，能見度隨PM2.5濃度增加不明顯。不考慮相對(duì)濕度的情況下，當(dāng)能見度為10 km(灰霾天氣)，統(tǒng)計(jì)得到PM2.5質(zhì)量濃度敏感閾值為37.3 μg/m3；而在不同相對(duì)濕度情況下，能見度為10 km對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度閾值不同，隨著相對(duì)濕度的增加，PM2.5濃度閾值不斷減小 (見表4)。

圖5為不同相對(duì)濕度、PM2.5濃度區(qū)間下的能見度均值分布，PM2.5濃度和相對(duì)濕度增大，能見度逐漸下降，且等值線斜率逐漸增大。等值線斜率越大，表明能見度受相對(duì)濕度影響越大，受PM2.5濃度影響越小。低能見度主要分布在高相對(duì)濕度和高PM2.5濃度的區(qū)域(右上角)，高能見度分布在低相對(duì)濕度和低濃度區(qū)域，可見高相對(duì)濕度的污染天氣造成的能見度惡化程度遠(yuǎn)大于低相對(duì)濕度下的污染天氣。當(dāng)能見度>10 km時(shí)，等值線斜率較小，PM2.5濃度是影響能見度的關(guān)鍵因子，能見度隨PM2.5濃度的升高而降低，而受相對(duì)濕度的影響不大；當(dāng)能見度<10 km，相對(duì)濕度>90%時(shí)，斜率明顯增加，此時(shí)能見度主要受相對(duì)濕度的增加而迅速降低，這與華北[30]4935及華中地區(qū)[31]的研究結(jié)論一致。

表3 不同風(fēng)向和靜風(fēng)條件下的PM2.5平均質(zhì)量濃度

表4 不同相對(duì)濕度區(qū)間能見度與PM2.5質(zhì)量濃度之間的關(guān)系1)

注：1)y為能見度，km；x為PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3。

注：等值線上數(shù)字為能見度，單位km。圖5 不同相對(duì)濕度和PM2.5濃度下的能見度分布Fig.5 Distribution of visibility under different relative humidity and PM2.5 concentration

綜上所述，PM2.5濃度與相對(duì)濕度共同影響和制約廣州大氣能見度的變化，相對(duì)濕度較低的情景下，PM2.5濃度升高是影響能見度降低的關(guān)鍵因素，相對(duì)濕度比較高的情景下，相對(duì)濕度增大造成的顆粒物粒徑吸濕增長(zhǎng)所引起的強(qiáng)烈消光作用是廣州能見度惡化的主要原因[30]4947。廣州地區(qū)在一般情況下，當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度高于37.3 μg/m3時(shí)，控制PM2.5對(duì)改善城市能見度成效相對(duì)緩慢，而當(dāng)PM2.5濃度低于此閾值時(shí)，降低PM2.5將顯著提高大氣能見度。

3 結(jié) 論

(1) 2014—2016年廣州PM2.5平均質(zhì)量濃度為32.7 μg/m3，1月PM2.5污染最重，輕度、中度、重度污染頻率合計(jì)達(dá)20.16%。6—8月無(wú)輕度及以上污染，5—12月無(wú)中度及以上污染，3—12月無(wú)重度污染。PM2.5濃度日變化特征白天時(shí)段低(15：00最低)，晚上時(shí)段高(22:00—23:00最高)。

(2) PM2.5濃度與風(fēng)向、降水、氣溫、能見度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度、氣壓呈正相關(guān)關(guān)系。廣州地區(qū)在南風(fēng)的條件下PM2.5濃度最低，0～<2 m/s的偏北風(fēng)容易造成污染。

(3) PM2.5濃度與相對(duì)濕度共同影響和制約廣州大氣能見度的變化。隨著相對(duì)濕度的增加，PM2.5濃度的敏感閾值不斷減小，一般情況下，廣州PM2.5高于37.3 μg/m3時(shí)，控制PM2.5對(duì)改善城市能見度成效相對(duì)緩慢，而當(dāng)PM2.5濃度低于此閾值時(shí)，降低PM2.5將顯著提高大氣能見度。