2014—2017年揭陽(yáng)市空氣污染變化特征及與風(fēng)速關(guān)系

夏云，謝澤嘉，陳映強(qiáng)

（揭陽(yáng)市氣象局，廣東揭陽(yáng) 522000）

環(huán)境空氣質(zhì)量的優(yōu)劣與人體健康密切相關(guān)。二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、近地層臭氧（O3）和可吸入顆粒物（PM10）作為主要的大氣污染物，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生顯著影響［1-3]，地方政府面臨著改善空氣質(zhì)量、美化城市景觀的艱巨任務(wù)。

加強(qiáng)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)能力是廣東省氣象局全面推進(jìn)氣象現(xiàn)代化、提高造福社會(huì)能力的重要舉措之一。要做到準(zhǔn)確有效預(yù)報(bào)服務(wù)，必須深刻了解影響空氣質(zhì)量的因素。目前不少學(xué)者對(duì)空氣質(zhì)量以及風(fēng)場(chǎng)與空氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量具有明顯的季節(jié)變化特征［4-5]，同時(shí)風(fēng)場(chǎng)與風(fēng)速、氣溫、濕度等氣象因子與空氣質(zhì)量有著顯著的相關(guān)關(guān)系，尤其風(fēng)速對(duì)于空氣質(zhì)量的影響是非常明顯的［6-10]，隨著揭陽(yáng)市的不斷發(fā)展，空氣質(zhì)量的變化也已經(jīng)引起政府和公眾的廣泛關(guān)注，本研究采用揭陽(yáng)市區(qū)觀測(cè)站逐日風(fēng)場(chǎng)資料和揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的逐日污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)分析風(fēng)速對(duì)揭陽(yáng)市區(qū)空氣質(zhì)量的影響，以期為當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量提供一定的參考。

1 資料和方法

本研究所采用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于2014—2017年廣東省揭陽(yáng)市區(qū)觀測(cè)站逐日風(fēng)場(chǎng)資料；大氣環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)源于揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站（東興、西馬、新興、漁湖）的逐日污染物（SO2、NO2、O3、PM10）質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。

采用區(qū)域空氣質(zhì)量指數(shù)（RAQI）作為空氣污染的指標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行分析［11]，由于本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于揭陽(yáng)市的4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，每個(gè)站點(diǎn)的環(huán)境狀況和氣象條件存在差異，如果單純用空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），無(wú)法突出各個(gè)站點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)條件對(duì)污染狀況的差異，因此本研究選擇RAQI指數(shù)

其中，RAQI為區(qū)域空氣質(zhì)量指數(shù)；Ii為單項(xiàng)污染物空氣質(zhì)量分指數(shù)；Ci是SO2、NO2、O3、PM10的日均質(zhì)量濃度或O3的8 h質(zhì)量濃度均值的日最大值，單位均為μg／m3；Ri為國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中相對(duì)應(yīng)的污染物質(zhì)量濃度限值的2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（ρ（SO2）＝150μg／m3、ρ（NO2）＝80μg／m3、ρ（O3）＝160μg／m3、ρ（PM10）＝150μg／m3）。為了分析不同污染物對(duì)空氣質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)水平，本研究進(jìn)一步采用單項(xiàng)污染物空氣質(zhì)量負(fù)荷系數(shù)（Fi）：

另外，根據(jù)RAQI對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行劃分：RAQI＝0～1，遠(yuǎn)低于國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；RAQI＝1～2，基本符合；RAQI＝2～3，接近或超過(guò)；RAQI＝3～4，超過(guò)；RAQI＝＞4，嚴(yán)重超過(guò)。在本研究中，如果RAQI＞2就作為污染日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣污染變化特征

1）RAQI指數(shù)特征。

2014—2017年揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站東興、西馬、新興和漁湖年平均RAQI分別為1.40、1.38、1.39和1.44?？梢钥闯?，4個(gè)站點(diǎn)的平均RAQI都在1～2之間，基本符合國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)比4個(gè)不同的站點(diǎn)，空氣污染情況存在區(qū)域差異，漁湖站的平均RAQI最高，西馬站的最低，這是由于漁湖站空氣質(zhì)量的季節(jié)變化較弱所致。

進(jìn)一步對(duì)4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站的RAQI進(jìn)行趨勢(shì)分析，從圖1給出變化情況來(lái)看，4個(gè)站點(diǎn)的RAQI都表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)（通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)），其中以新興站（圖1c）的下降趨勢(shì)最為明顯，每年以0.069μg／m3的速率降低，而西馬站（圖1b）的下降趨勢(shì)最為平穩(wěn)，每年僅以0.017μg／m3降低，盡管不同的站點(diǎn)表現(xiàn)出差異性的下降速率，但是整體都表現(xiàn)揭陽(yáng)市的RAQI在逐年降低，也意味著揭陽(yáng)市的空氣質(zhì)量在逐年變好；同時(shí)從圖1還可以看出，4個(gè)站點(diǎn)都表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化。

圖1 揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站RAQI指數(shù)和線性傾向估計(jì)

為了更明顯地分析空氣質(zhì)量情況的季節(jié)分布，圖2給出了2014—2017年逐年的RAQI季節(jié)分布情況。從圖2可看到，冬春季（12月—次年5月）的RAQI較大，夏秋季節(jié)RAQI較小。東興站的RAQI季節(jié)變化最為明顯，12月—次年5月有近1／2日數(shù)的RAQI都在2以上，進(jìn)入5月之后，幾乎所有的RAQI都在2以下，即東興站在冬半年的空氣污染情況較為嚴(yán)重，在夏半年空氣情況轉(zhuǎn)好；其余3個(gè)站點(diǎn)盡管都存在著RAQI的季節(jié)變化，但是RAQI＞2的天數(shù)較少（主要出現(xiàn)在冬半年），以漁湖站的季節(jié)變化最弱，同時(shí)考慮漁湖站的RAQI都幾乎集中在1.5左右，這就造成了其平均的RAQI較高，但是不代表這個(gè)站點(diǎn)的空氣污染情況較差。相反，東興站的平均RAQI盡管低于漁湖站，但是因?yàn)槠浼竟?jié)變化明顯，有較多的污染日，也在夏季出現(xiàn)較多有RAQI＜1的天數(shù)，最終造成其平均RAQI較低。

圖2 揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站不同年份RAQI指數(shù)分布

2）不同污染物的變化特征。

RAQI指數(shù)是4種污染物綜合指標(biāo)，即為單項(xiàng)污染物分指數(shù)的和，為了進(jìn)一步探究影響揭陽(yáng)不同污染物的影響比重，本研究根據(jù)式（2）分析了不同污染物的質(zhì)量分指數(shù)（圖3）與其負(fù)荷系數(shù)（表1）。

圖3 揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站年均單項(xiàng)污染物質(zhì)量分指數(shù)I分布

從圖3可以看到，4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站臭氧的分指數(shù)最大。從表1也可以看出臭氧對(duì)于RAQI負(fù)荷最大，約占40%；其次為PM10，占25% ～33%。從圖3中還可以看到，NO2和PM10呈相反變化趨勢(shì)，也就是說(shuō)PM10的影響在逐年降低，而NO2的影響逐年增強(qiáng)。表1可以看到新興站和漁湖站的NO2負(fù)荷系數(shù)從2014年的16% ～18%增加到2017年的23%；SO2對(duì)空氣質(zhì)量的影響最小，呈逐年遞減趨勢(shì)，其負(fù)荷系數(shù)從10%降低到7%。因此，揭陽(yáng)市的空氣污染物的主要來(lái)源是臭氧，其次是PM10，PM10的影響趨于逐年減弱，而NO2的影響逐年增強(qiáng)。

表1 揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的年均RAQI以及單項(xiàng)污染物的質(zhì)量負(fù)荷系數(shù)

2.2 空氣污染與風(fēng)速的關(guān)系

研究表明，風(fēng)速與空氣污染之間有著密切關(guān)系［6-11]，本研究對(duì)揭陽(yáng)市的風(fēng)速分布情況進(jìn)行分析。從圖4a可以看出風(fēng)速呈增強(qiáng)趨勢(shì)，這與揭陽(yáng)市RAQI逐年減小表現(xiàn)為相反的關(guān)系。而從圖4b可以看到2015年揭陽(yáng)市平均風(fēng)速最大，2014年平均風(fēng)速最小，同時(shí)，4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)年均RAQI（如圖3黑色實(shí)線所示）均表現(xiàn)為在2014年最高，在2015年最低的分布情況，結(jié)合風(fēng)速的年均特征可以表明，風(fēng)速和空氣污染存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即風(fēng)速大，RAQI小，反之亦然。

圖4 揭陽(yáng)市2014—2017年逐日風(fēng)速和線性趨勢(shì)變化（a）以及年均風(fēng)速?gòu)?qiáng)度分布（b）

為進(jìn)一步檢驗(yàn)風(fēng)速和空氣污染的關(guān)系，本研究對(duì)風(fēng)速和RAQI的相關(guān)性進(jìn)行分析（圖略），可以看出，各個(gè)站點(diǎn)與風(fēng)速之間呈負(fù)相關(guān)，且均通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)，由此從氣象條件的角度來(lái)看，揭陽(yáng)地區(qū)的風(fēng)速越大，空氣污染越小，空氣質(zhì)量越高。

從揭陽(yáng)市各環(huán)境監(jiān)測(cè)站的空氣污染分布狀況來(lái)看，揭陽(yáng)市的空氣污染幾乎都處于基本符合2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的水平，不算是嚴(yán)重污染的狀況。接近或超過(guò)、超過(guò)和嚴(yán)重超過(guò)2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的污染日數(shù)占比較少，而且要少于空氣質(zhì)量好（低于2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）的日數(shù)。那么，理清不同空氣質(zhì)量日與風(fēng)速的關(guān)系，對(duì)于預(yù)測(cè)和治理空氣質(zhì)量問(wèn)題是必要的，因此，本研究將遠(yuǎn)低于和基本符合2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天氣作為空氣無(wú)污染日，其余超過(guò)2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的天氣作為空氣污染日，進(jìn)一步分析不同空氣質(zhì)量條件下的風(fēng)速?gòu)?qiáng)度狀況。

首先，從圖5可以看到，4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在風(fēng)速較小的時(shí)候最容易出現(xiàn)空氣污染的情況，反之在風(fēng)速較強(qiáng)的情況下，空氣質(zhì)量好，表現(xiàn)為無(wú)污染日。其次，漁湖地區(qū)無(wú)污染日的風(fēng)速要比其余3站都大，也意味著同一風(fēng)速條件下，漁湖地區(qū)相比其他地區(qū)可能空氣質(zhì)量要更差，這可能是因?yàn)榭諝赓|(zhì)量不僅受到風(fēng)速的影響，地形、降水、冷空氣等氣象條件也會(huì)調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量狀況。從平均意義來(lái)說(shuō)，風(fēng)速約為0.2～0.3 m／s時(shí)，揭陽(yáng)市最容易出現(xiàn)空氣污染；當(dāng)風(fēng)速大于1.8 m／s時(shí)，無(wú)污染出現(xiàn)。

圖5 揭陽(yáng)市4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站不同空氣污染日的平均風(fēng)速

3 結(jié)論

1）揭陽(yáng)市RAQI呈逐年下降，空氣質(zhì)量逐年變好；RAQI具有季節(jié)性變化，冬半年空氣污染較為嚴(yán)重，夏半年空氣質(zhì)量較好，東興站的季節(jié)變化最顯著，而且有較多的空氣污染日。

2）揭陽(yáng)市的RAQI主要負(fù)荷為臭氧，其對(duì)于RAQI的貢獻(xiàn)約40%，次之為PM10，SO2貢獻(xiàn)最??；PM10的影響呈逐年減小，而NO2的影響呈逐年增加。

3）揭陽(yáng)市的空氣質(zhì)量與風(fēng)速為顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速越大，空氣質(zhì)量越好，反之亦然。當(dāng)風(fēng)速約為0.19～0.29 m／s的時(shí)候，揭陽(yáng)市容易出現(xiàn)空氣污染情況，當(dāng)風(fēng)速大于1.84 m／s時(shí)，無(wú)污染出現(xiàn)。

本研究分析的結(jié)果主要是從風(fēng)速的角度來(lái)解釋空氣污染的變化情況，風(fēng)向的影響還需要進(jìn)一步的研究。同時(shí)，風(fēng)速在空氣污染的作用中是起到搬運(yùn)污染物的作用，還是影響到其他的天氣過(guò)程從而影響空氣質(zhì)量等，還需要在以后的工作中深入分析。