成都市PM2.5污染特征及其與地面氣象要素的關系分析

曹 楊，王晨曦，趙曉莉，劉煒樺

(1.四川省氣象災害防御技術中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

0 引言

隨著經(jīng)濟規(guī)模迅速擴大和城市化進程加快，污染物的排放總量不斷增加，污染范圍不斷擴大，城市環(huán)境空氣污染問題日益嚴峻，已經(jīng)引起社會廣泛關注，政府改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量的壓力劇增。準確的空氣質(zhì)量預報有利于廣大市民和社會各界合理安排生活、工作以及各種社會活動，有利于環(huán)境管理和決策部門有針對性地加大污染源控制、及時發(fā)出警報并采取有效措施，預防嚴重污染事件的發(fā)生。

眾多研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境空氣質(zhì)量不僅與污染源排放有關，也受氣象條件影響[1-4]。當污染源排放相對穩(wěn)定時，氣象條件是影響空氣質(zhì)量的重要因素，不利于污染物擴散和沉降的氣象條件會導致污染物濃度升高，而有利于污染物擴散和沉降的氣象條件會降低其濃度[5-10]。不同地區(qū)受地形地貌和氣候特征等因素影響，存在不同的污染特征，影響空氣質(zhì)量的主要氣象要素也不同，因此有必要對當?shù)乜諝馕廴九c各氣象要素的關系進行分析，選取或組建對本地污染貢獻影響較敏感的氣象要素因子，為提高當?shù)乜諝赓|(zhì)量預報準確性做準備。

成都市位于四川盆地，全年風速較小，靜風比例高，空氣濕度大，大氣中的污染物以PM2.5為主[11-12]。但是，較多學者分析成都地區(qū)空氣質(zhì)量與各氣象要素的關系時，大多采用資料時間不長，不能詳細地分類或者分級進行分析。本文利用有資料以來的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料和同時期的地面氣象觀測資料，分析成都市PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)、月和日變化特征，并分不同空氣質(zhì)量等級分析空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關系，找到對成都地區(qū)污染貢獻影響較敏感的地面氣象要素，為提高成都市空氣質(zhì)量預報水平奠定基礎。

1 資料介紹

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料：來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站2014年5月13日—2017年12月31日的成都市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)小時報數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型包括PM2.5，PM10，SO2，NO2，O3和CO等污染物的質(zhì)量濃度以及 AQI。成都市共有8個監(jiān)測站，其中靈巖寺站(99059)位于都江堰市，通常作為成都市區(qū)監(jiān)測站點的清潔對照站，草堂寺站(99057)資料長期缺測，均不參與本文的分析。地面氣象觀測資料：來源于成都市溫江國家基準氣候站同時期的逐小時數(shù)據(jù)，氣象要素包括氣溫、氣壓、相對濕度、風(風速、風向)、降水等6種。成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站及氣候觀測站信息列于表1，圖1為成都市各監(jiān)測站點的空間分布圖。

表1 成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站及氣候觀測站信息

圖1 成都市各監(jiān)測站點的空間分布圖

2 PM2.5污染特征分析

圖2為成都市區(qū)6個有效環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站2015年1月—2017年12月的PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化圖。由圖可知，成都市區(qū)6個監(jiān)測站的PM2.5質(zhì)量濃度隨季節(jié)的變化趨勢比較一致，春季到夏季呈遞減趨勢，夏季到冬季呈遞增趨勢，夏季最小，冬季最大。

圖2 成都市區(qū)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化

圖3為成都市區(qū)6個有效環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站2015年1月—2017年12月的PM2.5質(zhì)量濃度月變化圖。由圖可知，成都市區(qū)6個監(jiān)測站的PM2.5質(zhì)量濃度月變化趨勢比較一致，月均值變化趨勢呈“U”形，1—4月呈下降趨勢，5—9月濃度較低且趨于平穩(wěn)，10—12月呈上升趨勢。5—9月為我國的主要降水時段，有利于沖刷和清除大氣中的PM2.5，且夏季對流天氣經(jīng)常發(fā)生，大氣在垂直方向上產(chǎn)生劇烈運動，不利于逆溫層的形成；進入10月，對流天氣減少，秋冬季逆溫層維持時間更長且更穩(wěn)定，靜穩(wěn)天氣不利于大氣中PM2.5的稀釋和擴散，另外秋冬季夜間輻射降溫，使得相對濕度增大，會造成PM2.5吸濕增長，加速PM2.5二次轉化，使其濃度升高，加重空氣污染程度[13]。

圖3 成都市區(qū)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度月變化

圖4為成都市區(qū)6個有效環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站2015年1月—2017年12月的PM2.5質(zhì)量濃度日變化。由圖可知，6個監(jiān)測站的日變化趨勢比較一致。PM2.5的日變化呈雙峰型，13—20時左右PM2.5質(zhì)量濃度相對較低，上午和夜間PM2.5質(zhì)量濃度較高，主要原因是早上07時人群活動開始，城市人群密度增大，汽車尾氣和工廠污染物等排放明顯增加，使得PM2.5質(zhì)量濃度有一個增加的趨勢；下午太陽輻射增強，湍流作用使大氣混合層高度增加，有利于污染物在垂直方向上的稀釋和擴散[14]；入夜以后太陽輻射減弱，空氣中對流運動減弱，層結趨于穩(wěn)定，不利于污染物的稀釋和擴散，PM2.5質(zhì)量濃度逐漸升高。總的來說，成都市區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢呈現(xiàn)出夜間高于晝間。

圖4 成都市區(qū)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站PM2.5質(zhì)量濃度日變化

3 空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關系

根據(jù)各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站的PM2.5污染特征分析可知，成都市區(qū)6個監(jiān)測站的分布趨勢比較一致，因此選擇距離溫江國家基準氣候站比較近的金泉兩河站作為代表站進行空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關系分析，兩站直線距離約10 km。文中選擇了2014年5月—2017年12月期間氣溫、氣壓、相對濕度、風(風速、風向)、降水等6種地面氣象要素，并且分不同空氣質(zhì)量等級進行分析。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)，空氣質(zhì)量有6個等級，分別為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染。本文粗略分4個等級進行分析，分別為優(yōu)良(包含優(yōu)、良)、輕度污染、中度污染和重度以上污染(包含重度污染和嚴重污染)。

3.1 空氣質(zhì)量與氣溫的關系

圖5為不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各溫度區(qū)間的概率分布圖，由圖可見，成都市氣溫主要分布在-5～35 ℃，空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，氣溫主要分布在0～15 ℃，隨著氣溫升高，優(yōu)良天氣比例逐漸增加。氣溫對空氣質(zhì)量的影響與空氣的對流活動有關。地表溫度升高時太陽輻射增強，熱力湍流和對流與動力湍流共同作用下使大氣混合層高度增加，有利于大氣污染物在垂直方向上的稀釋和擴散；地表溫度降低時太陽輻射減弱，空氣中對流運動相應減弱，近地面空氣向外強烈輻射迅速冷卻降溫形成逆溫層，不利于大氣污染物在垂直方向上的稀釋和擴散[15-17]。但并不是說溫度越高，空氣質(zhì)量越好，溫度上升到一定程度或者在持續(xù)高溫條件下，大氣中的O3濃度會因光解而升高，大氣中的活躍光化學成分會反應生成更多的二次性氣溶膠(主要是PM2.5)，反而加重空氣污染[18]。

圖5 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各溫度區(qū)間的概率分布

3.2 空氣質(zhì)量與氣壓的關系

圖6為不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各氣壓區(qū)間的概率分布圖，由圖可見，成都市氣壓主要分布在935～970 hPa，空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，氣壓主要分布在950～965 hPa，空氣質(zhì)量為優(yōu)良時，氣壓主要分布在940～955 hPa。氣壓的高低分布形成大氣環(huán)流，當?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r，周圍高壓氣團向中心運動，使低壓氣團輻合上升產(chǎn)生較大風力，有利于大氣中的污染物稀釋和擴散；當?shù)孛媸芨邏嚎刂茣r，中心出現(xiàn)下沉氣流，氣團穩(wěn)定，不利于污染物稀釋和擴散[16,19]。

圖6 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各氣壓區(qū)間的概率分布

3.3 空氣質(zhì)量與相對濕度的關系

圖7為不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各相對濕度區(qū)間的概率分布圖，由圖可見，成都市相對濕度較大，99.6%的樣本分布在相對濕度30%以上，約62%的樣本分布在相對濕度80%～100%；空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，約53%的樣本分布在相對濕度90%～100%，空氣質(zhì)量為優(yōu)良時，約41%的樣本分布在相對濕度90%～100%。較高的相對濕度容易引起PM2.5出現(xiàn)吸濕增長現(xiàn)象，從而影響大氣顆粒物群的物理化學特征，不利于低層大氣顆粒物的清除。總的來說，受特殊地形和氣候條件影響，成都市常年空氣濕度大，相對濕度增大容易引起嚴重空氣污染。

圖7 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各相對濕度區(qū)間的概率分布

3.4 空氣質(zhì)量與地面風的關系

風場是影響污染物隨大氣擴散分布的重要因子，影響了污染物的干清除過程，其大小直接影響大氣水平擴散的能力。風速越大，大氣中的污染物被混合稀釋，向下風向輸送，污染物濃度減小，空氣質(zhì)量越好；風速越小，大氣的水平輸送能力越差，污染物的稀釋擴散能力也越差，污染物濃度相應增大，空氣質(zhì)量越差。一般認為地面風速在2 m·s-1以下為“小風”，對大氣污染物的水平輸送、擴散、稀釋不利，4 m·s-1以上風速對污染物稀釋、擴散能力增強明顯，污染發(fā)生概率降低[20]。

由圖8a可見，成都市空氣質(zhì)量為重度以上污染時，PM2.5樣本集中分布在地面風速0～2 m·s-1，隨著地面風速增大，優(yōu)良天氣比例增加。整體來看，成都市地面風速較小，約85%的樣本分布在地面風速0～2 m·s-1，地面風速對大氣污染物的水平輸送、擴散、稀釋不利，與其他學者的研究結果一致[11-12]。風向也是影響污染物積累消散的一個重要指標，由圖8b可知，隨著空氣質(zhì)量等級增高，北風比例增加，南風比例減小。由于地面10 m風向受地形、植被、建筑等影響，其值對污染物分布的影響變化不夠敏感。近地面上層風速較大時其擴散能力也較強，會對貼地層有拖拽影響，因此在今后的工作中可以考慮以近地層(925 hPa)風作為分析因子。

圖8 不同空氣質(zhì)量等級下PM2.5樣本在各風速(a)、風向區(qū)間(b)的概率分布

3.5 降水對PM2.5的清除作用

降水對大氣污染物濃度的影響也較大，主要影響其濕清除過程，維持著大氣中污染物的源、匯平衡和大氣自清潔[21]。降水對PM2.5的清除過程包括云內(nèi)清除和云下清除兩個階段，云下清除是指雨滴在云下降落過程中，主要通過慣性碰并過程和布朗擴散運動捕獲PM2.5，使其從大氣中清除[22-23]。為分析降水對PM2.5的清除作用，選用分析時段內(nèi)逐小時降水量和PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。

提取降雨過程作為一次清除過程進行分析，以第1次出現(xiàn)0.1 mm以上降水作為降水過程的開始時間，最后1次出現(xiàn)0.1 mm以上降水作為降水過程的結束時間，若中間出現(xiàn)間斷，中斷時間不足5 h，則作為一次降雨過程進行處理。選取過程開始時間前3 h的PM2.5的平均質(zhì)量濃度(CON1)和過程結束時間后3 h的PM2.5的平均質(zhì)量濃度(CON2)作為一次過程清除前PM2.5質(zhì)量濃度(即PM2.5初始濃度)和清除后PM2.5質(zhì)量濃度[20]。降水對PM2.5的清除量(RC)定義為：

RC=CON1-CON2

(1)

RC>0定義為正清除過程，表示降水對PM2.5起清除作用；RC<0定義為負清除過程，表示降水對PM2.5沒有清除作用，反而促使PM2.5質(zhì)量濃度升高，這可能與降水時濕度增加，PM2.5吸濕增長導致二次反應加劇有關；RC=0定義為零清除過程，表示降水對PM2.5濃度無影響。

圖9為2014年5月13日—2017年12月31日402次清除過程中降水對PM2.5的清除量與PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量的關系圖。由圖可見，降水對PM2.5的清除量隨PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量的增加而增大，呈線性正相關關系，相關系數(shù)分別為0.54、0.3、0.21，利用F檢驗進行顯著性檢驗，取置信度99%，P<0.000 1，均通過了0.01的顯著水平統(tǒng)計檢驗。降水主要是通過慣性碰撞、布朗運動等機制碰并沖刷清除PM2.5，當降水前PM2.5初始濃度較低、降雨量較小、降雨持續(xù)時間較短時，很難沖刷PM2.5，甚至會因為降水使得濕度增加，PM2.5吸濕增長導致二次反應加劇，降水后的PM2.5濃度高于降水前，從而出現(xiàn)負清除過程。負清除過程隨PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量的增加而減少，降水對PM2.5的清除量與PM2.5初始濃度的線性關系最顯著，清除前PM2.5初始濃度較低時(小于50 μg·m-3)，存在較多負清除過程，隨著PM2.5初始濃度增大，負清除過程逐漸減少。

圖9 PM2.5清除量與PM2.5初始濃度(a)、降雨持續(xù)時間(b)和累積降雨量(c)的關系

4 結論

本文利用成都市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測資料和地面氣象觀測資料，分析了成都市PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)、月和日變化特征，并分不同空氣質(zhì)量等級分析空氣質(zhì)量與地面氣象要素的關系，得出以下結論：

①成都市區(qū)6個監(jiān)測站的平均PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)、月和日變化趨勢比較一致；春季到夏季呈遞減趨勢，夏季到冬季呈遞增趨勢；月均值呈“U”形變化趨勢，1—4月呈下降趨勢，5—9月趨于平穩(wěn)，10—12月呈上升趨勢；PM2.5質(zhì)量濃度夜間高于晝間。

②氣溫對空氣質(zhì)量的影響與空氣的對流活動有關，此外氣溫還會影響大氣化學過程，整體來看，隨著氣溫升高，優(yōu)良天氣比例逐漸增加；氣壓的高低分布形成大氣環(huán)流，成都市空氣質(zhì)量為重度及以上污染時，氣壓主要分布在950～965 hPa；成都市常年空氣濕度大，較高的相對濕度容易引起PM2.5出現(xiàn)吸濕增長現(xiàn)象，從而影響大氣顆粒物群的物理化學特征，引起嚴重空氣污染；降水主要影響大氣污染物濃度的濕清除過程，對PM2.5的清除量隨PM2.5初始濃度、降雨持續(xù)時間和累積降雨量增加而增大。

③受地形和氣候條件影響，成都市地面風速較小，約85%的樣本分布在地面風速0～2 m·s-1，地面風速對大氣污染物的水平輸送、擴散、稀釋不利；隨著空氣質(zhì)量等級增高，北風比例增加，南風比例減小，由于地面10 m風向受地形、植被、建筑等影響，其值對污染物分布的影響變化不夠敏感。

④綜上所述，成都地區(qū)對空氣污染比較敏感的地面氣象要素為氣溫、氣壓和降水，在今后的工作中可以考慮加入近地面和高空氣象條件進行分析，比如以近地層(925 hPa)風作為分析因子，高空風速和混合層高度是影響大氣污染物垂直擴散的重要因子，1 500 m高度以下逆溫層的存在不利于污染物稀釋擴散等。