蘭州市顆粒物濃度的變化特征及其與氣象要素的關(guān)系

孔祥如　潘峰　張鑫

摘要：利用蘭州市5個環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測站點2019年的監(jiān)測值，采用統(tǒng)計學(xué)方法分析了顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度分布特征與氣象因素之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明：①蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的月變化曲線呈現(xiàn)為“夏低冬高”的變化趨勢，主要是冬季逆溫頻發(fā)，混合層高度低，且供暖期間污染物排放量最大;而夏季污染物排放量較低，并且邊界層高度高，有利于污染物的擴(kuò)散。②蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的日變化呈“午峰晚峰”的雙峰型變化趨勢，這種變化趨勢與生產(chǎn)及人們?nèi)粘３鲂懈叻宓淖兓嘘P(guān)。③顆粒物（PM和PM）的質(zhì)量濃度分布與氣溫、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度正相關(guān)。高溫大風(fēng)天氣時污染物濃度低，隨著氣溫的升高，風(fēng)速的增大，大氣湍流能力增強(qiáng)，邊界層高度抬升，有利于污染物的擴(kuò)散，污染物濃度降低。

關(guān)鍵詞：顆粒物;氣象要素;相關(guān)性

中圖分類號：X51?????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，我國的空氣污染問題越來越突出，呈現(xiàn)局地和區(qū)域結(jié)合，多種污染物交叉耦合的區(qū)域性、復(fù)合型污染特征?？諝馕廴静粌H影響人居環(huán)境，還會對居民的身心健康造成危害。蘭州市地處青藏高原東北部的黃河河谷盆地內(nèi)（35°51′N～38°00′N、102°30′E～104°30′E），屬于典型的河谷城市，不利于污染物擴(kuò)散;且蘭州市冬季靜風(fēng)頻率高，逆溫頻發(fā)，使得蘭州市的環(huán)境空氣質(zhì)量污染較嚴(yán)重。根據(jù)《蘭州市生態(tài)環(huán)境狀況公報》（2019年）可知，剔除受沙塵天氣影響的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，2019年蘭州市可吸入顆粒物（PM）的的年均濃度為79μg/m，細(xì)顆粒物（PM）的年均濃度為36μg/m，均超出國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn);且以PM為首要污染物的天數(shù)為17天，占污染天數(shù)的23.9%，嚴(yán)重影響蘭州市的環(huán)境空氣質(zhì)量。區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量受污染物排放和氣象條件的綜合影響，許多科研工作者的研究結(jié)果表明，氣象條件通過影響污染物的稀釋、擴(kuò)散、傳輸和轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響污染物的時空分布。

本文利用蘭州市5個環(huán)境空氣質(zhì)量國控監(jiān)測站點2019年的監(jiān)測值，分析了顆粒物質(zhì)量濃度的月變化和日變化特征;此外采用統(tǒng)計學(xué)方法定量分析了蘭州市2019年顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度分布特征與氣象因素之間的關(guān)系，以期為蘭州市空氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

蘭州市目前有5個環(huán)境空氣質(zhì)量國控站點，分別為安寧區(qū)的教育港站點、城關(guān)區(qū)的生物制品所和鐵路設(shè)計院站點、西固區(qū)的蘭煉賓館站點以及榆中縣的榆中蘭大校區(qū)站點，其中，榆中蘭大校區(qū)站點為清潔對照點。本研究的污染物資料來源于蘭州市5個環(huán)境空氣質(zhì)量國控站點2019年的逐時監(jiān)測資料。氣象資料來源于蘭州市氣象站同時期的逐時觀測資料，觀測要素主要有相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和降水量等。

蘭州市5個環(huán)境空氣質(zhì)量國控站點和蘭州市氣象站的位置如圖1所示。

采用EXCEL2013統(tǒng)計分析顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的變化特征;利用SPSS19.0，選用統(tǒng)計學(xué)變量相關(guān)系數(shù)（R）分析污染物濃度的分布及其與氣象要素的相關(guān)性。其計算公式如圖1所示。

對蘭州市2019年顆粒物（PM和PM）逐時質(zhì)量濃度進(jìn)行統(tǒng)計，得到顆粒物（PM和PM）逐月平均質(zhì)量濃度的變化規(guī)律（圖2）。由圖2可以看出，PM質(zhì)量濃度的月變化曲線呈雙峰型變化趨勢，峰值出現(xiàn)在5月和12月，谷值出現(xiàn)在6月;PM質(zhì)量濃度的月變化曲線呈“V型”變化趨勢，冬季濃度較高，夏季濃度最低。冬季顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度較高主要有兩方面的原因：一方面是由于冬季供暖，消耗大量的化石燃料，化石燃料的大量燃燒使得供暖期間污染物的排放量高于其他三個季節(jié);另一方面，蘭州市屬于“河谷地形”，王式功、陳桃桃、王麗霞等的研究結(jié)果表明，蘭州市冬季靜風(fēng)頻率高，逆溫頻發(fā)且混合層高度低，限制近地面層湍流運(yùn)動，不利于地面層污染物的擴(kuò)散，使得污染物積聚在近地層，導(dǎo)致近地層污染物濃度較高。而5月是沙塵天氣多發(fā)月，受沙塵影響較嚴(yán)重，其中以PM質(zhì)量濃度的變化更為明顯。夏季氣溫較高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流的發(fā)展較強(qiáng)，使得大氣對污染物的稀釋擴(kuò)散能力也較強(qiáng)，且夏季降雨較多，利于顆粒物（PM和PM）擴(kuò)散、清除;此外，夏季污染物排放量較冬季低，因此，夏季顆粒物（PM和PM）的質(zhì)量濃度低于其他三個季節(jié)。

對蘭州市2019年顆粒物（PM和PM）的逐時質(zhì)量濃度進(jìn)行統(tǒng)計，得到顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律（圖3）。由圖3可知，PM和PM濃度的日變化均呈“午峰晚峰”的雙峰型變化趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是：清晨是人們生產(chǎn)、生活活動的高峰期，也是污染物排放的高峰期，日出后，溫度逐漸升高，夜間形成的逆溫層逐漸被破壞抬升，限制了近地面層的湍流運(yùn)動，污染物不易擴(kuò)散，使得近地面顆粒物（PM和PM）的質(zhì)量濃度升高，并于10：00左右出現(xiàn)第一個峰值;午后，溫度較高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流的發(fā)展較強(qiáng)，增強(qiáng)了大氣對顆粒物的輸送擴(kuò)散能力，使得顆粒物（PM和PM）的質(zhì)量濃度減小;日落后到達(dá)地面的太陽輻射減少，溫度開始降低，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，對湍流的發(fā)展起到抑制作用，削弱了大氣對顆粒物的輸送擴(kuò)散能力，顆粒物難以稀釋擴(kuò)散，使得顆粒物的質(zhì)量濃度較高，并與23：00左右形成第二個峰值。

取5個國控點PM、PM小時平均質(zhì)量濃度值代表全市污染物質(zhì)量濃度的小時均值，與蘭州市氣象站觀測的氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析，探討各氣象要素對顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的影響。

蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度隨溫度的日變化如圖4所示。由圖4可知，顆粒物質(zhì)量濃度與溫度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，溫度越高，顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度越低。溫度的垂直分布決定了大氣層結(jié)的垂直穩(wěn)定度，直接影響湍流活動的強(qiáng)弱，隨著溫度的升高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流的發(fā)展較強(qiáng)，增強(qiáng)了大氣對顆粒物的輸送擴(kuò)散能力，使得顆粒物（PM和PM）的質(zhì)量濃度減小;反之，當(dāng)溫度降低時，大氣處于穩(wěn)定層結(jié)，會對湍流的發(fā)展起到抑制作用，進(jìn)而減弱了大氣對顆粒物的輸送擴(kuò)散能力，顆粒物難以稀釋擴(kuò)散，使得顆粒物的質(zhì)量濃度較高。

表1為顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與溫度的相關(guān)系數(shù)，由表1可知，夏季顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與溫度顯著正相關(guān)，秋冬季顯著負(fù)相關(guān)。

蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度隨風(fēng)速的日變化如圖5所示。由圖5可知，顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與風(fēng)速之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，風(fēng)速越小，顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度越高，主要原因為：風(fēng)對污染物的水平輸送起到重要作用，排放到大氣中的污染物會在風(fēng)的作用下進(jìn)行輸送遷移，風(fēng)速越大，輸送的距離越遠(yuǎn)，越有利于污染物的稀釋擴(kuò)散。同時，風(fēng)速越大，湍流作用越強(qiáng)，而大氣湍流的主要效果是混合，它使污染物在隨風(fēng)飄移過程中不斷向四周擴(kuò)展，不斷將周圍清潔空氣卷入煙氣中，同時將煙氣帶到周圍空氣中，使得污染物濃度不斷降低。

表2為顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，由表2可知，夏季顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與風(fēng)速顯著正相關(guān)，秋冬季顯著負(fù)相關(guān)。

蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度隨相對濕度的日變化如圖6所示。由圖6可知，顆粒物質(zhì)量濃度與溫度之間基本呈現(xiàn)正相關(guān)性;較高的相對濕度利于大氣顆粒物在水汽上附著，使得顆粒物質(zhì)量濃度增加。此外，濕度大的天氣多存在逆溫現(xiàn)象，顆粒物（PM和PM）不容易擴(kuò)散且易于二次污染物的生成，導(dǎo)致污染物濃度累積升高。

表3為顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與相對濕度的相關(guān)系數(shù)，由表3可知，夏秋季顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度與相對濕度顯著負(fù)相關(guān)，冬季PM的質(zhì)量濃度與相對濕度顯著正相關(guān)。

（1）蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的月變化曲線呈現(xiàn)為“夏低冬高”的變化趨勢，主要原因為：冬季逆溫頻發(fā)，混合層高度低，且供暖期間污染物排放量最大;而夏季輻射增強(qiáng)，邊界層高度高，有利于污染物的擴(kuò)散，且夏季污染物排放量較低。

（2）蘭州市顆粒物（PM和PM）質(zhì)量濃度的日變化呈“午峰晚峰”的雙峰型變化趨勢，這種變化趨勢與生產(chǎn)及人們?nèi)粘３鲂懈叻宓淖兓嘘P(guān)。

（3）顆粒物（PM和PM）的質(zhì)量濃度分布與氣溫、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度正相關(guān)。高溫大風(fēng)天氣時污染物濃度低，隨著氣溫的升高，風(fēng)速的增大，大氣湍流能力增強(qiáng)，邊界層高度抬升，有利于污染物的擴(kuò)散，污染物濃度降低。

[1]賀克斌，賈英韜，馬永亮，等.北京大氣顆粒物污染的區(qū)域性本質(zhì)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009， 29（003）：482-487.

[2]張稼軒，李博，王穎，等.河谷城市大氣環(huán)境容量的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，33（4）：25-32.

[3]張強(qiáng).地形和逆溫層對蘭州市污染物輸送的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2001，021（003）：230-234.

[4]王穎，梁依玲，王麗霞.氣象條件對污染物濃度分布影響的研究[J].沙漠與綠洲氣象，2015，000（002）：69-74.

[5]姜允迪，祁斌.蘭州城區(qū)臭氧濃度時空變化特征及其與氣象條件的關(guān)系[J].蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（5期）：118-125.

[6]羅燕，陳新梅，田永麗.2015—2016年云南省主要城市大氣污染物濃度特征及其與氣象要素的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2018（6）：40-45.

[7]王式功，楊德保，李臘平，等.蘭州城區(qū)冬半年冷鋒活動及其對空氣污染的影響[J].高原氣象，1998（02）：33-40.

[8]拉巴，王偉，次白，等.2007年拉薩市PM濃度變化及氣象因子分析[J].西藏科技，2011，000（008）：60-62.

[9]唐宜西，張小玲，熊亞軍，等.北京一次持續(xù)霾天氣過程氣象特征分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2013，29（5）：12-19.

[10]冀翠華，王式功，王敏珍，等.2001—2012年北京市空氣污染指數(shù)節(jié)氣分布及其與氣象要素的關(guān)系[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2014（06）：108-114.

[11]馮建軍，沈家芬，梁任重，等.廣州市PM與氣象要素的關(guān)系分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25（001）：78-82.

[12]陳桃桃，李忠勤，周茜，等.“蘭州藍(lán)”背景下空氣污染特征、來源解析及成因初探[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2020，40（4）：1361-1373.

[13]王麗霞.冬季靜穩(wěn)天氣下西固SO、NO排放對蘭州市主城區(qū)影響的初步研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2016.

[14]楊雪玲，王穎，李博，等.河谷地形氣象要素對污染物濃度的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（1）：34-41.

[15]李博，王穎，張稼軒，等.河谷城市通風(fēng)系數(shù)的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（8）：1382-1388.

[16]王式功，姜大膀，楊德保，等.蘭州市區(qū)最大混合層厚度變化特征分析[J].高原氣象，2000，19（3）：363-370.

[17]韓軍彩，陳靜，鈐偉妙，等.石家莊市空氣顆粒物污染與氣象條件的關(guān)系[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2016（2）：31-37.

[18]佘峰.蘭州地區(qū)大氣顆粒物的化學(xué)特征及沙塵天氣對其影響研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2011.

[19]姜大膀，王式功，郎咸梅，等.蘭州市區(qū)低空大氣溫度層結(jié)特征及其與空氣污染的關(guān)系[J].蘭州大學(xué)學(xué)報（自科科學(xué)版），2001，37（4）：133-139.

[20]趙敬國，王式功，王嘉媛，等.蘭州市空氣污染與氣象條件關(guān)系分析[J].蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，49（4）：12-16.

[21]謝學(xué)軍，李杰，王自發(fā).蘭州城區(qū)冬季大氣污染物日變化的數(shù)值模擬[J].氣候與環(huán)境研究，2010，15（5）：695-703.

[22]胡波，張武，張鐳，等.蘭州市西固區(qū)冬季大氣氣溶膠粒子的散射特征[J]. 高原氣象， 2003， V22（4）：354-360.

[23]?？∶?，吳瑤，張恒，等.山西陽泉空氣污染特征及其與氣象要素的相關(guān)性分析[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報，2013，28（001）：95-103.

[24]朱曉艷，李念，鄭昭佩.濟(jì)南市氣象要素對大氣污染物濃度的影響[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（5）：438-444.

[25]張朝能，王夢華，胡振丹，等.昆明市PM濃度時空變化特征及其與氣象條件的關(guān)系[J].云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，38（1）：90-98.

[26]趙晨曦，王云琦，王玉杰，等.北京地區(qū)冬春PM和PM污染水平時空分布及其與氣象條件的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)，2014，035（002）：418-427.

[27]楊瑩，王琨，崔晨，等.哈爾濱市大氣污染與氣象因素的相關(guān)性分析[J].環(huán)境工程學(xué)報，2015，9（012）：5945-5950.