格爾木市氣象要素對(duì)PM10污染的影響分析

何生錄，丁立善，陳宏松，梅 朵，李海鳳

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；3.青海省黃南州氣象局，青海 同仁 811300)

引言

大氣可吸入顆粒物，是影響全球氣候變化、人體健康和大氣能見度的重要污染物[1]?？晌腩w粒物(PM10)是指空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm的顆粒物[2]，它是造成我國北方城市大氣環(huán)境污染的主要污染物[3]。PM10主要來源于人類活動(dòng)，如工廠、家庭、交通運(yùn)輸、建筑施工等產(chǎn)生的廢氣、煙塵、揚(yáng)塵，以及自然起源，如火山噴發(fā)、森林火災(zāi)、海水泡沫而進(jìn)入大氣的火山灰、煙塵、鹽粒和被風(fēng)吹起的揚(yáng)塵等[4]。氣象條件作為影響空氣質(zhì)量環(huán)境重要因素之一，制約著大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響著大氣污染物的分布及污染物濃度[5，6]。因此，氣象因子對(duì)城市大氣環(huán)境質(zhì)量的影響是當(dāng)前空氣污染氣象學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題[7，8]。

格爾木市位于青海西部、青藏高原腹地，南可通西藏，北可達(dá)甘肅河西走廊，西可去新疆，是中國西部的交通樞紐和戰(zhàn)略要塞，屬于大陸性高原氣候，少雨、多風(fēng)、干旱，冬季漫長寒冷，夏季涼爽短促，年平均降雨量僅為45.1 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 367.9 mm，日照時(shí)間長，光熱資源充足。目前，關(guān)于格爾木市空氣質(zhì)量及其污染的研究較少，缺乏氣象因子對(duì)城市空氣污染狀況影響的相關(guān)研究，本文根據(jù)2016—2020年格爾木市PM10質(zhì)量濃度變化及同期常規(guī)氣象要素資料，分析PM10質(zhì)量濃度特征變化及其與常規(guī)氣象要素的相互關(guān)系，以期為格爾木市空氣污染狀況的預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量的改善和環(huán)境污染防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

利用2016—2020年格爾木市環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測的PM10日平均質(zhì)量濃度，同期格爾木市氣象臺(tái)觀測的逐日地面降水量(R)、相對(duì)濕度(U)、空氣溫度(T)、24 h變壓(△P24)及2 min風(fēng)速(F)等氣象要素資料。依據(jù)國家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[2]，將PM10日平均質(zhì)量濃度大于0.15 mg/m3(即超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))的污染日簡稱污染日，除去污染日的自然日稱為非污染日。由于PM10質(zhì)量濃度和氣象條件均存在明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，因此，按3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，建立各季節(jié)時(shí)間序列，分析研究季節(jié)性變化的不同影響和差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10質(zhì)量濃度特征變化

圖1給出了2016—2020年格爾木市PM10月均質(zhì)量濃度變化情況，由圖可以看出，PM10質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在春季，這是由于春季格爾木主要受西北氣流控制，氣溫回升較快，風(fēng)力較大(平均風(fēng)速為2.9 m/s，極大風(fēng)速達(dá)20.1 m/s)，降水甚少，地表逐步解凍造成異常干燥松散，抗風(fēng)蝕能力很弱，并且地表缺少植被覆蓋，當(dāng)有大風(fēng)刮過時(shí)，就會(huì)將大量表土和細(xì)沙卷入空中，造成PM10質(zhì)量濃度增高。PM10質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)在秋季，秋季地表有枯黃的植被覆蓋，且風(fēng)速較小(平均風(fēng)速為2.0 m/s，極大風(fēng)速為16.8 m/s)，同時(shí)有著較為強(qiáng)烈的大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，易于污染物在空氣中擴(kuò)散，故PM10質(zhì)量濃度最低。格爾木市PM10月均質(zhì)量濃度表現(xiàn)出“春峰秋谷”型的特點(diǎn)，這與祁棟林等[9]研究得出的格爾木降塵特征相一致。

圖1 2016—2020年格爾木市PM10月均質(zhì)量濃度變化

2.2 降水量與PM10的關(guān)系

通過對(duì)格爾木市2016—2020年逐日降水量(R≥0.1mm)和PM10日平均質(zhì)量濃度改變量(即降水日與前一日的PM10日平均質(zhì)量濃度之差)的統(tǒng)計(jì)，區(qū)分不同季節(jié)不同量級(jí)降水對(duì)PM10日平均質(zhì)量濃度的影響可見(表1)，四季中無降水時(shí)，PM10日平均質(zhì)量濃度相對(duì)前一日均有小幅增大，增幅春季>夏季>冬季>秋季，這表明無降水時(shí)PM10污染程度較前一日有所增加。有降水時(shí)，夏季和冬季PM10日平均質(zhì)量濃度均比前一日有所降低，且隨降水量的增加，PM10質(zhì)量濃度的降幅加大；降水量在0.1～1.0 mm時(shí)，各季節(jié)PM10質(zhì)量濃度較前一日下降，春、冬季下降較為明顯，表明降雨對(duì)PM10污染有一定的清洗降低作用；降水量在1.0～5.0 mm時(shí)，夏、冬季PM10日平均質(zhì)量濃度較前一日下降，降幅冬季大于夏季，但是春、秋季PM10日平均質(zhì)量濃度反而較前一日有所增大，這可能是由于2016—2020年春、秋季1.0～5.0 mm的降水日數(shù)很少(春季9d，秋季8d)，統(tǒng)計(jì)值不具代表性所致。雖然降水對(duì)PM10污染有一定的清洗降低作用，但格爾木市全年降水稀少，降水凈化作用不明顯[10]。

表1 不同日降水量下PM10日平均質(zhì)量濃度改變量 (mg/m3)

2.3 氣溫與PM10的關(guān)系

格爾木市氣溫季節(jié)性變化明顯，夏季高、冬季低，春、秋季基本持平。2016—2020年春、夏、秋、冬季平均氣溫依次為8.1℃、18.1℃、6.1℃、-5.8℃。從格爾木市氣溫對(duì)PM10污染的影響可以看出(表2)，春季日平均氣溫在10.0℃～15.0℃之間時(shí)，出現(xiàn)污染日的頻率較高，日平均氣溫在5.0℃～10.0℃之間時(shí)出現(xiàn)非污染日的頻率較高，這表明春季日平均氣溫高于季平均氣溫時(shí)易出現(xiàn)PM10污染，而日平均氣溫在季平均氣溫附近波動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)PM10污染。夏季日平均氣溫在15.0℃～20.0℃之間時(shí)，出現(xiàn)污染日和非污染日的頻率基本相當(dāng)。秋季日平均氣溫在5.0℃～10.0℃之間時(shí)，出現(xiàn)污染日的頻率占污染日總數(shù)的40.8%，日平均氣溫在-5.0℃～5.0℃之間時(shí)，出現(xiàn)非污染日的頻率占非污染日總數(shù)的42.5%，說明秋季日平均氣溫高于季平均值時(shí)易出現(xiàn)PM10污染，反之不易出現(xiàn)PM10污染。冬季日平均氣溫低于0.0℃時(shí)，出現(xiàn)PM10污染的日數(shù)占污染日總數(shù)的88.5%，日平均氣溫低于-5.0℃時(shí)，非污染日占到非污染日總數(shù)的67.6%，這說明冬季日平均氣溫在季平均值附近徘徊時(shí)容易出現(xiàn)PM10污染，而日平均氣溫低于季平均值時(shí)不易出現(xiàn)PM10污染?？傊?，春季和秋季日平均氣溫高于季平均氣溫、冬季日平均氣溫在季平均氣溫附近徘徊時(shí)，較易出現(xiàn)PM10污染，夏季規(guī)律不明顯。

表2 2016—2020年P(guān)M10污染日和非污染日平均溫度出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)表 (%)

2.4 濕度與PM10的關(guān)系

將相對(duì)濕度按不同等級(jí)進(jìn)行劃分，分析相對(duì)濕度對(duì)PM10污染的影響可見(表3)，春季平均相對(duì)濕度為26%，相對(duì)濕度大于26%時(shí)，PM10污染日占春季污染日的55.3%，相對(duì)濕度小于26%時(shí)，非污染日占春季非污染日的67.0%；夏季平均相對(duì)濕度為38%，相對(duì)濕度小于38%時(shí)，PM10污染日和非污染日分別占到夏季各自總?cè)諗?shù)的57.4%和52.6%；秋季平均相對(duì)濕度為34%，相對(duì)濕度小于34%時(shí)，PM10污染日占秋季總污染日的85.2%，非污染日占秋季非污染日總數(shù)的54.5%；冬季平均相對(duì)濕度為36%，相對(duì)濕度小于36%時(shí)，PM10污染日和非污染日分別占到冬季各自總?cè)諗?shù)的61.5%和52.9%?？傊?，春季日相對(duì)濕度高于季平均相對(duì)濕度時(shí)容易出現(xiàn)PM10污染，夏、秋和冬季日相對(duì)濕度低于季平均相對(duì)濕度時(shí)容易出現(xiàn)PM10污染。

表3 2016—2020年P(guān)M10污染日和非污染日平均相對(duì)濕度出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)表 (%)

2.5 24 h變壓與PM10的關(guān)系

格爾木市氣壓特征為秋季高，春、夏、冬季基本持平。2016—2020年秋季平均氣壓為727.4 hPa，春、夏和冬季平均氣壓均為724.0 hPa。統(tǒng)計(jì)分析格爾木市24 h變壓(△P24)對(duì)PM10污染的影響(表4)，可以得出，春季△P24為正時(shí)(△P24≥0.0hPa)，PM10污染日較多，占其污染日總數(shù)的72.7%，△P24為負(fù)時(shí)(△P24<0.0 hPa)，非污染日占其總數(shù)的59.2%；夏季△P24為正時(shí)，PM10污染日占其污染日總數(shù)的69.2%，△P24為負(fù)時(shí)，非污染日占其非污染日總數(shù)的54.5%；同樣，秋季和冬季△P24為正時(shí)，污染日分別占各自污染日總數(shù)的63.0%和54.9%，△P24為負(fù)時(shí)，非污染日分別占各自非污染日總?cè)諗?shù)的50.8%、51.2%；春、夏和冬季△P24在0.0～2.5 hPa時(shí)出現(xiàn)污染日的頻率最高，秋季△P24在2.5～5.0 hPa時(shí)出現(xiàn)污染日的頻率最高。綜上，春、夏、秋、冬四季24 h變壓為正，即24 h內(nèi)有冷空氣侵入時(shí)，容易出現(xiàn)污染天氣。

表4 2016—2020年P(guān)M10污染日和非污染日24h變壓出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)表 (%)

2.6 風(fēng)速與PM10的關(guān)系

風(fēng)速是影響大氣擴(kuò)散條件的重要因素，是大氣水平擴(kuò)散能力的重要指標(biāo)，它決定大氣稀釋、擴(kuò)散能力的大小，是影響空氣污染的重要條件[11]。2016—2020年格爾木市春、夏季平均風(fēng)速分別為2.4 m/s、2.2 m/s，秋、冬季平均風(fēng)速分別為1.6 m/s、1.5 m/s，春、夏季風(fēng)速大于秋、冬季。從風(fēng)速對(duì)格爾木市PM10污染的影響可知(表5)，春、夏季日平均風(fēng)速大于2.0 m/s時(shí)，PM10污染日分別占總?cè)諗?shù)的84.9%、78.0%，風(fēng)速小于2.0 m/s時(shí)，PM10非污染日分別占各自非污染日總數(shù)的43.1%、45.3%，這表明春、夏季日平均風(fēng)速大于季平均風(fēng)速時(shí)，容易出現(xiàn)污染天氣，春季出現(xiàn)污染天氣的頻次高于夏季；秋、冬季日平均風(fēng)速大于1.5 m/s時(shí)，出現(xiàn)污染日的天數(shù)分別占各自總數(shù)的70.4%、68.6%，風(fēng)速小于1.5 m/s時(shí)，PM10非污染日分別占各自非污染日總數(shù)的43.7%、47.4%，表明秋、冬季風(fēng)速大于季平均風(fēng)速時(shí)容易出現(xiàn)污染天氣，秋季出現(xiàn)污染的頻次高于冬季?？傊?，春、夏、秋、冬四季日平均風(fēng)速大于季平均風(fēng)速時(shí)，容易造成PM10污染。

表5 2016—2020年P(guān)M10污染日和非污染日平均風(fēng)速出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)表 (%)

3 結(jié)論

通過分析格爾木市PM10質(zhì)量濃度，得出PM10質(zhì)量濃度在春季最高，秋季最低。進(jìn)一步定量分析氣象基本要素對(duì)PM10質(zhì)量濃度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)無降水時(shí)，PM10質(zhì)量濃度較前一日有小幅增大，增幅春季>夏季>冬季>秋季；降水量小于1.0 mm時(shí)，降雨對(duì)PM10污染具有一定的清除作用，且春、冬季清除效果更加明顯，隨著降雨量的增大，夏、冬季的清除能力也在增大。

(2)春季和秋季氣溫高于季平均氣溫，冬季氣溫在季平均氣溫附近徘徊時(shí)，容易出現(xiàn)PM10污染；春季日相對(duì)濕度高于季平均相對(duì)濕度時(shí)容易出現(xiàn)PM10污染，夏、秋和冬季日相對(duì)濕度低于季平均相對(duì)濕度時(shí)容易出現(xiàn)PM10污染。

(3)冷空氣強(qiáng)度和風(fēng)速的大小是影響大氣擴(kuò)散的重要因素，春、夏、秋、冬四季24 h變壓為正，有冷空氣侵入時(shí)，容易出現(xiàn)PM10污染；日平均風(fēng)速大于季平均風(fēng)速時(shí)，容易造成PM10污染。