近地表氣象風(fēng)速對(duì)固定點(diǎn)位環(huán)境空氣PM2.5污染貢獻(xiàn)影響研究

丁銘，郁建橋，鐘聲

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 南京 210036)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展, 城市開發(fā)速度加快, 各工業(yè)區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大, 工業(yè)污染、機(jī)動(dòng)車尾氣污染、建筑揚(yáng)塵污染也隨之加劇，復(fù)合型污染態(tài)勢(shì)已日趨嚴(yán)峻，給大氣污染防治帶來了前所未有的壓力[1-2]。為做到精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污，探尋大氣污染物貢獻(xiàn)和輸送規(guī)律，為環(huán)境管理服務(wù)[3-6]，現(xiàn)根據(jù)2019—2021年江蘇省細(xì)顆粒物(PM2.5)和氣象風(fēng)速監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用大數(shù)據(jù)分析方法，分析了江蘇省PM2.5的貢獻(xiàn)與影響，以期為大氣污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)[7-9]。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

PM2.5數(shù)據(jù)來自年江蘇省南京、蘇州、常州、無錫、鎮(zhèn)江、泰州、揚(yáng)州、南通、徐州、連云港、淮安、鹽城、宿遷13市的大氣自動(dòng)站。污染物數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://106.37.208.233:20035/)，頻次為1次/h；氣象數(shù)據(jù)來自中央氣象臺(tái)官網(wǎng)(http://www.Nmc.cn/)；近地面氣象(溫度、壓力、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向)數(shù)據(jù)來自江蘇省氣象臺(tái)。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)控

大氣自動(dòng)站運(yùn)維質(zhì)控工作包括定期的質(zhì)量控制(QC)檢查、質(zhì)量保證(QA)檢查和隨機(jī)檢查，通過運(yùn)維檢查對(duì)站點(diǎn)運(yùn)維情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考核，保證數(shù)據(jù)的獲取率、有效率和準(zhǔn)確率。

1.2.1 QC檢查

每季度對(duì)每個(gè)大氣自動(dòng)站開展1次QC檢查，檢查內(nèi)容包括：(1)PM2.5分析儀流量、關(guān)鍵參數(shù)值(K值)和背景值核查，其中關(guān)鍵參數(shù)值需要與出廠設(shè)備報(bào)告保持一致，按照《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5和PM10)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范》(HJ 817—2018)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行處理；同時(shí)進(jìn)行采樣流量、采樣溫度、標(biāo)準(zhǔn)膜、氣密性、壓力傳感器檢查，記錄最終測(cè)試情況。(2)采樣管路、采樣部件的清潔度、密封度檢查。

1.2.2 QA檢查

每半年對(duì)每個(gè)大氣自動(dòng)站開展1次QA檢查，使用比對(duì)追溯校驗(yàn)后的流量計(jì)，對(duì)顆粒物分析儀的流量進(jìn)行校驗(yàn)，記錄分析儀內(nèi)部的溫度、壓力測(cè)值，同時(shí)對(duì)儀器流量、氣密性測(cè)試偏差進(jìn)行計(jì)算并記錄。

1.2.3 隨機(jī)檢查

開展手工監(jiān)測(cè)比對(duì)，檢查站房環(huán)境，將異常數(shù)據(jù)與周邊站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)核查。

1.3 評(píng)價(jià)與分析方法

1.3.1 濃度限值

PM2.5的質(zhì)量濃度限值參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 PM 2.5的質(zhì)量濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值

1.3.2 污染貢獻(xiàn)及影響評(píng)價(jià)

污染貢獻(xiàn)占比的計(jì)算公式見式(1)—(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：P——污染物矢量(R，θ)；R——落點(diǎn)位置；θ——弧度角；a——風(fēng)向，(°)；v——風(fēng)速，m/s。

影響半徑的計(jì)算公式見式(4)。

影響半徑=t×v

(4)

式中：t——影響時(shí)間，s；v——實(shí)測(cè)風(fēng)速，m/s。

累計(jì)影響時(shí)間≥2/3時(shí)間的風(fēng)速為該區(qū)域的絕對(duì)影響風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果為絕對(duì)影響半徑；累計(jì)影響時(shí)間≥1/3時(shí)間的風(fēng)速為該區(qū)域的直接影響風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果為直接影響半徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速頻度與影響半徑

2.1.1 風(fēng)速頻度年度變化

2019—2021年江蘇省平均風(fēng)速區(qū)間頻度分布見圖1。由圖1可見，2019—2021年近地面小時(shí)風(fēng)速區(qū)間頻度為0.1%～34.4%，整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，其中1～2 m/s風(fēng)速區(qū)間的頻度占比最高(30.8%～34.4%)，5 m/s及以上風(fēng)速區(qū)間的頻度較少(3%左右)。主要風(fēng)速區(qū)間為0～3 m/s，頻度為76.3%～80.7%，平均值為78.9%，其中2019年最高，2021年最低。

圖1 2019—2021年江蘇省平均風(fēng)速區(qū)間頻度分布

2.1.2 風(fēng)速頻度區(qū)域變化

2019—2021年江蘇省各市風(fēng)速區(qū)間頻度分布見圖2。由圖2可見，各市0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為59.4%～92.0%，平均值為78.9%。其中揚(yáng)州和徐州較高，分別為92.0%和88.5%；南通和連云港較低，分別為59.4%和71.6%。0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為70.2%～79.9%，蘇南5市(南京、鎮(zhèn)江、蘇州、常州、無錫)最高，為79.9%，沿海3市(鹽城、連云港、南通)最低，為70.2%。與全省平均風(fēng)速區(qū)間頻度相比，沿海3市0～1 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度低了3.6個(gè)百分點(diǎn)，1～2 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度低了3.9個(gè)百分點(diǎn)，存在較大差異，其余地區(qū)無明顯變化。

圖2 2019—2021年江蘇省各市風(fēng)速區(qū)間頻度分布

2.1.3 風(fēng)速頻度與影響半徑

2019—2021年江蘇省各市風(fēng)速區(qū)間頻度與影響半徑見表2。由表2可見，各市0～2 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為35.8%～68.3%；0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為59.4%～92.0%；0～4 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為77.8%～98.7%。

表2 2019—2021年江蘇省各市風(fēng)速區(qū)間頻度與影響半徑

按照1.3.2節(jié)影響半徑的計(jì)算方法，2019—2021年江蘇省各市絕對(duì)影響半徑和直接影響半徑的風(fēng)速區(qū)間頻度見表3。由表3可見，半徑在7 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為59.4%～92.0%(平均值為78.9%)，直接影響風(fēng)速頻度為96.3%～100.0%；在5 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為40.6%～74.0%(平均值為58.7%)，直接影響風(fēng)速頻度為80.8%～99.4%；在3 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為20.4%～41.9%，直接影響風(fēng)速頻度為55.0%～88.8%。

表3 2019—2021年江蘇省各市絕對(duì)影響半徑和直接影響半徑的風(fēng)速區(qū)間頻度

2.2 風(fēng)速頻度與污染物貢獻(xiàn)

2.2.1 風(fēng)速頻度與PM2.5貢獻(xiàn)相關(guān)性

通過計(jì)算不同半徑內(nèi)的風(fēng)速頻度，結(jié)合PM2.5濃度，可以計(jì)算出不同半徑內(nèi)風(fēng)速頻度對(duì)應(yīng)的PM2.5貢獻(xiàn)占比。PM2.5貢獻(xiàn)占比分布見圖3。由圖3可見，半徑在7 km內(nèi)，風(fēng)速頻度為78.9%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為82.4%；半徑在5 km內(nèi)，風(fēng)速頻度為59.6%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為65.9%；半徑在3 km內(nèi)，風(fēng)速頻度為33.5%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為39.9%。

圖3 PM2.5貢獻(xiàn)占比分布

風(fēng)速頻度與PM2.5貢獻(xiàn)占比的相關(guān)性見圖4。由圖4可見，二者之間存在正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)(R2)為0.986 5。0～1 m/s風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)速頻度為20.9%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為24.3%；1～2 m/s風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)速頻度為32.6%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為34.4%；2～3 m/s風(fēng)速區(qū)間，風(fēng)速頻度為25.4%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為23.7%；0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間PM2.5貢獻(xiàn)占比之和達(dá)82.4%。

圖4 風(fēng)速頻度與PM2.5貢獻(xiàn)占比的相關(guān)性

2.2.2 風(fēng)速區(qū)間與高值區(qū)PM2.5的相關(guān)性

根據(jù)《GB 3095—2012》，PM2.5的24 h質(zhì)量濃度限值為75 μg/m3，大于該限值的濃度區(qū)域?yàn)楦咧祬^(qū)。ρ(PM2.5)>75 μg/m3的頻次和發(fā)生污染的概率與風(fēng)速區(qū)間的關(guān)系見圖5(a)(b)。由圖5可見，隨著風(fēng)速的上升，ρ(PM2.5)>75 μg/m3的頻次和發(fā)生污染的概率均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，二者存在較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 ρ(PM2.5)>75 μg/m3的頻次和發(fā)生污染的概率與風(fēng)速區(qū)間的關(guān)系

2.3 實(shí)際案例

2019—2021年南京與連云港風(fēng)速區(qū)間頻度分布見圖6，PM2.5貢獻(xiàn)占比分布見圖7(a)(b)。

圖7 南京與連云港PM2.5貢獻(xiàn)占比分布

由圖6和圖7可見，南京市風(fēng)速區(qū)間主要集中在0～3 m/s，該區(qū)間風(fēng)速頻度為89.2%，PM2.5的貢獻(xiàn)占比為91.7%。0～2 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為65.7%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為70.3%。半徑7 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為89.2%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為91.7%；半徑5 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為72.1%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為76.3%；半徑3 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為41.5%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為46.7%。半徑7 km內(nèi)，直接影響風(fēng)速頻度為99.9%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為99.9%；半徑5 km內(nèi)，直接影響風(fēng)速頻度為98.3%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為99.0%，半徑3 km內(nèi)，直接影響風(fēng)速頻度為86.1%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為89.0%。

連云港市風(fēng)速區(qū)間主要集中在0～3 m/s，該區(qū)間風(fēng)速頻度為91.4%，PM2.5占比貢獻(xiàn)為93.8%。0～2 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為68.3%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為68.8%。半徑7 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為91.4%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為93.8%；半徑5 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為74.7%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為76.5%；半徑3 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為46.5%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為48.3%。半徑7 km內(nèi)，直接影響風(fēng)速頻度為99.9%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為100.0%；半徑5 km內(nèi)，直接影響風(fēng)速頻度為99.1%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為99.6%；半徑3 km內(nèi)，直接影響風(fēng)速頻度為88.5%，PM2.5貢獻(xiàn)占比為90.2%。

綜上所述，半徑7 km內(nèi)，南京市和連云港市的絕對(duì)影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為91.7%和93.8%，直接影響PM2.5貢獻(xiàn)占比均為99.9%；半徑5 km內(nèi)，絕對(duì)影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為76.3%和76.5%，直接影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為98.3%和99.1%；半徑3 km內(nèi)，絕對(duì)影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為46.7%和48.3%，直接影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為89.0%和90.2%?？梢姽潭c(diǎn)位的PM2.5貢獻(xiàn)占比隨著半徑范圍的擴(kuò)大而增加，在近地面風(fēng)速影響下，其PM2.5貢獻(xiàn)占比也會(huì)發(fā)生變化。

3 結(jié)論

(1)2019—2021年江蘇省大氣自動(dòng)站的小時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)顯示，1～2 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度占比最高，為30.77%～30.39%，5 m/s及以上風(fēng)速區(qū)間頻度占比最小，僅為3%左右。風(fēng)速區(qū)間集中在0～3 m/s，頻度為76.3%～80.7%。

(2)從區(qū)域變化來看，全省各市0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度為59.4%～92.0%，平均值為78.9%。沿海3市(鹽城、連云港、南通)0～1 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度較全省該風(fēng)速區(qū)間頻度低了3.6個(gè)百分點(diǎn)，1～2 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度低了3.9個(gè)百分點(diǎn)，存在較大差異，其余地區(qū)無明顯變化。

(3)從風(fēng)速頻度與影響半徑來看，半徑7 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為59.4%～92.0%，直接影響風(fēng)速頻度為96.3%～100.0%；半徑5 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為40.6%～74.0%，直接影響風(fēng)速頻度為80.8%～99.4%；半徑3 km內(nèi)，絕對(duì)影響風(fēng)速頻度為20.4%～41.9%；直接影響風(fēng)速頻度為55.0%～88.8%。可見半徑7 km內(nèi)的絕對(duì)影響風(fēng)速頻度與半徑3 km內(nèi)的直接影響風(fēng)速頻度均已達(dá)到較高水平。

(4)從風(fēng)速區(qū)間頻度與PM2.5貢獻(xiàn)占比來看，0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度的平均值為78.9%，PM2.5貢獻(xiàn)占比之和為82.4%。風(fēng)速頻度與PM2.5貢獻(xiàn)占比存在良好的正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速區(qū)間與ρ(PM2.5)>75 μg/m3的頻次和發(fā)生污染的概率存在良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(5)以南京和連云港為例。0～3 m/s風(fēng)速區(qū)間頻度分別達(dá)到89.2%和91.4%，PM2.5貢獻(xiàn)占比分別達(dá)到91.7%和93.8%；半徑7 km內(nèi)，絕對(duì)影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為91.7%和93.8%，直接影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為98.3%和99.1%；半徑3 km內(nèi)，絕對(duì)影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為46.7%和48.3%，直接影響PM2.5貢獻(xiàn)占比分別為89.0%和90.2%。