西安北郊PM10、PM2.5特征及其與氣象要素的關(guān)系

張高健，曹 梅，仇 娜，陳 奇

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣象干部培訓學院，西安 710016)

近年來，隨著城市規(guī)模、城市人口快速增長，由于人類活動、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等引起的空氣污染問題成為社會關(guān)注的熱點問題之一。目前，開展大氣污染特征及其與氣象因素關(guān)系的科學研究較多[1-5]。唐家翔等[6]分析認為：?？谑蠵M2.5月質(zhì)量濃度整體呈周期性波動，秋冬季高、春夏季低；降水對PM2.5有清除作用；風速加大會使PM2.5濃度減小。虎彩嬌等[7]分析了黃石市大氣PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度水平分布特征及其與氣象參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大氣PM10和PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著的冬季高夏季低的變化規(guī)律，風向、風速、溫度、氣壓和相對濕度等氣象要素是影響大氣PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分布的重要因素。曹梅等[8]分析了西安市2006—2015年3種大氣主要污染物(SO2、NO2、PM10)不同時間尺度上的變化規(guī)律及其與氣象條件的關(guān)系，結(jié)果表明主要污染物質(zhì)量濃度的季節(jié)變化均為夏季低，冬季高，大氣污染物質(zhì)量濃度與風速、氣溫呈明顯的負相關(guān)，與逆溫強度呈顯著的正相關(guān)，降水對大氣污染物有明顯的凈化作用。

西安地處西北內(nèi)陸，是國務(wù)院批準的中國西部地區(qū)重要的中心城市，2020年11月全國第七次人口普查，全市常住人口1 295.29萬人[9]。由于西安城市化進程加快以及人口的快速增長，對城市氣候產(chǎn)生了很大影響，由顆粒物引起的大氣污染影響城市發(fā)展及居民身體健康，大氣污染防治勢在必行，而氣象要素對大氣污染物的清潔、稀釋有著重要作用[10-12]，故開展本區(qū)域大氣中PM10、PM2.5質(zhì)量濃度變化規(guī)律及其與氣溫、風向風速、降水等氣象要素之間關(guān)系的研究有著重要意義。利用研究的理論成果，以期能為改善城市空氣質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

本文顆粒物采樣儀器為安徽藍盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的LGH-01B/E型β射線大氣顆粒物在線監(jiān)測儀，該系統(tǒng)采用β射線吸收法組合DHS動態(tài)加熱系統(tǒng)的技術(shù)原理，實現(xiàn)對環(huán)境大氣中顆粒物PM10、PM2.5等不同粒徑粒子進行實時在線質(zhì)量濃度的測量。

選取2017年1月1日—2021年12月31日PM10和PM2.5質(zhì)量濃度小時觀測數(shù)據(jù)，計算日、月、季、年均值；相應(yīng)時間的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)主要包括氣溫、風向風速、降水等。數(shù)據(jù)分別來源于西安市涇河大氣成分站和西安市涇河國家基本氣象站(兩站位于同一站址，以下稱為涇河站,地處西安市市中心以北約20 km，34°26＇N，108°58＇E)。涇河站四周開闊平坦，周圍無大的廠礦及污染源存在，其資料可代表西安北郊整體大氣環(huán)境顆粒物質(zhì)量濃度和相關(guān)氣象要素實況。顆粒物質(zhì)量濃度和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)日值以北京時20時為日界。

降水清除率是反映降水對大氣污染物的濕清除能力。設(shè)某降水日大氣污染物質(zhì)量濃度的日均值為Ci，其前一日的日均值為Ci-1，則降水清除率A可表示為[13]

(1)

2 PM10、PM2.5質(zhì)量濃度變化特征

2.1 年際變化特征

為了解近5 a西安市北郊PM10、PM2.5質(zhì)量濃度(用C(PM10)和C(PM2.5)表示)現(xiàn)狀和變化趨勢，對涇河站2017年1月—2021年12月質(zhì)量濃度進行統(tǒng)計分析(見表1)。近5 a來西安市北郊C(PM10)和C(PM2.5均值分別為117.5 μg/m3、75.2 μg/m3，年際變化總體呈逐年下降趨勢，其中C(PM2.5)下降趨勢明顯，平均每年下降8.1 μg/m3。日均C(PM10)、C(PM2.5)超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)中24 h平均二級標準濃度限值(150 μg/m3和75 μg/m3)的日數(shù)分別為447 d、655 d，平均每年89.4 d和131 d；C(PM2.5)超標日數(shù)呈現(xiàn)明顯的逐年減少趨勢，平均每年減少18.8 d。西安市經(jīng)過多年的車輛限行、煤改氣、禁止秸稈和垃圾焚燒、拆除小舊鍋爐、抑治施工和揚塵污染等政策的實施，空氣質(zhì)量逐步好轉(zhuǎn)，證明這一系列措施行之有效。

表1 2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)年際變化及超過二級標準日數(shù)

2.2 季變化特征

由表2可知：C(PM10)冬季最高，為170.7 μg/m3，其次是春季131.6 μg/m3，夏季最低，僅為64.2 μg/m3；C(PM2.5)冬季最高,為126.0 μg/m3，其次是秋季68.5 μg/m3，最低出現(xiàn)在夏季，為38.2 μg/m3；C(PM2.5)年平均值占C(PM10)的64%，冬季占比最高達到73.8%，春季最低為51.8%。

表2 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)及C(PM2.5)/C(PM10)年、季均值

2.3 月變化特征

由圖1可知，C(PM10)和C(PM2.5)1月最高，分別為196.7 μg/m3、150.6 μg/m3；C(PM10)8月最低，為59.5 μg/m3，C(PM2.5)7月最低，為37.5 μg/m3。PM10質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)出1—8月下降，8—12月升高，PM2.5質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)出1—7月下降，7—12月升高的“單谷型”結(jié)構(gòu)。主要原因是因為夏季太陽輻射強烈，大氣邊界層厚，對流旺盛且風速大，大氣垂直擴散和水平擴散能力強，加之頻繁降水的清除作用，有效降低顆粒物質(zhì)量濃度。冬季則相反，加上北方冬季供暖，燃煤、燃氣排放加大，大氣污染嚴重，顆粒物質(zhì)量濃度高。C(PM2.5)質(zhì)量濃度占C(PM10)的比例1月最大，為76.6%，5月最小，為48%，1—5月這一占比快速下降，6—12月逐步回升。除春季外，其他季節(jié)和月份PM2.5對顆粒物質(zhì)量濃度貢獻較大。

圖1 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)及C(PM2.5)/C(PM10)月變化

2.4 日變化特征

經(jīng)統(tǒng)計分析C(PM10)和C(PM2.5)逐時均值，發(fā)現(xiàn)其日變化曲線均呈現(xiàn)雙峰特征(圖2)，夜間質(zhì)量濃度高于日間，但變化幅度小于日間。07時前后，隨著人們上班出行、社會生產(chǎn)等人類活動高峰到來，大氣顆粒物開始逐漸累積，大氣顆粒物質(zhì)量濃度緩慢升高，09時前后形成次峰值，而后隨著太陽輻射逐步增強，大氣層結(jié)變的不穩(wěn)定，大氣擴散能力迅速增強，C(PM10)和C(PM2.5)也隨之快速下降，分別在16時和18時達到一日中最低；此后，由于太陽輻射逐漸變?nèi)?，氣溫降低，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，垂直擴散能力變差，加上城市交通晚高峰汽車尾氣大量排放的影響，大氣顆粒物快速累積，大氣顆粒物質(zhì)量濃度快速升高，00時達到夜間峰值，也是一日中的最高值；夜深人靜后，隨著人類活動量減少，污染物排放量也隨之減少，隨著大氣污染物的自然沉降，顆粒物質(zhì)量濃度再次逐步降低。

圖2 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)日變化

3 影響大氣顆粒物質(zhì)量濃度的氣象因子

3.1 氣溫

將PM10、PM2.5質(zhì)量濃度日均值分別與日平均氣溫進行相關(guān)分析，結(jié)果見圖3。C(PM10)和C(PM2.5)與氣溫總體呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。夏季，太陽輻射強烈，地表升溫快，空氣對流強烈，大氣層結(jié)穩(wěn)定度較低，大氣清潔力強，C(PM10)和C(PM2.5)較低；冬季由于穩(wěn)定類天氣較多，特別是下墊面平坦裸露的區(qū)域，夜間接地逆溫出現(xiàn)頻繁且強度較大，另外因為冷空氣活動頻繁造成低空逆溫頻繁。頻繁的逆溫阻礙空氣對流運動，造成冬季C(PM10)和C(PM2.5)升高。

圖3 2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)隨氣溫的變化(直線為擬合線)

3.2 風向、風速

利用西安2017—2021年逐小時風向資料及所相應(yīng)的C(PM10)和C(PM2.5)資料分析二者的關(guān)系(圖4)。西安北郊主導風向為偏東北風(NNE—NE—ENE)，占比為41.5%，對應(yīng)的C(PM10)和C(PM2.5)平均值分別為113.0 μg/m3、73.9 μg/m3；其次為偏西南風(SSW—SW—WSW)，占比為25.9%，對應(yīng)的C(PM10)和C(PM2.5)平均值分別為112.2 μg/m3、69.6 μg/m3。偏西北風(WNW—NW—NNW)對應(yīng)的C(PM10)和C(PM2.5)均值最大，分別為151.3 μg/m3、96.0 μg/m3，占比為9.3%；偏東南風(ESE—SE—SSE)對應(yīng)的C(PM10)和C(PM2.5)均值最小，分別為103.0 μg/m3、65.5 μg/m3，占比為2.7%。從以上分析可知，C(PM10)和C(PM2.5)在偏西北風時最高，其他風向分布較為均勻，說明通過偏西北風匯入的污染物對西安北郊顆粒物質(zhì)量濃度影響較大。

圖4 2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)的風向分布

進一步分析C(PM10)和C(PM2.5)日均值與平均風速的關(guān)系(表3)發(fā)現(xiàn)，當風速在4.5 m/s以下時，隨著風速增大，顆粒物質(zhì)量濃度逐步下降；但當風速超過4.5 m/s時，顆粒物質(zhì)量濃度快速上升，尤其C(PM10)升高的幅度更大。深入分析風速超過4.5 m/s時的35個樣本，發(fā)現(xiàn)發(fā)生在冬春季共30次，當天天氣以陰雨為主，風向均為偏東北風，平均C(PM10)和C(PM2.5)為213.4 μg/m3、92.3 μg/m3；其他5次發(fā)生在夏秋季，風向偏東北風，平均C(PM10)和C(PM2.5)較低，僅為53.1 μg/m3、41.5 μg/m3，均小于夏秋季平均值。從以上分析可以看出，當風速在4.5 m/s以下時，C(PM10)和C(PM2.5)與風速呈負相關(guān)關(guān)系，即風速越大，質(zhì)量濃度越低；冬春季當風速較大超過4.5 m/s，顆粒物質(zhì)量濃度出現(xiàn)不降反升的情況，原因可能是風速較大時一般有穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)控制著西安地區(qū)，來自偏東北方向持續(xù)的污染物輸入而造成顆粒物質(zhì)量濃度升高[14]?？傮w來看，風速是影響顆粒物質(zhì)量濃度的重要因素，除冬春季風速≥4.5 m/s特殊情況外，風速大對顆粒物的擴散清除作用明顯。

表3 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)與風速的關(guān)系

3.3 降水

由表4可知，2017—2021年夏季降水量最大，占年平均降水量的44.8%，對顆粒物清潔作用較明顯，C(PM10)和C(PM2.5)均值最低。冬季降水量最小，僅占年平均降水量的3.3%，對顆粒物清潔作用有限，C(PM10)和C(PM2.5)均值最高，空氣污染較嚴重。春季、夏季、秋季，由于降水的清潔作用，使得降水日的C(PM10)和C(PM2.5)均值低于非降水日。只有冬季會出現(xiàn)C(PM2.5)均值在降水日大于非降水日的現(xiàn)象，這是由于在降水量很小或降雪天氣下，由于降水沖刷能力不強，而此時空氣濕度增大，易形成抑制顆粒物擴散的霧罩，導致大氣中殘留的污染物質(zhì)量濃度較高[15]。

表4 2017—2021年西安北郊各季節(jié)降水日與非降水日C(PM10)和C(PM2.5)

為進一步研究降水對顆粒物的清除作用，統(tǒng)計分析2017—2021年涇河站降水量及其對PM10、PM2.5清除率,結(jié)果見圖5。降水對PM10、PM2.5的清除率均值分別為10%、7%，降水對PM10的清除效果好于PM2.5。降水量<5.0 mm時，降水對PM10、PM2.5的清除率大部分在-50%～50%之間，說明弱降水清除效果較差，甚至會導致顆粒物質(zhì)量濃度上升；降水量>10.0 mm時，降水對PM10、PM2.5的清除率正值逐漸增多，且隨著降水量增大，清除率全部趨于正值，最大值趨向100%，但均達不到100%，說明降水對顆粒物無法完全清除。為探討降水量大于10 mm,清除率出現(xiàn)負值的原因，選取2個清除率負值較大的個例詳細分析。2020年5月8日，降水對PM10、PM2.5清除率分別為-164.0%、-137.8%，降水量15.3 mm，降水時段為21—03時，非降水時段04—20時。降水時段C(PM10)和C(PM2.5)均值分別為32.6 μg/m3、18.9 μg/m3，非降水時段分別為179.4 μg/m3、66.6 μg/m3；2021年4月23日，降水對PM10、PM2.5清除率分別為-86.9%、-68.1%，降水量30.8 mm，非降水時段21—11時，降水時段為12—20時。降水時段C(PM10)和C(PM2.5)均值分別為62.8 μg/m3、50.0 μg/m3,非降水時段分別為118.6 μg/m3、63.7 μg/m3。從以上個例可以看出，非降水時段的清除率均值遠大于降水時段，可見，降水時間分布不均勻是造成清除率為負值的主要原因。

圖5 2017—2021年西安北郊降水對顆粒物的清除率與降水量的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)年均值分別為117.5 μg/m3、75.2 μg/m3，呈現(xiàn)逐年下降趨勢，C(PM2.5)下降趨勢尤為明顯，平均每年下降8.1 μg/m3；季節(jié)變化特征為夏季最低，冬季最高，春秋季次之；月變化分別呈現(xiàn)出1—8月下降而8—12月升高,1—7月下降而7—12月升高的“單谷型”結(jié)構(gòu)。

(2)C(PM10)和C(PM2.5)日變化曲線呈現(xiàn)雙峰特征，上午08—09時為次高峰，夜間00時前后達到日最高峰；16—18時為一日中最低。夜間高于日間，但變化幅度小于日間。

(3)C(PM2.5)占C(PM10)的比例冬季最高，春季最低，夏秋季較均勻；1月PM2.5占比最大為76.6%，5月最小為48%，1—5月該比例快速下降，6—12月逐步回升。除春季外，其他季節(jié)和月份PM2.5對顆粒物質(zhì)量濃度貢獻較大。

(4)C(PM10)和C(PM2.5)與氣溫總體呈負相關(guān)關(guān)系。風速在4.5 m/s以下時，其與風速呈負相關(guān)關(guān)系；但當風速較大約超過4.5 m/s時，顆粒物質(zhì)量濃度在冬春季有明顯的上升趨勢，風速是影響顆粒物質(zhì)量濃度的重要因素。C(PM10)和C(PM2.5)在偏西北風時最高，其他風向分布較為均勻，來自偏西北方向的污染物對顆粒物質(zhì)量濃度影響較大。降水對PM10清除效果好于對PM2.5的清除，降水量大時，質(zhì)量濃度相對較低，但降水無法對顆粒物徹底清除。