2014—2022年昆明市空氣質(zhì)量與氣象因子關(guān)系探析

趙 旸,董澤宇,楊芳園

(1.昆明市西山區(qū)氣象局,云南 昆明 650228;2.昆明市氣象局,云南 昆明 650034)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,城市環(huán)境越來越受到人類的關(guān)注,尤其是城市大氣環(huán)境污染問題[1-3]。大氣污染物PM2.5對(duì)可見光的散射和吸收是造成大氣能見度下降的主要原因,O3引發(fā)的城市光化學(xué)煙霧、大氣能見度的降低給人們的生活帶來諸多不便,且嚴(yán)重影響人體健康[4]。因此,進(jìn)行大氣污染的相關(guān)研究,不僅已成為中國氣候研究領(lǐng)域的重要課題之一,而且能為環(huán)保部門有效控制大氣污染提供科學(xué)理論依據(jù)。大氣擴(kuò)散的理論和實(shí)踐表明,不同氣象條件下,同一污染源排放所造成的近地層污染物濃度分布可相差幾十倍甚至幾百倍[4]。大氣細(xì)粒子污染物與外部氣象環(huán)境條件有非常密切的關(guān)系,不利的氣象條件是大氣細(xì)粒子嚴(yán)重污染的重要因素之一。

國內(nèi)對(duì)大氣細(xì)顆粒物研究已取得了一定進(jìn)展[5-7],但與東部平原地區(qū)相比較,受研究手段、探測技術(shù)等客觀條件的限制,西部及西南部高原城市大氣細(xì)顆粒物研究比較缺乏[8-10]。昆明市作為云南省省會(huì)城市,地處西南低緯高原地區(qū),隨著近年來城市快速擴(kuò)張、工業(yè)的迅猛發(fā)展、交通的日益發(fā)達(dá),帶來了日益嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染問題[11]。當(dāng)前對(duì)于昆明市區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量與氣象因子關(guān)系的研究較少,主要集中于大氣污染物形成過程中的相互關(guān)系、來源分析等[12-15]。因此利用2014—2022年昆明市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,旨在分析昆明市空氣質(zhì)量及各類污染物與氣象因子之間的關(guān)系,從而為昆明市大氣污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于云南省中部,是中國—東盟自由貿(mào)易區(qū)、瀾湄合作區(qū)域、泛珠三角經(jīng)濟(jì)圈交會(huì)點(diǎn),是中國面向南亞東南亞乃至中東、南歐、非洲的前沿和重要門戶,承擔(dān)著連接云南省內(nèi)外的重要交通樞紐和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重要角色,昆明不僅是云南省的經(jīng)濟(jì)中心,也是整個(gè)西南地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)樞紐。昆明屬低緯度高原山地季風(fēng)氣候,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,四季如春,是著名的“春城”“花城”,是休閑、旅游、度假、居住的理想之地。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取2014年1月—2022年12月昆明市國家環(huán)境監(jiān)測站(官渡區(qū)的關(guān)上站點(diǎn)、呈貢區(qū)的新區(qū)站點(diǎn)、西山區(qū)的森林公園站點(diǎn)、盤龍區(qū)的龍泉鎮(zhèn)站點(diǎn)、五華區(qū)的金鼎山站點(diǎn)共5個(gè)站點(diǎn))逐日逐小時(shí)常規(guī)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),包括AQI、SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10(環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(tái)),并選取了2014年1月—2022年12月昆明國家基準(zhǔn)氣候站的氣象觀測數(shù)據(jù),包括日平均氣壓、日平均氣溫、日平均相對(duì)濕度、日降水、日平均風(fēng)速、日極大風(fēng)速、日照7個(gè)氣象要素。

2.2 研究方法

2.2.1 空氣質(zhì)量指數(shù)AQI

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)及《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)的規(guī)定,空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱數(shù),環(huán)境空氣質(zhì)量級(jí)別依其指數(shù)空間共分為6個(gè)級(jí)別(表1),AQI數(shù)值越大表明空氣污染情況越嚴(yán)重[16]。

表1 AQI對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量狀況表

2.2.2 Pearson相關(guān)性分析法

Pearson相關(guān)性分析法于19世紀(jì)80年代由Karl Pearson提出,用于衡量兩個(gè)變量間的線性相關(guān)程度[17-19]。

(1)

3 結(jié)果與討論

3.1 空氣質(zhì)量時(shí)間變化特征分析

昆明市9年來的AQI年平均值為46.55,其中達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(優(yōu))的天數(shù)占62.11%,2014—2022年,昆明市的AQI呈逐年下降趨勢,表明空氣質(zhì)量正在逐年變好(圖1),由2014年的56.7降到2022年的34.9,只有2017年略有起伏?？諝赓|(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的天數(shù)逐年增多,2022年空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的天數(shù)為324d,比2014年增加53.09%;空氣質(zhì)量為良的天數(shù)逐年減少,2022年空氣質(zhì)量等級(jí)為良的天數(shù)為41d,比2014年減少79.60%;為輕度污染的天數(shù)較少,主要集中于2014—2017年,最多的天數(shù)在2014年,2014年輕度污染的天數(shù)為8d,9年間沒有出現(xiàn)過中度、重度及嚴(yán)重污染情況。由表2可知,PM2.5、PM10的濃度年均值變化與AQI的年變化具有一致性,且在2017年均略有起伏;O3年均濃度呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖1 2014—2022年昆明市AQI年變化和各類空氣質(zhì)量

表2 2014-2022年空氣污染物年均值對(duì)比

3.2 主要污染物季節(jié)、月變化特征分析

從2014—2022年主要污染物濃度季節(jié)變化分析可知(圖2),除O3外,其他污染物的濃度在冬季均有所升高,在夏季有所降低,SO2濃度在季節(jié)變化中差異不大。從月變化看(圖3),SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10濃度在2—4月有所上升;SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度在9—12月有明顯上升的變化趨勢,O3濃度在9—12月呈下降趨勢;各類污染物在4—6月均有明顯的下降趨勢,6—9月濃度變化較為平穩(wěn)。

圖2 各類污染物濃度的季節(jié)變化

圖3 各類污染物濃度的月變化

3.3 主要污染物小時(shí)變化特征分析

2014—2022年昆明市各污染物濃度小時(shí)變化特征明顯不同(圖4),SO2和CO呈單峰單谷型,SO2的峰值出現(xiàn)在09時(shí),為18.04 μg/m3,谷值出現(xiàn)在18時(shí),為9.30 μg/m3;CO的峰值出現(xiàn)在09時(shí),為1.03 mg/m3,谷值出現(xiàn)在16—17時(shí),為0.63 mg/m3;PM2.5、PM10及NO2呈雙峰雙谷型,均在09時(shí)、23時(shí)達(dá)到兩個(gè)峰值,分別為30.70 μg/m3、56.23 μg/m3、33.07 μg/m3及29.50 μg/m3、58.78 μg/m3、39.52 μg/m3,這幾種污染物濃度的增加主要受上下班高峰期及大氣擴(kuò)散的影響。O3則是在15時(shí)達(dá)到峰值87.54 μg/m3,為最低值08時(shí)的3倍左右,考慮主要原因是白天太陽輻射增多,利于二次光化學(xué)反應(yīng)生成O3,促使O3濃度增加[20]。

圖4 2014—2022年昆明市主要污染物小時(shí)濃度對(duì)比

3.4 主要污染物空間變化特征分析

由圖5可以看出,9年間昆明主城五區(qū)的AQI五華區(qū)相對(duì)最高,為49.52,處于空氣質(zhì)量狀況為優(yōu)的臨界點(diǎn),其次為盤龍區(qū)及呈貢區(qū),AQI最低的區(qū)域?yàn)槲魃絽^(qū),為35.62。分析2014—2022年昆明主城五區(qū)的主要污染物濃度對(duì)比(封二圖版Ⅰ圖6)發(fā)現(xiàn),五華區(qū)的SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度相對(duì)最高;呈貢區(qū)的PM2.5、NO2、O3相對(duì)較高;西山區(qū)的PM2.5、PM10及NO2的濃度相對(duì)最低,且O3相對(duì)最高。

3.5 相關(guān)性分析

空氣質(zhì)量與氣象因子有著密切的聯(lián)系,氣象因子的變化影響空氣中污染物濃度的變化。利用Pearson相關(guān)性分析方法,對(duì)AQI、SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10等監(jiān)測數(shù)據(jù),及氣溫、相對(duì)濕度、降水、氣壓、風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照7類日均氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析,有效樣本數(shù)為3 238 d,得出主要污染物濃度與氣象因子間的相關(guān)系數(shù)。若計(jì)算得出兩者間的相關(guān)系數(shù)>0,表示二者間存在正相關(guān)關(guān)系;若相關(guān)系數(shù)<0,表示二者間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn),昆明市空氣質(zhì)量、污染物濃度與氣象要素之間有較好地相關(guān)性。由表3可以看出:

表3 空氣質(zhì)量與氣象因子的相關(guān)性分析

(1)AQI與氣溫、相對(duì)濕度、降水3個(gè)氣象因子呈顯著負(fù)相關(guān),與氣壓、風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照等4個(gè)氣象因子呈正相關(guān),降水對(duì)空氣有增濕作用,對(duì)空氣中的細(xì)顆粒物有濕清除作用,能有效降低空氣中的污染物濃度。降水增多、濕度增大、氣溫降低,空氣中的細(xì)顆粒物含量減少,導(dǎo)致AQI降低,而冬季降水較少,造成了9—12月AQI有明顯上升趨勢。

(2)氣溫與O3呈顯著正相關(guān)[21],因?yàn)闇囟仁枪饣瘜W(xué)反應(yīng)的重要影響因子,溫度較高時(shí)大氣光化學(xué)反應(yīng)加劇,有利于大氣中O3的生成。

(3)SO2、CO、O3、PM2.5、PM10與風(fēng)速、極大風(fēng)速呈正相關(guān)。一般而言,較高的風(fēng)速有利于污染物的擴(kuò)散,但大風(fēng)(通?！? m/s)時(shí),就會(huì)吹起揚(yáng)沙[22],2—4月昆明的春季風(fēng)速較大,使得空氣污染較為嚴(yán)重。

(4)AQI及各類污染物濃度與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān),因?yàn)橄鄬?duì)濕度越低,越有利于顆粒物懸浮在空氣中,導(dǎo)致空氣質(zhì)量越差。

(5)AQI、NO2、CO、PM2.5、PM10與氣壓呈正相關(guān),因氣流從高氣壓區(qū)域往低氣壓區(qū)域流動(dòng),故氣壓越低,越不利于空氣中的細(xì)顆粒物流動(dòng)擴(kuò)散,導(dǎo)致空氣質(zhì)量更差。

為深入了解極大風(fēng)速情況下的風(fēng)向?qū)諝庵兄饕廴疚锏挠绊?對(duì)極大風(fēng)速、風(fēng)向與各類污染物濃度進(jìn)行了分析(封三圖版Ⅱ圖7),可以看出:風(fēng)速大于10 m/s時(shí),西、南、東方向的PM2.5、PM10濃度相對(duì)較高;北部及中部PM2.5、PM10濃度相對(duì)較低,受風(fēng)速影響較小;風(fēng)速在10～20 m/s時(shí),南部、東南部的NO2相對(duì)較高;高濃度的CO主要集中于西北部高風(fēng)速區(qū)域(風(fēng)速在20～25 m/s),高濃度O3主要位于東南區(qū)域(風(fēng)速在10～18 m/s)。PM2.5、PM10在西、西南高風(fēng)速區(qū)域濃度較高,這可能與位于昆明西南方向安寧工業(yè)源排放的影響有關(guān),以及春季緬甸生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的生物質(zhì)氣團(tuán)被抬升,通過盛行的西風(fēng)輸送到中國西南部[15],造成昆明市PM2.5、PM10濃度的增加。

4 結(jié)果與分析

利用2014—2022年昆明市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù),分析了昆明市空氣質(zhì)量變化特征及與氣象因子間的相關(guān)關(guān)系,得出以下結(jié)論:

(1)2014—2022年昆明市空氣質(zhì)量狀況逐年呈現(xiàn)變好,空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)占比逐年增加,輕度污染最多的天數(shù)出現(xiàn)在2014年,其中,2015年3月22日昆明市AQI達(dá)128,為9年間昆明市AQI的最高值,9年間沒有出現(xiàn)過中度、重度及嚴(yán)重污染情況。在主城五區(qū)的對(duì)比中,昆明市西山區(qū)空氣質(zhì)量相對(duì)較好,五華區(qū)9年間的平均AQI相對(duì)最高,為49.52,仍處于空氣質(zhì)量狀況為優(yōu)的區(qū)間,總體情況相對(duì)較好。

(2)昆明市空氣質(zhì)量受氣象因子影響,如春季風(fēng)速較大,易造成空氣中揚(yáng)沙增加,使得空氣污染較為嚴(yán)重。降水、相對(duì)濕度與空氣質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān),降水增濕對(duì)空氣中的細(xì)顆粒物有清除作用,能有效降低空氣中的污染物濃度,使空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)。但是,從不同的時(shí)間尺度上看,相關(guān)性有所差異,這可能與不同時(shí)間尺度下氣象因子不同的特征有關(guān),其他影響因素還有待進(jìn)一步深入討論。

(3)在空氣質(zhì)量的季節(jié)變化特征中發(fā)現(xiàn),昆明市冬春季主要以PM10、CO為主;夏季主要以O(shè)3為主。在季節(jié)變化中的相關(guān)性表現(xiàn)為:夏季溫度高、降水量大有利于大氣細(xì)顆粒物的濕清除,冬春風(fēng)速較大、降水量少易造成顆粒物的增加,O3含量受溫度的影響,在夏季較高,冬季較低。

(4)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們?cè)桨l(fā)重視生態(tài)環(huán)境,特別是城市空氣質(zhì)量情況,可結(jié)合氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響,根據(jù)未來天氣形勢,預(yù)測未來一段時(shí)期內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況,對(duì)預(yù)防大氣污染起到一定的輔助作用。