石家莊市空氣顆粒物污染與氣象條件的關(guān)系

韓軍彩，陳 靜，鈐偉妙，岳 陽，高 祺

1.河北省石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081

2.河北省定州市氣象局，河北 定州 071000

石家莊市空氣顆粒物污染與氣象條件的關(guān)系

韓軍彩1，陳 靜1，鈐偉妙1，岳 陽2，高 祺1

1.河北省石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081

2.河北省定州市氣象局，河北 定州 071000

利用2013—2014年石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心PM2.5、PM10逐時監(jiān)測資料、同期的石家莊市地面氣象觀測站常規(guī)觀測資料以及環(huán)境監(jiān)測梯度站2013年1月各層PM2.5和PM10逐時觀測資料，分析了PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的時空分布特征及與氣象要素的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：石家莊市PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度及兩者的比值均為冬季和秋季較高；在水平分布上，PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度為市區(qū)西部高于東部；在垂直分布上，隨著高度的增加，PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度先上升后下降；PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度與相對濕度呈正相關(guān)，其中PM2.5的質(zhì)量濃度與相對濕度相關(guān)性更高；PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，隨著風(fēng)速的增大，PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度呈下降的趨勢，但當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時，PM10的質(zhì)量濃度隨著風(fēng)速增大而上升，出現(xiàn)揚塵污染，總體來講，刮西北風(fēng)時PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度較高，刮東南風(fēng)時PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度較低，這與風(fēng)向和風(fēng)速的日變化有關(guān)；PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度與降水呈負(fù)相關(guān)，隨著降水的增加，PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度呈下降的趨勢。

顆粒物；時空分布；氣象要素；相關(guān)關(guān)系

近年來，隨著城市化、工業(yè)化進程加快，許多大城市空氣污染加劇，能見度變差，灰霾天氣頻繁出現(xiàn)。研究表明，灰霾與顆粒物的濃度、組成有關(guān)[1-3]，顆粒物吸濕增長是灰霾形成的重要原因[4-5]。京津冀作為空氣污染較重區(qū)域，是國內(nèi)外關(guān)注的重點，而石家莊市作為污染最為嚴(yán)重的城市之一備受關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，石家莊市1980—2000年之間年均大霧日數(shù)比1980年以前增加了39%，而霾增長率更高達200%；2000年以后，隨著城市環(huán)境治理力度加大，灰霾天氣日數(shù)明顯減少，但仍然處于偏重態(tài)勢(2007年達到91 d)，因此研究該地區(qū)大氣污染水平及影響因素具有重要意義。

重污染天氣形成的主要原因既與污染物排放量有關(guān)，也受氣象條件的影響，氣象條件通過影響污染物的稀釋、擴散、傳輸和轉(zhuǎn)化過程，進而影響污染物的時空分布[6-9]。石家莊市地處太行山東麓，西南方到西北方被山環(huán)抱，特有的地理氣候特征使得常年平均風(fēng)速較小，再加上秋冬季大氣層結(jié)穩(wěn)定，近地面經(jīng)常出現(xiàn)逆溫，不利于污染物擴散，導(dǎo)致污染物在近地層堆積，灰霾天氣出現(xiàn)頻繁，空氣質(zhì)量變差，能見度明顯下降。

近年來已有學(xué)者對石家莊市的空氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)系進行了研究。李國翠等[10-12]分析了中度及以上典型污染日對應(yīng)的氣象要素和天氣背景特點，研究了沙塵天氣過程中PM10濃度的變化特征；陳靜等[13]建立了具有石家莊市本地特點的重污染天氣模型；張夏琨等[14]分析了降水、風(fēng)向風(fēng)速等氣象條件對PM10、SO2、NO2污染物濃度的影響。但是氣象條件對PM2.5質(zhì)量濃度的影響以及污染物的垂直分布特征方面研究還較少。因此，本文利用石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度地面觀測及梯度觀測資料、石家莊市國家基本氣象觀測站的常規(guī)氣象觀測資料，更詳細(xì)、全面地分析PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的時空分布特征及其與氣象條件的相關(guān)關(guān)系，以期為重污染天氣的預(yù)報預(yù)警及大氣污染防治提供技術(shù)支撐。

1 資料來源

PM2.5和PM10質(zhì)量濃度資料來源于石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心2013年1月—2014年12月7個觀測站(觀測站地理坐標(biāo)為38′02′～38°08′N，114°25′～114°35′E)逐時資料以及位于石家莊電視塔的環(huán)境監(jiān)測梯度站2013年1月1—31日20、86、116、200 m 4個層次逐時觀測資料，氣象資料取自同期的石家莊市國家基本氣象站的逐時相對濕度、降水量和風(fēng)向風(fēng)速資料。

2 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化特征

2.1 季節(jié)變化特征

對石家莊市2013—2014年逐日PM2.5和PM10質(zhì)量濃度進行統(tǒng)計，得出PM2.5和PM10逐月平均質(zhì)量濃度及兩者比值的變化規(guī)律(圖1)。

圖1 石家莊市PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度及兩者比值的月變化

從圖1(a)可以看出，石家莊市顆粒物的質(zhì)量濃度變化具有明顯的季節(jié)特征，冬季是平均質(zhì)量濃度最高的季節(jié)，其次是秋季和春季，夏季最低。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的最高值出現(xiàn)在1月，最低值出現(xiàn)在8月，最高值分別是最低值的3.9、2.9倍。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度冬季最高主要和采暖有關(guān)，冬季采暖燃煤導(dǎo)致煙塵排放量大幅上升，從而使PM2.5和PM10質(zhì)量濃度都升高。而夏季太陽輻射強、溫度高、大氣對流和湍流活動旺盛，逆溫層很容易被打破，有利于污染物水平和垂直方向的稀釋和擴散，同時夏季降水多，有利于污染物的清除，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最低。

從圖1(b)來看,兩者全年平均比值為52.2%，其中冬季的比值最高，其次為秋季和夏季，春季最小。兩者比值的最高值出現(xiàn)在2月(65%)，5月最低(40%)。春季PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度不是很高，且PM2.5和PM10的比值最低，這可能是由于春季風(fēng)速大、空氣干燥，導(dǎo)致大氣擴散能力增強，PM2.5和PM10濃度下降。但當(dāng)風(fēng)速較大時容易導(dǎo)致PM10濃度升高，尤其是當(dāng)有強冷空氣入侵時發(fā)生大風(fēng)沙塵天氣，很容易導(dǎo)致PM10質(zhì)量濃度的快速升高，如2013年3月9日石家莊市出現(xiàn)大風(fēng)揚沙天氣，14:00～15:00 PM10小時污染濃度達1 023 μg/m3，導(dǎo)致PM2.5和PM10的比值為一年中最低。

2.2 空間變化特征

圖2為石家莊市2013—2014年P(guān)M2.5和PM10平均質(zhì)量濃度及兩者比值的空間分布圖。

圖2 石家莊市PM2.5與PM10平均質(zhì)量濃度的空間分布

從圖2(a)不難看出，PM2.5平均質(zhì)量濃度在市區(qū)西南部的西南高教和東北部的西北水源觀測站附近各存在一個高值中心，分別為119.9、119.2 μg/m3，PM2.5在市區(qū)東部的化工學(xué)校觀測站附近存在一個低值中心，平均質(zhì)量濃度為85.1 μg/m3。PM10平均質(zhì)量濃度空間分布與PM2.5較相似，見圖2(b)，高值中心主要位于市區(qū)東北部的西北水源觀測站和西南部的西南高教觀測站附近，中心濃度分別為229.4、225.7 μg/m3，低值中心位置比PM2.5的低值中心偏南一些，位于市區(qū)東南部的世紀(jì)公園觀測站附近，中心濃度為152.9 μg/m3?？傮w來講，市區(qū)顆粒物濃度為西部地區(qū)高于東部地區(qū)。

2.3 垂直變化特征

隨著城市的發(fā)展，高層建筑日趨增多，人們居住和工作的立體空間在不斷擴展，因此研究城市大氣邊界層內(nèi)污染物隨高度的變化意義重大[15]。鑒于石家莊市冬季污染顆粒物濃度最高，為了弄清冬季近地層顆粒物濃度的垂直變化特征，選取位于石家莊市電視塔的環(huán)境監(jiān)測梯度站2013年1月1—31日的PM2.5和PM10逐時觀測資料，該梯度觀測站設(shè)置20、86、116、200 m 4個層次，觀測方法為雙通道振蕩天平法，結(jié)果見圖3。

圖3 石家莊市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度隨高度變化曲線

由圖3可知，隨著高度的增加，PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度先上升后下降，在20 m處，PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度分別為169、267 μg/m3，PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度從20 m到86 m每米平均遞增率分別為1.2、1.94 μg/m3，之后2種污染物的平均質(zhì)量濃度均開始下降，從86 m到116 m每米平均遞減率分別為0.97、1.68 μg/m3，PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度從116 m到200 m每米平均遞減率分別為0.81、1.45 μg/m3。

3 顆粒物與氣象條件的關(guān)系

3.1 相對濕度對顆粒物濃度的影響

對2013—2014年石家莊市國家基本觀測站觀測的地面相對濕度與PM2.5、PM10進行相關(guān)分析，考慮到在相對濕度較高時可能會出現(xiàn)降水事件，降水沖刷作用使得顆粒物的濃度下降，為此單獨考察無降水天氣。分別計算逐日平均相對濕度與PM2.5和PM10的相關(guān)系數(shù)，得出相對濕度與PM2.5、PM10均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.46和0.35，相關(guān)性均滿足0.01顯著性檢驗，可見相對濕度與PM2.5、PM10的關(guān)系非常密切。

為了進一步定量分析PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度隨相對濕度的變化情況，將相對濕度分段，分別計算每段PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度(圖4)。

圖4 石家莊市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與相對濕度的關(guān)系

由圖4可以看出，隨著相對濕度的增加，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度呈波動增加的變化趨勢，其中在相對濕度為30%～40%和大于80%時為PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度增加較快的階段；在相對濕度低于20%時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度最低，分別為42.8、137.9 μg/m3；在相對濕度為30%～40%時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度相比于相對濕度低于20%時分別升高了近2倍和1倍；在相對濕度為40%～70%時隨著相對濕度的增加，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度繼續(xù)波動升高，但上升幅度減小，其中在相對濕度為40%～50%時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度相比于相對濕度為30%～40%時不但沒上升，反而分別下降了26%、7.3%；在相對濕度大于80%時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度升高幅度明顯增加；在相對濕度為80%～90%時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度分別為261.1、415 μg/m3，相比于相對濕度低于20%時分別升高了近5倍和2倍；在相對濕度大于90%時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度最高，分別為290.3、524.7 μg/m3。分析其原因：在相對濕度較高但無明顯降水時，一般大氣層結(jié)非常穩(wěn)定，PM2.5和PM10不容易擴散且易于二次污染物的生成，導(dǎo)致污染物濃度累積升高。

3.2 風(fēng)速對顆粒物濃度的影響

風(fēng)對污染物的水平輸送起到重要作用。統(tǒng)計2013—2014年石家莊市國家基本觀測站的日平均風(fēng)速與PM2.5、PM10的相關(guān)系數(shù)，分別為-0.27和-0.1，可見風(fēng)速與PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，其中風(fēng)速與PM2.5相關(guān)性滿足0.05顯著性檢驗。按日平均風(fēng)速分段，分別計算每段PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度(圖5)，可以定量看到PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度隨風(fēng)速的變化情況。

圖5 石家莊市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與風(fēng)速的關(guān)系

由圖5(a)可見，風(fēng)速在1 m/s以下時最不利于污染物擴散，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度最高，分別為175、282 μg/m3；風(fēng)速在1～1.5、1.5～2 m/s時PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度隨著風(fēng)速的增大而下降，但下降的幅度較小；在風(fēng)速大于2 m/s時PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度下降的幅度增大，分別為96、243 μg/m3，相對于風(fēng)速小于1 m/s時分別下降了45.1%和13.8%。上述研究表明，風(fēng)速越大，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度越低，其中PM2.5的質(zhì)量濃度下降率更大一些。

在實際觀測中，當(dāng)風(fēng)速很大時會出現(xiàn)揚沙天氣，導(dǎo)致PM10質(zhì)量濃度升高，為了找出起沙的風(fēng)速指標(biāo)，將逐時風(fēng)速分段對PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度進行平均，見圖5(b)，可見隨著風(fēng)速的增大，PM2.5的平均質(zhì)量濃度一直呈下降趨勢，PM10的平均質(zhì)量濃度在風(fēng)速小于5 m/s時與PM2.5變化趨勢一致，但在風(fēng)速超過5 m/s時不但不下降反而會上升，分析其原因：隨著風(fēng)速的增大，PM2.5和PM10稀釋擴散能力增強，但外來源和本地二次揚塵也增加了PM2.5和PM10的排放，其中粒徑更大的PM10增加更明顯一些。

3.3 風(fēng)向?qū)︻w粒物濃度的影響

圖6給出了2013—2014年石家莊市各個風(fēng)向上的PM2.5、PM10的平均質(zhì)量濃度。

圖6 石家莊市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與風(fēng)向的關(guān)系

由圖6可見，刮南風(fēng)時PM2.5和PM10質(zhì)量濃度最低，平均值分別為100、206 μg/m3；刮南南東風(fēng)時PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度為次低值，平均值分別為104、215 μg/m3；刮西北風(fēng)時PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度最高，平均值分別為166、310 μg/m3；刮西北西風(fēng)時PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度為次高值，平均值分別為155、302 μg/m3；PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度的最高值分別是最低值的1.6、1.5倍。

從PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度全年平均值來看，石家莊市刮偏北風(fēng)時，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度相對較高，刮偏南風(fēng)時，相對較低，分析其主要原因：石家莊市西依太行山，東南部為開闊平原，在沒有明顯的天氣系統(tǒng)影響時，風(fēng)具有明顯山谷風(fēng)特點。圖7為石家莊市2013—2014年地面年風(fēng)向頻率及各風(fēng)向的風(fēng)速玫瑰圖。

圖7 石家莊市年風(fēng)頻及各風(fēng)向平均風(fēng)速的玫瑰圖

由圖7可以看出，石家莊市區(qū)的風(fēng)向呈明顯主導(dǎo)風(fēng)向型，其主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng)、北北西-北北東風(fēng)和東南-南風(fēng)。夜間的主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng)、北北西-北風(fēng)，平均風(fēng)速分別為1.7、1.3、1.5 m/s，白天的主導(dǎo)風(fēng)向為南東-南南東、北北東-北東風(fēng)，平均風(fēng)速分別為2.0、2.2、1.6 m/s?？傮w來看，夜間刮西北風(fēng)的頻率較高，且風(fēng)速較小，不利于污染物擴散，導(dǎo)致污染物濃度上升，白天刮東南風(fēng)的頻率較高且風(fēng)速較大，大氣擴散能力增強，污染物濃度下降。

上述分析為全年的平均狀況，但當(dāng)有冷空氣自偏西路徑、偏北路徑入侵時，隨著偏西風(fēng)、偏北風(fēng)風(fēng)速增大，大氣擴散能力增強，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度將下降。另外，西南風(fēng)和南南西風(fēng)雖然頻率只有1%，且平均風(fēng)速不足1 m/s,但低空西南暖濕氣流是石家莊市降水前經(jīng)常出現(xiàn)的天氣形，而在低空偏西南風(fēng)的影響下，周邊污染物將在西南風(fēng)的作用下向市區(qū)輸送，導(dǎo)致PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度升高。

3.4 降水對顆粒物濃度的影響

大氣環(huán)境污染物有一個背景質(zhì)量濃度值，在遠(yuǎn)大于這個背景質(zhì)量濃度值時降水對污染物的清除效果很明顯，但是接近這個背景質(zhì)量濃度值時降水對污染物的清除效果不明顯[16]。2013—2014年石家莊市國家基本觀測站的日降水量與PM2.5、PM10的相關(guān)系數(shù)分別為-0.11和-0.16，可見降水量與PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性都不顯著(未滿足0.05顯著性檢驗)。按日降水量分段，分別計算每段PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度，統(tǒng)計不同降水量情況下日PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度(圖8)。

圖8 石家莊市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與降水量的關(guān)系

由圖8可以看出，隨著降水量的增大，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度均呈下降趨勢。在無降水日時，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度最高，分別為152、285 μg/m3；在小于5 mm的降水日，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度分別為102、179 μg/m3，相比于無降水日平均質(zhì)量濃度分別下降了32.8%和37.4%；在5～10 mm的降水日，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度分別為98、168 μg/m3，相比于無降水日分別下降了35.2%和41%；在10～25 mm的降水日，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度分別為80、135 μg/m3，相比于無降水日分別下降了46.9%、52.7%；在大于等于25 mm的降水日，PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度相比于10～25 mm的降水日變化較小。總之，在同等降水量的情況下，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度下降率比較接近，其中PM10的下降率稍大一些，在日降水量超過10 mm 時，降水對PM2.5和PM10的清除作用比較明顯。

4 結(jié)論

1)石家莊市PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度變化具有明顯的季節(jié)特征，冬季是平均質(zhì)量濃度值最高的季節(jié)，其次是秋季和春季，夏季最低。PM2.5與PM10年平均質(zhì)量濃度的比值為52.2%，其中冬季的比值最高，其次為秋季和夏季，春季最小。

2)在空間水平分布上，石家莊市PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度為西部地區(qū)高于東部地區(qū)；在空間垂直分布上，冬季隨著高度的增加，PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度先上升后下降，在20、86、116、200 m 4個層次中86 m處PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度最高。

3)石家莊市PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度與相對濕度呈正相關(guān)，即PM2.5與PM10質(zhì)量濃度隨著相對濕度的增大而升高，其中PM2.5的質(zhì)量濃度與相對濕度關(guān)系更密切，隨著空氣濕度的增大，PM2.5更易于轉(zhuǎn)化和積累。

4)石家莊市PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，隨著風(fēng)速的增大，PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度呈下降的趨勢，但PM10的平均質(zhì)量濃度在風(fēng)速大于5 m/s時不降反而會上升，出現(xiàn)揚塵污染?？傮w來講，石家莊市刮偏北風(fēng)時，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度較高，刮偏南風(fēng)時，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度較低。PM2.5與PM10的質(zhì)量濃度與降水也呈負(fù)相關(guān)，隨著降水量的增加而下降，當(dāng)日降水量超過10 mm時PM2.5和PM10的平均質(zhì)量濃度下降相對明顯。

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The Research on Relationship between Meteorological Condition and Atmospheric Particles in Shijiazhuang

HAN Juncai1,CHEN Jing1,QIAN Weimiao1,YUE Yang2,GAO Qi1

1.Shijiazhuang Meteorological Bureau,Shijiazhuang 050081,China

2.Dingzhou Meteorological Bureau,Dingzhou 071000,China

The temporal and spatial distribution of PM2.5and PM10concentrations and the relationship between the two atmospheric particles and meteorological condition are analyzed using multiple observations. The data comprises hourly concentrations of PM2.5and PM10from Shijiazhang Enviromental Monitoring Center and hourly ground meteorological data offered by Shijiazhuang Weather Station in the periods of 2013—2014. Besides,the vertical concentrations observed hourly by the Enviromental Monitoring Gradient Station in January 2013 are used. The results indicate:the concentrations of PM2.5and PM10and the PM2.5to PM10ratio are higher in winter and autumn. On the horizontal pattern,the PM2.5and PM10concentrations are higher in the western part of city than in the eastern part. On the vertical pattern,the average concentrations of PM2.5and PM10rise at first and decrease latter with the height increment. The PM2.5and PM10concentrations are on positive proportion to relative humidity,the correlation coefficient of PM2.5and relative humidity is higher than PM10. The PM2.5and PM10concentrations are inversely related to wind speed. Generally,as the wind speed increasing,the mass concentrations of PM2.5and PM10go down. However,when the hourly wind speed is greater than 5 m/s,the PM10mass concentration dose not decrease but increase,then dust pollution occurs. The annual average concentrations of PM2.5and PM10are higher when the wind direction is northwest,while they are lower as the wind direction is southeast. It correlates with the diurnal variation of wind direction and wind speed. The PM2.5and PM10concentrations are inversely related to precipitation. Generally,as the precipitation increasing,the mass concentrations of PM2.5and PM10go down.

particles；temporal and spatial distribution；meteorological factors；correlation coefficient

2015-04-20;

2015-06-17

河北省氣象局科研開發(fā)項目(14ky22)

韓軍彩(1968-)，女，河北高邑人，學(xué)士，高級工程師。

X823

A

1002-6002(2016)02- 0031- 07