銅川新區(qū)采暖期PM2.5濃度與氣象條件關(guān)系探究

倪紅梅，陳建文，孫彬彬

(1.銅川市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，陜西 銅川 727000；2.陜西省氣候中心，陜西 西安 710014)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們健康意識(shí)不斷增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)注度迅速提高。但是，工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，城市和社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)的大規(guī)模投資，城市汽車(chē)保有量的迅速膨脹，使得環(huán)境空氣中的污染物濃度越來(lái)越高，城市區(qū)域的不斷拓展又使得植被大面積減少，自然生態(tài)環(huán)境受到破壞，大氣污染物的凈化能力不斷減弱，同時(shí)造成近地層風(fēng)速減小，城市熱島效應(yīng)和逆溫加劇，大氣擴(kuò)散能力削弱，能見(jiàn)度和空氣質(zhì)量明顯下降，形成霾天氣。近年來(lái)，北方采暖期特別是在大氣擴(kuò)散能力最差的冬季，大范圍、高強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的霾天氣過(guò)程明顯常態(tài)化，已經(jīng)成為一種新的災(zāi)害性天氣。霾天氣的本質(zhì)是細(xì)粒子氣溶膠污染，與光化學(xué)煙霧相關(guān)聯(lián)[1]?？諝庵胁煌笮〉念w粒物均能降低能見(jiàn)度，但細(xì)顆粒物(PM2.5)降低能見(jiàn)度的能力更強(qiáng)[2]，細(xì)顆粒物污染是造成大氣能見(jiàn)度下降的主要原因[3]。PM2.5因其粒徑小和比表面積大，更容易富集有毒物質(zhì)，對(duì)人體健康的危害遠(yuǎn)比粗顆粒物大[4]。大氣顆粒物中PM2.5的比重較小，但其粒徑小，在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，并含有大量有毒有害氣體和重金屬離子等有害物質(zhì)，而且人體對(duì)其沒(méi)有任何過(guò)濾和阻攔能力，可由呼吸進(jìn)入支氣管和肺泡到達(dá)血液，不經(jīng)過(guò)肝臟解毒直接通過(guò)血液循環(huán)分布到全身，不僅干擾肺部的氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管疾病，還會(huì)損害血紅蛋白輸送氧的能力。PM2.5主要來(lái)自車(chē)輛尾氣、化石、油料及生物質(zhì)燃料燃燒等人為排放源和二次污染[5]，但不同區(qū)域不同季節(jié)具有很大差異，如南方區(qū)域冬季PM2.5可能主要來(lái)自于火電廠、化工廠、汽車(chē)尾氣和揚(yáng)塵等，北方采暖期燃煤燃燒廢氣則是PM2.5的重要來(lái)源，而夏季光化學(xué)過(guò)程造成的二次污染影響較大。

污染物的排放是形成大氣污染的內(nèi)因，氣象條件是外因。通常，氣象條件變化不大時(shí)，污染源排放大氣污染物越多，大氣污染越嚴(yán)重，反之越輕。大氣擴(kuò)散的理論和實(shí)踐研究表明，在不同的氣象條件下，同一污染源排放所造成的近地層污染物體積分?jǐn)?shù)可相差幾十倍乃至幾百倍[6]。同一區(qū)域一定時(shí)期內(nèi)源排放總量是大致穩(wěn)定的，大氣污染物濃度取決于環(huán)境氣象條件。風(fēng)速和混合層高度是反映大氣污染擴(kuò)散能力的動(dòng)力因子，反映大氣水平和垂直擴(kuò)散能力，降水條件體現(xiàn)大氣的凈化能力，而湍流強(qiáng)度決定大氣對(duì)污染物的稀釋能力。本文利用銅川市新區(qū)2013年11月至2014年3月PM2.5濃度、氣象觀測(cè)站同步氣象觀測(cè)資料，探究PM2.5與環(huán)境氣象條件的關(guān)系，為開(kāi)展大氣污染預(yù)測(cè)、大氣污染治理和環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料來(lái)源

2.1 對(duì)比氣象站的確定

銅川市新區(qū)管委會(huì)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站位于34°52′21″N、108°56′04″E，海拔745m，采樣口距地面高度20m。新區(qū)蘭芝公司環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站位于34°52′23″N、108°57′32″E，海拔836m，采樣口距地面高度18m。距離新區(qū)最近的耀州區(qū)氣象站(34°55′27.69″N、108°58′32.91″E，觀測(cè)場(chǎng)海拔710m)位于新區(qū)管委會(huì)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站ENE方向約4.3km，蘭芝公司環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站NNE方向約5.86km。區(qū)域地勢(shì)較為平坦，監(jiān)測(cè)子站與對(duì)比氣象站之間無(wú)大的地物阻隔且距離較近，因此耀州區(qū)氣象站氣象觀測(cè)資料對(duì)銅川市新區(qū)具有較好的代表性。

2.2 基礎(chǔ)資料及其來(lái)源

為了消除非正常排放和污染源間歇排放等可能造成的觀測(cè)資料波動(dòng)，區(qū)域PM2.5濃度采用了新區(qū)管委會(huì)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站和新區(qū)蘭芝公司環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站提供的2013年11月至2014年3月每日逐時(shí)平均濃度，氣象資料來(lái)源于耀州區(qū)氣象觀測(cè)站氣溫、風(fēng)速、降水量、氣壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、總云量、低云量、大氣能見(jiàn)度同步觀測(cè)資料，能見(jiàn)度和云量人工定時(shí)觀測(cè)資料為02、05、08、11、14、17和20時(shí)8次觀測(cè)，其余時(shí)刻采用線性內(nèi)插得到。

3 基本原理與分析方法

3.1 穩(wěn)定度分類(lèi)與混合層高度計(jì)算

首先采用帕斯奎爾(Pasquill)及其修訂的分類(lèi)法對(duì)每日逐時(shí)大氣穩(wěn)定度計(jì)算分類(lèi)：根據(jù)云量、云狀、太陽(yáng)輻射狀況和地面風(fēng)速等常規(guī)氣象資料用A、B、C、D、E、F六個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別來(lái)表示大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力，從A→F表示大氣擴(kuò)散能力逐漸減弱[7-9]。然后根據(jù)大氣邊界層(或混合層)高度參數(shù)計(jì)算方程，計(jì)算各類(lèi)穩(wěn)定度下的混合層高度。

3.2 主要環(huán)境氣象要素與PM2.5濃度的關(guān)系

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、點(diǎn)聚圖和對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，通過(guò)PM2.5濃度與主要環(huán)境氣象要素小時(shí)和日均值之間的相關(guān)分析，探究氣象要素對(duì)PM2.5濃度變化的影響。

4 環(huán)境氣象條件與PM2.5濃度相關(guān)分析

4.1 主要污染過(guò)程與良好天氣過(guò)程及其氣象條件

銅川新區(qū)2013年度采暖期PM2.5濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)75 μg/m3的天數(shù)共90天(占采暖期的59.6%)，其中輕度污染天數(shù)47天(占52.2%)，中度污染天數(shù)10天(占11.1%)，重度污染天數(shù)26天(占28.9%)，嚴(yán)重污染天數(shù)7天(占7.8%)。共出現(xiàn)了三次持續(xù)污染天氣過(guò)程，分別是：2013年12月17日至25日、2014年1月23日至2月2日、2014年2月6日至3月8日；三次環(huán)境空氣良好天氣過(guò)程，分別是：2013年11月23日至12月11日、2013年12月16日至2014年1月4日、2014年3月9日至27日。第一次污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間短但強(qiáng)度最大，多日平均濃度242.2μg/m3，接近250μg/m3屬重度污染，第三次污染過(guò)程強(qiáng)度最小但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。從表1看出，三次污染過(guò)程和良好過(guò)程比較，空氣相對(duì)濕度、總云量和穩(wěn)定類(lèi)天氣出現(xiàn)頻率較高，能見(jiàn)度、日平均氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、混合層高度和不穩(wěn)定類(lèi)天氣出現(xiàn)頻率較低。PM2.5濃度對(duì)大氣能見(jiàn)度的影響顯著，較高的空氣濕度能促進(jìn)本區(qū)域氣溶膠顆粒的增加，云量會(huì)阻擋太陽(yáng)輻射和大氣污染物的垂直擴(kuò)散，穩(wěn)定類(lèi)天氣多不利于大氣污染物的垂直擴(kuò)散，氣溫的高低不僅能反映冬季太陽(yáng)輻射條件和垂直擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱，也影響著污染源強(qiáng)的變化，而風(fēng)速是大氣水平擴(kuò)散能力的主要指標(biāo)。不穩(wěn)定類(lèi)天氣出現(xiàn)頻率和混合層高度是大氣垂直擴(kuò)散能力的主要指標(biāo)，其值越大則大氣水平和垂直擴(kuò)散能力越強(qiáng)?？傊h(huán)境氣象條件對(duì)PM2.5濃度影響顯著。

表1 各主要污染過(guò)程與良好天氣過(guò)程平均氣象要素

4.2 相關(guān)性分析

從表2看，各主要環(huán)境氣象要素與PM2.5濃度的小時(shí)值線性相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.001的相關(guān)性檢驗(yàn)。日平均值中，大氣能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、混合層高度、日最高氣溫和日平均氣溫的相關(guān)關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.001的相關(guān)性檢驗(yàn)，總云量通過(guò)0.005的相關(guān)性檢驗(yàn)，最低氣溫通過(guò)0.05的相關(guān)性檢驗(yàn)。能見(jiàn)度與PM2.5濃度的相關(guān)性最好，其次是相對(duì)濕度，日最低氣溫的相關(guān)性相對(duì)最小，說(shuō)明PM2.5濃度對(duì)大氣能見(jiàn)度的影響較大，而日最低氣溫對(duì)PM2.5濃度的影響相對(duì)較小。由于小時(shí)污染源強(qiáng)的不穩(wěn)定性較日平均差，氣象要素日均值與對(duì)應(yīng)PM2.5濃度相關(guān)性均明顯好于小時(shí)值。能見(jiàn)度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、混合層高度和氣溫與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，相對(duì)濕度和總云量呈正相關(guān)?？梢?jiàn)：能見(jiàn)度越好、日照時(shí)間越長(zhǎng)、氣溫越高；PM2.5濃度越小，風(fēng)速越大、混合層高度越高，大氣水平和垂直擴(kuò)散能力越強(qiáng)，PM2.5濃度亦越小，而空氣相對(duì)濕度越高、云量越多，PM2.5濃度越大。

5 環(huán)境氣象要素對(duì)PM2.5濃度的綜合影響分析

PM2.5濃度和空氣濕度是影響大氣能見(jiàn)度的主要因子，而降水又直接影響能見(jiàn)度和空氣濕度，并對(duì)其進(jìn)行稀釋沉降，風(fēng)速?zèng)Q定大氣水平擴(kuò)散能力。太陽(yáng)輻射是大氣垂直擴(kuò)散能力的動(dòng)力因子，對(duì)大氣層和混合層高度起決定作用，而混合層高度是太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱和大氣層的客觀反映。因此，利用日平均相對(duì)濕度、能見(jiàn)度、風(fēng)速和降水量、風(fēng)速和混合層高度的組合來(lái)分析其對(duì)PM2.5濃度的綜合影響。

5.1 日平均相對(duì)濕度和能見(jiàn)度與PM2.5濃度的綜合分析

相對(duì)濕度和能見(jiàn)度是判別灰霾天氣的兩個(gè)主要環(huán)境氣象指標(biāo)，而大氣中水汽和PM2.5顆粒物會(huì)減弱大氣能見(jiàn)度，與粗顆粒物相比，細(xì)顆粒物(PM2.5)降低能見(jiàn)度的能力更強(qiáng)，是灰霾天氣能見(jiàn)度降低的主要原因[2]。從圖1看，相對(duì)濕度和PM2.5濃度明顯與能見(jiàn)度呈反相關(guān)，相對(duì)濕度與PM2.5濃度呈較好的正相關(guān)。2013年11月23日至12月11日、2013年12月26日至31日和2014年3月9日至27日三次能見(jiàn)度較好天氣過(guò)程，相對(duì)濕度和PM2.5濃度明顯均較低。2013年12月16日至25日和2014年2月6日至3月8日兩次嚴(yán)重灰霾天氣過(guò)程是由水汽和PM2.5共同造成，2014年1月23日至2月2日灰霾天氣過(guò)程主要由PM2.5濃度高引起；2013年11月1日至9日能見(jiàn)度小于10 km則由相對(duì)濕度較高造成，日平均相對(duì)濕度高達(dá)83.3%、能見(jiàn)度7 km，主要是霧。可見(jiàn)：本區(qū)域采暖期相對(duì)濕度越高，越有利于PM2.5顆粒的形成和發(fā)展，能見(jiàn)度越差；PM2.5對(duì)能見(jiàn)度的影響明顯大于相對(duì)濕度，而濕度和PM2.5共同作用影響更大。

圖1 逐日PM2.5濃度與相對(duì)濕度和能見(jiàn)度變化關(guān)系圖

5.2 日平均風(fēng)速和降水量對(duì)PM2.5濃度的綜合影響分析

風(fēng)速?zèng)Q定大氣水平擴(kuò)散能力，降水條件體現(xiàn)大氣凈化能力。新區(qū)采暖期共出現(xiàn)8次單日降水、3次2日以上降水過(guò)程和7次持續(xù)多日較大風(fēng)速過(guò)程，降水發(fā)生時(shí)風(fēng)速均較小。從表3和圖2看出，2日以上的過(guò)程降水對(duì)PM2.5的凈化效果最為顯著，其次是較大風(fēng)速過(guò)程，而單日降水的效果相對(duì)較差。采暖期第1次降水過(guò)程強(qiáng)度大，三日降水量14.9 mm，第二日高達(dá)11.6 mm，凈化效果最顯著；第2次二日降水過(guò)程雨量6.1 mm，雖然降水量稍大于第3次過(guò)程的5.1 mm，但時(shí)間短，效果反而不如第3次，表明強(qiáng)度越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)的降水過(guò)程對(duì)降低空氣中PM2.5濃度效果更顯著。7次較大風(fēng)速過(guò)程對(duì)PM2.5的凈化效率均較高，表明持續(xù)多日平均風(fēng)速在2.3 m/s以上的風(fēng)對(duì)PM2.5有很好的凈化效果。比較來(lái)看，降水過(guò)程和較大風(fēng)速過(guò)程前PM2.5濃度越高，其凈化效果越顯著，2.0 mm以下的單日降水在風(fēng)速較小時(shí)效果不明顯，1.0 mm以下的微量降水在風(fēng)速較小時(shí)還會(huì)使PM2.5濃度不降反升。

表3 單日降水、過(guò)程降水和較大風(fēng)速天氣過(guò)程對(duì)PM2.5濃度的凈化效果

*注：表3中標(biāo)注*為降水過(guò)程最大日平均PM2.5濃度，對(duì)應(yīng)PM2.5濃度下降率=100×(降水過(guò)程最大日平均PM2.5濃度-次日平均PM2.5濃度)÷降水過(guò)程最大日平均PM2.5濃度。

圖2 逐日PM2.5濃度與風(fēng)速和降水量變化關(guān)系圖

圖3 逐日PM2.5濃度與風(fēng)速和混合層高度變化關(guān)系圖*注：圖中混合層高度單位為100m

5.3 日平均風(fēng)速和混合層高度對(duì)PM2.5濃度的綜合影響分析

風(fēng)速和混合層高度是反映大氣水平和垂直擴(kuò)散能力的主要環(huán)境氣象因子。從表1看，相比三次PM2.5為主要污染物過(guò)程，三次良好天氣過(guò)程風(fēng)速大、混合層高度高。從圖3看，7次較大風(fēng)速過(guò)程平均混合層高度也明顯高于過(guò)程前后，分別為545.1 m、497.7 m、549.0 m、586.4 m、594.7 m、612.7 m和839.5 m?？梢?jiàn)，風(fēng)速較大時(shí)一般混合層高度也較高，大氣水平和垂直擴(kuò)散能力均較強(qiáng)，PM2.5濃度也明顯較低。

6 主要環(huán)境氣象要素日均值與PM2.5污染特征分析

利用日平均的大氣能見(jiàn)度、空氣相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、混合層高度等，與PM2.5濃度繪制點(diǎn)聚圖(見(jiàn)圖4)，分析采暖期主要環(huán)境氣象要素與PM2.5日均濃度變化之間的關(guān)系。從圖4看，日平均PM2.5濃度與大氣能見(jiàn)度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和混合層高度明顯呈反相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)。當(dāng)能見(jiàn)度>10 km時(shí)，PM2.5日均濃度均≤111.2 μg/m3，根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》(QX/T 46-2007)，可將PM2.5日均濃度>111.2 μg/m3作為本區(qū)域采暖期灰霾日的一個(gè)預(yù)測(cè)判別指標(biāo)。當(dāng)相對(duì)濕度≤29%時(shí)，PM2.5日均濃度均<75 μg/m3；相對(duì)濕度≤38%時(shí)，PM2.5日均濃度均<150 μg/m3；當(dāng)日照時(shí)數(shù)≥8.4 h時(shí)，PM2.5日均濃度均≤99.2μg/m3；當(dāng)日平均風(fēng)速≥3.5 m/s時(shí)，PM2.5日均濃度均≤53 μg/m3；當(dāng)日平均混合層高度≥730 m時(shí)PM2.5日均濃度均≤102 μg/m3；當(dāng)日均混合層高度≥850 m時(shí)，PM2.5日均濃度均≤75 μg/m3。因此，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)，對(duì)本區(qū)域采暖期可基本確定：當(dāng)日平均相對(duì)濕度≤29%，或者日平均風(fēng)速≥3.5 m/s，或者日平均混合層高度≥850 m時(shí)，PM2.5AQI<100(二級(jí))；當(dāng)日照時(shí)數(shù)≥8.4 h時(shí)，或者日平均混合層高度≥730 m時(shí)，PM2.5AQI<150(三級(jí))；當(dāng)日平均相對(duì)濕度≤38%時(shí)，PM2.5AQI<200(四級(jí))。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)環(huán)境氣象條件對(duì)PM2.5濃度影響顯著。能見(jiàn)度越好、日照時(shí)間越長(zhǎng)、氣溫越高，PM2.5濃度越??；風(fēng)速越大、混合層高度越高，大氣水平和垂直擴(kuò)散能力越強(qiáng)，PM2.5濃度亦越??；而空氣相對(duì)濕度越高、云量越多，PM2.5濃度越大。

圖4 逐日PM2.5濃度與能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和混合層高度點(diǎn)聚圖

(2)本區(qū)域采暖期相對(duì)濕度越高，越有利于PM2.5顆粒的形成和發(fā)展，能見(jiàn)度越差；PM2.5對(duì)能見(jiàn)度的影響明顯大于相對(duì)濕度，而濕度和PM2.5共同作用影響更大。

(3)5 mm以上連續(xù)性降水過(guò)程對(duì)PM2.5的凈化效果明顯，強(qiáng)度越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，效果越顯著，持續(xù)多日平均風(fēng)速2.3 m/s以上的較大風(fēng)速過(guò)程也有很好的凈化效果。降水過(guò)程或較大風(fēng)速過(guò)程前PM2.5濃度越高，其凈化效果越顯著。2.0 mm以下的單日降水在風(fēng)速較小時(shí)凈化效果不明顯，1.0 mm以下的微量降水在風(fēng)速較小時(shí)，還會(huì)使PM2.5濃度不降反升。

(4)風(fēng)速較大時(shí)一般混合層高度也較高，大氣水平和垂直擴(kuò)散能力均較強(qiáng)，PM2.5濃度明顯較低。

(5)PM2.5日均濃度>111.2 μg/m3可作為本區(qū)域采暖期灰霾日的一個(gè)預(yù)測(cè)判別指標(biāo)，當(dāng)日平均相對(duì)濕度≤29%，或者日平均風(fēng)速≥3.5 m/s，或者日平均混合層高度≥850 m時(shí)，PM2.5AQI<100(二級(jí))；當(dāng)日照時(shí)數(shù)≥8.4 h時(shí)，或者日平均混合層高度≥730 m時(shí)，PM2.5AQI<150(三級(jí))；當(dāng)日平均相對(duì)濕度≤38%時(shí)，PM2.5AQI<200(四級(jí))。

[1] 吳兌.灰霾天氣的形成與演化[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(3)：157-161.

[2] 楊宏斌，鄒旭東，汪宏宇，等.大氣環(huán)境中PM2.5的研究進(jìn)展與展望[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，28(3)：77-82.

[3] 王麗京，劉旭林.北京市大氣細(xì)粒子濃度與能見(jiàn)度定量關(guān)系初探[J].北京氣象學(xué)報(bào)，2006，64(2)：221-228.

[4] 孟昭陽(yáng)，張懷德，蔣曉明，等. PM2.5太原地區(qū)冬春季污染特征及影響因素[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2007，24(5)：648-656.

[5] 于鳳蓮.城市大氣氣溶膠細(xì)粒子的化學(xué)成分及其來(lái)源[J].氣象，2002，28(11)：3-6.

[6] 周麗，徐祥德，丁國(guó)安，等.北京地區(qū)氣溶膠PM2.5粒子濃度的相關(guān)因子及其估算模型[J].氣象學(xué)報(bào)，2003，61(6)，761-768.

[7] 國(guó)家環(huán)保總局監(jiān)督管理司編.中國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)培訓(xùn)教材[M].2000年第1版.北京：同濟(jì)大學(xué)出版社化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行，2000：116-117.

[8] 張德華，李曉忠，侯祺棕. 城市大氣穩(wěn)定度分級(jí)模型的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23(1)：63-66.

[9] 陳建文，胡琳，王娟敏，等.陜西省大氣穩(wěn)定度分布特征研究[J].水土保持研究，2013，20(3)：299-304.