新鄉(xiāng)市大氣污染特征與氣象因子相關性分析

王金蘭，胡亮帆，李改琴，王 軍

(1.新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453000；2.濮陽市氣象局，河南濮陽 457000；3.許昌市氣象局，河南許昌 461000)

大氣污染特征與氣象擴散條件之間的關系，一直是國內外學者關心的焦點問題[1-3]。諸多研究表明[4-6]，在污染物總排放量一定的情況下，氣象條件對環(huán)境空氣質量影響很大。魏玉香等[7]研究不同風速下污染物質量濃度分布時指出，污染物質量濃度與風速大小呈反相關；馬敏勁等[8]通過對蘭州大氣污染特征研究發(fā)現(xiàn)，大氣污染與穩(wěn)定的逆溫層結密切相關。邱粲等[9]對濟南市2001—2010年環(huán)境空氣污染指數(shù)及同期氣象資料進行相關分析，結果表明環(huán)境空氣污染指數(shù)與氣象要素的相關系數(shù)較高。趙克蕾等[10]分析了2012年庫爾勒市PM10大氣污染狀況和質量濃度變化特征。徐娟娟等[11]在分析關中盆地一次霾重污染天氣時發(fā)現(xiàn)，污染物質量濃度與低層風關系密切。紀凡華等[12]在探究聊城大氣污染事件發(fā)展規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，2012年后冬季污染最嚴重，夏季污染最輕，霾和霧月出現(xiàn)日數(shù)與月大氣污染出現(xiàn)日數(shù)呈明顯正相關。鄭海濤等[13]對2014年河南一次重污染過程模擬后注意到，盡管河南各地區(qū)同時出現(xiàn)高污染，但其來源各不同。董貞花等[14]對2015年河南省3次重污染過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)靜穩(wěn)天氣有利于污染物的發(fā)展持續(xù)。

新鄉(xiāng)市位于河南省北部，屬于“2+26”通道城市之一，地勢西高東低，平原占地總面積78%，是暖溫帶大陸性季風氣候。近年來，新鄉(xiāng)市經濟發(fā)展迅速, 大氣污染物排放總量大，加之地形條件等因素,致使城市大氣污染加重，尤其是秋冬季，重污染天氣頻發(fā)。本文分析新鄉(xiāng)市首要大氣污染物質量濃度變化特征，進一步探究首要污染物與氣象因子的相關性，為提高大氣污染氣象條件等級預報和服務水平提供科學依據，為政府大氣治理提供技術支撐。

1 資料和方法

1.1 資料來源

2015—2016年AQI(Air Quality Index，空氣質量指數(shù))，PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2等大氣污染物逐日和逐小時監(jiān)測數(shù)據取自新鄉(xiāng)市環(huán)境保護局環(huán)境監(jiān)測站，同期新鄉(xiāng)市常規(guī)氣象觀測數(shù)據取自中國氣象科學數(shù)據共享服務平臺(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)的中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據集和逐12時MICAPS氣象觀測資料。

1.2 分析方法

采用Pearson相關系數(shù)法，分析研究氣溫、相對濕度、海平面氣壓、10 min風速、24小時變溫(ΔT24，指當天的日平均氣溫減去前一天的日平均氣溫)、24小時變壓(ΔP24，指當天的日平均氣壓減去前一天的日平均氣壓)等氣象因子與PM10和PM2.5及O3的質量濃度(分別用C(PM10)、C(PM2.5)、C(O3)表示)的相關性。

分析首要污染物質量濃度的季節(jié)變化時，季節(jié)按氣象上的春、夏、秋、冬四季劃分，其中春季指3—5月，夏季指6—8月，秋季指9—11月，冬季指12月—次年2月。因資料樣本有限，能完整反映冬季的只有2015年12月和2016年1月、2月，為了盡可能利用現(xiàn)有資料反映冬季首要污染物質量濃度的變化趨勢，用2015年1—2月代表2014年冬季，用2016年12月代表2016年冬季。

2 首要污染物占比分析

新鄉(xiāng)市開展長期監(jiān)測的主要大氣污染物有PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2等，每種污染物對大氣污染的貢獻并不相同，作為首要污染物出現(xiàn)的頻次也不相同。新鄉(xiāng)市首要污染物出現(xiàn)時數(shù)最多的是PM2.5，2015年占比約65%，2016年占比約58%；其次是PM10，2015年占比約34%，2016年占比約39%；O3也占一定比例，2015年占比約1%，2016年占比約3%。SO2、NO2占比很小，全年中只出現(xiàn)過1～2 h；CO占比0，從未成為首要污染物。因此，僅分析對環(huán)境空氣質量影響較大的PM2.5、PM10、O3三種首要污染物的月、季變化特征，及其與主要環(huán)境氣象因子之間的相關性。

3 首要污染物質量濃度變化特征

3.1 C(PM2.5)的變化

3.1.1 月變化特征 2015、2016年C(PM2.5)的變化特征基本一致(圖1)，峰值分別出現(xiàn)在12月和1月，谷值均出現(xiàn)在8月。2015年C(PM2.5)1月為127 μg/m3，隨后開始下降，6—9月維持在66 μg/m3左右的低位波動變化，8月降至64 μg/m3，達到谷值；隨后上升，12月驟升至184 μg/m3，達到年度內峰值。而2016年C(PM2.5)的峰值出現(xiàn)在1月，為165 μg/m3；隨后下降，在5—8月維持在較低水平，尤其是8月降至39 μg/m3，達到年內谷值；隨后波動上升，在11月后快速上升，12月升至152 μg/m3。

圖1 2015年和2016年新鄉(xiāng)市C(PM2.5)月變化

3.1.2 季節(jié)變化特征 從季節(jié)均值來看(圖2)，C(PM2.5)季度變化特征較明顯，均是冬季高、夏季低，春秋兩季基本持平。2015年春季為87.7 μg/m3，夏季降到66 μg/m3，秋季上升到79.7 μg/m3，冬季達到峰值152.3 μg/m3。2016年形勢開始好轉，春季為76 μg/m3，較2015年下降11.7 μg/m3；夏季較2015年大幅下降11.7 μg/m3，降到了42.7 μg/m3；秋季逐漸上升到77.7 μg/m3，與2015年基本持平；而冬季大幅攀升，再次達到峰值152 μg/m3。

圖2 2015—2016年新鄉(xiāng)市C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)季節(jié)變化

3.2 C(PM10)的變化

3.2.1 月變化特征C(PM10)月變化與C(PM2.5)相近但不相同(圖3)。2015年C(PM10)從1月的194 μg/m3開始平穩(wěn)下降，8月降至谷底，為112 μg/m3；隨后緩慢上升，12月驟升至283 μg/m3，達到最高值。2016年C(PM10)最高值出現(xiàn)在1月，為243 μg/m3；隨后波動下降，3月有所反彈，然后緩慢下降，8月降至谷底，為67 μg/m3；隨后波動上升，11月猛升至180 μg/m3，12月攀升至217 μg/m3。兩年均在8月達到谷值，但質量濃度相差近2倍，2016年5月開始C(PM10)較2015年明顯下降，且這種趨勢維持到8月，這與2016年雨水顯著偏多有一定關系，另外與管控措施關系密切。

圖3 2015年和2016年新鄉(xiāng)市C(PM10)月變化

3.2.2 季節(jié)變化特征 從季節(jié)均值(圖2)來看，C(PM10)與C(PM2.5)走勢幾乎平行，都是冬季高夏季低，且每個季節(jié)C(PM10)均高于C(PM2.5)。2015年春季為161.7 μg/m3，夏季降到122.7 μg/m3，秋季上升到131 μg/m3，冬季攀升到峰值，達231 μg/m3。2016年整體形勢有所好轉，春季為157.3 μg/m3，較2015年略降低，夏季較2015年明顯下降，降到75 μg/m3，秋季上升到130.7 μg/m3，與2015年基本持平，冬季繼續(xù)攀升，再次達到峰值，達217 μg/m3。

兩年相比較可以看出，在多雨的夏季，不論是C(PM10)還是C(PM2.5)，均降到年度最低，而冬季則大幅攀升，這與采暖期排放物增加有關。而且，2016年四季的質量濃度較2015年均有所下降，證明隨著管控力度加大，管控成效開始顯現(xiàn)。

3.3 C(O3)的變化

3.3.1 月變化特征C(O3)的月變化特征與PM10、PM2.5正好相反(圖4)，特別是2015年，呈單峰型， 1月C(O3)只有19 μg/m3,后面一路攀升，6月達到峰值90 μg/m3，隨后直線下降，12月達到谷值17 μg/m3。2016年則呈雙峰型，有6月和9月兩個峰值，1月C(O3)為19 μg/m3，是年內谷值，同樣在6月達到峰值，為92 μg/m3，9月達到次高值，為82 μg/m3。2016年9月O3再次升高的原因有待進一步研究。

圖4 2015年和2016年新鄉(xiāng)市C(O3)月變化

3.3.2 季節(jié)變化特征 從季節(jié)分布上來看(圖2)，2015年和2016年兩年O3的變化特征完全一致，均為夏季高冬季低，不同的是2016年春、夏、秋三個季度的C(O3)值均比2015年偏高，2016年春季為70 μg/m3，較2015年同期高出8.3 μg/m3，2016年夏季為77 μg/m3，較2015年同期高出3.3 μg/m3，2016年秋季為46.3 μg/m3，較2015年同期高出12 μg/m3。C(O3)夏季高，尤其6月達到峰值，與夏季氣溫高、日照時長長密切相關[15]。

4 首要污染物質量濃度與氣象因子的相關性

4.1 C(PM2.5)與氣象因子的相關性

逐月計算C(PM2.5)與6個氣象因子的相關性(見表1)，結果各不相同：C(PM2.5)與相對濕度、ΔT24在絕大多數(shù)月份呈正相關，相對濕度越大，ΔT24越高，對應C(PM2.5)越高，所有月份中不存在負相關的情況；C(PM2.5)與10 min風速在所有月份均呈負相關，即風速越小，則對應C(PM2.5)越高；C(PM2.5)與ΔP24絕大多數(shù)月份呈負相關，ΔP24越小，則對應C(PM2.5)越高，所有月份中不存在正相關的情況；C(PM2.5)與海平面氣壓大多數(shù)月份呈負相關，海平面氣壓越低，C(PM2.5)越高，但在6、7月卻呈正相關；C(PM2.5)與溫度的相關沒有規(guī)律可循，其中有5個月不相關，1、3、10、11月正相關，而6、7、12月負相關。

表1 2015—2016年新鄉(xiāng)各月氣象要素與C(PM2.5)的相關性

4.2 C(PM10)與氣象因子的相關性

逐月計算6個氣象因子與C(PM10)的相關性(見表2)可知：C(PM10)與相對濕度在1、2、12月及3、5、9月呈正相關，相對濕度越大，C(PM10)越高；在4、8、10、11月不相關；但在多雨的6、7月卻是負相關，這與雨水充沛，沖刷造成污染物濕沉降有關。C(PM10)與海平面氣壓大多數(shù)月份呈負相關，海平面氣壓越低，C(PM10)越高；在7月卻呈正相關。C(PM10)與10 min風速大多數(shù)月份呈負相關，在春季和夏初卻呈正相關。這可能和春季多大風，地表干燥，風速大時容易起揚沙有關；另外，風速大時，外地污染物遠距離傳輸也是因素之一。C(PM10)與溫度大多數(shù)月份呈正相關，只在7月和12月呈負相關；C(PM10)與ΔP24在春季呈正相關，在秋、冬季多呈負相關；C(PM10)與ΔT24大多數(shù)月份呈正相關，只有3月是負相關。

表2 2015—2016年新鄉(xiāng)各月氣象要素與C(PM10)的相關性

4.3 C(O3)與氣象因子的相關性

逐月計算6個氣象因子與C(O3)的相關性(見表3)，發(fā)現(xiàn)C(O3)與C(PM10)和C(PM2.5)的規(guī)律不同：C(O3)與溫度、10 min風速在所有月份均呈正相關，溫度越高，10 min風速越大，C(O3)越高；C(O3)和ΔT24在絕大多數(shù)月份呈正相關，只在2月和11月沒有通過顯著性檢驗；C(O3)與相對濕度在所有月份均呈負相關，相對濕度越大，C(O3)越低；C(O3)與海平面氣壓在大多數(shù)月份呈負相關，氣壓越高，C(O3)越低，只在1月和7月呈正相關，3月和11月沒通過顯著性檢驗；C(O3)與ΔP24的關系沒有規(guī)律可循，其中有5個月不相關，1、5、8、10月負相關，而2、7、11月正相關。

表3 2015—2016年新鄉(xiāng)各月氣象要素與C(O3)的相關性

5 結論

(1)新鄉(xiāng)市首要污染物主要為PM2.5、PM10、O3。C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)均存在明顯的月際變化，C(PM2.5)和C(PM10)， 1月是峰值(或次峰值)，然后逐漸下降，8月達到谷值；隨后緩慢升高，進入采暖季后快速上升，12月攀升到次峰值(或峰值)。C(O3)則相反，1月是谷值(或次谷值)，然后逐漸上升，6月達到峰值；隨后開始下降，12月達到次谷值(或谷值)。從季節(jié)變化上看，C(PM2.5)和C(PM10)都是冬季最高，夏季最低；C(O3)則是夏季最高，冬季最低。在大氣環(huán)境治理管控中，建議冬半年重點關注PM2.5和PM10的管控，而夏半年則務必關注O3污染源的治理。

(2)C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3) 與氣溫、相對濕度、海平面氣壓、10 min風速、ΔT24、ΔP24等的相關性各不相同。C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)大多數(shù)月份都與海平面氣壓呈負相關，與ΔT24呈正相關；C(PM2.5)和C(PM10)多數(shù)月份與10 min風速呈負相關。C(PM2.5)與相對濕度絕大多數(shù)月份呈正相關，與ΔP24大多數(shù)月份呈負相關；C(PM10)與相對濕度冬季呈正相關，夏季呈負相關，春、秋兩季規(guī)律不明顯，與ΔP24春季呈正相關，秋、冬季多呈負相關。C(O3)與溫度、10 min風速在所有月份都呈正相關，與相對濕度在所有月份都呈負相關，與ΔP24沒有規(guī)律可循。