王桂紅

（周口市氣象局，河南周口 466000）

國外有關大氣污染物的研究起步相對較早，1988年，Chow和Watson［1］通過對氣溶膠監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)在夏秋季節(jié)較干燥的條件下，灰塵、粗顆粒鐵濃度會變高. 近年來，國內(nèi)對此方面的課題研究逐漸增多，有關研究表明，在短時間范圍內(nèi)城市環(huán)境變化較小，空氣污染狀況主要受內(nèi)外兩個因素共同影響，外因是污染源，內(nèi)因是氣象條件［2］. 在污染源相對穩(wěn)定的情況下，氣象條件對污染物的稀釋、擴散、輸送和轉(zhuǎn)化等過程影響比較大，常常作為重要影響因子受到研究者的青睞［3-4］. 目前，國內(nèi)有關空氣質(zhì)量與氣象條件之間關系的研究范圍主要集中在京津冀、長三角等地區(qū)［5-8］，近幾年也對主要城市群和重點城市相關的空氣質(zhì)量指數(shù)特征進行分析［9-12］，研究的對象多為PM2.5和PM10等污染物，主要分析其在不同時間尺度和某一關注時間段的特征. 這些研究成果能為研究區(qū)大氣污染治理提供依據(jù)，但由于各地在氣象條件、地理位置和經(jīng)濟結(jié)構等方面都存在著差異，故其他地區(qū)的研究成果還不能完全解釋鄭州市的空氣質(zhì)量問題.

鄭州是河南省的省會城市，位于河南省中部偏北（112°42′～114°14′E，34°16′～34°58′N），下轄6區(qū)5市1縣，總面積7446 km2，總地勢為西南高、東北低. 屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫15.6 ℃，多年平均降雨量542.15 mm. 鄭州是中部區(qū)域重要的中心城市和國家重要的綜合交通樞紐，經(jīng)濟發(fā)展迅速、人口密集程度高，大氣污染問題相對較嚴重. 李尉卿等［13］從時間和空間上對鄭州市春節(jié)期間的大氣污染物濃度變化特征進行研究，發(fā)現(xiàn)PM2.5和PM10濃度受各項氣象因素的直接影響. 朱玉周等［14］對鄭州市空氣質(zhì)量狀況及冬季持續(xù)污染過程的機理進行了分析，指出持續(xù)多日平均風速小、出現(xiàn)逆溫是鄭州市持續(xù)污染的主要原因. 目前，長時間尺度上，對鄭州市空氣質(zhì)量與多種氣象要素之間關系的系統(tǒng)研究成果較少.

利用2016—2020年鄭州市空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI）逐日數(shù)據(jù)和同期常規(guī)氣象觀測資料，分析鄭州環(huán)境空氣質(zhì)量的月、季、年變化特征及其與主要氣象要素的相互關系，從而為全面了解鄭州市空氣質(zhì)量狀況、大氣污染防控治理、政府部門決策提供科學參考依據(jù).

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

AQI和6種污染物數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站（http：//www.cnemc.cn/），時間范圍為2016—2020年. 氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http：//data.cma.cn），時間范圍為2016—2020年，包括20—翌日20時逐日降水量、逐日平均氣溫、逐日平均相對濕度、逐日平均風速.

1.2 研究方法

1.2.1 空氣質(zhì)量等級劃分法 根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）［15］，AQI是一種無量綱指數(shù)，能夠定量描述空氣質(zhì)量的真實情況，參與空氣質(zhì)量評價的指標主要有二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）6種污染物. 此規(guī)定對空氣質(zhì)量分指數(shù)也進行了定義，目的是為了對某一項污染物進行描述，各項污染物空氣質(zhì)量指數(shù)的最大值即為AQI，以下為其表達式：

式中：IAQIn表示空氣污染物n的空氣質(zhì)量指數(shù)，該數(shù)值越高，表明空氣質(zhì)量狀況越差；反之，則越好. 文獻［15］將我國城市AQI劃分為6個等級，對應空氣質(zhì)量的6個級別（表1）.四季劃分采用氣象學標準：3—5月為春季；6—8月為夏季；9—11月為秋季；12月至翌年2月為冬季. 月、季、年AQI數(shù)據(jù)通過對逐日AQI數(shù)據(jù)進行算術平均獲得.

表1 AQI等級劃分Tab.1 AQI air quality grade division

1.2.2 Pearson 相關分析法 Pearson 相關系數(shù)常用來衡量定距變量間的線性關系并進行相關性檢驗，是統(tǒng)計學中比較常用的一種方法［16］，本文用來分析鄭州市AQI 與所研究氣象要素之間的相關關系. 在進行樣本相關關系分析中，給定AQI 值X=(x1,x2,…,xn)，氣象要素值Y=(y1,y2,…,yn)，則X與Y間的Pearson相關系數(shù)可用以下公式表示：式中：xˉ和yˉ分別為X和Y的樣本平均值；xi和yi分別為兩個樣本的變量值；r＞0 表示兩個樣本之間呈正相關，r＜0 表示兩個樣本之間呈負相關，絕對值越大表明相關程度越大.

2 結(jié)果與分析

2.1 年際變化規(guī)律

根據(jù)AQI 等級分類標準（表1），對2016—2020年鄭州市AQI逐日數(shù)據(jù)進行分級，并計算出每個污染等級天數(shù)占全年天數(shù)的百分比（圖1）.結(jié)果表明，2016—2020年各年空氣質(zhì)量級別所占比例差別很大，其中占比最高的為良級別，高達49%，優(yōu)級別的天數(shù)占4.8%，輕度污染以上即為達到污染級別，占比為46.2%.

由逐年變化情況（圖1）可以看到，2016—2020年（2019年除外），鄭州空氣質(zhì)量逐漸變好，空氣質(zhì)量優(yōu)和良的比例均呈上升趨勢，空氣質(zhì)量達到優(yōu)良的比例呈現(xiàn)逐年上升趨勢，從2016 年的43.6%上升到2020 年的63.1%；出現(xiàn)輕度污染天數(shù)最多的年份在2019年；達到中度污染級別以上等級最多的年份均在2016年，2020年全年無嚴重污染天氣出現(xiàn). 總體來說，2016年空氣質(zhì)量最差，2020年空氣質(zhì)量最好.

圖1 2016—2020年鄭州市逐年空氣質(zhì)量等級比例分布Fig.1 Proportional distributions of annual air quality grade in Zhengzhou from 2016 to 2020

2.2 季節(jié)變化規(guī)律

將鄭州市AQI數(shù)值按照季節(jié)時間尺度進行統(tǒng)計分析（圖2）不難發(fā)現(xiàn)，鄭州市空氣冬季AQI平均值144.1，為輕度污染；春季次之，AQI 平均值102.4，為輕度污染；夏季和秋季AQI 平均值較低，空氣質(zhì)量良好. 根據(jù)2016—2020 年的AQI不同季節(jié)變化可知，這5年來冬春兩季AQI有明顯降低趨勢，夏季和秋季AQI平均值變化不明顯. 從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，夏季標準差最小，AQI 數(shù)據(jù)最穩(wěn)定；冬季標準差最大，AQI 數(shù)據(jù)波動性最大，冬季容易出現(xiàn)重污染天氣. 綜上所述，鄭州市空氣質(zhì)量秋季最好，冬季最差.

圖2 2016—2020年AQI季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variations of AQI from 2016 to 2020

2.3 月變化規(guī)律

總體來看，2016—2020年以來，鄭州市AQI月平均值變化呈“U”型分布，其中1—4月、4—6月、6—10 月、10—12 月分別呈下降、上升、下降、上升趨勢（圖3）. 從全年看，1月AQI 平均值最高，為168，空氣質(zhì)量最差；10 月AQI 平均值最低，為82，空氣質(zhì)量最好. 研究期間，鄭州市空氣質(zhì)量污染數(shù)值出現(xiàn)比較大的差異，良好月份占41.7%，輕度污染月份占48.3%，中度和重度污染月份占10.0%.

圖3 2016—2020年AQI逐月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of AQI from 2016 to 2020

為了進一步了解各種空氣質(zhì)量級別在月、季內(nèi)的分布規(guī)律，對月、季AQI 各種污染級別所占比例進行細分（表2）. 從月變化看，2016—2020年，鄭州市10月空氣質(zhì)量全年最佳，達到優(yōu)良級別的天氣近80%；4月、7月、8月和9月空氣質(zhì)量相對較好，未出現(xiàn)中度及以上污染，輕度污染以上占比在7%以下，60%以上的天氣為優(yōu)良. 全年空氣質(zhì)量較差的月份是1 月、2 月和12 月，其中1 月嚴重污染天氣最多，沒有優(yōu)級別的天氣，空氣質(zhì)量全年最差.

表2 2016—2020年鄭州市月、季空氣質(zhì)量等級比例Tab.2 Proportions of monthly and seasonal air quality grades in Zhengzhou from 2016 to 2020 單位：%

從季節(jié)尺度上分析，秋季空氣質(zhì)量最佳，春季次之，春夏秋季均未出現(xiàn)嚴重污染級別天氣；僅冬季出現(xiàn)嚴重污染級別天氣，空氣質(zhì)量最差，輕度及以上污染級別占天氣一半以上，為59.9%，達到優(yōu)良級別的天氣占比僅為40.1%.

2.4 污染物變化特征

為進一步了解鄭州市各種空氣污染物的分布規(guī)律，按照文獻［15］中的規(guī)定，對影響AQI的6種主要污染物（NO2、PM10、SO2、PM2.5、O3和CO）進行研究. 文獻［15］中對首要污染物進行了定義，即污染物需要滿足兩個條件，一是AQI 數(shù)值大于50，二是該污染物在6種主要污染物中AQI最大. 對研究期間鄭州市首要污染物進行統(tǒng)計分析（表3）可以看出，2016—2020 年鄭州市空氣中首要污染物以O3和PM2.5為主，其次是PM10，然后是NO2，未出現(xiàn)以CO和SO2為首要污染物的情況. 其中首要污染物PM10的比例呈逐年下降趨勢（2019年除外），由2016 年的26.4%下降到2020年的16.5%，說明鄭州市對可吸入顆粒物PM10防治取得顯著效果；而O3為首要污染物所占比則呈上升趨勢，從2016年的30.0%上升到2020年的40.9%，所以鄭州市下一步要重點加強對O3污染物的防治和治理.

表3 2016—2020年鄭州市空氣中首要污染物出現(xiàn)天數(shù)占比Tab.3 Proportions of days in which primary pollutants appeared in Zhengzhou from 2016 to 2020 單位：%

從各月分布情況來看（表4），污染物PM2.5和O3具有一定的規(guī)律，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性分布特點. 2016—2020 年，PM2.5主要集中在冬季，而O3主要集中在夏季. 冬季出現(xiàn)PM2.5污染嚴重的原因主要有氣象因素和人為因素兩點，一是冬季環(huán)流形勢穩(wěn)定，大氣擴散條件差（氣象因素），二是人們用燃氣和電取暖的需求增加，造成可吸入顆粒物的PM2.5升高（人為因素）. 夏季PM2.5減少，O3增加主要受氣象條件影響，PM2.5減少是因為夏季大氣擴散條件好，同時較多的降水對空氣具有明顯的沖刷作用，但是夏季O3增加成為首要污染物，原因主要是由于在較高的溫度下，大氣中的揮發(fā)性有機物和氮氧化物在強烈的紫外光照射下，容易發(fā)生光化學反應，此過程會導致O3濃度升高.

表4 2016—2020年鄭州市首要污染物月分布占比Tab.4 Monthly distribution of primary pollutants in Zhengzhou from 2016 to 2020 單位：%

2.5 空氣質(zhì)量與氣象要素的相關性

由以上分析結(jié)果可知，AQI指數(shù)變化出現(xiàn)了比較明顯的年、季、月分布規(guī)律，這表明空氣質(zhì)量受氣象要素的影響很大，二者有密切聯(lián)系. 為了分析鄭州市空氣質(zhì)量與氣象要素之間的關系，選取4種主要氣象要素，即逐日降水、逐日平均氣溫、逐日平均相對濕度和逐日平均風速，與同一時間段的AQI 進行Pearson 相關性研究，并進行顯著性檢驗（表5）.

表5 2016—2020年鄭州市月、季、年AQI與氣象要素的相關性Tab.5 Correlations between monthly，seasonal and annual AQI and meteorological elements in Zhengzhou from 2016 to 2020

表5為2016—2020年各月、季、年的AQI 與降水、氣溫、相對濕度和風速之間的相關系數(shù)，從表中可以看出，AQI 在不同的時間尺度與各氣象要素的相關關系不盡相同，這是因為各氣象要素在不同時間尺度上具有很大變化.

總的來說，在年、大部分季節(jié)和月份，AQI與降水均表現(xiàn)出負相關關系. 二者在年尺度上呈顯著負相關，這是由于云內(nèi)雨滴可以吸附吸收污染物粒子，同時雨水可以沖刷洗滌污染物，從而導致污染物濃度降低，空氣質(zhì)量得以改善，AQI數(shù)值降低. 從季節(jié)上來看，AQI與春夏秋季均表現(xiàn)出負相關關系，其中夏秋季比較明顯，以6月、8月、10月最為明顯，與冬季相關性不明顯，這可能是由于冬季降水偏少且時空分布不均，這表明降水對降空氣中的低污染物具有一定的積極作用，但降水量級的大小和降水的分布可能對污染物消除也有影響. 對降水天數(shù)與AQI的相關性進一步研究發(fā)現(xiàn)，二者呈顯著負相關（表6），比降水量與AQI的關系更為顯著，年相關系數(shù)達到-0.628. 除3月和12月外，各年、季、月降水日的AQI值均低于無降水日，年平均降水日的AQI值為87，比無降水日低30，差異比較大的AQI值主要集中在夏冬季，其中6月相差最大，AQI值為42，春夏季AQI差異一般在30以下，相對較小. 由此可見，當日降水與否直接關系著AQI值的大小. 故適時開展人工增雨作業(yè)可以在一定程度上凈化空氣，改善空氣質(zhì)量.

表6 2016—2020年鄭州市AQI與降水日數(shù)的月相關性Tab.6 Monthly correlation between AQI and the number of precipitation days in Zhengzhou from 2016 to 2020

在不同時間尺度上，AQI 與氣溫的相關性存在著較大的差異. 從全年看來，鄭州市AQI與氣溫表現(xiàn)出顯著負相關，主要是從1—12月該市氣溫呈“低—高—低”的變化趨勢，而AQI則表現(xiàn)出“高—低—高”的相反變化走向，從而呈現(xiàn)出顯著負相關性. 這是因為大氣湍流活動隨氣溫升高會加強，使污染物在低層垂直方向上得以稀釋和擴散，進一步導致AQI下降. 從季節(jié)尺度來看，春夏季節(jié)AQI 與氣溫呈顯著正相關，這可能與冷暖氣團的活動有一定的關系，因為暖氣團過境時，會升高氣溫而積累大量污染物，冷空氣過境時，會降低氣溫且常同時伴有風，有利于污染物的擴散，冷暖氣團活動常在夏季頻繁出現(xiàn)；秋季AQI 與氣溫呈負相關，但相關性不太明顯. 從月尺度來看，AQI與氣溫呈顯著正相關，表現(xiàn)最為明顯的是4月、5月、6月及9月，春夏季節(jié)冷暖氣團的活動與此規(guī)律可能相關.

在不同月份，AQI與相對濕度之間存在著不同的相關性，12月、1月和2月（冬季），表現(xiàn)為明顯正相關，而4—10月則為顯著負相關. 研究發(fā)現(xiàn)［17-18］，冬春季空氣干燥，污染物濃度與相對濕度呈正相關，而在其他季節(jié)，兩者呈負相關. 當相對濕度較小時，它的上升在一定程度上會對污染物顆粒增長具有聚集作用，如果相對濕度繼續(xù)上升到接近飽和程度，此時對污染物顆粒的清除作用比較明顯. 鄭州市夏秋季相對濕度較大，高濕氣候條件有利于產(chǎn)生雨水天氣，濕沉降作用優(yōu)于污染物粒子的吸濕增長作用，使污染物濃度降低；鄭州冬春季空氣干燥，濕度相對較小，濕清除作用明顯小于濕沉降作用，導致AQI增大. 這和朱紅蕊等［19］對哈爾濱市污染物濃度與相對濕度的相互關系結(jié)果一致，當相對濕度大于80%時，降水對污染物的清除作用更加明顯.

風速在全年尺度上與AQI負相關關系比較顯著，特別是秋冬季節(jié)更為明顯，其中1月、2月、12 月尤為突出，冬季風速與AQI之間相關系數(shù)高達-0.383. 風速的大小直接影響著大氣的水平擴散能力，大風天氣對污染物的擴散比較有利，鄭州市在秋冬季節(jié)常出現(xiàn)大風天氣，風速增加對污染物起到顯著的稀釋擴散作用，進而使AQI降低. 這與郭黎等［20］的研究結(jié)果相一致，風速的增大對污染物的清除作用較為明顯，致使大氣污染物濃度下降.

3 結(jié)論

根據(jù)2016—2020年鄭州市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和同期氣象數(shù)據(jù)，對該市空氣質(zhì)量變化規(guī)律及其與主要氣象要素之間的關系進行分析研究，結(jié)果如下：

1）2016—2020年（2019年除外），鄭州市空氣質(zhì)量逐年變好，空氣質(zhì)量優(yōu)良的天數(shù)所占的比例均逐年上升，占比例最高的為良級別，高達49%，達到優(yōu)的天數(shù)占4.8%，輕度污染以上即為達到污染級別，所占比例為46.2%. 2020年空氣質(zhì)量優(yōu)良的天數(shù)占比63.1%. 從季節(jié)上來看，鄭州市夏秋兩季整體空氣質(zhì)量較好，冬季最差（平均達到輕度污染）. 空氣質(zhì)量1—12 月呈U 型分布，兩頭高中間低，1 月、2 月、12 月空氣質(zhì)量較差，其中1月全年最差. 10月空氣質(zhì)量全年最佳，達到優(yōu)良級別的天數(shù)近80%.

2）鄭州市近2016—2020年空氣中首要污染物以O3和PM2.5為主，未出現(xiàn)以CO 和SO2為首要污染物的情況. 總的來說，首要污染物為PM10的比例呈逐年下降趨勢，說明鄭州市對可吸入顆粒物PM10防治取得顯著效果；而O3為首要污染物所占比例則呈上升趨勢，所以下一步要重點加強對O3污染物的防治和治理. 從各月分布情況來看，污染物PM2.5和O3具有明顯季節(jié)性分布特點，PM2.5主要集中在冬季，而O3主要集中在夏季，這與氣象因素和人為因素密切相關.

3）AQI與降水量在年、大部分季節(jié)和月份表現(xiàn)為負相關關系，降水天數(shù)與AQI呈顯著負相關，年相關系數(shù)達到-0.628，比降水量與AQI關系顯著. 不同月份，相對濕度與AQI之間相關性不同，1月、2月、12月為明顯正相關，而其他月份則為顯著負相關. AQI與氣溫之間的關系在不同時間尺度上差異較大，年尺度及秋季呈負相關，春夏冬季及月尺度為正相關. AQI與風速之間呈較為明顯的負相關關系，秋冬季節(jié)相關性尤為顯著.

4）在污染源穩(wěn)定的條件下，氣象條件對空氣質(zhì)量具有直接的影響作用. 因此，可利用氣象要素與AQI之間的關系建立模型，從而根據(jù)天氣預報提前判斷空氣質(zhì)量狀況，以供大氣污染防治和政府決策部門進行參考. AQI與降水量在年、大部分季節(jié)和月份表現(xiàn)為負相關關系，且與當日是否產(chǎn)生降水有密切關系，故可以適時開展人工增雨作業(yè)，改善空氣質(zhì)量.