蕪湖市灣沚區(qū)空氣質(zhì)量變化特征及其與氣象條件的關(guān)系

徐蕓皎，李 鸞

1.安徽省蕪湖市灣沚區(qū)氣象局，安徽蕪湖 241100；2.安徽省蕪湖市氣象局，安徽蕪湖 241000

空氣污染對(duì)公眾健康構(gòu)成較大威脅[1-2]，成為影響人們生活的重要事件，不僅受到廣大民眾和科研工作者的關(guān)注，也已成為各地各部門政策制定者最為重視的關(guān)鍵問(wèn)題之一。大氣污染是一個(gè)極為復(fù)雜的現(xiàn)象，污染物的濃度會(huì)受到許多因素的影響，氣象條件作為影響空氣質(zhì)量環(huán)境重要因素之一，制約著大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散和輸送過(guò)程[3]，小到氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等氣象要素，大到空氣湍流、大氣靜穩(wěn)、大尺度天氣系統(tǒng)移動(dòng)等，都會(huì)對(duì)污染物濃度影響顯著。

近年來(lái)，蕪湖地區(qū)的大氣污染問(wèn)題也日益突出[4]。蕪湖地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，而灣沚區(qū)位于蕪湖東南角，蕪湖地區(qū)常年盛行偏東風(fēng)，灣沚的污染程度基本能夠體現(xiàn)蕪湖的空氣質(zhì)量。本研究分析了蕪湖市灣沚區(qū)的污染物及空氣質(zhì)量變化特征，并從風(fēng)、溫、濕、雨氣象要素入手，綜合并量化分析各氣象要素值域范圍內(nèi)空氣質(zhì)量的變化，以期為灣沚，乃至蕪湖的空氣污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來(lái)源及研究方法

本研究整理了蕪湖市灣沚區(qū)空氣質(zhì) 量 監(jiān) 測(cè) 站 的 逐 日PM10、PM2.5、O3、SO2、CO濃度和日平均AQI指數(shù)，以及灣沚國(guó)家基本觀測(cè)站的氣溫、風(fēng)、降水、相對(duì)濕度等資料?？諝赓|(zhì)量指數(shù)AQI是根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）的規(guī)定進(jìn)行分級(jí)。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)蕪湖市灣沚區(qū)2016—2020年各污染物濃度變化和空氣質(zhì)量特征進(jìn)行描述和統(tǒng)計(jì)，分別從年內(nèi)和季節(jié)角度分析其變化特征，利用EXCEL分析空氣質(zhì)量與氣象要素的非線性變化，探討氣象要素在不同區(qū)間范圍內(nèi)對(duì)空氣質(zhì)量AQI的影響變化。

2 空氣質(zhì)量的年際變化

2.1 灣沚空氣污染物的年際變化

灣沚近5年（2016—2020年）的顆粒污染物PM10、PM2.5呈下降趨勢(shì)，而氣態(tài)污染物O3、NO2呈上升趨勢(shì)，SO2變化不大，CO有所下降。由于CO濃度極小，所以氣態(tài)污染物總體呈上升趨勢(shì)。

圖1統(tǒng)計(jì)了近5年各污染級(jí)別的天數(shù)所占百分比和AQI的變化趨勢(shì)，可以看出空氣質(zhì)量良的天數(shù)逐年有明顯上升，輕度污染和重度污染的天數(shù)略有上升，而優(yōu)的天數(shù)明顯下降?？梢?jiàn)空氣質(zhì)量隨著當(dāng)?shù)匕l(fā)展有變差的趨勢(shì)。同時(shí)空氣質(zhì)量年際波動(dòng)受氣象因素影響顯著，2016年、2020年降水量分別偏多77.5%、64.1%，空氣質(zhì)量明顯偏好；2018年高溫日數(shù)偏多，11月底—12月初持續(xù)靜穩(wěn)天氣，擴(kuò)散條件極差，導(dǎo)致空氣質(zhì)量偏差。

圖1 近5年灣沚污染等級(jí)分布

2.2 灣沚空氣污染物的季節(jié)性變化

按照氣象上劃分的四季，即春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12月—翌年2月，統(tǒng)計(jì)各污染物的變化趨勢(shì)。從圖2可以看出，PM10、PM2.5和CO為冬季最高，春季次之，夏季最低；O3為夏季最高，春季次之，冬季最低；NO2為冬季最高，秋季次之，夏季最低；SO2為春季最高，秋季次之，夏季最低。由于SO2、NO2、CO和懸浮顆粒物的主要來(lái)源均為燃燒排放物，故冬季取暖導(dǎo)致該類污染物濃度偏高；O3的主要來(lái)源為汽車尾氣及自然臭氧，且受高溫影響明顯，故夏季濃度最高。

圖2 灣沚空氣污染物的季節(jié)性變化特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，灣沚區(qū)春季和秋季首要污染物多為PM2.5、PM10和O3，夏季首要污染物為O3，冬季首要污染物為PM2.5和NO2。春季平均污染天數(shù)達(dá)26 d，夏季為20 d，秋季為21 d，冬季為24 d，且重度污染天氣80%出現(xiàn)在冬季?？傮w而言，灣沚春季污染天氣頻發(fā)，冬季容易發(fā)生重污染天氣，夏、秋季的空氣質(zhì)量較好。

3 灣沚空氣質(zhì)量與氣象要素的關(guān)系

3.1 空氣質(zhì)量與風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)速越大，代表空氣流動(dòng)性越強(qiáng)，即大氣擴(kuò)散條件越好，越有利于大氣中污染物的擴(kuò)散和稀釋，對(duì)空氣質(zhì)量的改變有明顯作用，呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)風(fēng)速＞3 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量有明顯改善，優(yōu)良天氣增多，中、重度污染天數(shù)減少，但輕度污染天氣有所增加；當(dāng)風(fēng)速為4～5 m/s時(shí)，還出現(xiàn)了1 d重度污染天氣，主要是由于一定的風(fēng)力將上游污染物輸送至本地；當(dāng)風(fēng)速＞5 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)達(dá)到97%，輕度污染的天數(shù)降至3%，無(wú)中、重度污染天氣。

3.2 空氣質(zhì)量與降水及相對(duì)濕度的關(guān)系

降水對(duì)污染物有沉降作用，相對(duì)濕度對(duì)空氣質(zhì)量的影響，主要是通過(guò)各污染物與水汽相結(jié)合，從而會(huì)使空氣污染加劇或減輕。

3.2.1 空氣質(zhì)量與降水的關(guān)系對(duì)比不同降水量級(jí)對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，降水天氣對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良的比率均在90%以上；隨著降水強(qiáng)度的增大，優(yōu)良天氣的比率逐漸增大，當(dāng)降水強(qiáng)度達(dá)到暴雨量級(jí)時(shí)，全部為優(yōu)良等級(jí)天氣。降水天氣過(guò)程發(fā)生時(shí)中度污染以上的天氣比率均不足1% 。

當(dāng)降水量5 mm時(shí)，會(huì)出現(xiàn)中度污染天氣；降水量介于5～10 mm之間時(shí)，輕度污染天氣比率有所上升。說(shuō)明在降水過(guò)程發(fā)生時(shí)，空氣中污染物濃度增加，如果降水強(qiáng)度不夠，未達(dá)到較好的洗刷空氣的效果，強(qiáng)濕度、弱降水的天氣會(huì)使污染物飄浮在空氣中不易擴(kuò)散，容易出現(xiàn)污染天氣。

3.2.2 空氣質(zhì)量與相對(duì)濕度的關(guān)系相對(duì)濕度較低時(shí)，地表粉塵和建筑粉塵極易被風(fēng)帶起，它們與空氣中的水汽相結(jié)合形成煙霧，這種煙霧不易擴(kuò)散，不易沉降，空氣質(zhì)量隨之變差；相對(duì)濕度較大時(shí)空氣質(zhì)量會(huì)明顯好轉(zhuǎn)，因?yàn)橥ǔＯ鄬?duì)濕度大意味著有雨雪天氣出現(xiàn)，能夠?qū)⑽廴疚餂_刷；但當(dāng)相對(duì)濕度大且無(wú)降水時(shí)，大氣穩(wěn)定，污染物濃度急劇上升，容易出現(xiàn)重污染天氣。隨著相對(duì)濕度降低，污染頻率也隨之增加；相對(duì)濕度大于90%時(shí)，優(yōu)良天氣的比率最大，但重度污染天氣的比率也是最大的。

3.2.3 空氣質(zhì)量與降水及相對(duì)濕度的綜合關(guān)系 綜合考慮降水與相對(duì)濕度對(duì)空氣質(zhì)量的共同影響，5 mm的降水天氣和＞90%的高濕天氣容易出現(xiàn)空氣污染，尤其當(dāng)濕度＞90%，大雨量級(jí)都不能對(duì)空氣造成好的洗刷效果；當(dāng)相對(duì)濕度介于80%～89%之間、降水量5 mm時(shí)，污染天數(shù)占比最大，空氣質(zhì)量最差（圖3）。

圖3 相對(duì)濕度、降水對(duì)空氣污染的共同影響

3.3 空氣質(zhì)量與溫度的關(guān)系

近地層空氣溫度的高低對(duì)空氣質(zhì)量也有顯著的影響。氣溫低于0℃時(shí)，污染天氣出現(xiàn)頻率最高。冬季光照較弱，日照時(shí)間較短，氣溫較低，大氣對(duì)流不活躍，易形成逆溫且維持時(shí)間較長(zhǎng)，不利于污染物擴(kuò)散，易造成空氣污染；日平均氣溫為10℃～15℃時(shí)，重度污染天氣出現(xiàn)的頻率最高，也是優(yōu)良天氣占比最大的時(shí)候，此時(shí)多處于冬末春初或秋末冬初，顆粒物為首要污染物，易出現(xiàn)重污染天氣；日平均氣溫為20℃～30℃時(shí)，污染頻率最高，但多為輕度和中度污染，因?yàn)榇藭r(shí)的首要污染物為O3，氣溫與O3濃度變化成極顯著正相關(guān)性，但O3不會(huì)形成重污染天氣；日平均氣溫＞30℃時(shí)，污染頻率再次降低。

4 結(jié)論

本文研究表明：蕪湖市灣沚區(qū)空氣質(zhì)量以優(yōu)良和輕度污染天氣為主，中度及重度污染天氣占全年的4%。近5年灣沚的空氣質(zhì)量呈波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)，顆粒污染物呈逐年下降趨勢(shì)，氣態(tài)污染物呈上升趨勢(shì)。灣沚春季污染天氣頻發(fā)，冬季容易發(fā)生重污染天氣，秋季的空氣質(zhì)量最佳。春季和秋季首要污染物多為PM2.5、PM10和O3，夏季首要污染物為O3，冬季首要污染物為PM2.5和NO2。

灣沚空氣質(zhì)量變化與風(fēng)速、降水、相對(duì)濕度和氣溫都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。風(fēng)可以增加空氣流動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量較差，容易出現(xiàn)重度污染天氣；風(fēng)速＞5 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)達(dá)到97%。

降水有較好的沉降作用，降水量5 mm時(shí)則會(huì)出現(xiàn)中度污染天氣；降水量介于5～9.9 mm之間時(shí)，輕度污染天氣比率有所上升；隨著降水強(qiáng)度的增大，優(yōu)良天氣的比率逐漸增大，當(dāng)降水強(qiáng)度達(dá)到暴雨量級(jí)時(shí)，全部為優(yōu)良等級(jí)天氣。

相對(duì)濕度60%時(shí)，優(yōu)良天氣的比率增加，污染天數(shù)下降；相對(duì)濕度＞90%時(shí)，優(yōu)良天氣的比率最大，但重度污染天氣的比率也是最大的；綜合考慮降水與相對(duì)濕度對(duì)空氣質(zhì)量的共同影響，當(dāng)相對(duì)濕度介于80%～89%之間、降水量5 mm時(shí)，輕度、中度污染天數(shù)占比最大，優(yōu)良天氣的比率最小。

氣溫對(duì)空氣質(zhì)量的影響主要是通過(guò)大氣對(duì)流活動(dòng)間接影響，以及氣溫對(duì)O3的直接影響而形成的，當(dāng)日平均氣溫15℃時(shí)，易出現(xiàn)由顆粒物聚集導(dǎo)致的重度污染天氣；當(dāng)日平均氣溫＞20℃后轉(zhuǎn)為由O3累積導(dǎo)致的輕度和中度污染天氣。