錦州市大氣顆粒物數(shù)與氣象條件的關(guān)系

王琪越 王淼 高莉莉

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：王琪越（1993—），女，吉林長春人，主要從事地面綜合觀測及相關(guān)服務(wù)等工作。#通信作者：高莉莉（1989—），女，遼寧錦州人，主要從事空氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)系及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)等工作，E-mail：qsazsa@163.com。

摘 要：采用2020—2021年環(huán)境氣象數(shù)據(jù)（PM2.5、PM10）及氣象條件數(shù)據(jù)（大氣壓強、海平面氣壓、空氣溫度、露點溫度、相對濕度、平均風(fēng)速）日值分別分析了錦州市各污染物月變化和日變化情況，應(yīng)用羅氏法計算該地區(qū)大氣混合層厚度并分析其與PM2.5、PM10濃度的關(guān)系、大氣污染物擴散的主要氣象因子影響程度方程。結(jié)果表明：大氣環(huán)境是連續(xù)且錯綜復(fù)雜的，需同時考慮多種氣象條件，降維方程F1值為19.3、15.3左右時，溫度、露點溫度及相對濕度對PM2.5、PM10的影響程度達(dá)到最大，風(fēng)速對污染物濃度的影響較為復(fù)雜，隨著風(fēng)速增加，PM2.5、PM10濃度逐漸下降，當(dāng)風(fēng)速在2.5 m/s左右時，風(fēng)速增加也會增加空氣中污染物濃度，當(dāng)風(fēng)速過大（4 m/s左右時）風(fēng)速的增加會使PM2.5聚集成更大顆粒物，此時PM2.5濃度有所下降，PM10濃度隨即快速增加，風(fēng)速達(dá)5.3 m/s左右時，PM2.5濃度幾乎為0。

關(guān)鍵詞：PM2.5；PM10；氣象條件；大氣混合層厚度；因子分析

中圖分類號：X513 文獻標(biāo)識碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

大氣污染物會對大氣環(huán)境、人們的生產(chǎn)生活造成不良影響，尤其是可吸入顆粒物可攜帶大氣中有害物質(zhì)進入呼吸系統(tǒng)，對人體造成極大傷害[1]。大氣顆粒物的濃度變化受許多因素影響，為了獲得具有代表性的數(shù)據(jù)必須做長期觀測，排除偶然事件的干擾。

大氣污染物的稀釋、擴散、輸送過程受氣象因素影響，影響最大的主要氣象因子有風(fēng)、溫度、氣壓、相對濕度、降水等[2-7]。慕彩云等[8]分別就風(fēng)向、風(fēng)速、降水、氣溫、氣壓、相對濕度對可吸入顆粒物（PM10）做影響分析，得出各單因子對可吸入顆粒物的影響曲線及臨界值。

不同地區(qū)大氣顆粒物濃度及種類有較大差異，大氣混合層厚度是大氣污染物擴散稀釋能力強弱的前提條件，隨著經(jīng)緯度的不同，各地區(qū)大氣混合層厚度也存在明顯差異，PM2.5、PM10濃度能反映出大氣顆粒物數(shù)情況，大氣環(huán)境是錯綜復(fù)雜、互相影響的，單一分析某一種氣象要素與污染物的關(guān)系具有一定的局限性。

擬對PM2.5、PM10濃度年、季節(jié)、月變化情況做比較分析，應(yīng)用羅氏法計算大氣混合層厚度，得出該地區(qū)PM2.5、PM10濃度與各氣象要素及大氣混合層厚度的關(guān)系曲線；根據(jù)各氣象因子的正負(fù)相關(guān)性將多種影響較大的氣象要素做統(tǒng)計因子降維分析，再將2個降維方程與大氣首要污染物（PM2.5、PM10）做影響程度的擬合方程。有研究結(jié)果表明，一定風(fēng)速對污染物有清除作用，而風(fēng)速過大又會吹起揚沙、浮塵，進而加重大氣污染。因此，在保持綜合多種氣象要素（包含風(fēng)速）的因子降維分析基礎(chǔ)上，分析風(fēng)速對大氣首要污染物的最優(yōu)影響程度方程，以期得出氣象因素對大氣首要污染物影響的各臨界值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域特征

錦州市（121°51′E，41°31′N）位于遼寧省中西部，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，主汛期為7月下旬至8月上旬。

1.2 數(shù)據(jù)來源及內(nèi)容

應(yīng)用到的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)源自中國環(huán)境監(jiān)測總站官網(wǎng)，包括錦州市近三年大氣顆粒物（PM2.5、PM10）的小時濃度。氣象數(shù)據(jù)來源于CiMiSS數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)，包括近三年錦州市大氣壓強、海平面氣壓、空氣氣溫、露點溫度、相對濕度、平均風(fēng)速的小時均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 2021年P(guān)M2.5、PM10濃度季節(jié)、月變化特征及其與氣象要素的關(guān)系

污染物排放量一定時，氣象條件的改變可造成近地面污染物濃度發(fā)生顯著變化[9]。由于混合層厚度受多種氣象因素影響，也是反映大氣垂直擴散能力的重要參數(shù)，因此，研究其與PM2.5、PM10濃度的相關(guān)性對進一步分析大氣顆粒物數(shù)與氣象條件的關(guān)系是十分必要的。為了更清晰說明大氣混合層厚度與PM2.5、PM10濃度的關(guān)系，按季度、月討論各氣象要素（大氣壓強、海平面氣壓、空氣溫度、露點溫度、相對濕度、平均風(fēng)速）及大氣混合層厚度與PM2.5、PM10濃度之間的關(guān)系。

圖1給出各季度（根據(jù)氣象意義上各季度劃分標(biāo)準(zhǔn)：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—翌年2月為冬季）及各月氣象要素與PM2.5、PM10濃度變化關(guān)系。

PM2.5、PM10濃度季節(jié)變化為冬季最高，春秋次之，夏季最低；而PM2.5、PM10濃度月變化呈高低循環(huán)態(tài)勢，同一月中PM10濃度始終高于PM2.5濃度值。

氣象要素與PM2.5、PM10濃度關(guān)系，在季節(jié)變化上，

與大氣壓強、海平面氣壓呈正相關(guān)，與空氣溫度、露點溫度、相對濕度、大氣混合層厚度呈負(fù)相關(guān)，分析得出大氣混合層厚度年變化特征與吳祖常等[10]研究結(jié)論基本一致，且大氣混合層厚度與PM10濃度的負(fù)相關(guān)性明顯高于PM2.5濃度，平均風(fēng)速對兩者濃度影響較復(fù)雜。在月變化上，各氣象要素與PM2.5、PM10濃度均保持較好的正、負(fù)相關(guān)變化頻率。

2.2 影響大氣顆粒物濃度的各氣象因子分析

對各氣象因子做統(tǒng)計降維分析，再將降維方程與大氣污染物擬合得到最優(yōu)影響程度曲線，以便綜合討論各氣象因子對PM2.5、PM10濃度變化的影響。

已有研究表明，一定風(fēng)速時，隨著風(fēng)速增大，PM2.5、PM10濃度降低；當(dāng)超過某個臨界值時，隨著風(fēng)速增大會出現(xiàn)揚沙、浮塵天氣，空氣質(zhì)量進而變差。因此，在降維方程考慮了風(fēng)速后，再單獨將風(fēng)速與PM2.5、PM10做擬合曲線，模擬效果更好。

經(jīng)降維分析得出降維方程：

F1=0.468T+0.481Td+0.352RH

F2=0.271P+0.262P0（1）

式（1）中，T為空氣溫度；Td為露點溫度；RH為相對濕度；P為大氣壓強；P0為海平面氣壓

經(jīng)檢驗，氣象條件對PM2.5、PM10的影響程度與降維方程F1、F2、風(fēng)速V的最優(yōu)擬合曲線分別為：

PM2.5=42.196+1.197F1-0.031F12，R2=0.126，P=0.000

PM2.5=1.737F2-891.8，R2=0.067，P=0.000

PM2.5=118.062-90.029V+32.350V 2-3.689V 3，R2=0.034? ? P=0.007

PM10=74.148+1.162F1-0.038F2，R2=0.200，P=0.000

PM10=1.286F2-625.6，R2=0.025，P=0.003

PM10=107.692-42.062V+9.112V 2，R2=0.039，P=0.001

（2）

由圖2可知，隨著溫度及濕度增加，污染物會吸濕增長，PM2.5、PM10值不斷升高。當(dāng)F1值為19.3左右時，溫度、露點溫度及相對濕度對PM2.5的影響程度達(dá)到最大；當(dāng)F1超過臨界值19.3時，PM2.5濃度反而下降；當(dāng)F1值為15.3左右時，溫度、露點溫度及相對濕度對PM10的影響程度達(dá)到最大；當(dāng)F1超過臨界值15.3時，PM10濃度反而下降。是因為當(dāng)溫度及相對濕度達(dá)到一定值時會凝結(jié)至雨，此時污染物濃度降低。F1對PM2.5和PM10的影響程度分別約為53.7%、83.1%。

氣壓高低與大氣環(huán)流形勢密切相關(guān)，氣壓對污染物濃度影響呈顯著線性正相關(guān)，隨著大氣壓升高，污染物濃度逐漸增大。

風(fēng)速對污染物濃度有一定稀釋作用，隨著風(fēng)速增加，PM2.5、PM10濃度逐漸下降，風(fēng)速達(dá)2.5 m/s左右時，隨著風(fēng)速增加空氣中污染物濃度也會增加，當(dāng)風(fēng)速過大（達(dá)到4 m/s左右時）風(fēng)速的增加會使PM2.5聚集成更大顆粒物，此時PM2.5濃度有所下降，PM10濃度隨即快速增加，風(fēng)速達(dá)5.3 m/s左右時，PM2.5濃度幾乎為0。風(fēng)速對PM2.5影響程度為25%～45%、對PM10的最小影響程度約為60%。

應(yīng)用2019年環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)及氣象條件數(shù)據(jù)檢驗上述結(jié)論，根據(jù)環(huán)境氣象中污染天氣分類（優(yōu)、良、輕、中、重度污染），經(jīng)檢驗上述結(jié)論準(zhǔn)確率為76.2%。

3 結(jié)論

PM2.5濃度季節(jié)變化：冬季最高、春秋次之、夏季最低；而PM2.5濃度月變化呈高低循環(huán)態(tài)勢，同一月中PM10濃度始終高于PM2.5濃度值。大氣環(huán)境是連續(xù)且錯綜復(fù)雜的，需綜合考慮多種氣象條件，降維方程F1值為19.3左右時，溫度、露點溫度及相對濕度對PM2.5的影響程度達(dá)到最大，F(xiàn)1對PM2.5和PM10的最大影響程度分別約為53.7%、83.1%；F2（大氣壓強、海平面氣壓）對污染物濃度影響呈顯著線性正相關(guān)，隨著大氣壓的升高，污染物濃度逐漸增大；風(fēng)速對污染物濃度的影響較為復(fù)雜，隨著風(fēng)速的增加，PM2.5、PM10濃度逐漸下降，當(dāng)風(fēng)速在2.5 m/s左右時，隨著風(fēng)速增加空氣中污染物濃度也會增加，當(dāng)風(fēng)速過大（達(dá)到4 m/s左右時）風(fēng)速的增加會使PM2.5聚集成更大顆粒物，此時PM2.5濃度有所下降，PM10濃度隨即快速增加，風(fēng)速達(dá)5.3 m/s左右時，PM2.5濃度幾乎為0，風(fēng)速對PM2.5影響程度在25%～45%、對PM10的影響最低值約為60%。

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