成都市大氣顆粒物污染特征及與氣象因子的關(guān)聯(lián)性分析*

孫歡歡 倪長健 崔 蕾 周智敏,2 周如雨

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225；2.中國科學(xué)院大氣物理研究所，國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京 100029；3.龍海市氣象局，福建 漳州 363100)

近年來，我國許多城市大氣顆粒物濃度超標(biāo)。高濃度的大氣顆粒物能引發(fā)灰霾[1]，危害人體健康[2-5]。因此，加大力度監(jiān)測大氣顆粒物，分析研究其污染特征勢在必行。迄今為止，圍繞大氣顆粒物污染和氣象因子的關(guān)聯(lián)性已展開了一系列研究。TAI等[6]分析表明，北美地區(qū)PM2.5濃度與PM10濃度的相關(guān)性顯著，且均為相對濕度、降雨量、氣溫等氣象因子的函數(shù)[7]。周兆媛等[8]193-195和李金娟等[9]94通過研究發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物濃度與相對濕度、降雨量、氣溫、風(fēng)速和氣壓等氣象因子密切相關(guān)，且大氣顆粒物還能直接或間接影響到氣象因子的變化[10]。趙晨曦等[11]進(jìn)一步研究指出，北京市冬季大氣顆粒物濃度與相對濕度、氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

成都市受特殊地形和氣候的影響，大氣顆粒物的擴(kuò)散受到限制，使成都市大氣顆粒物污染嚴(yán)重[12]1434,[13]，而針對成都市大氣顆粒物與氣象因子的關(guān)聯(lián)性缺乏系統(tǒng)分析。因此，本研究利用成都市PM2.5、PM10濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析大氣顆粒物污染特征及其與氣象因子的關(guān)聯(lián)性，以期為成都市大氣環(huán)境規(guī)劃和管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

2013年6月至2014年5月成都市人民南路四段的PM2.5、PM10逐時(shí)濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)由成都市某環(huán)境監(jiān)測站提供；同期氣溫、相對濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因子觀測數(shù)據(jù)由成都市溫江區(qū)某氣象站提供。成都市人民南路四段位于成都市中軸線南半軸上，集中了各大企事業(yè)單位以及商鋪?zhàn)≌侨丝?、車流稠密的交通、商業(yè)和行政區(qū)；成都市溫江區(qū)某氣象站周圍均為農(nóng)田，存在少量住宅，為國家基準(zhǔn)氣候站之一。

2 大氣顆粒物污染特征分析

2.1 大氣顆粒物污染狀況

成都市大氣顆粒物的日均質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可得，2013年6月至2014年5月，夏季、秋季、冬季和春季的PM10平均質(zhì)量濃度依次為94、158、225、154 μg/m3， PM2.5平均質(zhì)量濃度依次為65、94、147、86 μg/m3。PM10和PM2.5濃度均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度分別為161、99 μg/m3，遠(yuǎn)超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度二級標(biāo)準(zhǔn)的限值(70、35 μg/m3)[14]。根據(jù)GB 3095—2012中PM10和PM2.5日均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)的限值(150、75 μg/m3)，夏季、秋季、冬季和春季的PM10超標(biāo)率依次為11.43%、48.35%、77.01%、43.52%，PM2.5超標(biāo)率依次為34.29%、53.85%、88.51%、53.26%。PM10和PM2.5超標(biāo)率均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。秋季和冬季為大氣顆粒物污染高發(fā)期。全年P(guān)M10和PM2.5超標(biāo)率分別為49.41%、58.53%。

從表1還可以看出，PM2.5/PM10為0.28～0.87，夏季、秋季、春季和冬季的PM2.5/PM10平均值依次為0.66、0.65、0.64、0.56，表現(xiàn)為夏季>秋季>冬季>春季。夏季、秋季、春季和冬季的PM2.5/PM10平均值均大于0.55，與CAO等[15]和YANG等[16]的研究結(jié)果一致，表明成都市大氣PM2.5污染嚴(yán)重。與2009年8—9月在成都市人民南路四段附近的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，2013年8—9月的PM2.5(60 μg/m3)與2009年同期(58 μg/m3)相差不大，PM10(90 μg/m3)比2009年同期(82 μg/m3)有所升高[12]1436，表明成都市政府近年來對PM2.5污染源(如重污染工廠、生物質(zhì)燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等)控制較好，但對PM10污染源(如道路揚(yáng)塵、建筑灰塵等)控制不夠。

PM10和PM2.5月均質(zhì)量濃度變化如圖1所示。由圖1可知，PM10和PM2.5月均濃度的變化趨勢較為一致：均呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，在2013年7月達(dá)到最小值，在2014年1月達(dá)到最大值；在2013年10月和2014年5月的PM10和PM2.5濃度也較高。10月為旅游黃金期，人們出行增加使機(jī)動(dòng)車的使用量增多，再加上10月的降雨量偏低，使PM10和PM2.5濃度升高；1月取暖設(shè)備使用量增多，汽車?yán)鋯?dòng)增加，再加上太陽輻射弱，大氣層結(jié)穩(wěn)定，靜風(fēng)、小風(fēng)頻率高，逆溫易發(fā)[12]1434,[17]，不利于大氣顆粒物擴(kuò)散；5月為秸稈焚燒的高峰時(shí)期，導(dǎo)致大氣顆粒物濃度升高[18]。

表1 PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

注：1)為質(zhì)量比。

圖1 PM10和PM2.5月均質(zhì)量濃度變化Fig.1 Changes of monthly average mass concentrationsof PM10 and PM2.5

2.2 PM2.5與PM10的關(guān)聯(lián)性

PM10日均質(zhì)量濃度與PM2.5日均質(zhì)量濃度的關(guān)聯(lián)性如圖2所示。由圖2可知，PM10與PM2.5呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說明成都市PM2.5對PM10貢獻(xiàn)顯著。

圖2 PM10日均質(zhì)量濃度與PM2.5日均質(zhì)量濃度的關(guān)聯(lián)性Fig.2 Corelations of PM10 daily average mass concentration and PM2.5 daily average mass concentration

3 大氣顆粒物濃度與氣象因子的關(guān)聯(lián)性

氣象因子對大氣顆粒物濃度的影響不可忽視[8]193-195,[9]94,[19],[20]72-74，本研究分析了氣溫、相對濕度、降雨、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因子與大氣顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)性。

3.1 大氣顆粒物濃度與氣溫的關(guān)聯(lián)性

3.2 大氣顆粒物濃度與相對濕度的關(guān)聯(lián)性

相對濕度是描述大氣中水汽含量的常用物理量。PM10和PM2.5質(zhì)量濃度隨相對濕度的變化如圖4所示。從整體上看，PM10和PM2.5濃度隨相對濕度的變化趨勢較一致，但PM10的變化幅度大于PM2.5，表明水汽對大氣顆粒物濃度存在一定的影響，且PM10對水汽的響應(yīng)靈敏度要高于PM2.5。相對濕度低于35%時(shí)，PM10和PM2.5濃度出現(xiàn)異常高值，可能是由于相對濕度低于35%的PM10和PM2.5濃度數(shù)據(jù)偏少。相對濕度為40%～80%時(shí)，隨著相對濕度增加，吸水性強(qiáng)的干氣溶膠粒子吸濕膨脹，PM10和PM2.5濃度虛高[21]。相對濕度超過80%時(shí)，大氣顆粒物易形成凝結(jié)核，促進(jìn)降雨發(fā)生，使PM10和PM2.5濃度降低[22]。

圖3 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度隨氣溫的變化Fig.3 Changes of PM10 and PM2.5 mass concentrations varied with air temperature

圖4 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度隨相對濕度的變化Fig.4 Changes of PM10 and PM2.5 mass concentrations varied with relative humidity

3.3 大氣顆粒物濃度與降雨的關(guān)聯(lián)性

降雨能顯著降低大氣顆粒物濃度，但不同降雨階段和降雨量對大氣顆粒物清除量的研究較少[23-24]。本研究對降雨前、中、后3個(gè)階段的PM10和PM2.5濃度進(jìn)行對比，并挑選了兩次典型降雨過程進(jìn)行分析。由圖5可見，降雨能較好地清除PM10和PM2.5，但降雨后PM10和PM2.5濃度回升較快。這是因?yàn)槭芙涤暧绊?，大氣顆粒物沉降，PM10和PM2.5濃度迅速降低；降雨后云量降低，太陽輻射增大，地面湍流隨之加強(qiáng)，沉降到地面的顆粒物重新漂浮到大氣中，且降雨后人類活動(dòng)相比降雨中增多，PM10和PM2.5濃度較快回升。2013年7月8—12日，成都市累計(jì)降雨量高達(dá)517.1 mm，為特大暴雨。

圖5 降雨前、中、后的PM10和PM2.5質(zhì)量濃度Fig.5 PM10 and PM2.5 mass concentrations before,during and after precipitaion

降雨前，PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為164、107 μg/m3；降雨后，PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別為40、23 μg/m3。2013年8月25日成都市發(fā)生陣雨，降雨量累計(jì)6.4 mm，為小雨。降雨前后PM10質(zhì)量濃度由128 μg/m3減少為90 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度由72 μg/m3減少為64 μg/m3。對兩次典型降雨過程進(jìn)行分析也表明，降雨對PM10和PM2.5均有一定的清除效果，降雨量越多，清除效果越好，降雨對PM10的清除量高于PM2.5。

3.4 大氣顆粒物濃度與風(fēng)速、風(fēng)向的關(guān)聯(lián)性

采用矢量平均風(fēng)向法[25]計(jì)算平均風(fēng)向，得到不同風(fēng)向?qū)M10和PM2.5質(zhì)量濃度的影響，如圖6、圖7所示(由于夏季風(fēng)場資料缺測過多，所以未對夏季進(jìn)行討論)。由圖6、圖7可看出，風(fēng)向?qū)M10和PM2.5濃度的影響基本一致。秋季，PM10和PM2.5濃度在偏西北風(fēng)和東南風(fēng)下高于其他風(fēng)向；冬季，PM10和PM2.5濃度在偏西風(fēng)下明顯最大；春季，PM10和PM2.5濃度在偏西風(fēng)下稍高于其他風(fēng)向。整體上而言，PM10和PM2.5濃度在偏西風(fēng)下較高。這可能是由于成都市西北部存在大量工業(yè)區(qū)，而西南部的機(jī)動(dòng)車流量較大[26]，因此持續(xù)的偏西風(fēng)易帶來大量大氣顆粒物，使成都市PM10和PM2.5濃度升高。

PM10和PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)速的變化見圖8。由圖8可看出，PM10和PM2.5濃度隨風(fēng)速增加而降低。風(fēng)速低于0.9 m/s時(shí)，PM10和PM2.5清除效果不明顯。成都市年均風(fēng)速為0.8 m/s，因此PM10和PM2.5濃度常年維持在較高水平。風(fēng)速超過1.3 m/s時(shí)，PM10和PM2.5濃度顯著降低。

評估局地源和外來源對成都市顆粒物污染的相對貢獻(xiàn)，需考慮風(fēng)向頻率[27]。成都市小時(shí)風(fēng)向頻率見表2。由表2可看出，成都市小時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)殪o風(fēng)(37.71%)、西北偏北風(fēng)(13.60%)和北風(fēng)(10.68%)。主導(dǎo)風(fēng)向下PM10和PM2.5質(zhì)量濃度如圖9所示。由圖9可見，PM10濃度在靜風(fēng)下高于西北偏北風(fēng)和北風(fēng)，表明PM10濃度主要受局地源控制；PM2.5濃度在西北偏北風(fēng)和北風(fēng)下均高于靜風(fēng)，表明PM2.5可能受西北方向上的外來源影響。

注：圖中單位為μg/m3，圖7同。圖6 PM10質(zhì)量濃度隨風(fēng)向的變化Fig.6 Changes of PM10 mass concentrations varied with wind directions

圖7 PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)向的變化Fig.7 Changes of PM2.5 mass concentrations varied with wind directions

圖8 PM10和PM2.5質(zhì)量濃度隨風(fēng)速的變化Fig.8 Changes of PM10 and PM2.5 mass concentrations varied with wind speed

表2 小時(shí)風(fēng)向頻率

圖9 主導(dǎo)風(fēng)向下PM10和PM2.5質(zhì)量濃度Fig.9 PM10 and PM2.5 mass concentrations under prevalent wind directions

4 結(jié) 論

(1) 2013年6月至2014年5月，成都市大氣PM2.5污染較嚴(yán)重，PM10和PM2.5濃度及其超標(biāo)率均呈現(xiàn)冬季>秋季>春季>夏季。秋季和冬季為大氣顆粒物污染高發(fā)期。PM2.5/PM10為0.28～0.87，且PM10與PM2.5呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明PM2.5對PM10貢獻(xiàn)顯著。

(2) 氣溫超過10 ℃時(shí)，PM10和PM2.5最高濃度大體隨著氣溫升高而降低。氣溫為7.5～12.5、22.0～24.0 ℃時(shí)，PM10和PM2.5最高濃度有兩個(gè)峰值。

(3) 相對濕度為40%～80%時(shí)，PM10和PM2.5濃度隨相對濕度增加而升高；相對濕度大于80%時(shí)，由于降雨發(fā)生，使PM10和PM2.5濃度降低。降雨對PM10的清除量高于PM2.5，但降雨后PM10和PM2.5濃度較快回升。

(4) PM10和PM2.5濃度在偏西風(fēng)下高于其他風(fēng)向。PM10主要受局地源影響，而PM2.5主要受西北方向上的外來源影響。

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