信陽市PM 2.5和PM 10污染特征及其與氣象因子的關(guān)系

張建設(shè)，馮萬富，單燕祥，柳 勇，史曉海，李月鳳

(1.河南省信陽市林業(yè)科學(xué)研究所，河南 信陽464031；2.河南雞公山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，河南 信陽464031)

1 引言

PM2.5和PM10是大氣顆粒物的重要組成部分，可直接或間接影響太陽輻射、大氣能見度、海岸帶或流域養(yǎng)分平衡等[1]。同時(shí)，PM2.5和PM10能夠進(jìn)入人體呼吸道，引發(fā)呼吸道和心血管等多種疾病，對(duì)人體健康造成極大危害[2]。當(dāng)前，在我國PM2.5和PM10既是造成空氣污染的主要原因之一，也是大部分城市的首要污染物[3]。對(duì)一座城市而言，在污染源變化相對(duì)穩(wěn)定的情況下，氣象因子對(duì)PM2.5和PM10濃度變化影響居于主導(dǎo)地位[4]。我國幅員遼闊，下墊面狀況和氣象條件具有明顯的地域性特征，研究各區(qū)域氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系十分必要[5]。信陽地跨淮河，處亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，區(qū)域氣候敏感，素有“江南北國、北國江南”之美譽(yù)，連續(xù)八年入選中國十佳宜居城市。目前，信陽正處于大氣污染治理攻堅(jiān)時(shí)期，但迄今有關(guān)信陽市大氣顆粒物與氣象因子關(guān)系的研究未見報(bào)道。鑒于此，本文基于2015～2016年信陽市大氣顆粒物監(jiān)測(cè)資料分析了PM2.5和PM10污染特征，并結(jié)合同期的氣象觀測(cè)資料，探討了PM2.5和PM10與氣象因子的關(guān)系，以期為當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚镏卫硖峁?shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

2 材料與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

信陽位于河南省最南部，淮河上游，介于東經(jīng)113°45′～115°55′、北緯30°23′～32°27′之間，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年均光照1900～2100 h，年均氣溫15.1～15.3℃，年均降雨量900～400 mm。

2.2 數(shù)據(jù)來源

PM2.5和PM10數(shù)據(jù)來源于信陽市4個(gè)國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，為逐小時(shí)數(shù)據(jù)。取4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5、PM10日平均濃度值代表全市PM2.5、PM10日均值濃度。同期氣象日均值如風(fēng)速、氣壓、相對(duì)濕度、溫度、降雨量、日照等有信陽市氣象局提供。

2.3 數(shù)據(jù)分析

借助Excel2003和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)不同季節(jié)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行方差分析及差異顯著性檢驗(yàn)。用DPS7.05對(duì)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度及其相關(guān)氣象因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，并將主要影響因子與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度進(jìn)行逐步回歸分析，建立了PM2.5、PM10質(zhì)量濃度—?dú)庀笠蜃雨P(guān)系模型。

3 結(jié)果

3.1 信陽市PM2.5、PM10質(zhì)量濃度變化特征

依據(jù)氣象學(xué)上劃分方法，信陽市3～5月份、6～8月份、9～11月份、12月至翌年2月份分別為春、夏、秋、冬四季。在春、夏、秋、冬四季中，研究區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度分別是74.02μg/m3、39.72μg/m3、60.48μg/m3、106.41 μg/m3；PM10質(zhì)量濃度分別是117.43μg/m3、68.79μg/m3、97.89μg/m3、164.50μg/m3，二者都表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)變異，均呈現(xiàn)出冬季＞春、秋季＞夏季的趨勢(shì)，方差分析及多重比較顯示，不同季節(jié)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度差異顯著(圖1)。

信陽市一個(gè)年度內(nèi)，PM2.5月均質(zhì)量濃度范圍為19.20～114.77μg/m3，PM10月均質(zhì)量濃度范圍為62.77～169.23μg/m3，峰值都出現(xiàn)在12月至翌年1、2月份。PM2.5和PM10變化趨勢(shì)較一致，形成冬季高、夏季低的“單峰單谷”曲線(圖2)。

3.2 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與氣象因子灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種以動(dòng)態(tài)方式研究多種因素間影響程度的分析方法，計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)無需有規(guī)律性分布，定性分析與定量分析結(jié)果一致，簡便且精準(zhǔn)度高，適用范圍極廣。研究中將PM2.5、PM10質(zhì)量濃度及其6個(gè)氣象因子視為一個(gè)灰色系統(tǒng)，將PM2.5、PM10質(zhì)量濃度定義為參考數(shù)列x0，各影響因子氣壓、風(fēng)速、降雨量、日照、相對(duì)濕度、溫度作為參比序列xi，i＝1，2，3，…，n，則有x0＝{x0(1)，x0(2)，…，x0(n)}，xi＝{xi(1)，x2(2)，…，xi(n)}。灰色關(guān)聯(lián)度分析時(shí)，首先將原始數(shù)據(jù)無量綱化處理，然后將處理后的新數(shù)據(jù)序列代入公式(1)、(2)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算。

式(1)、(2)中：ξi為x0與xi在第k個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，用于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間差異的顯著性，取值在0～1，一般取ρ＝0.5；λi為灰色關(guān)聯(lián)度。灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果如下。

灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示(表1)，溫度與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)度最大，關(guān)聯(lián)系數(shù)分別是0.8046和0.7943，其余氣象因子不盡相同。氣象因子與PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)大小依次為溫度＞氣壓＞濕度＞風(fēng)速＞降雨量＞日照；與PM10質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)大小依次為溫度＞濕度＞氣壓＞風(fēng)速＞降雨量＞日照。關(guān)聯(lián)度分級(jí)：0～0.3，低關(guān)聯(lián)；0.3～0.6，中等關(guān)聯(lián)；0.6～0.8較高關(guān)聯(lián)；0.8～1高關(guān)聯(lián)。PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與氣象因子關(guān)聯(lián)度介于較高和高關(guān)聯(lián)之間。

圖1 不同季節(jié)PM 10和PM 2.5質(zhì)量濃度

圖2 不同月份PM2.5和PM10質(zhì)量濃度

表1 PM 2.5和PM 10質(zhì)量濃度與氣象因子關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序

3.3 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與氣象因子回歸分析

為滿足“最優(yōu)回歸”的要求，采用逐步回歸的方法，進(jìn)行氣象因子篩選，分別保留對(duì)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度影響較大的因子，剔除影響較小因子[6]。以PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度作因變量(Y)，以上述氣象因子作自變量，進(jìn)行逐步回歸分析，得出各自的最優(yōu)回歸方程。

表3 PM 2.5、PM10質(zhì)量濃度最優(yōu)回歸方程級(jí)參數(shù)

建立的最優(yōu)回歸方程，R2大于0.8，說明模型擬合度較高，回歸方程具有一定實(shí)用性，可以用于研究區(qū)大氣顆粒物預(yù)測(cè)。同時(shí)，方程表明溫度(x6)對(duì)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度都具顯著影響，且成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

信陽市PM2.5、PM10質(zhì)量濃度月均值變化規(guī)律較一致，12月至翌年1、2月數(shù)值高，6～8月份數(shù)值低，年度內(nèi)表現(xiàn)為“單峰單谷”變化趨勢(shì)。不同季節(jié)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度差異顯著，冬季數(shù)值顯著高于春、秋季，春、秋季數(shù)值又顯著高于夏季。諸多研究表明，在北方冬季燃煤取暖是造成大氣顆粒物濃度升高的主要原因[7]，而信陽市冬季無集中供暖，亦無高強(qiáng)度污染源影響，然大氣顆粒物值卻顯著高于其它季節(jié)，尤其是夏季，這表明冬季時(shí)氣象因子對(duì)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度有著明顯促進(jìn)作用。氣溫高時(shí)，大氣對(duì)流層運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，有利于大氣顆粒物擴(kuò)散，低溫情況下，易出現(xiàn)逆溫天氣，使大氣顆粒物聚集在近地層。同時(shí)，降雨能有效清除大氣中的顆粒物[8]。信陽夏季高溫多雨，冬季低溫少雨等氣候特點(diǎn)，促成了研究區(qū)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度冬季高、夏季低的特征。

灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，PM2.5質(zhì)量濃度與溫度關(guān)聯(lián)度大于0.8，屬高關(guān)聯(lián)，與其余氣象因子關(guān)聯(lián)度介于0.6～0.8之間，屬較高關(guān)聯(lián)。PM10質(zhì)量濃度與氣象因子關(guān)聯(lián)度全部介于0.6～0.8之間，屬較高關(guān)聯(lián)。說明大氣顆粒物污染與氣象因子密切相關(guān)且受多種氣象因子綜合制約，單一氣象因子對(duì)大氣顆粒物污染影響有限。

采用逐步回歸法，建立了PM2.5、PM10質(zhì)量濃度—?dú)庀笠蜃幽Ｐ停琑2均大于0.8，擬合度較高，模型有著較強(qiáng)適應(yīng)性。PM2.5—?dú)庀笠蜃踊貧w模型顯示，溫度與PM2.5質(zhì)量濃度存在著顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；PM10—?dú)庀笠蜃踊貧w模型顯示，溫度、相對(duì)濕度與PM10質(zhì)量濃度存在著顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與蘇維對(duì)南昌市[5]、王芳對(duì)蘭州市[8]大氣顆粒物與氣象因子關(guān)系研究結(jié)果一致。溫度高，空氣濕度一般也高，模型在一定程度上解釋了夏季PM2.5、PM10質(zhì)量濃度低于其它季節(jié)的原因。