小時氣象要素對PM2.5濃度的影響

徐迎春 諶偉 劉佳穎 劉佩廷

摘要：本文基于武漢氣象站點和空氣質量監(jiān)測點的小時數(shù)據(jù)，分析有無降水、風對PM2.5濃度的影響。結果表明：武漢各區(qū)PM2.5污染物濃度空間分布不均。中心城區(qū)PM2.5污染最嚴重，新洲區(qū)空氣質量最好，其余各區(qū)PM2.5平均濃度值較接近;PM2.5平均濃度值日變化趨勢呈單峰型。降水對PM2.5有清理作用。武漢重污染天氣多為輸入性污染，輸入路徑包括偏北路徑和偏東路徑。

關鍵詞：PM2.5;降水;風;武漢

中圖分類號：X16 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）04-0-01

Abstract： Based on the hourly data of Wuhan meteorological stations and air quality monitoring points， this paper analyzes the effects of precipitation and wind on PM2.5 concentration. The results show that the spatial distribution of PM2.5 pollutants in various districts of Wuhan is uneven. The PM2.5 pollution in the central city is the most serious. The air quality in Xinzhou District is the best. The average concentration of PM2.5 in the other districts is close to each other; the daily variation trend of the average concentration value of PM2.5 is unimodal. Precipitation has a cleansing effect on PM2.5. Most of the heavily polluted weather in Wuhan is imported pollution， and the input path includes the northerly route and the eastward path.

Key words： PM2.5;Precipitation;Wind;Wuhan

近年來多地出現(xiàn)嚴重空氣污染天氣，其中PM2.5為首要污染物[1-3]。氣象要素對重污染天氣的影響已經成為共識，主要表現(xiàn)在降水對污染物的清除作用[3]，風和層結穩(wěn)定條件對污染物擴散條件的影響[4-5]。氣象要素的變化在空氣污染潛勢預報中有很好的指示意義，研究指出均壓場易出現(xiàn)空氣污染[6];地面氣象要素如風、氣溫、降水、相對濕度、水汽壓、氣壓，以及地面環(huán)流形勢與污染物指數(shù)有相關性[7-8]。

本文從小時時間尺度上，探討PM2.5與氣象要素的關系，為開展精細化空氣污染擴散條件預報提供依據(jù)。

1 資料與方法

本文使用的資料包括2016年1-11月武漢市5個基本氣象觀測站和1個中心城區(qū)自動氣象站的逐小時降水資料，以及同期武漢市5個市級環(huán)境空氣質量監(jiān)測點和中心城區(qū)監(jiān)測點的逐小時PM2.5濃度值。文中PM2.5濃度值及降水量的月、日均值（累積量）均由逐小時數(shù)據(jù)計算獲得。在計算有降水及無降水的PM2.5月、日平均濃度值，先按照逐小時降水資料判斷有無降水量級（降水數(shù)據(jù)中降水量級為微量，本中均定義為無降水），后按照有降水或者無降水對逐小時的PM2.5濃度值進行平均計算獲得。

2 降水對PM2.5濃度影響

2.1 有無降水PM2.5濃度空間分布特征

武漢市2016年1-11月有降水和無降水各區(qū)PM2.5濃度平均值（表略）。無降水的PM2.5平均濃度值大于有降水的，降水對PM2.5濃度有一定的清除作用。在無降水條件下，中心城區(qū)的PM2.5平均濃度值最大，為75.9μg·m-3，遠城區(qū)除了新洲區(qū)外，其余各區(qū)PM2.5平均濃度值較接近，為71.0～72.8μg·m-3，PM2.5平均濃度值最小的是新洲區(qū)，為65.1μg·m-3，蔡甸區(qū)是武漢市5個遠城區(qū)中PM2.5平均濃度最大的地區(qū)，72.8μg·m-3;故中心城區(qū)PM2.5污染最為嚴重，新洲區(qū)空氣質量最好。在有降水條件下，PM2.5平均濃度最大為蔡甸區(qū)57.0μg·m-3，其次為江夏區(qū)，55.7μg·m-3，中心城區(qū)為53.9μg·m-3位于江夏區(qū)之后，東西湖區(qū)和黃陂區(qū)較為接近52.7μg·m-3、51.5μg·m-3，有降水條件PM2.5平均濃度值最小為新洲區(qū)，47.5μg·m-3。對比有無降水條件下各區(qū)PM2.5平均濃度變化可知，降水對PM2.5清理作用，中心城區(qū)效果最好，其次為黃陂區(qū)，其他各區(qū)清理效果依次為東西湖區(qū)、新洲區(qū)、江夏區(qū)、蔡甸區(qū)。

2.2 PM2.5濃度小時變化特征

圖1為武漢市PM2.5平均濃度數(shù)據(jù)在有降水或無降水條件下，城區(qū)、蔡甸區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)、江夏和東西湖區(qū)的一天同一時刻PM2.5平均濃度的平均值，簡稱降水PM2.5平均濃度值和無降水PM2.5平均濃度值。對比降水和無降水0～23時變化曲線發(fā)現(xiàn)，無降水PM2.5平均濃度值整體上大于降水PM2.5平均濃度值，再次佐證了降水對PM2.5有一定的清理作用。在無降水條件下，武漢市無降水PM2.5平均濃度值呈先降后升的趨勢，凌晨0～5時，無降水PM2.5平均濃度呈逐漸下降趨勢，每小時降幅為1.1μg·m-3，6～11時無降水PM2.5平均濃度較為平穩(wěn)，波動小，12～17時無降水PM2.5平均濃度值下降幅度增大，下降速度是1.5μg·m-3/h，之后呈加速上升，濃度值由63.0μg·m-3（下午17時）爬升至78.2μg·m-3（夜間23時），上升速度是2.5μg·m-3/h。由此可知武漢PM2.5平均濃度值日變化趨勢為單峰型，傍晚至凌晨PM2.5平均濃度值上升加快，夜間至上午段維持較高水平，午后（12時）開始下降。

對比分析武漢小時平均雨量與降水PM2.5平均濃度值發(fā)現(xiàn)，武漢降水峰值出現(xiàn)在4～7時，之后開始逐漸減弱，18時平均雨量最低，之后（19時）雨量增大。雨量峰值第一次出現(xiàn)時間為4時，處于PM2.5平均濃度值弱勢上升時間段內，6時PM2.5平均濃度開始下降，之間間隔2個小時左右。雨量最大峰值時間為7時，此時PM2.5平均濃度值呈上升趨勢中，且趨勢延續(xù)至9時，清理延遲3小時。由此可知降水對PM2.5的清理具有延遲性，延遲時間約為2～3小時。PM2.5平均濃度最低點位于14時，處于小時平均雨量下降時段內，之后PM2.5平均濃度開始上升，但是小時平均雨量下降趨勢持續(xù)至18時，故小時平均雨強對PM2.5的清理能力表現(xiàn)出現(xiàn)一定差異， 當小時雨量大于1.5㎜時，清理作用效果明顯;當小時雨量小于1.5毫米時，清理作用減弱。

3 風向對重污染的影響

本文依據(jù)武漢氣象站，以及距離武漢氣象站位置最近的環(huán)境空氣質量監(jiān)測點東西湖區(qū)站進行分析。統(tǒng)計武漢重污染以上等級小時PM2.5濃度值，即PM2.5濃度值大于200μg·m-3，統(tǒng)計結果顯示武漢在樣本時間內出現(xiàn)重污染等級以上的時間為102小時，其中北風52小時，東風25小時，靜風11小時，南風和西風分別為9小時和5小時。靜風導致的重污染天氣，說明武漢本地有一定的污染源，約10.8%。相關性分析發(fā)現(xiàn)，武漢重污染天氣PM2.5平均濃度的變化與北風和東風有關，其中北風和東風的相關系數(shù)為0.40和-0.24（通過0.05置信度檢驗），其他風向相關系數(shù)較低。因此武漢重污染天氣主要以輸入型污染為主，且包括兩條輸入路徑，即偏北路徑和偏東路徑。

4 結論

文中分析有無降水、風對PM2.5濃度的影響，獲得如下結論：（1）武漢各區(qū)PM2.5污染物濃度空間分布不均，在無降水條件下，中心城區(qū)PM2.5污染最嚴重，新洲區(qū)空氣質量最好，其余各區(qū)PM2.5平均濃度值較接近;PM2.5平均濃度值日變化趨勢呈單峰型，傍晚至凌晨PM2.5平均濃度值上升加快，夜間至上午段維持較高水平，午后（12時）開始下降，下降時間延續(xù)至17時。（2）降水對PM2.5有清理作用，中心城區(qū)效果最好，其次為黃陂區(qū)，其他各區(qū)清理效果依次為東西湖區(qū)、新洲區(qū)、江夏區(qū)、蔡甸區(qū);降水對PM2.5的清理作用具有延遲性，延遲時間2～3小時。（3）不同的雨強對PM2.5的清理能力具有差異性。當小時雨量大于1.5㎜時，清理作用效果顯著;小時雨量小于1.5㎜，清理作用減弱。

參考文獻

[1]程海容，王祖武，馮家良等.武漢市城區(qū)大氣PM2.5的碳組分與源解析[J].生態(tài)環(huán)境學報，2012，21（9）：1574-1579.

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[4]崔宜少.威海PM2.5濃度與氣象要素的相關分析[J].山東氣象，2015，35（143）：17-22.

收稿日期：2019-01-11

作者簡介：徐迎春（1984-），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向為氣象服務。

通訊作者：劉佳穎（1986-），女，漢族，碩士研究生，講師，研究方向為氣象服務。