蘭州市顆粒物濃度的變化特征及其與氣象要素的關系

孔祥如　潘峰　張鑫

摘要：利用蘭州市5個環境空氣質量國控監測站點2019年的監測值，采用統計學方法分析了顆粒物（PM和PM）質量濃度分布特征與氣象因素之間的關系，研究結果表明：①蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度的月變化曲線呈現為“夏低冬高”的變化趨勢，主要是冬季逆溫頻發，混合層高度低，且供暖期間污染物排放量最大;而夏季污染物排放量較低，并且邊界層高度高，有利于污染物的擴散。②蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度的日變化呈“午峰晚峰”的雙峰型變化趨勢，這種變化趨勢與生產及人們日常出行高峰的變化有關。③顆粒物（PM和PM）的質量濃度分布與氣溫、風速呈負相關，與相對濕度正相關。高溫大風天氣時污染物濃度低，隨著氣溫的升高，風速的增大，大氣湍流能力增強，邊界層高度抬升，有利于污染物的擴散，污染物濃度降低。

關鍵詞：顆粒物;氣象要素;相關性

中圖分類號：X51?????????文獻標志碼：A

隨著城市化進程的不斷加快，我國的空氣污染問題越來越突出，呈現局地和區域結合，多種污染物交叉耦合的區域性、復合型污染特征。空氣污染不僅影響人居環境，還會對居民的身心健康造成危害。蘭州市地處青藏高原東北部的黃河河谷盆地內（35°51′N～38°00′N、102°30′E～104°30′E），屬于典型的河谷城市，不利于污染物擴散;且蘭州市冬季靜風頻率高，逆溫頻發，使得蘭州市的環境空氣質量污染較嚴重。根據《蘭州市生態環境狀況公報》（2019年）可知，剔除受沙塵天氣影響的監測數據后，2019年蘭州市可吸入顆粒物（PM）的的年均濃度為79μg/m，細顆粒物（PM）的年均濃度為36μg/m，均超出國家環境空氣質量二級標準;且以PM為首要污染物的天數為17天，占污染天數的23.9%，嚴重影響蘭州市的環境空氣質量。區域大氣環境質量受污染物排放和氣象條件的綜合影響，許多科研工作者的研究結果表明，氣象條件通過影響污染物的稀釋、擴散、傳輸和轉化過程，進而影響污染物的時空分布。

本文利用蘭州市5個環境空氣質量國控監測站點2019年的監測值，分析了顆粒物質量濃度的月變化和日變化特征;此外采用統計學方法定量分析了蘭州市2019年顆粒物（PM和PM）質量濃度分布特征與氣象因素之間的關系，以期為蘭州市空氣污染防治提供科學依據。

蘭州市目前有5個環境空氣質量國控站點，分別為安寧區的教育港站點、城關區的生物制品所和鐵路設計院站點、西固區的蘭煉賓館站點以及榆中縣的榆中蘭大校區站點，其中，榆中蘭大校區站點為清潔對照點。本研究的污染物資料來源于蘭州市5個環境空氣質量國控站點2019年的逐時監測資料。氣象資料來源于蘭州市氣象站同時期的逐時觀測資料，觀測要素主要有相對濕度、風向、風速、氣壓和降水量等。

蘭州市5個環境空氣質量國控站點和蘭州市氣象站的位置如圖1所示。

采用EXCEL2013統計分析顆粒物（PM和PM）質量濃度的變化特征;利用SPSS19.0，選用統計學變量相關系數（R）分析污染物濃度的分布及其與氣象要素的相關性。其計算公式如圖1所示。

對蘭州市2019年顆粒物（PM和PM）逐時質量濃度進行統計，得到顆粒物（PM和PM）逐月平均質量濃度的變化規律（圖2）。由圖2可以看出，PM質量濃度的月變化曲線呈雙峰型變化趨勢，峰值出現在5月和12月，谷值出現在6月;PM質量濃度的月變化曲線呈“V型”變化趨勢，冬季濃度較高，夏季濃度最低。冬季顆粒物（PM和PM）質量濃度較高主要有兩方面的原因：一方面是由于冬季供暖，消耗大量的化石燃料，化石燃料的大量燃燒使得供暖期間污染物的排放量高于其他三個季節;另一方面，蘭州市屬于“河谷地形”，王式功、陳桃桃、王麗霞等的研究結果表明，蘭州市冬季靜風頻率高，逆溫頻發且混合層高度低，限制近地面層湍流運動，不利于地面層污染物的擴散，使得污染物積聚在近地層，導致近地層污染物濃度較高。而5月是沙塵天氣多發月，受沙塵影響較嚴重，其中以PM質量濃度的變化更為明顯。夏季氣溫較高，大氣層結不穩定，湍流的發展較強，使得大氣對污染物的稀釋擴散能力也較強，且夏季降雨較多，利于顆粒物（PM和PM）擴散、清除;此外，夏季污染物排放量較冬季低，因此，夏季顆粒物（PM和PM）的質量濃度低于其他三個季節。

對蘭州市2019年顆粒物（PM和PM）的逐時質量濃度進行統計，得到顆粒物（PM和PM）質量濃度的日變化規律（圖3）。由圖3可知，PM和PM濃度的日變化均呈“午峰晚峰”的雙峰型變化趨勢，出現這一現象的原因主要是：清晨是人們生產、生活活動的高峰期，也是污染物排放的高峰期，日出后，溫度逐漸升高，夜間形成的逆溫層逐漸被破壞抬升，限制了近地面層的湍流運動，污染物不易擴散，使得近地面顆粒物（PM和PM）的質量濃度升高，并于10：00左右出現第一個峰值;午后，溫度較高，大氣層結不穩定，湍流的發展較強，增強了大氣對顆粒物的輸送擴散能力，使得顆粒物（PM和PM）的質量濃度減小;日落后到達地面的太陽輻射減少，溫度開始降低，大氣層結較穩定，對湍流的發展起到抑制作用，削弱了大氣對顆粒物的輸送擴散能力，顆粒物難以稀釋擴散，使得顆粒物的質量濃度較高，并與23：00左右形成第二個峰值。

取5個國控點PM、PM小時平均質量濃度值代表全市污染物質量濃度的小時均值，與蘭州市氣象站觀測的氣象要素進行相關性分析，探討各氣象要素對顆粒物（PM和PM）質量濃度的影響。

蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度隨溫度的日變化如圖4所示。由圖4可知，顆粒物質量濃度與溫度之間呈現負相關性，溫度越高，顆粒物（PM和PM）質量濃度越低。溫度的垂直分布決定了大氣層結的垂直穩定度，直接影響湍流活動的強弱，隨著溫度的升高，大氣層結不穩定，湍流的發展較強，增強了大氣對顆粒物的輸送擴散能力，使得顆粒物（PM和PM）的質量濃度減小;反之，當溫度降低時，大氣處于穩定層結，會對湍流的發展起到抑制作用，進而減弱了大氣對顆粒物的輸送擴散能力，顆粒物難以稀釋擴散，使得顆粒物的質量濃度較高。

表1為顆粒物（PM和PM）質量濃度與溫度的相關系數，由表1可知，夏季顆粒物（PM和PM）質量濃度與溫度顯著正相關，秋冬季顯著負相關。

蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度隨風速的日變化如圖5所示。由圖5可知，顆粒物（PM和PM）質量濃度與風速之間呈現負相關性，風速越小，顆粒物（PM和PM）質量濃度越高，主要原因為：風對污染物的水平輸送起到重要作用，排放到大氣中的污染物會在風的作用下進行輸送遷移，風速越大，輸送的距離越遠，越有利于污染物的稀釋擴散。同時，風速越大，湍流作用越強，而大氣湍流的主要效果是混合，它使污染物在隨風飄移過程中不斷向四周擴展，不斷將周圍清潔空氣卷入煙氣中，同時將煙氣帶到周圍空氣中，使得污染物濃度不斷降低。

表2為顆粒物（PM和PM）質量濃度與風速的相關系數，由表2可知，夏季顆粒物（PM和PM）質量濃度與風速顯著正相關，秋冬季顯著負相關。

蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度隨相對濕度的日變化如圖6所示。由圖6可知，顆粒物質量濃度與溫度之間基本呈現正相關性;較高的相對濕度利于大氣顆粒物在水汽上附著，使得顆粒物質量濃度增加。此外，濕度大的天氣多存在逆溫現象，顆粒物（PM和PM）不容易擴散且易于二次污染物的生成，導致污染物濃度累積升高。

表3為顆粒物（PM和PM）質量濃度與相對濕度的相關系數，由表3可知，夏秋季顆粒物（PM和PM）質量濃度與相對濕度顯著負相關，冬季PM的質量濃度與相對濕度顯著正相關。

（1）蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度的月變化曲線呈現為“夏低冬高”的變化趨勢，主要原因為：冬季逆溫頻發，混合層高度低，且供暖期間污染物排放量最大;而夏季輻射增強，邊界層高度高，有利于污染物的擴散，且夏季污染物排放量較低。

（2）蘭州市顆粒物（PM和PM）質量濃度的日變化呈“午峰晚峰”的雙峰型變化趨勢，這種變化趨勢與生產及人們日常出行高峰的變化有關。

（3）顆粒物（PM和PM）的質量濃度分布與氣溫、風速呈負相關，與相對濕度正相關。高溫大風天氣時污染物濃度低，隨著氣溫的升高，風速的增大，大氣湍流能力增強，邊界層高度抬升，有利于污染物的擴散，污染物濃度降低。

[1]賀克斌，賈英韜，馬永亮，等.北京大氣顆粒物污染的區域性本質[J].環境科學學報，2009， 29（003）：482-487.

[2]張稼軒，李博，王穎，等.河谷城市大氣環境容量的研究[J].環境科學研究，33（4）：25-32.

[3]張強.地形和逆溫層對蘭州市污染物輸送的影響[J].中國環境科學，2001，021（003）：230-234.

[4]王穎，梁依玲，王麗霞.氣象條件對污染物濃度分布影響的研究[J].沙漠與綠洲氣象，2015，000（002）：69-74.

[5]姜允迪，祁斌.蘭州城區臭氧濃度時空變化特征及其與氣象條件的關系[J].蘭州大學學報（自然科學版）（5期）：118-125.

[6]羅燕，陳新梅，田永麗.2015—2016年云南省主要城市大氣污染物濃度特征及其與氣象要素的關系[J].環境科學導刊，2018（6）：40-45.

[7]王式功，楊德保，李臘平，等.蘭州城區冬半年冷鋒活動及其對空氣污染的影響[J].高原氣象，1998（02）：33-40.

[8]拉巴，王偉，次白，等.2007年拉薩市PM濃度變化及氣象因子分析[J].西藏科技，2011，000（008）：60-62.

[9]唐宜西，張小玲，熊亞軍，等.北京一次持續霾天氣過程氣象特征分析[J].氣象與環境學報，2013，29（5）：12-19.

[10]冀翠華，王式功，王敏珍，等.2001—2012年北京市空氣污染指數節氣分布及其與氣象要素的關系[J].氣象與環境學報，2014（06）：108-114.

[11]馮建軍，沈家芬，梁任重，等.廣州市PM與氣象要素的關系分析[J].中國環境監測，2009，25（001）：78-82.

[12]陳桃桃，李忠勤，周茜，等.“蘭州藍”背景下空氣污染特征、來源解析及成因初探[J].環境科學學報，2020，40（4）：1361-1373.

[13]王麗霞.冬季靜穩天氣下西固SO、NO排放對蘭州市主城區影響的初步研究[D].蘭州：蘭州大學，2016.

[14]楊雪玲，王穎，李博，等.河谷地形氣象要素對污染物濃度的影響[J].環境科學研究，2018，31（1）：34-41.

[15]李博，王穎，張稼軒，等.河谷城市通風系數的研究[J].環境科學研究，2018，31（8）：1382-1388.

[16]王式功，姜大膀，楊德保，等.蘭州市區最大混合層厚度變化特征分析[J].高原氣象，2000，19（3）：363-370.

[17]韓軍彩，陳靜，鈐偉妙，等.石家莊市空氣顆粒物污染與氣象條件的關系[J].中國環境監測，2016（2）：31-37.

[18]佘峰.蘭州地區大氣顆粒物的化學特征及沙塵天氣對其影響研究[D].蘭州：蘭州大學，2011.

[19]姜大膀，王式功，郎咸梅，等.蘭州市區低空大氣溫度層結特征及其與空氣污染的關系[J].蘭州大學學報（自科科學版），2001，37（4）：133-139.

[20]趙敬國，王式功，王嘉媛，等.蘭州市空氣污染與氣象條件關系分析[J].蘭州大學學報（自然科學版），2013，49（4）：12-16.

[21]謝學軍，李杰，王自發.蘭州城區冬季大氣污染物日變化的數值模擬[J].氣候與環境研究，2010，15（5）：695-703.

[22]胡波，張武，張鐳，等.蘭州市西固區冬季大氣氣溶膠粒子的散射特征[J]. 高原氣象， 2003， V22（4）：354-360.

[23]牛俊玫，吳瑤，張恒，等.山西陽泉空氣污染特征及其與氣象要素的相關性分析[J].成都信息工程學院學報，2013，28（001）：95-103.

[24]朱曉艷，李念，鄭昭佩.濟南市氣象要素對大氣污染物濃度的影響[J].濟南大學學報（自然科學版），2017（5）：438-444.

[25]張朝能，王夢華，胡振丹，等.昆明市PM濃度時空變化特征及其與氣象條件的關系[J].云南大學學報（自然科學版），2016，38（1）：90-98.

[26]趙晨曦，王云琦，王玉杰，等.北京地區冬春PM和PM污染水平時空分布及其與氣象條件的關系[J].環境科學，2014，035（002）：418-427.

[27]楊瑩，王琨，崔晨，等.哈爾濱市大氣污染與氣象因素的相關性分析[J].環境工程學報，2015，9（012）：5945-5950.