成都市氣象因子對PM2.5濃度影響分析

＊侯夢琪

（西南交通大學地球科學與環境工程學院 四川 611730）

成都市作為西部地區重要的中心城市，人口基數大，汽車保有量多，受盆地負地形影響，靜穩天氣頻繁，污染物難以擴散[1]，導致長期以來大氣中的PM2.5濃度居高不下。PM2.5主要來自土壤、揚塵及各種燃燒過程的一次排放和氣態污染物的二次轉化，其濃度除受到污染源排放影響外，氣象條件也是關鍵的影響因素。污染源的遷移擴散、干濕沉降和顆粒物的化學轉化均與氣象條件密切相關[2]，同時，氣象因子也在不同程度上影響PM2.5復雜的組分變化，進而導致PM2.5濃度變化。根據成都市環保局2015-2017年公布的《環境質量公報》顯示，2015-2017年全市PM2.5年平均濃度值分別為64μg/m3、63μg/m3、56μg/m3，均超過《環境空氣質量標準》年平均濃度二級限值（35μg/m3）；2015-2017年達標（＜75μg/m3）天數分別是214天、214天、235天；重污染（＞150μg/m3）天數分別為22天、13天、22天。

1.數據來源

本文PM2.5質量濃度數據來源于四川省環境監測重點實驗室（交大站）2015-2017年的監測數據。主要包括PM2.5的小時平均值、24小時平均值等。參照環境保護部發布的《環境空氣質量標準》中對污染物濃度數據有效性的最低要求對數據進行剔除，處理后分別得到3年的有效數據共1068天。

PM2.5組成成分及占比來源于川西平原城市群大氣污染（灰霾）特征和成因研究報告中交大站監測數據（四川省環境保護重大科技專項2013HBZX01）。近地面氣象數據來源于同一站點的同步監測數據，主要包括相對濕度（%）、降雨量（mm）、溫度（℃）、風向（°）和風速（m/s）、氣壓（hPa）等。

2.結果分析

(1)PM2.5濃度及組分的時間分布規律

①PM2.5濃度季節分布特征。根據氣象劃分法將全年劃分為四個季度，其中3-5月為春季；6-8月為夏季；9-11月為秋季；12-2月為冬季。分別統計成都市2015-2017年四季PM2.5質量濃度變化特征，如圖1所示。可以看出，成都市PM2.5質量濃度存在明顯的季節性差異。成都市PM2.5季均濃度最大值連續三年出現在冬季，均超過115μg/m3，這表明成都市冬季高濃度顆粒物污染最嚴重。PM2.5季均濃度最小值連續三年出現在夏季，均低于60μg/m3。綜合分析三年數據，得出成都市2015-2017年PM2.5質量濃度的季節污染程度，大致表現為冬季＞秋季＞春季＞夏季。

圖1 成都市2015-2017年PM2.5濃度季節變化特征

②PM2.5組分的季節變化規律。參考川西平原城市群大氣污染（灰霾）特征和成因研究報告中利用交大站監測數據（四川省環境保護重大科技專項2013HBZX01）對成都市PM2.5組成成分的研究，得出PM2.5總質量=10.6%地殼物質（GM）+28.7%有機物（OM）+43.5%無機離子（SO42-、NO3-、NH4+、K+、Cl-）+6.8%元素碳（EC）+0.9%微量元素（trace）+9.5%其他成分（other）。圖2分別為成都市春夏秋冬四個季節PM2.5的組成成分及各組分占比，由圖知地殼物質（GM）春季含量較高，這可能是由于沙塵暴的影響；受夏季高溫的影響，NO3-極易從顆粒相揮發到氣相中[3]，因此NO3-夏季含量最低，而在冬季低溫下氣相氨和硝酸平衡向顆粒相硝酸銨的轉變[4]，導致冬季NO3-含量最高；SO42-、NO3-和NH4+結合的過程存在競爭，當顆粒物中NO3-含量減少，NH4+更多的和SO42-結合生成相對穩定的(NH4)2SO4，因此PM2.5中SO42-含量夏季最高，冬季最低；有機物（OM）含量秋冬季高于春夏季，微量元素和NH4+季節變化特征不明顯。

圖2 不同季節下成都市PM2.5組分及占比

③PM2.5濃度日變化趨勢。圖3為成都市2015-1017年不同季節PM2.5質量濃度日變化趨勢，觀察日變化濃度曲線發現，冬季PM2.5質量濃度遠大于其他季節，其次分別是秋季、春季，夏季濃度最低。春、秋、冬季PM2.5濃度峰值出現時間均為12:00，夏季較其他季節出現峰值時間滯后2h，此后大氣中的細顆粒物濃度呈下降趨勢。冬季最低值出現時間為17:00，春秋季節次之，最低值出現時間為19:00，夏季最低值出現時間最晚，為20:00。冬季日波動幅度最大，單峰單谷趨勢較明顯，相比之下，春、夏、秋三季的日變化趨勢較為平穩。

圖3 成都市2015-2017年PM2.5濃度日變化分布特征

(2)PM2.5質量濃度與氣象條件的關系分析

任何污染物的季節性變化都受到源排放強度和氣象條件的季節性變化的影響，通常在短期內（一個月或一個季節），污染物排放量不會發生顯著變化，因此氣象條件在PM2.5的季節變化中起著重要的作用。

①PM2.5質量濃度與各氣象因子的相關性分析

由上文對成都市不同季節下的PM2.5質量濃度水平及日變化趨勢分析可知，PM2.5質量濃度的變化與氣象條件的變化緊密相關。因此，本文對2015-2017年PM2.5質量濃度分別與相對濕度、降雨量、溫度、風速、大氣壓等氣象因子進行Spearman相關性分析，Spearman秩相關系數見表1。由表1可見，PM2.5濃度與溫度（α=0.01）、風速（α=0.01）、降雨量（α=0.01）呈顯著負相關，相關性為降雨量＞溫度＞風速，與大氣壓（α=0.05）呈顯著正相關，與相對濕度成正相關，正相關性小于大氣壓。

表1 成都市2015-2017年PM2.5濃度與各氣象因子的Spearman秩相關系數

②PM2.5濃度與相對濕度的關系

利用成都市2015-2017年PM2.5濃度與相對濕度數據，分別統計不同相對濕度下的PM2.5濃度均值變化規律。統計結果如圖4所示，成都市相對濕度較高，整體水平高于40%。當相對濕度小于80%時，PM2.5日均濃度和相對濕度呈正相關變化，即隨著相對濕度的增加，PM2.5濃度均值增大，PM2.5日均濃度最大值出現于相對濕度為80%-90%時，高達76μg/m3；而當相對濕度超過90%后，PM2.5濃度下降至60μg/m3。根據上文2.1.2中對成都市PM2.5組分的分析，無機離子占比43.5%，其中SO42-、NO3-、NH4+占無機離子的90.6%，因此相對濕度通過影響大氣中二次顆粒物的濃度進而對PM2.5的濃度產生重要影響。此外，高相對濕度會影響大氣中新粒子的成核和老粒子的成長，新老粒子作為云凝結核影響成云過程，進而引起氣候變化。

圖4 成都市2015-2017年PM2.5濃度與相對濕度的關系

③PM2.5濃度與平均降雨量的關系

將成都市2015-2017年不同季節下的降雨量按照小雨（0-10mm），中雨（10-25mm），大雨（＞25mm）分級，統計四季不同降雨級數下的平均PM2.5濃度，如圖5所示。據統計，成都市降雨主要發生在春夏兩季，秋季只有小雨發生，冬季未出現大雨。在春、夏、冬季，PM2.5濃度均在降雨級數為小雨時達到最高，分別為61μg/m3、40μg/m3、121μg/m3；在中雨及大雨的沖刷作用下，PM2.5濃度下降明顯。冬季PM2.5濃度處于較高水平，中雨發生時大氣中PM2.5較小雨時下降20μg/m3左右。研究表明，降水對顆粒物的清除作用取決于顆粒物濃度及降水大小，降水量小于10mm時對相對濕度的增強作用顯著強于其對PM2.5的清除作用[5]。成都市降雨量整體較少，主要集中在0～2mm，當降雨量大于10mm時，在雨水的沖刷作用下，顆粒物濃度減小。

圖5 成都市2015-2017年不同季節PM2.5濃度和降雨量的關系 (其中秋季沒有中雨及大雨發生，冬季沒有大雨發生)

④PM2.5濃度與溫度的關系

利用成都市2015-2017年PM2.5濃度與大氣溫度數據，分別統計不同溫度下的PM2.5濃度均值變化規律，如圖6所示。統計結果表明，PM2.5濃度在0～5的區間內達到最大，平均濃度為124μg/m3；當大氣溫度小于5℃時，PM2.5濃度隨溫度升高而增大；當大氣溫度大于10℃后，隨著溫度的升高，PM2.5濃度逐漸減小，即PM2.5濃度與溫度呈負相關變化。根據上文2.1.2的分析，高溫下有利于NH4NO3的揮發和(NH4)2SO4的生成，這是由于氣溫較低時，大氣對流層結穩定，易出現輻射逆溫，當出現逆溫時，大氣環境穩固，空氣流動緩慢且無法向上擴散，造成污染物在低層大氣不斷積累，此外，當空氣中的水汽壓一定時，溫度越低相對濕度就越大，顆粒物污染越嚴重。而當溫度較高時，大氣對流層的運動加劇，垂直方向對流更劇烈，促使PM2.5隨大氣向上傳輸；同時，溫度越高，微細顆粒物的布朗運動越劇烈，越有利于擴散[6]。

圖6 成都市2015-2017年PM2.5濃度與溫度的關系

⑤PM2.5濃度與風的關系

利用成都市2015-2017年四季PM2.5質量濃度與風向風速數據分析風對細顆粒物的影響，見圖7。據統計，成都市春季主導風向為東北風、東東北風，出現頻率分別為20.24%、21.05%，最大風速為6.94m/s，PM2.5濃度高值主要出現在偏東北方向；夏季主導風向為東東北風、東風和偏南風，出現頻率分別為15.92%、12.39%、28.31%，最大風速為6.69m/s，PM2.5濃度高值主要出現在東北方向和東南方向；秋季主導風向為東北風、東東北風，出現頻率分別為18.47%、21.81%，最大風速為5.5m/s，PM2.5濃度高值主要出現在正南方；冬季主導風向為東北風、東東北風和東風，出現頻率分別為22.31%、20.83%、11.29%，最大風速為5.4m/s，PM2.5濃度高值主要出現在東南方和東方。

圖7 成都市2015-2017年四季PM2.5濃度與風的關系

分析成都市PM2.5濃度四個季節高值出現的風向發現，PM2.5濃度高值主要出現在東北風和南風，此時風速較小或處于靜風狀態。這種現象的原因可能是成都市東北部是青白江工業集中發展區和成都石油化學工業園區，是成都的冶金、化工、機械、物流基地，顆粒物和SO2、NOx等大氣氣溶膠的前體物排放較多；而成都市南面人口稠密，車流量巨大，汽車尾氣排放量大。因此PM2.5濃度高值主要出現在東北風和南風。

⑥PM2.5濃度與氣壓的關系

利用成都市2015-2017年PM2.5質量濃度與氣壓數據分析氣壓對細顆粒物的影響，如圖8所示。結果表明，大氣壓具有明顯的季節特征和日變化特征，其中夏季氣壓最低，7月達到最低值，約為942hPa；冬季氣壓最高，最大值出現在1月，為964hPa；PM2.5質量濃度與氣壓大致呈正相關變化趨勢。統計發現，2015-2017年83個重污染天氣出現時均受高壓天氣控制，特別是冬季高壓天氣頻發，PM2.5濃度嚴重超標率增大。當區域受高壓控制時，一般天氣晴朗，風較小，中心部位的空氣向周圍下降，呈順時針方向旋轉，形成反氣旋，又往往在幾百米到兩千米的高度上形成下沉逆溫，抑制湍流的向上發展，夜間有利于形成輻射逆溫，不利于污染物的擴散，因此，在持續穩定高壓的控制下，大氣中的PM2.5濃度較高；當區域受低壓控制時，云量較多，周邊高壓氣團往低壓區運動，低壓氣團垂直向上運動，此時產生較大風力，利于大氣中的PM2.5運輸擴散。

圖8 成都市2015-2017年月均PM2.5濃度與大氣壓的關系

3.結論

（1）成都市PM2.5四季污染強度大致表現為冬季＞秋 季＞春季＞夏季，冬季PM2.5濃度日波動幅度最大，單峰單谷趨勢明顯，相比之下，春、夏、秋三季的日變化趨勢較為平穩，夏季濃度最低。四季PM2.5濃度峰值出現時間為12:00-14:00，夏季較晚于其他季節；四季PM2.5濃度最低值出現時間為17:00-20:00，夏季最低值出現時間最晚。

（2）成都市相對濕度在40%-90%時與PM2.5濃度呈正相關關系，大于90%時可能引發降雨使PM2.5濃度下降；PM2.5濃度與降雨量、風速、溫度呈顯著的負相關關系，相關性為降雨量＞溫度＞風速；氣壓在夏季最低，冬季最高，PM2.5濃度與大氣壓呈顯著的正相關關系。PM2.5濃度高值主要出現在東北風和南風，出現時風速較小或處于靜風狀態。這與成都市所處的盆地地形和工業交通分布有關。

4.結語

成都市顆粒物污染日趨嚴重，具有明顯的季節性特征，主要污染季節為冬季，其次為秋季。成都市PM2.5濃度與氣象因子關系密切，受到相對濕度、降雨量、溫度、風速以及氣壓等氣象因子的顯著影響。在后續制定成都市顆粒物控制對策時，將PM2.5時間分布特征以及氣象預報模式相結合，以準確可靠地預測顆粒物濃度，動態調整控制措施，以改善成都市空氣質量。