洛陽城區PM10、PM2.5質量濃度時空變化特征及其與氣象因子的關系

趙佳倫，周士鋒，雷雅凱，馮 艷，劉藝平，孔德政

（1.河南農業大學林學院，鄭州 450002；2.河南農業職業學院，鄭州 451450）

由于城市化進程的擴大、社會經濟的快速發展、煤炭資源的消耗量增加，致使空氣中顆粒物含量不斷增加，大氣環境質量明顯下降，霧霾天氣越來越頻繁［1］。引起灰霾天氣的主要因素之一就是大氣顆粒物，對人類健康危害極大［2］，特別是對心血管系統和呼吸系統有極大危害［3-5］，因此引起世界各國政府和衛生機構的重視［6］。大氣顆粒物作為空氣中重要組成部分，對云霧降水、大氣能見度、太陽輻射、光能吸收等大氣物理化學過程有著直接和間接影響，最終導致全球氣候發生變化［7］。因此，在生態學、環境科學和大氣科學研究領域中，研究和評價大氣顆粒物的時空變化特征、分析其污染源已成為熱點問題之一。

中國環境監測總站全國城市空氣質量實施發布平臺發布的數據顯示，河南省一直是全國大氣污染最嚴重的地區之一［8］。洛陽市是中部地區重要的工業城市，有著雄厚的工業基礎和科技實力，在各方面實力不斷增強的同時也導致大氣污染問題［9］。因此，開展洛陽市大氣顆粒物特征研究具有十分重要的意義。近年來，對洛陽市大氣顆粒物的相關研究較少，僅單一分析其顆粒物濃度的分布特征，未與氣象因素結合研究［10］。本研究通過探討洛陽市不同監測站點PM2.5和PM10質量濃度的時空分布特征，分析洛陽市大氣顆粒物污染狀況及其與氣象條件的關系，為進一步分析洛陽市大氣污染防治和大氣顆粒物的來源提供參考資料。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

洛陽市位于河南省的西部，地處33°35'—35°05'N，111°08'—112°59'E，總面積約15 208 km2，其中，市區面積約803 km2。洛陽市位于南部暖溫帶與亞熱帶北部的過渡地帶，地理條件十分優越，氣候類型以亞熱帶、溫帶季風氣候為主，年平均降水量較少，且主要集中在夏季，傾向率為-13.733 mm/10年，降水量呈明顯的減少趨勢，總體上降水量呈西多東少、南多北少的分布特征。境內的山脈由西南向東北延伸，且均為秦嶺山脈，地形復雜多樣，西部地勢高，東部地勢低。同時，由于洛陽市三面環山，有高達30%的靜風頻率，地形和氣候的特點使得環境空氣中的大氣污染物不易擴散。隨著城市的快速發展，冶金、施工、燃煤、化工、交通、機械制造等方面造成的環境污染越來越嚴重［10］。

1.2 數據來源

選取洛陽市城區7個國控監測點位的PM10、PM2.5的監測數據為研究對象，研究時間段為2017—2019年，PM10、PM2.5及氣象數據來源于空氣質量歷史數據查詢網。洛陽市城區的7 個國控監測點位分別為洛陽市中信小學、中共洛陽市委黨校、洛陽市監測站、洛陽市豫西賓館、河南林業職業學院、洛陽市開發區管委會和洛陽市委新辦公區，監測點位的分布情況［11］見圖1。選取的氣象因素有溫度、相對濕度、風速風向。

圖1 洛陽市自動空氣監測站位置分布

1.3 數據處理

該研究使用的洛陽市區ρ（PM2.5）、ρ（PM10）日平均數據，即市區各監測站ρ（PM2.5）、ρ（PM10）24 h 數據的算數平均值，根據ρ（PM2.5）、ρ（PM10）日平均數據計算出月平均數據，根據月平均數據計算出季平均數據和年平均數據。其中，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月，氣象數據按同樣的方法獲取日平均數據。運用Ex?cel 軟件對PM2.5、PM10濃度的時間變化特征（包含月、季、年變化特征）進行分析，空間分布特征運用Arc?GIS 中反距離加權插值法進行分析［12］。分別運用SPSS 22.0、Excel、Origin 9.0 等 軟 件 對 氣 象 數 據 與PM2.5、PM10濃度的關系進行整理及線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 2017—2019年洛陽市城區大氣顆粒物污染天數

2017—2019年洛陽市城區污染級別天數分布情況如圖2 至圖4 所示。2017—2019年參與研究的數據總量為1 095 d，其中超過污染標準的天數共537 d，占總有效天數的49.04%。2017年1月洛陽市城區共有5 d 處于嚴重污染狀態，2018年的污染總天數最低，比2017年減少41 d，2019年的污染總天數比2017年減少10 d，2019年污染總天數較2018年多31 d。

從圖2 至圖4 可以看出，2017、2018、2019年優良天數分別占全年有效天數的46.30%、57.54%、49.04%，中輕度污染天數分別占全年有效天數的45.48%、35.34%、42.47%，重度及以上污染天數分別占全年有效天數的8.22%、7.12%、8.49%。隨著年際變化，優良天數占比有所增長，其中，2018年優良天數占比最高，2019年次之，2017年最低。在2017年和2018年優良天氣出現次數最高的月份均為10月，而2019年優良天氣出現次數最高的月份為3月，2018年重度及以上污染天數最低，2019年重度及以上污染天數最高，且主要發生在1、2、11、12月的供暖期。輕度和中度污染出現的天數占比低于優良天數的比例，高于重度以上的高污染天氣，整體年際變化不明顯。近幾年洛陽市城區的整體空氣質量情況在2018年有明顯的改善，2019年相比2018年空氣質量有所下降，但相較于2017年空氣質量有所改善。

圖2 2017年洛陽市城區污染級別天數分布

圖3 2018年洛陽市城區污染級別天數分布

圖4 2019年洛陽市城區污染級別天數分布

2.2 洛陽市城區大氣細顆粒物的時間變化特征

2.2.1月變化特征 受氣象條件、污染排放等多重因素影響，不同月份、不同季節大氣顆粒物濃度存在明顯差異。2017—2019年洛陽市城區PM2.5、PM10質量濃度月均值變化見圖5、圖6。由圖5、圖6 可以看出，洛陽市城區大氣顆粒物質量濃度月差異較明顯，2017—2019年PM10、PM2.5月平均濃度變化均呈U 形分布，中間低兩頭高。高濃度污染主要集中在11月至次年2月，空氣質量為優良的天氣主要出現在6—9月。其中，在1月PM10和PM2.5的濃度達到全年月平均濃度的最高值，之后2—6月，月均質量濃度逐漸下降，6—9月達到最低值，10月兩者質量濃度又開始呈上升趨勢。

圖5 2017—2019年PM2.5質量濃度月均值變化特征

圖6 2017—2019年PM10質量濃度月均值變化特征

2.2.2 季變化特征 2017—2019年洛陽市城區PM2.5、PM10質量濃度季節變化見圖7、圖8。研究結果（圖7、圖8）表明，不同季節的PM2.5、PM10質量濃度變化均顯示冬季＞春季＞秋季＞夏季。由于采暖期主要集中在冬季，燃燒煤和燃油的增加導致了煤粉塵和二氧化硫排放量上升；同時，洛陽市冬季降水少、氣溫低、日照時間短，受冷空氣的影響易產生輻射逆溫或低空逆溫，極不利于空氣中污染物擴散；此外，隨著城市建設的快速發展，地面摩擦系數增大，近地表污染物的水平稀釋速度緩慢，在市區內容易形成連續的高濃度污染，因此，洛陽市城區冬季大氣顆粒物污染狀況最嚴重。春季多風，植被處在生長期，地表覆蓋較低，易引起揚塵，多克辛［13］研究表明春季的揚塵是對城區顆粒物濃度貢獻最大的污染源，再加上春季大氣層的結構較穩定，使得顆粒物不容易擴散，從而導致春季洛陽市城區大氣中顆粒物濃度較高。秋季隨著秸稈禁燃的強制管控，大氣顆粒物濃度逐年下降，但隨著11月中旬開始進入供暖期，污染物開始增加；此外，入秋后，天氣潮濕，風速小，近地表氣壓逐漸升高，大氣層結構趨于穩定，導致顆粒物長期積累且難以擴散，最終導致更嚴重的污染天氣［14］。夏季降雨頻繁，空氣流動性強，城區主要街道輔助灑水降塵，有效減少粉塵污染，因而洛陽市城區空氣質量多為輕度污染。

圖7 2017—2019年PM2.5質量濃度季節分布

圖8 2017—2019年PM10質量濃度季節分布

2.2.3年際變化特征 2017—2019年洛陽市城區大氣顆粒物年均質量濃度見表1。由表1 可知，洛陽市城區2017、2018、2019年大氣顆粒物日均質量濃度超過國家GB 3095—2012《環境空氣質量標準》二級標準限值所占百分比表現為PM10分別超標25%、20%、23%，PM2.5分別超標32%、24%、27%。相比之下，2018年 的PM10、PM2.5年 均 濃 度 低 于2017年 和2019年，2019年PM10、PM2.5年均 濃度 低于2017年。2017—2018年空氣質量狀況有明顯的改善，但2018—2019年空氣質量狀況有所下降，可能是由于2019年秋、冬季受厄爾尼諾氣候影響，北方地區高溫少雨，冷空氣活動較弱，大氣污染擴散條件整體偏差，對空氣質量影響達60%。從2019年秋、冬季幾次重污染過程來看，冷空氣弱且路徑偏北，多數攜污染團在太行山北麓沿華北地形大槽南下到達洛陽市，加之洛陽市污染物“易聚難散”的特點，進一步加劇了空氣質量的惡化。3 個年度的PM10和PM2.5濃度標準差普遍較大，表明大氣顆粒物的日均濃度波動較大，而PM10和PM2.5濃度最高值均出現在2017年，且較往年明顯增加，主要原因為2017年1月有5 d 均處于嚴重污染狀態，且發生3 次持續3～5 d 的重度污染過程，由此可見，極端天氣條件對顆粒物污染的影響較大。

表1 洛陽市城區2017—2019年大氣顆粒物年均質量濃度

2.3 洛陽市城區大氣細顆粒物空間變化特征

根據洛陽市各國控站點的大氣顆粒物監測數據，分析了洛陽市大氣顆粒物的空間變化特征，其中由于市監測站的數據缺失，因此只對其他6 個監測站數據進行分析。

從圖9 可以看出，PM2.5濃度整體呈冬季高、夏季低的特點。春季PM2.5濃度由西向北逐漸遞減，西工區和澗西區的PM2.5濃度略高于其他區域；夏季PM2.5濃度由南向北逐漸遞減，洛龍區PM2.5濃度最高；秋、冬季節由北向南逐漸遞減，秋季西工區、澗西區和老城區PM2.5濃度較高，冬季老城區和瀍河回族區PM2.5濃度較高。

圖9 PM2.5質量濃度季節空間變化特征

從圖10 可以看出，PM10濃度的季節性變化夏季由西向北逐漸遞減，西工區和澗西區的PM10濃度較高，其他季節基本與PM2.5濃度變化類似，同樣呈冬季高、夏季低的趨勢。從整體分布可以看出，西工區和澗西區的空氣質量較差，其原因可能是澗西區工業化較重，大部分廠區都集中在澗西區，且西工區和澗西區相較其他區人數較多，大部分人口集中于此，因此，該區域的空氣質量較差。呈現冬季偏高夏季偏低的趨勢可能是由于冬季的污染物排放與靜穩天氣的相互作用，洛陽市冬季開始供暖，增加了大氣中細顆粒物的濃度，此外，由于冬季風速低且降水少，大氣層結構趨于穩定，從而使得靜穩天氣增多而濕沉降減少，導致不利于大氣顆粒物的擴散［15］。

圖10 PM10質量濃度季節性空間變化特征

2.4 氣象因子對PM2.5與PM10濃度的影響

顆粒物的污染程度與溫度、相對濕度、風速等氣象因子有著密切的關系，在排放相對穩定的情況下，天氣條件決定空氣中PM10、PM2.5的擴散、稀釋和去除過程，因此，可通過研究氣象因子對PM10和PM2.5污染的影響，為治理空氣污染提供相應的參考資料［14］。高溫會增加PM10和PM2.5等顆粒物的濃度，是由于光化學反應會產生二次粒子，從而導致其濃度升高［14］。強風可以通過稀釋、擴散和水平輸送來降低大氣顆粒物濃度［16］。相對濕度可以通過水分吸收的增長促進核膜態粒子轉化為積聚模態，從而導致大氣顆粒物不斷累積［17］。

2.4.1 溫度 洛陽市2017—2019年PM2.5和PM10質量濃度數據與氣溫的線性回歸（圖11、圖12）顯示，PM2.5的質量濃度與溫度之間呈顯著負相關（P<0.01），決定系數R2為0.230 5，PM10的質量濃度與溫度呈顯著負相關（P<0.01），決定系數為0.198 7。原因是當溫度較低時，供暖增加導致細顆粒物增加，再加上降水減少、風速降低以及大氣層結構的穩定，使空氣顆粒物不容易擴散，最終促進形成細顆粒物；當溫度較高時，在地面溫度高于高空溫度的情況下，地面的空氣容易上升，污染物容易被帶到高空分散，從而使得空氣顆粒物濃度降低。

圖11 2017—2019年PM2.5日均質量濃度與日均氣溫的線性關系

圖12 2017—2019年PM10日均質量濃度與日均氣溫的線性關系

2.4.2 相對濕度 對2017—2019年洛陽市的日均相對濕度與PM2.5和PM10日均濃度線性回歸分析結果（圖13、圖14）表明，相對濕度與PM2.5呈顯著正相關（P=0.001<0.01），決定系數為0.010 1；與PM10呈顯著負相關（P<0.01），決定系數為0.012 3。與馬格等［18］得到的相對濕度與PM10呈負相關，與PM2.5呈正相關的結論一致。分析發現，隨著相對濕度的增加，在相對濕度為60%～70%時，PM2.5的質量濃度出現最大值。這說明在一定濕度范圍內，相對濕度越高，空氣顆粒物越容易形成，特別是在高溫、高濕的天氣條件下，細顆粒物質量濃度更容易增加［19］。而PM10的質量濃度與相對濕度呈負相關，這是由于相對濕度的增大使顆粒物發生濕沉降，進而降低了空氣中PM10的質量濃度，這與蔣婷梅等［20］得出的相對濕度與PM10質量濃度的關系結論相似。

圖13 2017—2019年PM2.5日均質量濃度與日均相對濕度的線性關系

圖14 2017—2019年PM10日均質量濃度與日均相對濕度的線性關系

2.4.3 風向與風速 選取2019年3月至2020年2月的風速與風向數據，利用矢量平均法［21］計算當日平均風向，得到各季節的風向頻率玫瑰圖（圖15）。由圖15 可知，研究期間風向以東北風、東北偏北風、西南風、西北風為主。其中春季風速大于2 m/s 的天數占春季總天數的48%，夏季風速大于2 m/s 的天數占夏季總天數的35%，秋季風力大于2 m/s 的天數占秋季總天數的40%，冬季風力大于2 m/s 的天數占冬季總天數的51%。

圖15 不同季節的風向頻率玫瑰圖

為了得到不同風向顆粒物的平均濃度，排除降雨天氣時段，對風速為1～2 級時的風向和PM2.5、PM10質量濃度進行統計，結果如表2 所示。由表2 可知，當風向為南風、東南偏南風、西南偏南風、西南偏西風時，PM2.5、PM10質量濃度較小，但當風向為北風、東北偏北風時，PM2.5、PM10質量濃度卻較大。這與洛陽市的地勢有關，其城區為平原地帶，較為平緩，西部緊鄰新安縣，新安縣地形復雜多樣，地勢較高；南鄰伊川縣，其地處豫西低山丘陵區，周圍群山環繞；東鄰偃師市，其南部和北部高，中部低，地勢主要可分為坡地、平原、山地、丘陵4 種類型；北鄰孟津縣，其地形西部高東部低，中部高，南北部低，形如魚脊，東部南北兩側為洛河黃河階地，較為平坦。總體來看，洛陽市城區西、南部較高，東、北部較低，基本為平原，所以從西、南方向吹來的空氣相對較為干凈，空氣顆粒物的濃度也較低。

表2 洛陽市城區2017—2019年大氣顆粒物年均質量濃度 （單位：μg/m3）

3 小結

1）2017—2019年洛陽市城區環境空氣污染總體狀況變化趨勢存在差異，2018年污染總天數最低，較2017年減少41 d，2019年污染總天數比2017年減少10 d，3年間空氣污染天數總體呈先減少再增加的趨勢，且3年間49%的天數處于顆粒物污染狀態。2017、2018、2019年優良天數分別占全年總有效天數的46.30%、57.54%、49.04%，3年間優良天數占比呈先增加后減少的趨勢。近幾年洛陽市城區的整體空氣質量情況在2018年有明顯的改善，相比而言，2019年空氣質量有所下降，但相較于2017年空氣質量仍有所改善。

2）PM10和PM2.5質量濃度月平均值變化基本一致，濃度變化均呈U 形分布。PM10和PM2.5質量濃度變化具有明顯的季節性特征，夏季其質量濃度較低，空氣質量較好，春、秋季略高于夏季，冬季最高，空氣質量較差。2017、2018、2019年PM2.5、PM10不同日均質量濃度超過國家GB 3095—2012《環境空氣質量標準》二級標準限值所占百分比顯示，PM10分別超標25%、20%、23%；PM2.5分別超標32%、24%、27%。2019年空氣質量狀況有所下降，可能由于2019年秋、冬季受厄爾尼諾氣候影響，北方地區高溫少雨，冷空氣活動較弱，大氣污染擴散條件整體偏差，影響了空氣質量。

3）PM10、PM2.5與溫度呈顯著負相關；PM2.5與相對濕度呈正相關，在相對濕度為60%～70%時，PM2.5的濃度出現最大值，PM10與其呈負相關；降水可有效降低PM10、PM2.5污染；PM2.5、PM10的質量濃度在風向為西南偏西風、西南偏南風、東南偏南風、南風時較小，可能由于洛陽市地勢的原因，其西、南部較高，東、北部較低，基本為平原，所以從西、南方向吹來的空氣相對較為干凈，空氣顆粒物的濃度也較低。