駐馬店市大氣污染物變化特征及與氣象條件的相關性研究

姚豫奇

（駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000）

0 引言

改革開放以來，我國經濟飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，極大地提高了人們的生活水平，但最初的發(fā)展往往伴隨著環(huán)境的破壞，帶來很多污染問題，對人們的生活、生產、交通等產生影響，人們對改善城市空氣質量的呼聲越來越高［1-2］。因此，對大氣污染的研究顯得尤為重要，引起了國內外學者的廣泛關注。影響大氣污染物質量濃度的因素有很多，包括人為活動、污染源的排放、氣象條件、天氣系統(tǒng)等，其中污染源是根本原因，但污染擴散時的氣象條件也至關重要［3-5］。有很多學者對其進行了研究［6-8］，穩(wěn)定的大氣層結有利于污染天氣的維持，降水可以加速污染物沉降，大風又可以加快污染物擴散，降低污染物質量濃度，污染物在空間上分布不均，時間上有著明顯的月、季、年變化特征［9-10］。

駐馬店市位于豫南地區(qū)，地勢西高東低，是河南省重要的人口、農業(yè)和新興工業(yè)城市，隨著不斷發(fā)展，空氣污染問題也逐漸凸顯。目前，關于駐馬店大氣污染的研究主要集中在大氣污染物特征方面，而影響大氣污染的因素除了排放源外，還與氣象條件息息相關，但此方面的研究較少。因此，對大氣污染物與氣象條件的關系進行研究具有重要意義。本研究利用駐馬店市逐日大氣污染物質量濃度及氣象數(shù)據(jù)，首先分析駐馬店市空氣污染物質量濃度變化特征，然后再利用同期的氣象數(shù)據(jù)，研究氣象因子對大氣污染的影響，為駐馬店市大氣污染防治工作提供一定的參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 研究資料

本研究使用的大氣污染物質量濃度數(shù)據(jù)、空氣質量AQI、氣象條件數(shù)據(jù)來自河南省環(huán)境氣象業(yè)務平臺，氣象觀測數(shù)據(jù)來自氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，時間范圍為2020 年12 月1 日至2021 年11 月30 日，包括主要大氣污染物（PM10、PM2.5、O3、NO2）逐日質量濃度、逐日空氣質量AQI，逐日降水量、平均氣溫、平均風速、逐日大氣邊界層高度、通風量。

1.2 研究方法

Pearson 相關系數(shù)［11］是統(tǒng)計學中一種常用來衡量變量之間線性關系的方法。本研究采用該方法計算各污染物質量濃度與氣象因子的相關關系，相關系數(shù)的絕對值越大，相關性越強，反之越弱。r>0表示兩變量之間為正相關關系，r<0 表示兩變量之間為負相關關系。其計算公式如式（1）。

式中：xˉ和yˉ分別為變量x和y的樣本平均值；xi和yi分別為兩個樣本的變量值；r為相關系數(shù)。

2 結果分析

2.1 駐馬店市大氣污染物變化特征

根據(jù)空氣質量AQI 的等級標準，將駐馬店市2020 年12 月1 日至2021 年11 月30 日空氣質量分級，見圖1，并統(tǒng)計各等級的天數(shù)及占比，見表1。結果表明，駐馬店市空氣質量等級以二級為主，占60.27%，一級次之，占20.27%，三級及以上達19.45%，優(yōu)良天數(shù)共294 d，輕度污染及以上天數(shù)共71 d，說明駐馬店市各等級空氣質量占比差別很大，整體空氣質量較好。

圖1 空氣質量等級占比

表1 駐馬店市空氣質量實況統(tǒng)計

為研究駐馬店市空氣污染季節(jié)變化特征，對2020 年12 月1 日至2021 年11 月30 日PM10、PM2.5、O3、NO2和AQI 進行統(tǒng)計分析（見表2），按氣象標準進行劃分，12 月、1 月、2 月為冬季，3 月、4 月、5 月為春季，6 月、7 月、8 月為夏季，9 月、10 月、11 月為秋季。從AQI 來看，空氣質量最好的是夏季，最差的是冬季，其次是秋季和春季；從4 種污染物質量濃度來看，PM10質量濃度在四季中較其他3 種污染物大，冬春季較大，冬季最大，達108μg/m3；PM2.5質量濃度與NO2質量濃度變化相似，在冬季和秋季質量濃度較大，PM2.5質量濃度在冬季為70.2 μg/m3，NO2質量濃度在冬季為29.2μg/m3；O3質量濃度變化相反，夏季最大，為120.5μg/m3，冬季最小，為68.9μg/m3。

表2 駐馬店市PM10、PM2.5、O3、NO2質量濃度和AQI季節(jié)平均值

從4 種污染物質量濃度月變化分析（見圖2）可以看出，4 種污染物質量濃度變化有明顯的規(guī)律，PM10、PM2.5、NO2質量濃度變化呈“U”型分布特征，即1 月質量濃度高，之后逐漸降低，到7 月、8 月質量濃度最低，之后質量濃度又逐漸升高；O3質量濃度變化相反，呈倒“U”型分布，12 月質量濃度低，之后質量濃度逐漸升高，6 月質量濃度達到高值，之后整體呈降低趨勢。這是由于冬季天氣形勢穩(wěn)定，氣象條件不利于污染物擴散，加上冬季取暖需求增加，造成空氣污染物含量增加，夏季氣溫較高，大氣污染擴散能力強，降水量較大，對大氣細顆粒物有清除作用，且由于夏季太陽輻射強、氣溫高，使大氣中的氮氧化物發(fā)生光化學反應，使O3含量增多［12］。

圖2 駐馬店市PM10、PM2.5、O3、NO2平均質量濃度月變化

2.2 駐馬店市大氣污染物質量濃度與氣象因子的關系

從以上分析可知，空氣污染物質量濃度變化有明顯的季、月變化規(guī)律，說明污染物質量濃度變化受氣象因子影響，二者關系密切。為研究駐馬店市主要空氣污染物與氣象因子之間的關系，選取同期的日降水量、日平均氣溫、日平均風速進行Pearson相關性研究并檢驗。

駐馬店市在污染天氣時主要空氣污染物為O3和PM2.5，因此主要分析二者及AQI與氣象要素的相關性，見表3。由表3 可以看出，O3質量濃度與降水量和風速呈負相關，與氣溫呈正相關，且均通過顯著性水平α=0.01 的相關性檢驗。PM2.5質量濃度與降水量、氣溫、風速均呈負相關，與降水量和氣溫的相關性通過顯著性水平α=0.01的相關性檢驗，與風速的相關性通過顯著性水平α=0.05的相關性檢驗。空氣質量AQI 與降水量、氣溫、風速也呈負相關關系，其中與降水量和氣溫相關性通過顯著性水平α=0.01 的相關性檢驗，與風速的相關性通過顯著性水平α=0.05 的相關性檢驗。降水與污染物質量濃度呈負相關，是因為雨滴促進污染物濕沉降，雨水也對污染物有沖刷作用；氣溫與PM2.5質量濃度呈負相關，與O3質量濃度呈正相關，是因為氣溫升高會加強大氣對流運動，污染物垂直擴散條件變好，但是對O3而言，太陽輻射增強，氣溫升高，加強光化學反應產生的O3含量遠大于垂直擴散條件變好而擴散的O3含量；風速與污染物質量濃度呈負相關，是由于風速增大有利于污染物擴散。

表3 主要空氣污染物及AQI與氣象要素的相關性

為進一步研究主要空氣污染物與氣象條件的相關性，對邊界層高度、通風量與O3、PM2.5進行相關性分析，見表4。由表4 可以看出，O3質量濃度與邊界層高度、通風量呈負相關關系，其中與通風量的相關性通過顯著性水平α=0.1 的相關性檢驗，與邊界層高度的相關性未通過檢驗，PM2.5質量濃度與邊界層高度和通風量均呈負相關關系，且通過顯著性水平α=0.01 的相關性檢驗。這是因為大氣運動發(fā)生在邊界層內，邊界層高，大氣垂直運動強，空氣污染物垂直擴散條件好；同樣地，通風量越大也越有利于污染物擴散。

表4 主要空氣污染物與氣象條件的相關性

3 結論

本研究使用駐馬店市2020 年12 月1 日至2021年11月30日主要大氣污染物質量濃度及同期幾種氣象要素、氣象條件要素逐日數(shù)據(jù)，對駐馬店市空氣污染變化規(guī)律及與氣象條件的相關性進行研究，得到以下幾點結論。

①駐馬店市空氣質量以二級為主，一級次之，整體空氣質量較好。

②空氣質量有明顯的季、月變化特征，空氣質量最好的是夏季，最差的是冬季；PM2.5、NO2和PM10濃度變化呈“U”型分布特征，冬季質量濃度最大，夏季質量濃度最小；O3質量濃度變化與其他3 種污染物相反，呈倒“U”型分布，夏季質量濃度最大，冬季質量濃度最小。

③O3質量濃度與降水量和風速呈負相關，與氣溫呈正相關；PM2.5質量濃度與降水量、氣溫、風速呈負相關；空氣質量AQI與降水量、氣溫、風速也呈負相關，且均通過顯著性檢驗。

④O3質量濃度與邊界層高度、通風量呈負相關關系，其中與通風量的相關性通過顯著性水平α=0.1 的相關性檢驗，與邊界層高度的相關性未通過檢驗，PM2.5含量與邊界層高度和通風量均呈負相關關系，均通過顯著性水平α=0.01的相關性檢驗。