沈陽(yáng)市供暖期PM2.5污染特征及其與地面氣象要素關(guān)系研究

王安庭 劉東明 徐冰

關(guān)鍵詞：PM2.5；沈陽(yáng)市；地面氣象要素；空氣質(zhì)量等級(jí)

前言

隨著城市化進(jìn)程不斷加快，大氣污染問(wèn)題也隨之加劇，污染范圍不斷擴(kuò)大。PM2.5、PM10等污染物已成為導(dǎo)致中國(guó)城市大氣污染的重要污染物。其中供暖期間污染現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，由于燃燒排放增加，空氣較為穩(wěn)定，導(dǎo)致污染物不易擴(kuò)散，秋冬季霧霾天氣頻發(fā)。掌握污染天氣發(fā)生規(guī)律，污染物特征等對(duì)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)以及預(yù)防污染事件發(fā)生十分必要。

馮春莉等對(duì)徐州市供暖期空氣進(jìn)行分析，結(jié)果表明供暖期污染物濃度明顯高于非供暖期。范寧云等對(duì)蘭州市供暖期PM2.5進(jìn)行分析，結(jié)果表明供暖期間，PM2.5含量變動(dòng)較為明顯。白莉等人研究室內(nèi)PM2.5濃度的各影響因素。結(jié)果表明：在供暖季長(zhǎng)春市高層建筑的不同樓層均存在一定的PM2.5污染，室內(nèi)外PM2.5濃度隨樓層升高大體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但差異不顯著。羅爻等分析了哈爾濱市冬季取暖期PM2.5質(zhì)量濃度的污染特征，結(jié)果表明：取暖期哈爾濱市多次出現(xiàn)重污染天氣，在開(kāi)始供暖后最為嚴(yán)重，PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速、相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，與溫度呈正相關(guān)。

文章選取沈陽(yáng)市2022年供暖期（2021年11月1日至2022年3月31日），作為研究時(shí)段。分析沈陽(yáng)市供暖期PM2.5空間格局分布、時(shí)間分布規(guī)律以及與氣象因子之間的關(guān)系。為進(jìn)一步了解沈陽(yáng)市冬季大氣污染狀況，大氣污染防控提供科學(xué)的依據(jù)。

1研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)域

沈陽(yáng)市是遼寧省省會(huì)城市，位于中國(guó)東北南部，遼寧中部，地貌以平原為主，山地丘陵集中在東北、東南部，屬遼東丘陵的延中部分。沈陽(yáng)屬于北溫帶受季風(fēng)影響的半濕潤(rùn)大陸性氣候，全年氣溫、降水分布由南向東北和由東南向西北方向遞減，一年四季分明。

此外沈陽(yáng)供暖期間污染天氣現(xiàn)象頻發(fā)，不同區(qū)域受供暖時(shí)間，氣候等因素影響，存在不同的污染特征，影響空氣質(zhì)量的主要?dú)庀笠馗鞑幌嗤虼擞斜匾獙?duì)沈陽(yáng)市供暖期PM2.5污染特征進(jìn)行分析，為提高沈陽(yáng)市空氣質(zhì)量提供依據(jù)。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站“全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)”，濃度數(shù)據(jù)每隔1小時(shí)記錄一次。沈陽(yáng)市現(xiàn)有環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)國(guó)控站點(diǎn)11個(gè)，其中包括小河沿、太原街，新秀街等站點(diǎn)，為方便研究文章采用區(qū)域平均的方法處理PM2.5濃度及地面氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)。

地面氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)采用沈陽(yáng)地區(qū)7個(gè)國(guó)家基本氣象站的逐時(shí)氣象觀測(cè)資料，包括氣溫、氣壓、相對(duì)濕度等，數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2022年1月1日一2022年1月31日，數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧省氣象局。

1.3空氣質(zhì)量等級(jí)劃分

根據(jù)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2012），通常將PM2.5日均濃度劃分為6個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表1）

2結(jié)果與討論

2.1PM2.5濃度分析

表2為2021年供暖期PM2.5月平均濃度，如表2所示，供暖期PM2.5月平均濃度最高出現(xiàn)在2022年1月，為81.5ug/m3；最低出現(xiàn)在2021年11月，為41.93ug/m3。從整體來(lái)看，供暖期間PM2.5月平均濃度1月>2月>3月>12月>11月，可見(jiàn)2021年供暖期間污染天氣主要集中在次年1月，且1月PM2.5月平均濃度顯著高于其他幾個(gè)月份，主要原因可能是1月氣溫整體偏低，居民供暖需求較大。

2021年沈陽(yáng)市供暖期從11月1日起至次年3月31日。如圖1所示沈陽(yáng)市2021年12月-2022年3月逐日PM2.5質(zhì)量濃度，由圖2可知1、3月多次出現(xiàn)污染天氣，其中1月下旬多次出現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度較高情況，峰值高達(dá)175ug/m3，可見(jiàn)沈陽(yáng)市供暖期PM2.5污染較為嚴(yán)重。選取空氣污染較為嚴(yán)重的時(shí)間范圍（2022年1月中下旬），分析沈陽(yáng)市供暖期PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素之間的關(guān)系。

2.2沈陽(yáng)市PM2.5濃度與氣象要素的關(guān)系

如圖2所示沈陽(yáng)市1月15日-1月31日區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度逐小時(shí)變化圖。由圖可知PM2.5質(zhì)量濃度變化范圍為7.5ug/m3～251ug/m3，在采集的408個(gè)時(shí)次中，約有187個(gè)時(shí)次PM2.5質(zhì)量濃度超過(guò)75ug/m3，占整體的45.83%；PM2.5逐時(shí)質(zhì)量濃度平均為77.45ug/m3，可見(jiàn)供暖期間沈陽(yáng)市1月PM2.5污染尤為嚴(yán)重。主要原因可能是沈陽(yáng)市冬季較為寒冷，1月溫度較低，供暖較為集中，燃燒排放較大，導(dǎo)致污染偏高。此外白天PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)偏低，夜晚濃度偏高。

如圖3（a）所示沈陽(yáng)市1月15日-1月31日區(qū)域風(fēng)速逐小時(shí)變化圖。由圖可知風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度整體呈顯著負(fù)相關(guān)。風(fēng)是影響污染物水平和垂直方向擴(kuò)散的重要因子，直接影響污染物的清除過(guò)程。風(fēng)速大小影響大氣擴(kuò)散能力，當(dāng)風(fēng)速越大日寸，空氣中的污染物濃度減少，空氣質(zhì)量越好；當(dāng)風(fēng)速偏小時(shí)，污染物的擴(kuò)散稀釋能力較差，空氣中的污染物濃度增加，空氣質(zhì)量越差。地表風(fēng)速較低時(shí)，對(duì)大氣中污染物擴(kuò)散影響較小；隨著地表風(fēng)速增大，重度污染天氣現(xiàn)象逐漸減小。1月中下旬風(fēng)速普遍偏低，靜穩(wěn)天氣現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)較為頻繁，同時(shí)逆溫層具有較為穩(wěn)定的特性，不利于PM2.5在垂直方向上的擴(kuò)散，導(dǎo)致地表PM2.5質(zhì)量濃度偏高，污染事件出現(xiàn)頻率較高。

圖3（b）為沈陽(yáng)市1月15日-1月31日區(qū)域溫度逐小時(shí)變化圖。由圖可知溫度與PM2.5質(zhì)量濃度整體呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不高。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，重度及以上污染天氣逐漸減少。氣溫與空氣質(zhì)量等級(jí)息息相關(guān)，主要由于當(dāng)?shù)乇須鉁厣邥r(shí)太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，空氣中對(duì)流較為強(qiáng)烈，大氣層穩(wěn)定程度較低，有利于污染物在垂直方向上的擴(kuò)散，大氣清潔能力較好。當(dāng)?shù)乇須鉁厣邥r(shí)太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，空氣中對(duì)流較為強(qiáng)烈，大氣層穩(wěn)定程度較低，有利于污染物在垂直方向上的擴(kuò)散，大氣清潔能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度較低時(shí)大氣層穩(wěn)定程度較高，不利于污染物在垂直方向上的擴(kuò)散，導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度偏高。沈陽(yáng)冬季白天溫度較夜間偏高，因此白天PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)偏低，夜晚濃度相對(duì)較高。

如圖4（a）所示沈陽(yáng)市1月15日-1月31日區(qū)域相對(duì)濕度逐小時(shí)變化圖。由圖可知相對(duì)濕度與PM2.5質(zhì)量濃度整體呈正相關(guān)。主要原因是當(dāng)空氣中相對(duì)濕度較高時(shí)，PM2.5容易出現(xiàn)吸濕增長(zhǎng)現(xiàn)象，不利于大氣顆粒物清除。相對(duì)濕度可以影響大氣中顆粒物的聚積等過(guò)程，從而影響顆粒物濃度的變化。當(dāng)相對(duì)濕度進(jìn)一步增大時(shí)，會(huì)加速顆粒物的沉降，PM2.5濃度開(kāi)始下降，相對(duì)濕度對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響較大，較高相對(duì)濕度亦會(huì)存在重度污染空氣質(zhì)量等級(jí)。

圖4（b）為沈陽(yáng)市1月15日-1月31日區(qū)域風(fēng)速逐小時(shí)變化圖。由圖可知?dú)鈮号cPM2.5質(zhì)量濃度整體呈正相關(guān)。；當(dāng)氣壓相對(duì)較高時(shí)，近地面垂直方向上氣流下沉，大氣層結(jié)穩(wěn)定，PM2.5不易擴(kuò)散；相比于低氣壓，較高的地面氣壓不利于本地污染物的垂直輸送，而使高處外源性污染物易堆積，有利于污染天氣的發(fā)生。

3結(jié)論

文章利用環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)資料和地面氣象要素觀測(cè)資料，分析了2021年沈陽(yáng)市供暖期PM2.5質(zhì)量濃度污染特征，并分析PM2.5質(zhì)量濃度與地面氣象要素關(guān)系。結(jié)果表明：沈陽(yáng)市供暖期PM2.5質(zhì)量濃度較高，污染天氣出現(xiàn)次數(shù)較多。PM2.5月平均濃度最高出現(xiàn)在2022年1月，為81.5ug/3；最低為2021年11月。從整體看，PM2.5月平均濃度供暖期1月>2月>3月>12月>11月；白天PM2.5濃度偏低，夜晚濃度偏高。沈陽(yáng)市供暖期PM2.5質(zhì)量濃度與氣壓、相對(duì)濕度呈正相關(guān)，與溫度、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。供暖期1月份污染較為嚴(yán)重，多次出現(xiàn)重度污染及嚴(yán)重污染，需重點(diǎn)關(guān)注沈陽(yáng)市供暖期1月份天氣現(xiàn)象并加強(qiáng)治理。研究從采暖角度出發(fā)，研究PM2.5的變化趨勢(shì)及其與氣象要素的關(guān)系，為今后沈陽(yáng)地區(qū)供暖期空氣污染防治和提高沈陽(yáng)市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)水平提供參考。