不同氣象因子下主要空氣污染物濃度變化特征研究

關鍵詞：空氣污染物濃度；氣象因子；AQI；Spearman秩相關系數(shù)

前言

空氣污染是一個全球性的問題，對大氣環(huán)境和人類健康產生了重大影響。隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，空氣污染物的排放不斷增加，導致空氣質量下降，對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成了更大的威脅。不同的空氣污染物的擴散能力極強且傳播迅速，同時在傳播過程中表現(xiàn)出不可見性，對人類生存環(huán)境、大氣環(huán)境以及身體健康均會造成無法預知的負面影響。空氣質量作為評估城市和地區(qū)環(huán)境質量的重要指標，其優(yōu)劣直接關系到人們的生存質量和生態(tài)環(huán)境的健康。因此，深入研究空氣污染物濃度的變化特征，掌握形成機制，對于預測污染濃度變化趨勢、制定有效的防治措施具有重要意義。

在研究空氣污染時，由于空氣污染物濃度與氣象因子密切相關，因此，通過考慮不同氣象因子，研究空氣中主要空氣污染物濃度的變化特征，深入理解并掌握空氣污染形成機制、預測污染濃度變化趨勢以及控制空氣污染中具有重要的科學意義和實踐價值，同時，評估與環(huán)境質量標準的符合程度，減輕空氣污染對環(huán)境和人類健康的影響，促進可持續(xù)發(fā)展至關重要。綜上所述，研究空氣污染物濃度變化特征，并采取有效措施控制污染，對于保護環(huán)境和人類健康具有重要的科學意義和實踐價值。

1污染物濃度變化特征研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

由于S02、N02、CO、03、PM2.5和PM10是空氣中最常見和對人體健康和環(huán)境影響較大的污染物，代表了空氣質量評價的重要指標，且對環(huán)境產生重要影響。例如，S02和N02參與大氣酸化反應，對土壤、水體和植被造成損害；CO、O3可影響植物生長和作物產量；PM2.5和PM10會影響大氣能見度和氣候變化。因此，采集臨沂市市區(qū)內A、B、C、D4個國控監(jiān)測點2017年12月至2022年12月S02、N02、CO、03、PM2.5和PM106種主要空氣污染物濃度數(shù)據(jù)，A、B、C、D 4個國控監(jiān)測點的平面布置圖如圖1所示，并計算每個監(jiān)測點各項污染物平均濃度，再計算4個站點平均污染物濃度作為臨沂市6種污染物平均濃度，氣象因子選取日照時長、風速、氣溫、降水量、相對濕度和逆溫強度6項，前5項數(shù)據(jù)來自于中國氣象局臨沂站，逆溫強度數(shù)據(jù)來自于國家航空航天局。

1.2研究技術與方法

1.2.1空氣質量指數(shù)

空氣中存在的多種不同的主要污染物如S02N02、CO、03、PM2.5和PMio，由于這些污染物對環(huán)境影響較大，同時，空氣質量涉及以上多個空氣污染物的濃度，將每種污染物的濃度單獨報告可能會造成信息過載。因此，為了量化主要污染物對大氣的污染程度，利用一種綜合性指標——空氣質量指數(shù)，將多種主要空氣污染物的濃度轉化為一個單一的數(shù)值，用于評估空氣質量的級別和程度。

空氣質量指數(shù)（AQI）是在空氣污染指數(shù)（AirPollution Index，API）基礎上的一種改進，通過AQI能夠綜合評價S02、N02 CO、03、PM2.5和PMio對空氣的影響，計算公式如式（1）：

采用《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095-2012）中AQI劃分方法，AQI通常以0～500的范圍進行表示，其中數(shù)值越低，表示空氣質量越好，而數(shù)值越高，表示空氣質量越差。空氣質量狀況和對應AQI取值范圍如下所示：

（1）空氣質量為優(yōu)：0～50；

（2）空氣質量為良：51～100；

（3）空氣質量為輕度污染：101～150；

（4）空氣質量為中度污染：151～200；

（5）空氣質量為重度污染：201～300；

（6）空氣質量為嚴重污染：301～500。

1.2.2Spearman秩才目關系數(shù)

在研究空氣污染對大氣質量的影響時，除了主要污染物，氣象因素也是重要考量。高濃度污染物會惡化空氣質量，并可能引發(fā)霧霾等問題。為了識別與空氣質量變化密切相關的因素，采用Spearman秩相關系數(shù)進行分析，這種方法能有效應對數(shù)據(jù)的變異性和偏斜，提供可靠的關聯(lián)性分析結果，能夠更準確地理解空氣污染的影響，計算公式如式（2）：

2結果與討論

通過2017年12月至2022年12月的臨沂市空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究臨沂市主要空氣污染物濃度變化規(guī)律與整體趨勢，雖然氣象條件在月尺度上也有一定的變化，但這種變化相對較小。因此，研究年變化、季變化以及日變化趨勢，分析不同氣象因子對主要空氣污染物濃度變化特征的影響。

2.1不同時間尺度下主要空氣污染物濃度變化特征

2.1.1年尺度下主要空氣污染物濃度變化特征

以年為時間尺度統(tǒng)計2018年至2022年臨沂市主要空氣污染物濃度變化情況，結果見圖2：

由圖2可以看出，在2018年至2022年1826天內，臨沂市空氣污染（輕度污染及以上）總天數(shù)為484天，占總天數(shù)的26.5%，但從2018年起，空氣污染天數(shù)逐漸下降，由2018年全年的242天降低至2022年的90天，且2022年空氣優(yōu)良天數(shù)明顯高于2018年，主要空氣污染物濃度雖然存在一定波動，但大體上也表現(xiàn)出降低趨勢，自2013年中國頒布《大氣污染防治行動計劃》以來，臨沂市嚴格遵循，使得近年來臨沂市空氣質量改善效果顯著。

2.1.2季尺度下主要空氣污染物濃度變化特征

以月為時間尺度統(tǒng)計2018年冬季至2022年秋季臨沂市主要空氣污染物濃度變化情況，結果見圖3：

由圖3可以看出，臨沂市S02、N02、CO、PM2.5和PM10濃度在夏季達到谷值，冬季達到峰值，臨沂市供暖日期為每年11月10日至次年3月20日，供暖燃料燃燒導致CO、PM2.5和PM10等污染物排放增加。冬季氣壓高、降水少，污染物難以消散；而夏季濕潤多雨，有助于污染物擴散。濃度在夏季最高，因為夏季天氣炎熱、日照時間較長且光照強度較高，有助于O3生成和聚集。整體上AQI值順序為冬gt;春gt;秋gt;夏，且逐年改善，與主要污染物濃度變化一致。

2.1.3日尺度下主要空氣污染物濃度變化特征

在2022年春夏秋冬四個季節(jié)中分別選取一天作為主要空氣污染物日變化分析目標，結果見圖4。

由圖4可以看出，S02、N02、CO、PM2.5和PM10濃度日變化趨勢基本相同，均在凌晨達到谷值并隨著日出不斷升高，隨后開始下降，并在傍晚至夜間再次上升，呈現(xiàn)出雙峰雙谷趨勢，第一個峰值可能與人類活動和高峰時段車輛尾氣排放相關，第二個峰值可能與不利氣象和污染物累積相關；03濃度日變化表現(xiàn)出單峰單谷特點，午后03濃度最高，凌晨最低，可能與午后強太陽輻射和強光照能夠促進03生成相關。

2.2氣象因子對主要空氣污染物濃度影響

根據(jù)不同時間尺度下主要空氣污染物濃度變化特征分析結果可以看出，在固定時間內，空氣污染物濃度表現(xiàn)出一定規(guī)律性，而固定時間氣象因子大多近似，由此可知，空氣質量與氣象因素息息相關，因此通過Spearman秩相關系數(shù)、貢獻率和解釋率對氣象因子對主要空氣污染物濃度變化特征進一步分析，得到不同條件下相關性分析結果見圖5。

如圖5所示，主要空氣污染物S02、N02、CO、PM2.5和PMio在濃度上兩兩顯著正相關，表明它們之間存在高度的同源性和相互影響關系，而與03則呈顯著負相關，這可能是由于03的生成過程中消耗了N02、CO等污染物。此外，這些污染物與氣象因子如日照時長、風速、氣溫、降水量和相對濕度均呈顯著負相關。因為這些氣象條件有助于污染物的轉化、稀釋、擴散和沉降。相反，S02、PM10和O3與逆溫強度呈顯著正相關，逆溫阻礙了污染物的遷移和傳輸，加劇了空氣污染。03與日照時長和氣溫呈正相關，因為這些條件促進了光化學反應，而與降水量和相對濕度呈負相關，因為這些條件降低了太陽輻射強度，減緩了光化學反應。

3結束語

氣象因子的變化對空氣污染物濃度影響顯著，研究不同氣象因子下空氣污染物濃度變化特征是控制空氣污染的重要環(huán)節(jié)之一。此研究針對臨沂市空氣污染問題，深入分析了S02、N02、CO、03、PM2.5和PM10六種主要空氣污染物在不同時間尺度下的濃度變化及其與AQI的關系。通過綜合考慮氣象條件、地形和排放源分布等多重因素，研究發(fā)現(xiàn)臨沂市主要空氣污染物濃度與氣象因子之間存在顯著的相關性，通過計算空氣質量指數(shù)與Spearman秩相關系數(shù)，以適應數(shù)據(jù)的特征。通過實驗測試，分別以年、季和日為尺度分析臨沂市主要空氣污染物濃度變化規(guī)律，并以此為基礎研究氣象因子對主要空氣污染物濃度的影響，進一步控制并改善空氣質量和居住環(huán)境。