不同季節(jié)的北京市GPS可降水量與PM2.5／PM10的比較研究

王 勇 劉嚴(yán)萍 李江波 柳林濤 孫 曉

1天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津市津靜路26號，300383

2 大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市徐東大街340號，430077

3天津城建大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津市津靜路26號，300383

4 河北省氣象局，石家莊市體育南大街178號，050022

5 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙市韶山南路68號，410075

霧霾是空氣污染和氣象因素共同作用的結(jié)果［1］。城市大氣中的顆粒物（PM2.5／PM10）導(dǎo) 致能見度降低，影響空氣質(zhì)量，威脅人群健康，是具有區(qū)域性特征、危害嚴(yán)重的大氣污染物。各國學(xué)者開展了城市大氣污染研究。Fang［2］以美國東北部為例研究了夏季PM2.5空氣質(zhì)量的物理氣候模型；Boynard［3］利用IASI（紅外大氣探測干涉儀）衛(wèi)星測量技術(shù)探測了中國華北地區(qū)的冬季空氣污染；我國部分學(xué)者針對北京、廣州、深圳和天津等城市開展了城市PM2.5濃度特征及其影響因素的分析研究［4－7］。水汽（可降水量）是影響天氣變化的關(guān)鍵要素，也是影響霧霾天氣的關(guān)鍵因子［8］。本文擬利用2013年北京市PM2.5／PM10觀測資料，結(jié)合GPS水汽資料，進(jìn)行夏季、秋冬春季節(jié)的PM2.5／PM10與GPS 水 汽 變 化（precipitable water vapor，PWV）的比較研究。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

本文研究數(shù)據(jù)主要包含2類：GPS可降水量（GPS PWV）、PM2.5／PM10觀測數(shù)據(jù)。

1.1 GPS可降水量

利用GPS觀測資料可以反演出高時(shí)間分辨率的對流層延遲序列，結(jié)合氣象觀測資料（氣壓、溫度），可以獲得時(shí)值GPS可降水量序列［9］。國際GNSS服務(wù)（IGS，International GNSS Service）提供國際GPS站點(diǎn)的對流層延遲解算資料和氣象觀測數(shù)據(jù)，通過下載BJNM 站點(diǎn)對流層延遲和氣象資料，按照文獻(xiàn)［9］提供的方法可以獲得時(shí)值GPS可降水量序列。由于IGS提供的GPS對流層延遲數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致解算的GPS可降水量序列不連續(xù)，有個(gè)別天數(shù)數(shù)據(jù)缺失。

1.2 PM2.5／PM10觀測數(shù)據(jù)

北京有多個(gè)PM2.5／PM10觀測站點(diǎn)，本文選擇昌平站點(diǎn)的PM2.5／PM10時(shí)值觀測數(shù)據(jù)。2013年的北京PM2.5／PM10觀測資料缺失9月和10月上旬?dāng)?shù)據(jù)，其他時(shí)間也有個(gè)別天數(shù)不連續(xù)。

由于北京處在大陸干冷氣團(tuán)向東南移動的通道上，每年從10月到翌年5月幾乎完全受來自西伯利亞的干冷氣團(tuán)控制，只有6～9月前后3個(gè)多月受到海洋暖濕氣團(tuán)的影響，所以降水主要集中在夏季，7、8月尤為集中。因而，本文按照季節(jié)分為夏季和秋冬春2個(gè)部分進(jìn)行研究。

2 夏季GPS PWV與PM2.5／PM10的比較

北京的夏季為6～8月。根據(jù)現(xiàn)有的PM2.5／PM10觀測資料和GPS PWV 序列，選擇夏季的4個(gè)時(shí)間段進(jìn)行GPS PWV 與PM2.5／PM10的比較。圖1（a）～（d）為夏季北京GPS PWV 與PM2.5／PM10的比較，表1為4個(gè)時(shí)間段的GPS PWV 與PM2.5／PM10相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)。

由圖1 和表1 可看出，夏季GPS PWV 與PM2.5／PM10相關(guān)性沒有規(guī)律，這是由于北京夏季為汛期，時(shí)常有降水過程發(fā)生，降雨對大氣中的霧、霾能起到清除和沖刷作用，即降水過程有助于降低PM2.5／PM10的濃度值。

表1 夏季GPS PWV與PM2.5／PM10的相關(guān)性Tab.1 Correlation between GPS PWV and PM2.5／PM10in summer

圖1 夏季GPS PWV 與PM2.5／PM10的比較Fig.1 Comparison between GPS PWV and PM2.5／PM10in summer

3 秋冬春季節(jié)GPS PWV 與PM2.5／PM10的比較

由圖2 和表2 可看出，在秋冬春季節(jié)，GPS PWV 變化與PM2.5／PM10變化呈明顯的正相關(guān)性（兩者比較的顯著性均小于0.01，說明兩者呈顯著正相關(guān)），相關(guān)系數(shù)大于0.5。

在秋冬春季節(jié)，當(dāng)可降水量含量較高時(shí)，空中水汽層較為濕潤，PM2.5／PM10微粒無法向上擴(kuò)散，因而形成地表霾天氣。水汽的存在是導(dǎo)致二次離子生成的關(guān)鍵，一次離子和水汽反應(yīng)而迅速生成二次離子（氮氧化物、硫氧化物），導(dǎo)致灰霾的消光效應(yīng)迅速升高。

圖2 秋冬春季節(jié)GPS PWV 與PM2.5／PM10的比較Fig.2 Comparison between GPS PWV and PM2.5／PM10among autumn，winter and spring

表2 秋冬春季節(jié)GPS PWV與PM2.5／PM10的相關(guān)性Tab.2 Correlationbetween GPS PWV and PM2.5／PM10 among autumn，winter and spring

4 結(jié) 語

本文比較了北京市2013年的PM2.5／PM10資料與GPS可降水量資料的變化。在秋冬春季節(jié)，PM2.5／PM10與GPS 可 降 水 量 呈 明 顯 的 正 相 關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.5；夏季由于多雨的緣故，PM2.5／PM10與GPS可降水量沒有呈現(xiàn)正相關(guān)性這一規(guī)律。

［1］戴樹桂.環(huán)境化學(xué)進(jìn)展［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005（Dai Shugui.Advances in Environmental Chemistry［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2005）

［2］Fang Y Y，F(xiàn)iore A M，Lamarque J F.Using Synthetic Tracers as a Proxy for Summertime PM2.5Air Quality Over the Northeastern United States in Physical Climate Models［J］.Geophysical Research Letters，2013，40（4），755－760

［3］Boynard A，Clerbaux C，Clarisse L，et al.First Simultaneous Space Measurements of Atmospheric Pollutants in the Boundary Layer from IASI：A Case Study in the North China Plain［J］.Geophysical Research Letters，2014，41（2），645－651

［4］谷金霞，吳麗萍，霍光耀，等.天津市PM2.5中水溶性無機(jī)離子污染特征及來源分析［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29（3）：30－34（Gu Jinxia，Wu Liping，Huo Guangyao，et al.Pollution Character and Source of Water－Soluble Inorganic Ions in PM2.5Over Tianjin［J］.Environmental Monitoring in China，2013，29（3）：30－34）

［5］黃曉鋒，云慧，宮照恒，等.深圳大氣PM2.5來源解析與二次有機(jī)氣溶膠估算［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2014，44（4）：723－734（Huang Xiaofeng，Yun Hui，Gong Zhaoheng，et al.Source Apportionment and Secondary Organic Aerosol Estimation of PM2.5in an Urban Atmosphere in China［J］.Science China：Earth Sciences，2014，44（4）：723－734）

［6］趙秀娟，蒲維維，孟偉，等.北京地區(qū)秋季霧霾天PM2.5污染與氣溶膠光學(xué)特征分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34（2）：416－423（Zhao Xiujuan，Pu Weiwei，Meng Wei，et al.PM2.5Pollution and Aerosol Optical Properties in Fog and Haze Days during Autumn and Winter in Beijing Area［J］.Environmental Science，2013，34（2）：416－423）

［7］朱倩茹，劉永紅，徐偉嘉，等.廣州PM2.5污染特征及影響因素分析［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29（2）：15－21（Zhu Qianru，Liu Yonghong，Xu Weijia，et al.Analysis on the Pollution Characteristics and Influence Factors of PM2.5in Guangzhou［J］.Environmental Monitoring in China，2013，29（2）：15－21）

［8］王勇，聞德保，劉嚴(yán)萍，等.霧霾天氣對GPS天頂對流層延遲與可降水量影響研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2014，34（2）：120－123（Wang Yong，Wen Debao，Liu Yanping，et al.Effects of Fog and Haze Weather on GPS Zenith Tropospheric Delay and Precipitable Water Vapor［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2014，34（2）：120－123）

［9］王勇，劉嚴(yán)萍.地基GPS氣象學(xué)原理與應(yīng)用研究［M］.北京：測繪出版社，2012（Wang Yong，Liu Yanping.Theory and Application of Ground－Based GPS Meteorology［M］.Beijing：Surveying and Mapping Press，2012）