北京APEC會議期間GPS水汽與PM2.5/PM10的相關(guān)性比較*

劉嚴(yán)萍，王 勇，李江波

(1. 天津城建大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300384；2. 天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384；3.河北省氣象局，河北 石家莊 050022)

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北京APEC會議期間GPS水汽與PM2.5/PM10的相關(guān)性比較*

劉嚴(yán)萍1，王 勇2，李江波3

(1. 天津城建大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300384；2. 天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384；3.河北省氣象局，河北 石家莊 050022)

北京APEC期間的空氣質(zhì)量優(yōu)良，GPS水汽變化與PM2.5/PM10變化是否存在正相關(guān)特性？針對此問題，通過2014年11月4-16日北京GPS水汽數(shù)據(jù)與PM2.5/PM10觀測資料的對比分析研究發(fā)現(xiàn)，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，個別時段的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.91。研究結(jié)果表明，在空氣質(zhì)量優(yōu)良狀況下，水汽變化與PM2.5/PM10變化存在明顯的正相關(guān)性。

PM2.5/PM10；水汽；GPS；相關(guān)性；APEC；北京

近年來我國重度霧霾天氣事件頻發(fā)，嚴(yán)重危害公眾健康和影響交通出行。我國政府非常重視大氣污染防治，近年來連續(xù)出臺了《大氣污染防治行動計劃》[1](國十條)、《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》[2]等相關(guān)文件。Anne Boynard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[3]；孟曉艷、戴永立等人開展了我國環(huán)保重點(diǎn)城市、超大城市的主要污染物濃度變化和霾天氣特征及影響因子分析研究[4-5]。X J Zhao等分析了2010年冬季華北地區(qū)的重霾天氣過程并開展了霧霾形成機(jī)理研究[6]。

霾天氣過程的監(jiān)測需要向網(wǎng)絡(luò)化、立體化發(fā)展，目前的監(jiān)測主要有地面PM2.5/PM10、遙感氣溶膠等技術(shù)，有必要探尋新的霾監(jiān)測技術(shù)。水汽是形成霾天氣過程的重要外因，PM2.5(particulate matter 2.5)、PM10(particulate matter 10)是形成霾天氣過程的重要微顆粒物，針對多次霾天氣過程，王勇利用GPS水汽(PWV，precipitable water vapor)序列驗證了水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度存在明顯正相關(guān)特性[7-8]，為利用GPS水汽進(jìn)行霾監(jiān)測提供可行性基礎(chǔ)，該結(jié)果可為霾災(zāi)害治理防治提供參考。本文旨在探討水汽的變化與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度變化的相關(guān)性。

2014年亞太經(jīng)合組織(APEC)領(lǐng)導(dǎo)人會議于2014年11月5-11日在北京舉行。11月1-12日，北京AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))均為優(yōu)良級別，僅11月4日為輕度污染。為保障會議期間的空氣質(zhì)量，11月1-12日，北京、天津、河北、山東等省市，實行緊急污染控制措施，4 154家工地被停產(chǎn)或者限產(chǎn)；機(jī)動車單雙號上路，近千萬車輛限行。連續(xù)幾日的3～4級風(fēng)也加速了空氣中污染物的擴(kuò)散[9]。來自北京市環(huán)境監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)顯示，11月1-12日，北京市空氣中PM2.5、PM10、SO2、NO2濃度分別為43 μg/m3、62 μg/m3、8 μg/m3和46 μg/m3，比去年同期分別下降了55%、44%、57%和31%；各項污染物濃度均達(dá)到近5年同期最低水平[10]。本文將選擇北京APEC會議期間的GPS水汽資料與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)開展兩者的相關(guān)性研究。

1 實驗數(shù)據(jù)與方法

本文研究數(shù)據(jù)主要包含2類數(shù)據(jù)：GPS水汽、PM2.5/PM10質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)。

1.1 GPS水汽

利用GPS觀測資料可以反演出高時間分辨率的天頂對流層延遲序列，結(jié)合氣象觀測資料(氣壓、溫度)，可以獲得時值GPS水汽序列。國際GNSS服務(wù)(Internatianal GNSS Service，IGS)提供國際GPS站點(diǎn)的天頂對流層延遲解算資料和氣象觀測數(shù)據(jù)，通過下載BJFS(北京房山)、BJNM(北京大興)站點(diǎn)天頂對流層延遲和氣象資料，計算獲得兩站點(diǎn)的時值GPS水汽序列。BJFS站點(diǎn)天頂對流層延遲和氣象資料在APEC期間數(shù)據(jù)不完整，BJNM站點(diǎn)天頂對流層延遲和氣象資料較為完整。GPS水汽的單位為mm。

1.2 PM2.5/PM10質(zhì)量濃度

北京有十余個PM2.5/PM10觀測站點(diǎn)，對于BJFS、BJNM兩GPS站點(diǎn)，本文分別選擇了與兩站點(diǎn)最為接近的古城、天壇站點(diǎn)的PM2.5/PM10質(zhì)量濃度觀測資料，該資料為時值觀測數(shù)據(jù)。PM2.5/PM10觀測數(shù)據(jù)的單位為μg/m3。

本文將利用GPS水汽數(shù)據(jù)與PM2.5/PM10觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性比較研究，兩類數(shù)據(jù)均為時值觀測數(shù)據(jù)，相關(guān)性圖和相關(guān)性分析均是時值數(shù)據(jù)比較和計算獲得。

2 APEC會議期間的GPS水汽與PM2.5/PM10的相關(guān)性比較

2.1 BJFS站GPS水汽與古城站PM2.5/PM10的比較

根據(jù)現(xiàn)有的BJFS站GPS水汽資料，結(jié)合古城站PM2.5/PM10觀測數(shù)據(jù)，選擇2014年11月4-5日和11月10日2個時段進(jìn)行GPS水汽與PM2.5/PM10觀的比較研究，見圖1(圖1橫軸單位是年積日doy，即day of year)。

(a) 11月10日

(b)11月4-5日

由圖1可看出，11月4-5日發(fā)生了一次輕度污染過程，PM2.5/PM10質(zhì)量濃度較高，期間古城站PM2.5/PM10質(zhì)量濃度值的上升下降，BJFS站GPS水汽也有一個明顯的上升下降過程；同理，11月10日GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度有較為近似的上升過程。計算兩次時段GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 BJFS站PWV與古城站PM2.5/PM10的相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)表1所示的GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)特性，相關(guān)系數(shù)大于0.6。

2.2 BJNM站GPS水汽與天壇站PM2.5/PM10的比較

BJNM站GPS水汽資料較為連續(xù)，結(jié)合天壇站PM2.5/PM10觀測數(shù)據(jù)，選擇2014年11月4-5日、11月6-8日、11月10-11日和11月14-16日4個時段進(jìn)行GPS水汽與PM2.5/PM10觀的比較研究，見圖2(a～d)。

由圖2可看出，天壇站PM2.5/PM10質(zhì)量濃度值的上升下降，對應(yīng)了BJNM站GPS水汽的上升下降，兩者具有較為一致的變化趨勢。在圖2(a)年積日308(11月5日)PM2.5/PM10質(zhì)量濃度值有一個急速下降過程，而GPS水汽變化則表現(xiàn)為上升下降。通過歷史天氣查詢(http://lishi.tianqi.com/)，北京在11月5日天氣為北風(fēng)3～4級，較大風(fēng)速的變化導(dǎo)致大氣污染顆粒發(fā)生水平移動，因而PM2.5/PM10質(zhì)量濃度值下降。計算4個時段GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)，見表2。

表2 BJNM站PWV與天壇站PM2.5/PM10的相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)表2的GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)特性，相關(guān)系數(shù)大于0.5，最大相關(guān)系數(shù)超過0.91。

在風(fēng)速較小難以產(chǎn)生空氣污染物水平移動的情況下，水汽的上升、下降變化過程對應(yīng)了PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的上升和下降過程，這是因為:水汽增加促進(jìn)SO2、NO、NO2等轉(zhuǎn)化為二次污染顆粒，二次污染顆粒屬于PM2.5/PM10，因而PM2.5/PM10濃度增加。

(a) 11月4-5日 (b)11月6-8日

(c) 11月10-11日 (d)11月14-16日

3 結(jié)論

APEC期間北京周邊地區(qū)工地停工，機(jī)動車限行，連續(xù)數(shù)天的3～4級風(fēng)使得北京空氣質(zhì)量優(yōu)良。針對APEC期間的空氣污染較小這一事件，開展GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的比較研究，研究發(fā)現(xiàn)，GPS水汽與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度變化存在正相關(guān)特性，相關(guān)系數(shù)大于0.5。本文研究結(jié)果結(jié)合之前的研究[7-8]可表明，不論空氣質(zhì)量優(yōu)良或重度污染，水汽變化與PM2.5/PM10變化均存在明顯的正相關(guān)性。

[1] 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知(國發(fā)[2013]37號)[EB/OL]. (2013-09-12)[2014-08-01]. http://www.gov.cn/zwgk/2013-09/12/content_2486773.htm.

[2] 環(huán)境保護(hù)部，發(fā)展改革委，財政部. 關(guān)于印發(fā)《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》的通知(環(huán)發(fā)[2012]130號) [EB/OL]. (2012-10-29) [2014-08-01]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/gwy/201212/t20121205_243271.htm.

[3] Anne Boynard, Cathy Clerbaux, Lieven Clarisse, 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] 孟曉艷，王瑞斌，張欣，等. 2006-2010年環(huán)保重點(diǎn)城市主要污染物濃度變化特征 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2012, 25(6): 622-627.

[5] 戴永立，陶俊，林澤健，等. 2006～2009年我國超大城市霾天氣特征及影響因子分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)，2013, 34(8): 2925-2932.

[6] Zhao X J, Zhao P S, Xu J, et al. Analysis of a winter regional haze event and its formation mechanism in the North China Plain [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013, 13: 5685-5696.

[7] 王勇，劉嚴(yán)萍，李江波，等．水汽和風(fēng)速對霧霾中PM2.5/PM10變化的影響 [J]．災(zāi)害學(xué)，2015，30 (1): 5-7.

[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.

[9] 李曉健. 有一種藍(lán), 叫“APEC藍(lán)”[N]. 民主與法制時報, 2015-1-11(008).

[10]劉曉星，郭文生，周雁凌，等. 區(qū)域聯(lián)動 多措并舉 周密部署 全力保障APEC空氣質(zhì)量 [N]. 中國環(huán)境報，2014-11-17 (001).

TheComparisonbetweenGPSPWVandPM2.5/PM10inBeijingduringthePeriodofAPEC

Liu Yanping1, Wang Yong2and Li Jiangbo3

(1.SchoolofEconomicsandManagement,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China;2.SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China;3.HebeiMeteorologicalBureau,Shijiazhuang050022,China)

DuringtheperiodofAPEC,theairqualityofBeijingwasfine.IsthecorrelationofGPSPWV(PrecipitableWaterVapor)andPM2.5/PM10positive?ThecorrelationbetweenGPSPWVandPM2.5/PM10ofBeijingfromNovember4thto16th, 2014iscompared.ItisconcludedthatthereissignificantlypositivecorrelationbetweenGPSPWVandPM2.5/PM10,whichthecorrelationcoefficientisgreaterthan0.5andthebestcorrelationcoefficientreachedto0.91.TheresultsindicatethatduringfineairqualitythereisobviouspositivecorrelationbetweenGPSPWVandPM2.5/PM10.

PM2.5/PM10;PrecipitableWaterVapor;GPS;correlationcoefficient;APEC;Beijing

2015-01-20

2015-03-17基金項目：河北省自然科學(xué)基金(D2015209024)

劉嚴(yán)萍(1979-)，女，河南汝南人，博士，講師，主要從事城市災(zāi)害管理研究. E-mail:liuxiawy@126.com

王勇(1978-)，男，江西寧都人，博士，教授，主要從事GPS氣象學(xué)研究. E-mail:wangyongjz@126.com

P426.615；X4

A

1000-811X(2015)03-0026-04

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.005

劉嚴(yán)萍，王勇，李江波. 北京APEC會議期間GPS水汽與PM2.5/PM10的相關(guān)性比較[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):026-028. [Liu Yanping，Wang Yong and Li Jiangbo. The Comparison between GPS PWV and PM2.5/PM10in Beijing during the Period of APEC [J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：026-028.]