大氣顆粒物與氣象條件相關(guān)性研究綜述

李彩霞　李浩　朱國強　龔平　肖盛

摘 要：綜述了大氣顆粒物的年際、季節(jié)性、日變化規(guī)律及其在空間上的污染特征。介紹了國內(nèi)外對大氣顆粒物與風向、風速、氣溫、相對濕度、氣壓、降水量及大氣能見度等氣象要素的相關(guān)性研究成果，并提出了今后兩者相關(guān)性分析的研究方向。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物 氣象條件 相關(guān)性

中圖分類號：P4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0118-02

大氣顆粒物是一種重要的大氣污染物。大氣顆粒物一般按其空氣動力學直徑（Dp）分類：懸浮在空氣中、Dp≤100μm的大氣顆粒物稱為總懸浮顆粒物（TSP）；懸浮在空氣中、Dp≤10μm的大氣顆粒物稱為可吸入顆粒物或粗顆粒物，記為PM10。此外，通常將Dp≤2.5μm的大氣顆粒物稱為細顆粒物，記為PM2.5?？晌腩w粒物（PM10）能散射太陽輻射，影響地球——大氣系統(tǒng)能量平衡，降低大氣能見度[1-2]，造成灰霾天氣。細顆粒物（PM2.5）還嚴重危害人體健康[3]。有研究表明[4-5]，大氣顆粒物的濃度水平與呼吸系統(tǒng)和心肺疾病的發(fā)病率、死亡率存在著正相關(guān)關(guān)系。

大氣顆粒物污染狀況與氣象條件關(guān)系密切，在污染源分布及其排放相對穩(wěn)定的情況下，大氣顆粒物的濃度主要取決于各種氣象條件下顆粒物的輸送、擴散情況[6]。污染源和氣象條件的共同影響，造成大氣顆粒物在時空上的起伏變化。在沒有明顯的天氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)折變化的情況下，大氣顆粒物的時空分布主要取決于污染源排放位置和源強；當有大的天氣變化時，則引起氣象要素的一系列變化，從而引起大氣顆粒物擴散條件的明顯變化，影響大氣顆粒物原有的時空分布規(guī)律。近年來關(guān)于大氣顆粒物與氣象條件相關(guān)性分析的研究越來越多。

1 大氣顆粒物的污染特征研究

1.1 大氣顆粒物的時間分布特征

1.1.1 年際、季節(jié)性變化

國內(nèi)外針對大氣顆粒物年際、季節(jié)性變化的研究很多。劉克利等[7]利用烏海市2006～2010年P(guān)M10監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析得出5年來PM10年平均濃度呈下降趨勢，但下降幅度較小。一年里夏季PM10濃度最小，冬季最大，極大值出現(xiàn)在3月。呂麗莉等[8]研究了蘭州市2000～2011年P(guān)M10污染的變化趨勢，結(jié)果表明蘭州市PM10污染有所改善，其濃度呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢，且每年的11月至次年4月PM10濃度最高。李金娟等[9]對貴陽市4個采樣點TSP和PM10污染的季節(jié)性變化特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)TSP和PM10濃度的變化規(guī)律大小順序為：冬季、秋季、春季、夏季。朱敏等[10]的研究結(jié)果也是PM10濃度在夏季處于低值，冬季處于高值。國外的研究表明，部分地區(qū)大氣顆粒物濃度的季節(jié)變化與我國有相似的特點，如意大利的MARCAZZAN等[11]的研究得出，冬季PM2.5濃度高于夏季。

1.1.2 日變化

宋宇等[12]于1999年6月底-7月初對北京市城區(qū)PM2.5進行測定，結(jié)果表明，PM2.5出現(xiàn)高峰值的時候一般是在上午和正午時刻（9：00～13：00）。郭二果等[13]對北京西山3種典型游憩林春季大氣中TSP、PM10、PM2.5、PM1.0污染的日變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)4種粒徑顆粒物濃度日變化趨勢基本保持一致，均近似呈雙峰雙谷形，兩個高峰分別出現(xiàn)在7：00～9：00和21：00～1：00，兩個低谷分別出現(xiàn)在15：00和3：00～5：00。劉淑梅等[14]利用2001～2005年5年蘭州市區(qū)連續(xù)污染物濃度監(jiān)測資料，分析得出春季污染物濃度逐日變化表現(xiàn)為“陡峰型”；冬季的特點是逐日緩慢上升，積累到一定程度達到重度污染，之后持續(xù)或快速下降。

張濤等[15]對灰霾天氣下廣州市PM2.5濃度進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)00：00～06：00時段PM2.5濃度較低，其中在04：00左右達到一天中的最小值，主要是由于該時段人為活動明顯減少；06：00～08：00和18：00～19：00時段PM2.5濃度明顯增高，并各出現(xiàn)一個峰值，這主要是由于這兩個時段是上班和下班的高峰期，機動車排放對顆粒物數(shù)濃度貢獻比較明顯；09：00～18：00時段基本保持在一個較高的濃度水平，這可能與灰霾天氣下大氣邊界層比較穩(wěn)定，不利于污染物的擴散有關(guān)。

1.2 大氣顆粒物的空間分布特征

鄧利群等[16]根據(jù)成都市3類不同功能區(qū)劃采樣點監(jiān)測資料，得出城市下風向位置PM10、PM2.5污染狀況最嚴重，商業(yè)繁華地段次之，生活居住區(qū)最好。李金娟等[9]對貴陽市4個采樣點TSP和PM10污染的空間變化特征進行了研究，TSP和PM10的濃度變化規(guī)律大小順序為：工業(yè)污染區(qū)、文教區(qū)、市中心、背景點。

2 大氣顆粒物與氣象條件相關(guān)性研究

2.1 與風向、風速的相關(guān)性分析

王琳琳等[1]對北京市PM10、PM2.5濃度與氣象條件的相關(guān)性進行分析，發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)風向為南風或東南風時，大氣顆粒物濃度顯著上升，其中0.5～1.0m/s的東南風條件下污染最嚴重；而主導(dǎo)風向變?yōu)楸憋L或東北風時大氣顆粒物污染有明顯改善。

隋珂珂等[17]對各季節(jié)北京市PM10持續(xù)污染時段氣象條件做了進一步的研究。結(jié)果顯示，秋季相對濕度在60%～90%時，持續(xù)污染發(fā)生概率在70%以上，且風速多集中在2 m/s以下，低于1 m/s時污染概率接近80%，主導(dǎo)風向為S和W。而春季出現(xiàn)持續(xù)污染時相對濕度多低于60%，并多伴隨2 m/s以上的風速，風速在4 m/s以上時污染概率超過50%，主導(dǎo)風向為N和W。冬季發(fā)生持續(xù)污染時對應(yīng)相對濕度的范圍較寬，為40%～90%（污染概率超過60%），風速在2 m/s左右，偏西和偏北風占多數(shù)。夏季持續(xù)污染所對應(yīng)的相對濕度則多集中在30%-40%和60%～90%，風速為1～2 m/s，以西南風和北風為主。

2.2 與氣溫的相關(guān)性分析

馮建軍等[18]的研究表明，春、秋兩季日平均氣溫對PM10污染的影響大致相同，均為當日平均氣溫在季平均值附近徘徊時，較易出現(xiàn)PM10污染，當日平均氣溫高于季平均值時則不易出現(xiàn)PM10污染；而冬季則相反，當日平均氣溫略高于季平均值時，較易出現(xiàn)PM10污染，當日平均氣溫低于季平均值時則不易出現(xiàn)PM10污染；夏季較少出現(xiàn)PM10污染。而鄧利群、楊榮師等[4、16]人的研究結(jié)果則是，氣溫對顆粒物在大氣中的分布沒有顯著影響。

2.3 與相對濕度的相關(guān)性分析

大氣顆粒物與相對濕度的相關(guān)性有兩種研究結(jié)論。楊榮師、朱敏、周德平等[4、10、19]認為空氣干燥，大氣濕度較小的情況下，較易形成PM10的污染；而大氣濕度高時，PM10濃度較低，不易出現(xiàn)PM10污染。然而也有研究表明[20]，在一定濕度范圍內(nèi)，濕度增加時污染物濃度升高，灰塵等顆粒物作為水汽的凝結(jié)核，凝結(jié)后沉于大氣低層，使灰塵濃度升高，在足夠的濕度和降溫條件下形成霧，加劇大氣污染。

2.4 與氣壓的相關(guān)性分析

國內(nèi)關(guān)于大氣顆粒物與氣壓關(guān)系的研究很多。氣壓的高低與大氣環(huán)流形勢密切相關(guān)。當?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r，四周高壓氣團流向中心，中心形成上升氣流，通常風力較大，利于污染物向上擴散，顆粒物濃度較?。坏孛媸芨邏嚎刂茣r，中心部位出現(xiàn)下沉氣流，阻止污染物向上擴散，在穩(wěn)定高壓的控制下，大氣污染加重，顆粒物濃度較大[21]。所有氣壓對大氣顆粒物濃度影響的研究結(jié)果[4、18、19]與前面的理論分析一致：大氣顆粒物濃度與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系。但氣壓是影響大氣顆粒物濃度變化的次要因素。

2.5 與降水量的相關(guān)性分析

肖舜等[22]利用西安世園會召開期間氣象資料與PM10指數(shù)簡單相關(guān)分析結(jié)果表明，大氣降水對PM10具有一定的清洗作用。當日降水量<20mm時，PM10指數(shù)次日才有明顯降低，PM10濃度存在大約1天的延遲效應(yīng)；而降水量>20mm，PM10指數(shù)當日就有明顯降低。朱敏等[10]認為日降雨量達到或超過5mm的降雨對PM10濃度降低作用較顯著；當日降雨量在5mm以下時，降雨的清除作用不明顯。而且春夏季降雨對PM10的改變作用要大于秋冬季。馮建軍等[18]通過對廣州市2001～2004年P(guān)M10和同期地面氣象要素監(jiān)測資料的分析，得出不同等級的降雨對PM10污染均有一定的清除作用；PM10日平均質(zhì)量濃度的改變量總的來說是隨著降雨量的增大而增大；1mm降雨量對PM10的清除能力按春、夏、秋、冬依次遞增。

2.6 與大氣能見度的相關(guān)性分析

王煒等[23]利用天津市1990～2004年大氣能見度觀測資料及天津市2002～2004年空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，春、冬季的PM10對大氣能見度影響較大，夏季水汽對大氣能見度影響較大，在干燥天氣條件下的大氣能見度以大氣污染物影響為主。

徐鵬煒等[24]利用杭州市區(qū)2003～2007年的PM10濃度數(shù)據(jù)和氣象資料研究得出，PM10濃度對大氣能見度的影響在無降水情況下更為明顯。當PM10日均質(zhì)量濃度>300μg/m3時，日最大大氣能見度僅為4.9km；當PM10日均質(zhì)量濃度≤50μg/m3時，日最大大氣能見度則高達23.0 km。鄧利群等[16]則認為，大氣能見度與PM2.5的相關(guān)系數(shù)大于與PM10的相關(guān)系數(shù)，即能見度的好壞受大氣顆粒物尤其是細顆粒物濃度大小的影響。

3 結(jié)語

通過國內(nèi)外相關(guān)研究綜述，可以得出以下結(jié)論：近年來各區(qū)域在保持經(jīng)濟發(fā)展的同時，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，引進清潔能源，促進綠色經(jīng)濟的發(fā)展，大氣顆粒物年平均濃度呈下降趨勢，污染程度有所改善。一年里大氣顆粒物濃度呈現(xiàn)出冬季最大，夏季最小的季節(jié)特征。絕大多數(shù)情況下，大氣顆粒物濃度日變化趨勢基本保持一致，均近似呈雙峰雙谷形。在空間分布上，城市下風向、工業(yè)污染區(qū)大氣顆粒物濃度最高，居民混雜區(qū)次之，背景點郊區(qū)最低。

大氣顆粒物濃度變化不是由單個氣象要素決定，而是各氣象要素共同起作用的結(jié)果，故不同環(huán)境狀況下大氣顆粒物與氣象條件相關(guān)性的研究結(jié)果存在一定的差異。目前有關(guān)大氣顆粒物與單個氣象要素的分析已不能滿足指導(dǎo)空氣質(zhì)量預(yù)報的需求，應(yīng)加快各氣象要素組成的邊界層氣象條件對大氣顆粒物濃度變化的影響分析，以期為今后的空氣質(zhì)量預(yù)報和防治大氣污染提供更有效的依據(jù)。

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