大廠縣污染物濃度與氣象要素相關(guān)性研究

文_李紅星 郝國松 李娜

1.大廠回族自治縣氣象局；2.廊坊市氣象局

1 資料與方法

2013年我國開始執(zhí)行新的空氣質(zhì)量觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用2014年1月1日～2016年12月31日大廠縣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)（衛(wèi)生局）日均質(zhì)量濃度資料，以及同期的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料等進(jìn)行研究。

本文主要采用典型相關(guān)分析（CCA）法進(jìn)行分析。選擇大廠縣2014～2016年的氣象要素（氣溫、氣壓、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、地表溫度）作為CCA的右要素場；選擇同期大廠縣污染物質(zhì)量濃度（PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO、AQI）作為CCA的左要素場，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后作典型相關(guān)分析。

2 空氣質(zhì)量概況

2.1 達(dá)標(biāo)日數(shù)與重污染天數(shù)

2014～2016年大廠縣達(dá)標(biāo)（AQI≤100）天數(shù)分別為94天、143天和131天，占總數(shù)的33.6%。重污染天氣（AQI＞200）天數(shù)分別為85天、67天、36天，占總數(shù)的17.2%。

2.2 空氣質(zhì)量等級(jí)分布

統(tǒng)計(jì)大廠縣空氣質(zhì)量等級(jí)發(fā)現(xiàn)（表1），2014～2016年重度以上污染天數(shù)總體下降13.5%。2015年和2016年較2014年優(yōu)良天數(shù)增加，重度以上污染天數(shù)減少，空氣質(zhì)量較2014年有明顯改善。

表1 2014～2016年大廠縣空氣質(zhì)量等級(jí)分布

2.3 首要污染物分析

2014～2016年大廠縣首要污染物主要為PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2。

重度及以上污染首要污染物為PM2.5、PM10、O3，2014～2016年首要污染物均以PM2.5為最多占總數(shù)的87.8%，其次為O3占8.0%，最少為PM10占4.3%。從首要污染物的分月情況來看，除8月未出現(xiàn)PM2.5外，其余各月份均有可能出現(xiàn)，12月出現(xiàn)頻率最高占比20.0%，1月次高占比18.2%，而4～9月份PM2.5出現(xiàn)頻率很低，除8月頻率為0外，5月最低占0.6%；PM10在2月、3月、11月和12月出現(xiàn)，其余月份均未出現(xiàn)，2月出現(xiàn)頻率最高為37.5%，3月最低為12.5%；O3在5月、6月、7月、8月、10月出現(xiàn)，其余月份均未出現(xiàn)，8月出現(xiàn)頻率最高為46.7%，10月最低為6.7%。

而重度污染以下首要污染物除上述三者外，還有NO2和SO2。NO2在3月、5月、6月、7月、10月、11月出現(xiàn)，10月出現(xiàn)頻率最高占比37.5%。SO2在1月、2月、11月、12月出現(xiàn)，1月出現(xiàn)頻率最高占比50%。

2.4 不同級(jí)別空氣質(zhì)量的月變化特征

分析2014～2016年空氣質(zhì)量的月變化特征（圖1），重度及以上污染主要發(fā)生在初春和秋冬季節(jié)，主要月份為1月至3月和10月至12月，而初春之后，隨著湍流運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)和氣溫的升高，重污染明顯減少，4月至9月均沒有嚴(yán)重污染發(fā)生，特別是5月、6月、8月和9月空氣質(zhì)量在中度污染以下，明顯優(yōu)于其它月份。

圖1 2014～2016年大廠縣AQI指數(shù)月均變化

3 污染物質(zhì)量濃度月分布

分析2014～2016年污染物質(zhì)量濃度的月變化特征（圖2），PM2.5、PM10、SO2月變化曲線多呈現(xiàn)“峰-谷-峰”和“多峰多谷”的形勢(shì)，高峰值均出現(xiàn)在1月至3月和10月至12月。NO2月均濃度均維持在70μg/m3以下，并在7月或8月達(dá)到最低值，蔣維楣等指出由于NO2溶于水生成HNO2和HNO3，顆粒物與雨滴碰撞可附著在雨滴上或溶于水滴中并隨著降水沉降到地面，因而降水對(duì)清除空氣污染物起著重要的作用。O3月變化曲線呈現(xiàn)“谷-峰-谷”的形勢(shì)，最高值均出現(xiàn)在夏季（6～8月），楊俊益等研究表明，O3質(zhì)量濃度的急劇上升主要因素是其前體物NOx和揮發(fā)性有機(jī)物濃度的升高，同時(shí)揮發(fā)性有機(jī)物可與氮氧化物在紫外光照射的條件下，發(fā)生一系列光化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，提高大氣的氧化性，引起地表O3濃度的增加，又加速二次細(xì)顆粒物的生成，引起夏季O3超標(biāo)。CO月變化曲線大致呈“U”型分布，高峰值均出現(xiàn)在冬季（12～2月）。

圖2 2014～2016年大廠縣污染物質(zhì)量濃度月均變化

4 污染物質(zhì)量濃度與氣象要素相關(guān)性分析

4.1 簡單相關(guān)分析

分析污染物質(zhì)量濃度的自相關(guān)關(guān)系矩陣（表2）發(fā)現(xiàn)，以下變量之間均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.5：SO2與CO、CO與NO2、CO與PM10、CO與PM2.5、CO與AQI、NO2與 PM10、NO2與 PM2.5、NO2與 AQI；PM10與 PM2.5、PM10與AQI、PM2.5與AQI。值得注意的是，PM10、PM2.5兩者與AQI的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9以上，因此，可以認(rèn)為當(dāng)空氣中的PM10或PM2.5質(zhì)量濃度增大時(shí)，相應(yīng)的AQI指數(shù)也同時(shí)增大，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。

表2 污染物質(zhì)量濃度的自相關(guān)關(guān)系矩陣

從污染物質(zhì)量濃度與氣象因素之間的簡單相關(guān)系數(shù)矩陣（表3）來看，氣溫與 SO2、CO、NO2、PM10、PM2.5、AQI均有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與O3為顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較大達(dá)到了0.7321。此外，地表溫度同氣溫的相關(guān)系數(shù)十分接近，表現(xiàn)出一致的相關(guān)關(guān)系，這也說明地表溫度與氣溫成顯著的正相關(guān)關(guān)系，氣溫越高則地表溫度越高。降水量與SO2、CO、NO2、PM10、PM2.5、AQI均有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是總體相關(guān)系數(shù)較小。氣壓與SO2、CO、NO2、PM2.5均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，但與O3為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較大達(dá)到了-0.6387。相對(duì)濕度與CO、NO2、PM10、PM2.5、AQI具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速與CO 、NO2、PM10、PM2.5、AQI具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見，氣象要素與污染物質(zhì)量濃度之間存在相關(guān)關(guān)系，氣象要素可相應(yīng)影響局部地區(qū)空氣中污染物的濃度水平。

表3 污染物質(zhì)量濃度與氣象因素之間的簡單相關(guān)系數(shù)矩陣

4.2 典型相關(guān)分析

由于變量間的交互作用，簡單相關(guān)系數(shù)矩陣只能作為參考，不能真正反映兩組變量之間的實(shí)質(zhì)聯(lián)系。因此，引入典型相關(guān)分析法進(jìn)行污染物質(zhì)量濃度（U）和氣象因素（V）兩組變量間的相關(guān)性分析。

通過典型相關(guān)分析（表4～表6），共有4對(duì)典型相關(guān)系數(shù)通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01）。第一典型相關(guān)系數(shù)為0.845，氣溫和地表溫度同氣態(tài)污染物（O3、CO、NO2）密切相關(guān)。第二典型相關(guān)系數(shù)為0.542，相對(duì)濕度和風(fēng)速同AQI、PM10、PM2.5密切相關(guān)。第三典型相關(guān)系數(shù)為0.386，相對(duì)濕度和降水量同NO2、SO2密切相關(guān)。第四典型相關(guān)系數(shù)為0.287，風(fēng)速同PM10、AQI、PM2.5密切相關(guān)。

表4 污染物質(zhì)量濃度與氣象要素的典型相關(guān)系數(shù)

表5 氣象要素組的典型變量系數(shù)

表6 污染物質(zhì)量濃度組的典型變量系數(shù)

5 重度以上污染過程前中后期風(fēng)的研究

典型相關(guān)分析表明，風(fēng)速與AQI密切相關(guān)，直接關(guān)系到重污染形成和結(jié)束的時(shí)間。地面風(fēng)向風(fēng)速分布是影響雨、霾、霧等各類天氣的基礎(chǔ)要素，風(fēng)速大小及風(fēng)向輻合、輻散對(duì)污染物積聚和擴(kuò)散有顯著影響。對(duì)于氣態(tài)污染物和顆粒污染物來說，風(fēng)主要表現(xiàn)了平流輸送的能力，但它又是局地性最強(qiáng)的氣象因子之一。

統(tǒng)計(jì)21次連續(xù)重度以上污染天氣（重污染天氣）過程逐小時(shí)地面2min平均風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，重污染天氣前期和中期逐小時(shí)地面2min平均風(fēng)力均≤3級(jí)，以2級(jí)以下為主，占比98.9%；重污染天氣后期由于較強(qiáng)冷空氣入侵，風(fēng)力普遍在3級(jí)至5級(jí)之間，4級(jí)風(fēng)占比例最大，為41.6%?？梢婏L(fēng)力≤2級(jí)是重污染天氣形成之前重要的氣象條件之一。這也與郭立平等在河北廊坊市連續(xù)重污染天氣的氣象條件分析的研究結(jié)果一致。

除地面風(fēng)力之外，地面風(fēng)向?qū)е碌妮椇稀⑤椛?duì)污染物積聚和擴(kuò)散也有一定影響。分析連續(xù)重污染天氣過程前中后期的逐小時(shí)2min風(fēng)向得到風(fēng)玫瑰圖，可以看出，在重污染天氣的前期靜風(fēng)最多，風(fēng)頻達(dá)到了19.5，W次多為8.9，ENE最少為1.6；中期也以靜風(fēng)最多，其風(fēng)頻高達(dá)23.9，SE次多為11.4，WNW最少為2.1；而后期NNW最多，風(fēng)頻為21.7，NW次多為18.8，SW最少為0.1。

6 結(jié)論

（1）2014～2016年大廠縣重污染天數(shù)逐年遞減，2015年和2016年的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)明顯多于2014年，大廠縣空氣質(zhì)量有明顯改善。

（2）當(dāng)大廠縣出現(xiàn)重度及以上污染時(shí)，首要污染物以PM2.5為最多占總數(shù)的87.8%，其次為O3占8.0%，最少為PM10占4.3%。以NO2為首要污染物最多出現(xiàn)在10月占37.5%，以 SO2為首要污染物最多出現(xiàn)在1月占50.0%。

（3）大廠縣PM2.5、PM10、SO2的月平均濃度高峰值均出現(xiàn)在1月至3月和10月至12月；NO2平均濃度維持在70μg/m3以下，在7月或8月達(dá)到最低值；O3高峰值均出現(xiàn)在夏季（6～8月）；CO高峰值均出現(xiàn)在冬季（12～2月）。

（4）簡單相關(guān)分析和典型相關(guān)分析結(jié)果表明，氣象因素可影響局地空氣中污染物質(zhì)量濃度水平。而兩組變量間的第一典型相關(guān)系數(shù)0.845均大于其簡單相關(guān)系數(shù)中的任一系數(shù)，即典型相關(guān)分析效果優(yōu)于簡單相關(guān)分析。

（5）通過污染物質(zhì)量濃度與氣象要素兩組變量之間的典型相關(guān)分析，氣象因素中的氣溫和地表溫度主要影響氣態(tài)污染物（O3、CO、NO2）的濃度；相對(duì)濕度和風(fēng)速主要影響顆粒物（PM10、PM2.5）濃度以及AQI指數(shù)；降水量主要影響NO2、SO2的濃度。

（6）地面風(fēng)力≤2級(jí)是重污染天氣形成之前重要的氣象條件之一，連續(xù)重污染天氣形成前還需要關(guān)注靜風(fēng)以及WSW～WNW之間的地面風(fēng)向。重污染中期同樣以≤2的地面風(fēng)力為主，風(fēng)向多為靜風(fēng)和E～SSE。重污染后期多由于較強(qiáng)冷空氣入侵，以4級(jí)風(fēng)占比最大為41.6%，風(fēng)向多為NW～N。