開遠(yuǎn)市顆粒物濃度變化與氣象條件的關(guān)系探討

(開遠(yuǎn)市生態(tài)環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測(cè)站,云南 開遠(yuǎn) 661600)

由于人類的生產(chǎn)活動(dòng)、城市化和工業(yè)化的迅速增加，環(huán)境中的懸浮顆粒物質(zhì)(顆粒物)濃度不斷增加，導(dǎo)致城市面臨嚴(yán)重的空氣質(zhì)量問題，危害人類健康。近幾年，常住人口的不斷增加，能源消耗的持續(xù)加大，機(jī)動(dòng)車數(shù)量和行駛里程的增加，給開遠(yuǎn)的環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。對(duì)開遠(yuǎn)市環(huán)境空氣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)有著重要的意義。本文基于2010—2018年空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)開遠(yuǎn)地區(qū)空氣顆粒物污染和氣象條件關(guān)系進(jìn)行研究。

1 研究?jī)?nèi)容

(1)利用開遠(yuǎn)市2010年1月1日—2018年12月31日的市政府站點(diǎn)和自來水公司站點(diǎn)的小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析開遠(yuǎn)地區(qū)空氣顆粒物質(zhì)量濃度的日、月和季節(jié)變化規(guī)律；通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度的差異，分析其空間分布。

(2)利用開遠(yuǎn)地區(qū)2010—2018年空氣顆粒物的實(shí)測(cè)日均值、對(duì)應(yīng)降雨時(shí)間和濕度的分析資料，分析氣象要素和空氣顆粒物之間的關(guān)系及季節(jié)性變化。

2 顆粒物與氣象條件的關(guān)系

2.1顆粒物質(zhì)量濃度日變化

開遠(yuǎn)市政府站點(diǎn)的顆粒物質(zhì)量濃度的日變化呈“雙峰型”；總體表現(xiàn)為城區(qū)顆粒物濃度日變化趨勢(shì)比郊區(qū)劇烈，濃度比郊區(qū)高。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，空氣垂直對(duì)流加強(qiáng)，促進(jìn)顆粒物質(zhì)隨空氣運(yùn)動(dòng)向上輸送，地面濃度降低；反之，顆粒物濃度增加。城區(qū)下墊面基本為水泥和柏油路面，具有極好的導(dǎo)熱率和極小的熱容量，其熱效應(yīng)要比植被下面是土壤的郊區(qū)變化大，在一天之內(nèi)不同時(shí)間段受到的太陽輻射不同，溫度上升和下降的幅度不同，加上城區(qū)人口多、車流量大，污染物排放嚴(yán)重，引起城區(qū)地面顆粒物濃度曲線的上下變化。而郊區(qū)由于植被覆蓋率高，污染物排放少，濃度變化要平緩一些。

因夜間地面輻射降溫，形成穩(wěn)定的邊界層，污染物難以擴(kuò)散出去，故整個(gè)夜間的顆粒物濃度下降不多。到日出前后，隨著邊界層高度的緩慢抬升，以及前期污染物的沉降和擴(kuò)散，在凌晨2∶00左右形成一個(gè)弱的谷值，降低到一天中最小值。其主要原因是空氣中顆粒比重比空氣大，不易在空中長(zhǎng)久停留，加上夜間空氣趨于穩(wěn)定，更利于其沉降。隨后由于早高峰期機(jī)動(dòng)車排放迅速增加，顆粒物上升并在9∶00左右形成弱的峰值。上午的峰值是由于上下班高峰期機(jī)動(dòng)車排放量增加，經(jīng)過由排放源到顆粒物的轉(zhuǎn)化過程，在上午10∶00前后達(dá)到峰值。其后，氣溫逐步升高，穩(wěn)定的邊界層被破壞，形成對(duì)流邊界層，污染物的擴(kuò)散增強(qiáng)，顆粒物質(zhì)量濃度逐漸下降。隨著下午下班，機(jī)動(dòng)車活動(dòng)開始，顆粒物濃度再次迅速上升，并在傍晚20∶00左右形成一個(gè)峰值，直到第二天凌晨。圖1是2016年某天的顆粒物濃度值曲線，具有一定的代表性。

不同季節(jié)顆粒物濃度日變化也有所不同，開遠(yuǎn)顆粒物質(zhì)量濃度的季節(jié)性日變化如下：春季(3—5月)和冬季(12月—次年2月)顆粒物濃度日變化波動(dòng)較大，夏季(6—8月)和秋季(9—11月)平緩。主要是因?yàn)橄那锛竟?jié)多雨水，空氣易被沖刷，同時(shí)邊界層高，對(duì)流強(qiáng)烈，污染物得以清除，尤其在早晚機(jī)動(dòng)車排放高峰期階段，因此，變化曲線較為平緩。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，夏季、秋季的曲線變化趨于一致，但冬季的曲線變化在上午10∶00左右最高。主要是因?yàn)樯衔鐬闄C(jī)動(dòng)車活動(dòng)高峰期易將市區(qū)內(nèi)道路灰塵和工業(yè)粉塵等粗粒子攜卷到空中，污染物排放嚴(yán)重，其中的大直徑顆粒物也被排放到空中，所以導(dǎo)致春季中午達(dá)到較高的濃度。冬季顆粒物濃度表現(xiàn)為上午高于下午，而其他季節(jié)濃度日變化曲線為對(duì)稱分布，這是由于原本冬季污染源排放高，再加上溫度低，濕度小，逆溫層厚，使得污染物濃度從晚上就開始持續(xù)積累，一直延續(xù)到中午，直到下午，溫度升高，逆溫層被破壞，才使得污染物得到擴(kuò)散。

2.2 顆粒物濃度比值在季節(jié)性上的變化

開遠(yuǎn)市內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的比值各季節(jié)有所不同。夏季比值最低，冬季比值最高，這是因?yàn)椋合募居晁畬?duì)細(xì)粒子的沖刷貢獻(xiàn)要比粗粒子大，同時(shí)由于夏季也存在著二次轉(zhuǎn)化形成，而冬季采暖，大量煤炭燃燒釋放，加上空氣流通不暢，逆溫層穩(wěn)定，污染物堆積，使得比值偏高。其次是春秋季，春季風(fēng)大使得大量粗粒子進(jìn)入開遠(yuǎn)市區(qū)，濃度增大，相對(duì)比值降低；秋季，空氣粒子光化學(xué)轉(zhuǎn)化和吸濕增長(zhǎng)，使得濃度也增加。

從開遠(yuǎn)市監(jiān)測(cè)點(diǎn)和濃度關(guān)于季節(jié)性的變化可以看出，各顆粒物濃度呈明顯的季節(jié)性變化，濃度值冬季最高，其次是春季，然后是秋季，夏季最低。顆粒物較大的季節(jié)性差異主要在于，夏季較高的相對(duì)濕度和溫度使得顆粒物二次轉(zhuǎn)化和吸濕增長(zhǎng)，加上日照強(qiáng)烈，氣體污染物在紫外線照射下很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成二次粒子，使得夏季濃度異常升高。秋季，在空氣氧化性條件下，易發(fā)生光化學(xué)煙霧，氣態(tài)粒子也會(huì)發(fā)生二次轉(zhuǎn)化，使低層顆粒物濃度增加。

2.3 氣象要素與顆粒物的季節(jié)性相關(guān)分析

開遠(yuǎn)市氣象要素對(duì)污染物質(zhì)量濃度有顯著的影響。當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r(shí)，低層氣旋，四周空氣流向中心，高層為反氣旋，氣團(tuán)由中心向四周輻散，從而在垂直方向上，形成由下而上的垂直輸送，利于污染物隨空氣向上擴(kuò)散，使近地面顆粒物濃度下降；相反，若地面受高壓控制，中心部位出現(xiàn)下沉氣流，抑制污染物向上擴(kuò)散，污染物積累，顆粒物濃度增加。風(fēng)速增大，會(huì)加快顆粒物的擴(kuò)散和遷移，同時(shí)不同季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向會(huì)帶來清潔程度不同的干濕空氣，對(duì)顆粒物濃度的變化產(chǎn)生較大影響。

由于污染物是在干空氣狀態(tài)下測(cè)得的實(shí)測(cè)資料，所以與相對(duì)濕度直接相關(guān)性不大。相對(duì)濕度與其他要素呈弱的相關(guān)性，說明其與其他要素之間的影響不大。溫度與氣壓存在負(fù)相關(guān)，與邊界層高度正相關(guān)，說明當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)影響氣壓降低，邊界層升高；當(dāng)溫度降低時(shí)，氣壓升高，邊界層降低，與現(xiàn)實(shí)情況一致。溫度與風(fēng)速有弱的相關(guān)系數(shù)，說明二者之間無太大影響。風(fēng)速與邊界層高度呈正相關(guān)，當(dāng)邊界層升高時(shí)，空氣對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)，從而使風(fēng)速增大。氣壓與邊界層高度呈負(fù)相關(guān)，這可能是因?yàn)椋寒?dāng)邊界層升高時(shí)，空氣向上擴(kuò)散，致使單位氣柱內(nèi)空氣重量減少，地面氣壓下降。

春季，氣壓、邊界層高度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與溫度呈正相關(guān)。溫度和氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)。主要是因?yàn)殚_遠(yuǎn)春季冷、暖空氣活動(dòng)頻繁，常有氣旋與冷氣，易形成地面高、低壓交替和控制，形成不同的天氣形勢(shì)，造成污染物濃度的變化。冷空氣過境前受高壓支配，污染物來源主要受本地區(qū)排放影響。冷氣過境后，高壓減弱，地面轉(zhuǎn)為低壓控制，氣溫上升，同時(shí)受冷空氣后大風(fēng)天氣影響，大量地面揚(yáng)塵和沙塵隨空氣向下游輸送，從沿途灰塵帶來沙塵粒子向開遠(yuǎn)城區(qū)輸送, 使得開遠(yuǎn)市空氣顆粒物質(zhì)量濃度升高很快。隨著冷空氣離開開遠(yuǎn)，氣壓逐漸升高，當(dāng)?shù)孛媸芨邏嚎刂茣r(shí)，近地面層處于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度下降，邊界層高度下降，空氣垂直擴(kuò)散能力減弱，同時(shí)風(fēng)力減少，污染物很難遷移、擴(kuò)散。在這種天氣背景下風(fēng)速對(duì)粗粒子質(zhì)量濃度的影響要比細(xì)粒子顯著。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，有效地破壞了穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)，粗粒子輸送、遷移和沉降的效果要比細(xì)粒子顯著，所以風(fēng)速對(duì)濃度的影響要大，相關(guān)性更好。

夏季是個(gè)高溫高濕的季節(jié)，在充足的降雨量下，污染物得到?jīng)_刷和沉降；同時(shí)邊界層在夏季上升，空氣層結(jié)不穩(wěn)定，垂直對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)，利于污染物隨空氣層擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，也利于污染物的擴(kuò)散。

夏季和秋季高濕度條件下, 風(fēng)速增大、 粗粒子吸濕后的輸送、遷移和沉降的效果要比細(xì)粒子顯著,其質(zhì)量濃度下降更快；而風(fēng)速小，相對(duì)濕度大時(shí),粗粒子比細(xì)粒子更容易持續(xù)積累,使其質(zhì)量濃度上升更快。

冬季氣象因素對(duì)粗粒子質(zhì)量濃度的影響要比細(xì)粒子的影響明顯。這是因?yàn)?，冬季一旦發(fā)生相對(duì)濕度增大、風(fēng)速減小和逆溫層加厚等不利氣象條件，粗細(xì)粒子都會(huì)發(fā)生持續(xù)累積，質(zhì)量濃度均升高。當(dāng)氣象條件轉(zhuǎn)好，利于顆粒物沉降或擴(kuò)散時(shí)，粗粒子比細(xì)粒子更易去除，其輸送遷移和沉降的效果均好于細(xì)粒子，因此質(zhì)量濃度下降程度比細(xì)粒子的顯著，所以粗粒子質(zhì)量濃度對(duì)相應(yīng)溫濕度的響應(yīng)較好。

3 結(jié)論

3.1 顆粒物質(zhì)量濃度日變化時(shí)空分布特征

開遠(yuǎn)市顆粒物濃度的日變化空間分布差異大，東城區(qū)顆粒物變化趨勢(shì)平緩；西城區(qū)濃度高，變化較為劇烈。

晚上顆粒物濃度大于白天。白天受溫度影響，在上午10∶00左右形成峰值。上午隨著早高峰期機(jī)動(dòng)車排放的增加，顆粒物濃度會(huì)迅速上升。受盆地山谷環(huán)流影響，在夜間顆粒物濃度會(huì)呈下降趨勢(shì)，在傍晚20∶00左右形成第二個(gè)次峰值呈現(xiàn)“雙峰型”。

開遠(yuǎn)市顆粒物濃度日變化具有明顯的季節(jié)性分布。總體表現(xiàn)為春季和冬季(12月—次年3月)顆粒物濃度日變化波動(dòng)較大，夏季和秋季較為平緩(5—10月)。

3.2 顆粒物質(zhì)量濃度空間分布特征

顆粒物存在顯著的空間差異，低值分布在東城區(qū)，高值分布在西城區(qū)。

3.3 顆粒物濃度值在季節(jié)上的分布特征

開遠(yuǎn)市顆粒物濃度值季節(jié)性變化顯著。夏季濃度值最低，秋季其次，春季高，冬季濃度值最高。

3.4 氣象要素與顆粒物相關(guān)性的季節(jié)分析

氣象要素與顆粒物的相關(guān)性在各季節(jié)有顯著差異。春冬季節(jié)，只與溫度呈正相關(guān)，但是冬季的相關(guān)性比春季好。相比與風(fēng)速的相關(guān)性，風(fēng)速對(duì)顆粒物的影響要大得多。夏季，顆粒物質(zhì)量濃度與邊界層高度和風(fēng)速、濕度有顯著負(fù)相關(guān)性(就是指刮風(fēng)時(shí)空氣流動(dòng)，空氣濕潤(rùn)時(shí)空氣質(zhì)量會(huì)好些)。秋季，顆粒物質(zhì)量濃度與氣壓、邊界層高度和風(fēng)速、濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。

氣象要素對(duì)不同顆粒物影響程度也不同。夏季、秋季，氣象要素的相關(guān)性比較好；春季、冬季由于下霧濕度高，會(huì)產(chǎn)生全年顆粒物濃度最高值。6年來，年度顆粒物最大值基本都是下霧天氣時(shí)出現(xiàn)的，由于水氣像降落傘一樣把空氣中的顆粒物懸浮固定在空中不沉降，造成下霧時(shí)空氣污染比不下霧時(shí)高很多，所以冬季下霧時(shí)最好減少外出活動(dòng)時(shí)間。而下雨時(shí)相當(dāng)于大自然做了一次大型空氣凈化，雨水會(huì)把空氣洗刷干凈，下雨時(shí)空氣質(zhì)量會(huì)好很多。