丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度變化特征及其與氣象要素的關(guān)系

范佳文，譚麗靜，王文武，樊希彬，單璐璐，馬云龍

(1.丹東市人工影響天氣辦公室，遼寧丹東 118000；2.丹東市氣象局，遼寧丹東 118000)

隨著大氣污染防治工作的推進(jìn)，我國大氣顆粒物污染問題有所減輕，但大氣顆粒物污染依舊影響著絕大多數(shù)城市，對(duì)人民的身體健康和日常生活造成一定影響[1-2]。近年來關(guān)于大氣顆粒物的研究主要集中在京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)[3-5]，而遼寧地區(qū)大氣顆粒物的研究則多集中于以重工業(yè)為主的遼寧中部城市群[6-8]。丹東市位于遼寧省東南部，是著名的旅游城市，良好的空氣質(zhì)量對(duì)發(fā)展旅游業(yè)十分重要。少數(shù)學(xué)者[9-11]對(duì)丹東大氣顆粒物污染的特征、來源和危害，與能見度的關(guān)系等方面進(jìn)行了一定研究，但研究資料有限，缺乏年際變化特征分析。此外，有不少研究對(duì)大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了一定的探討[8，12-14]，但針對(duì)丹東地區(qū)的相關(guān)研究仍處于空白。本文通過分析丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度的時(shí)間變化特征及其與氣象要素的關(guān)系，為今后丹東市持續(xù)改善空氣質(zhì)量提供一定理論依據(jù)。

1 資料與方法

所使用的氣象資料為2008—2017年逐日地面氣象觀測資料，來自丹東國家基本氣象站；所使用的2008—2017年大氣顆粒物質(zhì)量濃度資料來自丹東中韓沙塵暴監(jiān)測站，觀測儀器為GRIMM180顆粒物監(jiān)測儀，原始數(shù)據(jù)資料為5 min間隔的PM10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)資料經(jīng)過篩選，去除儀器異?；驒z修造成的異?；虿豢捎玫牟糠?jǐn)?shù)據(jù)，剩余數(shù)據(jù)資料通過算術(shù)平均轉(zhuǎn)換為日均值數(shù)據(jù)，以供進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。

大氣顆粒物質(zhì)量濃度限值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[15]，具體見表1。

根據(jù)東北氣候特征，定義春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月；汛期為6—9月，非汛期為10月—次年5月；供暖期為11月—次年3月，非供暖期為4—10月。

表1 大氣顆粒物質(zhì)量濃度限值

2 大氣顆粒物質(zhì)量濃度時(shí)間變化特征

2.1 年際變化

由圖1可得，2008—2017年丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度年際變化具有一定的波動(dòng)性，PM10質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在2009年，為88.4 μg/m3，PM2.5和PM1質(zhì)量濃度最高值均出現(xiàn)在2015年，分別為60.4、54.4 μg/m3；PM10質(zhì)量濃度次高值出現(xiàn)在2015年，PM2.5和PM1次高值出現(xiàn)在2009年；PM10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度最低值均出現(xiàn)在2017年，分別為52.4、33.3、29.7 μg/m3。2008—2017年P(guān)M2.5與PM10質(zhì)量濃度比值(以下簡寫為PM2.5/PM10)的平均值為67.1%，說明丹東市大氣顆粒物中細(xì)顆粒物比例較大；PM2.5/PM10最高值、最低值分別出現(xiàn)在2008、2010年，分別為74.9%、53.1%。此外，2015—2017年大氣顆粒物質(zhì)量濃度持續(xù)降低，PM2.5/PM10也同步降低，與2015年相比，2017年P(guān)M10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度分別下降了33.0、27.1、24.7 μg/m3，降幅分別為38.6%、44.9%、45.4%。

圖1 2008—2017年丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度年際變化

根據(jù)表1中年均質(zhì)量濃度限值，2009、2010、2013、2015年P(guān)M10年均質(zhì)量濃度超標(biāo)，其余年份均達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；2017年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其余年份均超標(biāo)。2015—2017年丹東市大氣顆粒物年均質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)情況逐年改善。

由表2可得出， 2008—2017年P(guān)M10、PM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)平均日數(shù)分別為117、128 d，除2008、2014年外，其余年份PM10達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)均少于PM2.5。2015年P(guān)M10、PM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)最少，分別為47、57 d，2009年、2013年較少，且這3年P(guān)M2.5超標(biāo)日數(shù)最多。2015—2017年P(guān)M10、PM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)持續(xù)增加，2017年達(dá)到最大值，分別為192、215 d，且相比2015年，PM10、PM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)分別增加了145、158 d，增幅分別為309%、277%。

從達(dá)標(biāo)率(指達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及以上的日數(shù)占全年統(tǒng)計(jì)日數(shù)的比率)來看，2008—2017年P(guān)M10、PM2.5平均達(dá)標(biāo)率分別為96.5%、 88%，除2010年外，其余年份PM10達(dá)標(biāo)率均高于PM2.5。PM10達(dá)標(biāo)率最高、最低年份分別是2008年和2010年，PM2.5達(dá)標(biāo)率最高、最低年份分別是2017年和2015年。2015—2017年P(guān)M10、PM2.5達(dá)標(biāo)率均呈上升趨勢(shì)。

綜上所述，2009、2013、2015年丹東市大氣顆粒物污染情況較為嚴(yán)重，2015—2017年污染狀況持續(xù)改善，其主要原因在于，自2015年起丹東市政府逐步加強(qiáng)大氣環(huán)境整治力度，實(shí)施燃煤鍋爐淘汰、加強(qiáng)重點(diǎn)工業(yè)源監(jiān)管、加強(qiáng)秸稈禁燒管控、機(jī)動(dòng)車污染防控等多項(xiàng)舉措。此外，2008—2017年丹東市PM10質(zhì)量濃度與PM2.5相比，總體上達(dá)標(biāo)情況更好，但達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)略少。

2.2 月、季變化

由圖2、圖3(第23頁)可見：丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度具有明顯的月和季節(jié)變化特征。大氣顆粒物質(zhì)量濃度1月和12月最高，7月最低；冬季最高，夏季最低，春季和秋季基本持平；非汛期顯著高于汛期；供暖期顯著高于非供暖期。另外，PM2.5/PM10也具有一定的季節(jié)特征，主要表現(xiàn)為夏季最高，春季最低，汛期顯著高于非汛期。上述特征的主要原因可能是汛期(含夏季)降水多，對(duì)大氣顆粒物尤其是粗顆粒物有較好地清除作用，而供暖期(含冬季)煤炭消耗量增加，排放的煙塵等污染物直接導(dǎo)致大氣顆粒物濃度整體顯著增加[16]。

表2 2008—2017年丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)情況

圖2 2008—2017年丹東市大氣顆粒物平均質(zhì)量濃度月變化

由表3可得，全年各月PM10、PM2.5達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)總體先升后降，最多均在7月，分別為177、165 d，最少均在1月，分別為50、55 d；PM10、PM2.5達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)總體先降后升，最多分別出現(xiàn)在1月和12月，為227、173 d，最少均在7月，分別為67、74 d；PM10、PM2.5超標(biāo)日數(shù)最多分別在1月和12月，為24、78 d，PM10超標(biāo)日數(shù)最少在6、7月，均為0 d，PM2.5超標(biāo)日數(shù)最少、次少分別出現(xiàn)在6、7月。上述分析進(jìn)一步說明丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度總體狀況7月最優(yōu)，12月—次年1月最差。

3 非汛期大氣顆粒物質(zhì)量濃度超標(biāo)與達(dá)標(biāo)時(shí)期的氣象條件對(duì)比

從表3可以看出PM10、PM2.5超標(biāo)日主要集中在非汛期，考慮到汛期超標(biāo)日數(shù)較少，統(tǒng)計(jì)意義不大，故僅將非汛期內(nèi)大氣顆粒物質(zhì)量濃度超標(biāo)時(shí)期氣象條件與達(dá)標(biāo)時(shí)期的同類氣象條件進(jìn)行對(duì)比。由表4可得，非汛期PM10超標(biāo)日與達(dá)標(biāo)日相比，日均氣溫降低了3 ℃，日均降水量減少了0.5 mm，地面10 m日均風(fēng)速減小了0.3 m/s，日均最小水平能見度減小了2 268 m；非汛期PM2.5超標(biāo)日與達(dá)標(biāo)日相比，日均氣溫降低了2.8 ℃，日均相對(duì)濕度增加了9.7%，日均降水量減少了1.0 mm，日均風(fēng)速減小了0.9 m/s，日均最小水平能見度減小了3 988 m。分析表明，非汛期大氣顆粒物超標(biāo)日與達(dá)標(biāo)日相比，日均氣溫和最小水平能見度明顯偏低，日均降水量偏少、風(fēng)速偏小。這是因?yàn)椋簹鉁仄蜁r(shí)，氣層相對(duì)穩(wěn)定，不利于顆粒物的稀釋擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒物積累質(zhì)量濃度上升而超標(biāo)；降水偏少，其對(duì)顆粒物的清除作用降低；風(fēng)是大氣污染物擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿ΓL(fēng)速偏小時(shí)，同樣不利于顆粒物擴(kuò)散；而超標(biāo)日顆粒物質(zhì)量濃度較高，其產(chǎn)生的消光效應(yīng)加劇，導(dǎo)致能見度偏低。此外，非汛期PM2.5超標(biāo)日與達(dá)標(biāo)日相比，相對(duì)濕度明顯偏高，這是由于相對(duì)濕度高時(shí)，空氣中水汽充足，水汽易吸附細(xì)顆粒物從而導(dǎo)致其質(zhì)量濃度升高。

圖3 丹東市大氣顆粒物四季(a)、特定時(shí)期(b)質(zhì)量濃度對(duì)比及不同時(shí)期PM2.5/PM10(c)變化特征

表3 2008—2017年丹東市逐月大氣顆粒物質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)情況

表4 2008—2017年丹東市非汛期大氣顆粒物質(zhì)量濃度超標(biāo)與達(dá)標(biāo)時(shí)期氣象要素日均統(tǒng)計(jì)值

4 大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

由表5可知，非汛期PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.267，0.297；與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.409，-0.436。非汛期氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)速與PM2.5、PM1質(zhì)量濃度的相關(guān)性均明顯好于PM10。表明非汛期氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)速對(duì)細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響更顯著，且粒徑越小越顯著。其中相對(duì)濕度、風(fēng)速對(duì)細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響尤為顯著，反映出非汛期內(nèi)與氣溫相關(guān)的動(dòng)力擴(kuò)散作用和降水的清除作用對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度影響較小，而空氣中水汽對(duì)顆粒物的吸附作用和風(fēng)的擴(kuò)散作用對(duì)顆粒物尤其是細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響較大。

表5 丹東市不同時(shí)期大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：**為通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)(雙尾)；*為通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(雙尾)。

汛期PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性明顯好于PM10，說明汛期風(fēng)速對(duì)細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響更顯著。汛期PM10質(zhì)量濃度與降水量的負(fù)相關(guān)性好于PM2.5、PM1，說明汛期降水對(duì)粗顆粒物的清除作用更強(qiáng)，也進(jìn)一步解釋了汛期PM2.5/PM10高于非汛期的特征。

從四季來看，春季、秋季大氣顆粒物質(zhì)量濃度與氣溫、降水量、風(fēng)速均呈不同程度負(fù)相關(guān)，其中PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與風(fēng)速的相關(guān)性最為顯著，相關(guān)系數(shù)春季分別為-0.315，-0.357，秋季分別為-0.338，-0.333，說明春、秋兩季風(fēng)的擴(kuò)散作用對(duì)細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響十分顯著。冬季大氣顆粒物質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，其中PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度(相關(guān)系數(shù)分別為0.464、0.503)、風(fēng)速(相關(guān)系數(shù)分別為-0.523、-0.572)的相關(guān)性最好，說明冬季與氣溫相關(guān)的動(dòng)力擴(kuò)散作用和降水的清除作用對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度影響較小，而空氣中水汽對(duì)顆粒物的吸附作用和風(fēng)的擴(kuò)散作用對(duì)顆粒物尤其是細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度影響較大。此外，春季PM10質(zhì)量濃度與降水量的相關(guān)性小于PM2.5，說明春季降水對(duì)PM2.5的清除作用強(qiáng)于PM10，夏季則相反，這也進(jìn)一步解釋了PM2.5/PM10春季低、夏季高的特征。

5 結(jié)論

(1) 2008—2017年丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度年際變化具有一定的波動(dòng)性，2009、2013、2015年丹東市大氣顆粒物污染情況較為嚴(yán)重，2015—2017年丹東市大氣顆粒物污染狀況持續(xù)改善；PM10質(zhì)量濃度與PM2.5相比，總體上達(dá)標(biāo)情況更好，但達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)略少。

(2)丹東市大氣顆粒物質(zhì)量濃度具有明顯的月和季節(jié)變化特征，1月和12月最高，7月最低；冬季最高，夏季最低；非汛期顯著高于汛期；供暖期顯著高于非供暖期。另外，PM2.5/PM10也具有一定的季節(jié)特征，主要表現(xiàn)為夏季最高、春季最低，汛期顯著高于非汛期。

(3)非汛期PM10、PM2.5超標(biāo)日與達(dá)標(biāo)日相比，氣象條件有一定差異，主要表現(xiàn)為氣溫和能見度偏低，降水偏少，風(fēng)速偏小。

(4)非汛期PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，且氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)速與PM2.5、PM1質(zhì)量濃度的相關(guān)性均明顯好于PM10；汛期PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)。春、秋、冬季PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與風(fēng)速的負(fù)相關(guān)性最顯著，此外冬季PM2.5、PM1質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度的正相關(guān)性也十分顯著。