影響污染物濃度的氣象條件

董群，肖王星，俞科愛*，張晶晶

(1.北侖區(qū)氣象局，浙江 寧波 315826； 2.寧波市氣象臺，浙江 寧波 315000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，空氣污染問題已呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域化特征，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地形地貌、氣候條件對城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響[1-2]。

北侖區(qū)位于浙江省東部的寧波市境東部。作為一個臨港大工業(yè)基地，北侖區(qū)集中了包括北侖電廠、寧波鋼鐵廠、臺塑化工、吉利汽車、申洲織造公司等在內(nèi)的眾多大型企業(yè)，這些大型企業(yè)對北侖的環(huán)境空氣影響究竟如何已經(jīng)成為北侖區(qū)政府和老百姓關(guān)注的焦點，是北侖區(qū)進(jìn)一步打造適合移居城市的必要參數(shù)之一，更是招商引資所必須要控制的重要因素[3-6]。同時，北侖區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也是極為重要，其中柴橋街道更有“杜鵑之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。大氣污染對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響和危害需要特別關(guān)注，更是已成為工業(yè)“三廢”之首。各種形式的大氣污染達(dá)到一定程度時，會直接影響農(nóng)作物、果樹、蔬菜、飼料作物、綠化作物的正常生長，畜禽因攝入含污染物過多的飼料后致病或死亡，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失。大氣污染物進(jìn)入農(nóng)業(yè)環(huán)境后，不僅直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且進(jìn)入農(nóng)用水域、土壤的污染物又間接危害植物、動物及微生物的生長[7-8]。因此，有必要對PM2.5、NO2、SO2等污染物進(jìn)行分析研究。

本文通過深入分析2015—2018年度北侖區(qū)域內(nèi)的區(qū)環(huán)保大樓環(huán)境空氣自動站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對北侖區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，且將其與寧波市的環(huán)境空氣質(zhì)量特征進(jìn)行了對比分析，并對影響其濃度的氣象條件進(jìn)行分析，以更好地把握其發(fā)展趨勢，為治理環(huán)境、推動農(nóng)業(yè)提出合理化的參考和建議。

1 材料與方法

1.1 材料

研究所用的環(huán)境數(shù)據(jù)為2015—2018年寧波市8個國標(biāo)站的逐時PM2.5、NO2、SO2濃度數(shù)據(jù)，其中，用北侖區(qū)環(huán)保大樓的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析北侖區(qū)的污染物濃度特征。研究所用的2015—2018年的溫度、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)均來自己質(zhì)控過的北侖國家一般氣象站、鄞州國家一般氣象站和鎮(zhèn)海國家一般氣象站數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)為逐小時觀測數(shù)據(jù)。

1.2 方法

本文主要的計算方法為算術(shù)平均數(shù)，又稱均值，是統(tǒng)計學(xué)中最基本、最常用的一種指標(biāo)，主要適用于數(shù)值型數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 北侖區(qū)空氣質(zhì)量

由圖1可知，2015—2018年北侖區(qū)SO2、NO2、PM2.5濃度整體呈下降趨勢，但波動較大，年平均濃度分別為12.8、42.4、36.3 μg·m-3。污染物濃度具有明顯時間變化特征，夏季最低，秋季略高，春冬季最高。就平均值而言，1月的SO2濃度最高，為17.0 μg·m-3；8月最低，為8.4 μg·m-3。12月NO2和PM2.5濃度達(dá)到最高，分別為59.0、55.9 μg·m-3；8月降至最低，分別為22.3、22.9 μg·m-3。3類污染物濃度日變化各不相同，其中NO2變幅明顯大于PM2.5，具體為SO2單峰單谷型，先升后降，峰值出現(xiàn)在中午12：00，谷值在24：00；NO2和PM2.5為雙峰雙谷型，峰值出現(xiàn)在9：00—11：00、20：00—22：00，谷值在3：00—5：00、16：00。

圖1 2015—2018年北侖區(qū)三類污染物濃度年、季、日的變化趨勢

2.2 與寧波市區(qū)污染物濃度對比

北侖區(qū)與寧波市三類污染物濃度基本呈相同變化特征，即年變化呈整體下降的趨勢是一致的，但北侖區(qū)波動略大，SO2、NO2比寧波市偏高0.3、3.0 μg·m-3，PM2.5比寧波市偏低5.1 μg·m-3。季節(jié)變化趨勢對比(圖2)表明，兩地均表現(xiàn)為夏秋季濃度較低、春冬季較高，但北侖區(qū)SO2、NO2濃度偏高主要出現(xiàn)在上半年，尤其是春季。寧波市區(qū)PM2.5濃度偏高則在秋冬季，12月最高。兩地的三類污染物濃度日變化基本一致。

圖2 2015—2018年北侖區(qū)與寧波市三類污染物濃度差值的月分布

2.3 氣象條件對污染物濃度的影響

在一個地區(qū)排放源相對穩(wěn)定的情況下，氣象條件對環(huán)境空氣質(zhì)量狀況起主導(dǎo)作用[9-11]。如圖1、3所示，北侖區(qū)溫度季節(jié)分布與三類污染物分布正好相反，即夏季溫度最高時三類污染物含量最低，秋季增加，春天的含量繼續(xù)增高，而冬天溫度最低時其含量最高。一日中的溫度最低值出現(xiàn)在5：00，最高值出現(xiàn)在13：00，可見SO2濃度分布與溫度分布略接近，而NO2和PM2.5的濃度分布與溫度分布略相反。SO2濃度日變化趨勢與相對濕度幾乎相反，即濃度高(低)值時，濕度較低(高)；NO2和PM2.5濃度則與相對濕度幾乎一致，濃度最低值出現(xiàn)的時刻也是相對濕度較低。風(fēng)速具有白天大、夜間小的較明顯日變化特征，即早上5：00風(fēng)速最小，隨后逐漸增大，至14：00達(dá)到最大，隨后風(fēng)速又逐漸減小。由此可見，SO2濃度變化趨勢與風(fēng)速變化一致，NO2和PM2.5則相反。

圖3 2015—2018年北侖區(qū)溫度、相對濕度、風(fēng)速的日變化

以易出現(xiàn)污染天氣的冬季為例，小時整點AQI>150、AQI≤50分別代表污染空氣和清潔空氣。由圖4可見，污染空氣的風(fēng)向主要來自第四象限，其中，西北偏西風(fēng)、西風(fēng)頻率最高，占污染空氣41.9%，此兩類風(fēng)向的平均AQI為203；清潔空氣的風(fēng)向離散性比較大，特別是第一、二象限風(fēng)向明顯增多。

圖4 2015—2018年北侖清潔空氣(左)與污染空氣(右)的風(fēng)頻、風(fēng)速、AQI

北侖以南的海上來風(fēng)能明顯改善北侖區(qū)空氣質(zhì)量。值得關(guān)注的是，東北偏北風(fēng)向雖然頻率不高，僅2.4%，但這類風(fēng)向的AQI有時是最大，平均達(dá)210，有時卻是AQI最小，僅28，需要進(jìn)一步分析研究。

運(yùn)用徐大海、俎鐵林等[12]提出的含靜風(fēng)效應(yīng)的污染系數(shù)α計算方法，即：

α=16fi/ui+4f0/3。

其中，fi為各風(fēng)向出現(xiàn)頻率、f0為靜風(fēng)頻率、ui為各風(fēng)向的平均風(fēng)速。

由圖5可見，NNE和NE方位的大氣污染系數(shù)最小為0.42，SSE方位的最大為1.08，四方位滑動累積最小值所在方位是最小污染方位，說明原點的源對此方位內(nèi)污染最輕，最小污染方位下風(fēng)方位為最輕污染范圍。

圖5 北侖區(qū)大氣污染系數(shù)的風(fēng)向

統(tǒng)計表明，北侖區(qū)四方位滑動累積最小方位是NNW～NE，累積值為1.8，最大值的方位是SSE～SW，累積值為3.52，即來自西南偏南方位的風(fēng)向?qū)Ρ眮鰠^(qū)大氣污染最小，偏北到東北方位污染最大。

3 小結(jié)

北侖區(qū)PM2.5、NO2、SO2濃度呈逐年下降趨勢，環(huán)境狀況日益改善。污染物濃度具有較明顯的時間特征。一是夏季較低，秋季次之，冬春季較高的季節(jié)特征。其中1、12月最高，7、8月最低。二是具有不同日變化特征。SO2最高值出現(xiàn)中午12：00，最低在半夜；NO2最高值出現(xiàn)在夜里至次日早上，最低在15：00—16：00；PM2.5最高值出現(xiàn)在8：00—9：00，最低在16：00。北侖區(qū)PM2.5濃度較寧波市偏低，但NO2、SO2濃度則偏高，特別是北侖區(qū)春季SO2濃度高于冬季，且較明顯高于寧波市。

氣溫、風(fēng)速的日變化趨勢與SO2比較一致、與NO2和PM2.5相反；相對濕度與NO2和PM2.5比較一致、與SO2相反。北侖區(qū)四方位污染系數(shù)滑動累積最小值所在象限是西北偏北-東北方位，最大則是東南偏南-西南方位，即西南偏南方位的風(fēng)向?qū)Ρ眮鰠^(qū)大氣污染最小，偏北到東北方位的風(fēng)向污染最大。冬季小時AQI>150的最多風(fēng)向是西北偏西風(fēng)和西風(fēng)，清潔空氣的風(fēng)向離散性比較大；值得關(guān)注的是，同級別風(fēng)速的東北偏北風(fēng)雖然出現(xiàn)次數(shù)極少，但這類風(fēng)向控制下的空氣質(zhì)量有時污染最嚴(yán)重，平均AQI高達(dá)210，有時卻最潔凈，平均AQI僅28，需要進(jìn)一步分析研究。

根據(jù)大氣環(huán)境承載力，合理規(guī)劃工業(yè)園區(qū)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加強(qiáng)重點污染源監(jiān)控；根據(jù)大氣污染時間分布及地域分布，合理布置農(nóng)業(yè)品種以及防御措施，提高作物生長質(zhì)量，保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展。