沈陽市2019 年P(guān)M2.5 與PM10 濃度變化特征研究

劉 楓 李思慧 呂程熙 薛潔曉 布乃順

（遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽110036）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平不斷提高，大氣污染問題日益突出[1]。目前國內(nèi)大部分城市的灰霾天氣是由顆粒物污染造成的，PM2.5和PM10是導(dǎo)致大氣污染的首要污染物，對(duì)空氣質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人體健康造成影響[2]。根據(jù)《2019 年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國有47.2%的城市PM2.5年均濃度和32.0%的城市PM10年均濃度超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。可見，城市的大氣環(huán)境治理仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，研究PM2.5和PM10的變化特征和影響因素對(duì)于改善城市空氣質(zhì)量具有重要意義。

人類活動(dòng)與氣象條件共同作用影響大氣污染[3-4]。先前的研究分析了顆粒污染物和氣象因素之間的相關(guān)性，研究表明氣象條件可以在很大程度上影響污染物的擴(kuò)散、稀釋和積累[5]。逆溫、靜風(fēng)、日照強(qiáng)烈、濕度較小的天氣條件不利于顆粒物的擴(kuò)散和去除。而這些研究主要集中在京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)[3,6,7]。東北地區(qū)快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化伴隨大量的能源消耗，導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣環(huán)境問題[8]。沈陽是東北地區(qū)高速發(fā)展的重要工業(yè)城市，由于人為活動(dòng)和工業(yè)排放以及不利天氣的影響，近年來頻繁出現(xiàn)灰霾天氣[9]。根據(jù)《2019 年沈陽市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》，2019 年沈陽市空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)為81 天，其中首要污染物為PM2.5的天數(shù)占54.3%，PM10占6.2%；PM2.5和PM10的年均濃度分別達(dá)到43μg/m3和77μg/m3，分別超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.2 倍和0.1 倍。因此，研究沈陽地區(qū)的顆粒物污染物的時(shí)間變化與氣象條件的關(guān)系有助于制定當(dāng)?shù)赜行У目刂拼胧?/p>

本文以沈陽市2019 年的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了PM2.5和PM10的濃度變化特征及其與氣象條件的相關(guān)性，為進(jìn)一步加強(qiáng)沈陽市大氣污染治理、改善其空氣質(zhì)量提供理論參考。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 區(qū)域概況

沈陽（41.77°N，123.50°E）位于東北南部，是東北政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心[4]，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，年均氣溫6.2～9.7℃，降水集中在夏季，溫差較大，地勢(shì)由東北向西南傾斜。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究統(tǒng)計(jì)了2019 年中國環(huán)境檢測(cè)總站（http：//www.cnemc.cn）發(fā)布的沈陽市PM2.5和PM10逐時(shí)濃度數(shù)據(jù)。從國家氣象信息中心（http://data.cma.cn/site/index.html）獲得各氣象因子的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5 和PM10 季節(jié)變化特征分析

圖1 2019 年沈陽市PM2.5 和PM10 濃度月均變化

污染物濃度的季節(jié)變化主要受排放強(qiáng)度和氣象因素的影響[10]。冬季的燃煤取暖會(huì)增加煤粉塵、氮氧化物和硫化物的排放量[4]，秋季的生物質(zhì)燃燒也不可避免的加重了PM2.5和PM10的污染。由表1 看出秋冬季溫度低，冷空氣活動(dòng)容易造成逆溫，不利于大氣擴(kuò)散[11]。還有降水量少、風(fēng)速小等特點(diǎn)也使PM2.5和PM10濃度上升。夏季較高的溫度導(dǎo)致大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有利于顆粒物擴(kuò)散，降水增強(qiáng)了對(duì)污染物的清潔和沖刷作用，并且濕度可以減少土壤粉塵排放。此外，沈陽夏季盛行東南風(fēng)，清潔的海風(fēng)起到一定的稀釋作用[3]，這使得夏季的顆粒物濃度是四季最低值（PM2.5：23.3μg/m3；PM10：41.8μg/m3）。

表1 氣象因素的月均變化

2.2 PM2.5 和PM10 濃度日變化

PM2.5和 PM10質(zhì)量濃度的日變化范圍分別為30.9-50.1μg/m3和66.1-90.1μg/m3，兩者表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)（圖2），這與人類活動(dòng)和大氣環(huán)境的變化都息息相關(guān)[7,11]。晚上污染物積累隨著日出大氣邊界層高度抬升，在垂直方向上的稀釋作用加強(qiáng)，使得污染物濃度開始逐漸下降。6:00-9:00 人類活動(dòng)逐漸增加出現(xiàn)早高峰，交通排放出現(xiàn)了PM2.5和PM10的第一個(gè)峰值。9:00 之后溫度逐漸上升增強(qiáng)了大氣的湍流作用。波谷在12:00 到18:00 出現(xiàn)，隨著下班時(shí)間的到來和夜晚邊界層的下降，顆粒物又積累起來。

圖2 PM2.5 和PM10 質(zhì)量濃度日變化

2.3 PM2.5 和PM10 濃度與氣象因子的相關(guān)性

分析顆粒物和氣象變化的相關(guān)性對(duì)于預(yù)測(cè)污染物變化有重要意義。PM2.5和PM10濃度與各氣象因子之間的相關(guān)性析結(jié)果如表2 所示。PM2.5和PM10濃度與溫度、降水量和相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。大氣對(duì)流需要一定的溫度差，當(dāng)近地面的氣溫較高時(shí)大氣的對(duì)流作用會(huì)稀釋顆粒濃度[5]。降水對(duì)大氣顆粒污染物具有沖刷作用，沉降過程將顆粒物帶至地面，而且降水不利于起沙與揚(yáng)塵的發(fā)生[6]。海平面氣壓能夠影響大氣對(duì)流活動(dòng)，下沉氣流會(huì)抑制污染物的向上擴(kuò)散，因此，氣壓與PM2.5和PM10質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。PM2.5濃度與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與PM10濃度呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)值說明風(fēng)速對(duì)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度影響不顯著。

表2 PM2.5 和PM10 與各氣象因素Pearson 相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

3.1 2019 年沈陽市PM2.5和PM10月均濃度變化趨勢(shì)總體呈“U”字型，一年中PM2.5和PM10濃度在8 月份最低，在1 月份最高。PM2.5和PM10濃度的季節(jié)性變化表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季。

3.2 PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的日變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，均為白天低，晚上高。受到人為活動(dòng)的影響在6:00 到9:00 呈增長趨勢(shì)，然后開始下降，在16:00 達(dá)到最低值，波谷出現(xiàn)在12:00 到18:00。

3.3 溫度、相對(duì)濕度、降雨量和氣壓是影響沈陽市區(qū)PM2.5和PM10的重要?dú)庀笠?，風(fēng)速對(duì)PM2.5和PM10濃度影響不顯著。