自貢市PM2.5 特征與風(fēng)向的關(guān)系探究

楊茜 何軍 劉忠鵬 王志

（四川省自貢生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 四川自貢 643000）

0 引言

環(huán)境空氣質(zhì)量關(guān)乎人類身體健康。近年來(lái)，全國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量狀況堪憂，大部分地區(qū)均呈現(xiàn)出以顆粒物污染為主的污染態(tài)勢(shì)，關(guān)于空氣中顆粒物污染的研究越來(lái)越多［1-7］。

大氣顆粒物由于其化學(xué)成分復(fù)雜、來(lái)源多樣，對(duì)人體危害較大。此外，顆粒物濃度升高會(huì)降低大氣能見(jiàn)度，造成霧霾天氣。2015 年實(shí)施《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）以來(lái)，PM2.5濃度呈逐年下降趨勢(shì)，但2014—2017 年P(guān)M2.5作為首要污染物占比最高，在55.3%～74.0%之間。

自貢市四季氣候變化明顯，氣候變化對(duì)空氣污染有顯著影響。冬季的污染狀況在四季之中最為嚴(yán)重。冬季氣溫低、天氣靜穩(wěn)，污染物不易擴(kuò)散；連續(xù)多云天氣導(dǎo)致晝夜溫差較大，夜晚逆溫使污染物進(jìn)一步累積，凌晨會(huì)出現(xiàn)大范圍霧霾天氣，顆粒物污染嚴(yán)重。2017 年冬季（1 月～2 月）自貢市共出現(xiàn)2 次大范圍寒潮天氣，冬季寒潮對(duì)污染態(tài)勢(shì)改善明顯，但寒潮到達(dá)自貢前會(huì)使污染物擠壓南下，污染物濃度會(huì)達(dá)到峰值。春季氣溫波動(dòng)明顯，整體天氣晴好，擴(kuò)散條件較好，陰雨天氣較多，冷空氣強(qiáng)度較低但頻率較高，對(duì)污染態(tài)勢(shì)有小幅度改善。夏季極端天氣頻發(fā)，暴雨天氣較多并伴有短時(shí)強(qiáng)風(fēng)，能明顯改善空氣污染，此外夏季光照較強(qiáng)，強(qiáng)日照導(dǎo)致顆粒物抬升，午后顆粒物濃度低于早晚。秋季，連陰雨天氣較多，11 月開(kāi)始出現(xiàn)霧霾天氣，空氣質(zhì)量變差。

研究PM2.5的污染特征對(duì)于治理自貢市空氣污染具有重要意義。長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，PM2.5的濃度與風(fēng)向變化有著密切關(guān)系。因此，掌握PM2.5與風(fēng)向之間的變化規(guī)律，對(duì)（東經(jīng)104°44′55″，北緯29°22′32″）探究自貢市空氣污染源具有重要借鑒意義。本文以自貢市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站大塘山的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，分析PM2.5與風(fēng)向變化之間的關(guān)系，以期為尋找污染源提供參考和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用國(guó)家空氣質(zhì)量聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)自貢市大塘山站點(diǎn)一個(gè)完整統(tǒng)計(jì)年的數(shù)據(jù)，即從2016 年12 月1 日0 時(shí)至2017年11 月30 日23 時(shí)的PM2.5和風(fēng)向連續(xù)監(jiān)測(cè)小時(shí)值數(shù)據(jù)，其中PM2.5的單位為μg/m3，風(fēng)向用度數(shù)表示。

1.2 研究方法

本研究按照氣象分類標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)向按度數(shù)分為16 個(gè)方向，詳見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)向分類

本文繪制整個(gè)統(tǒng)計(jì)年以及統(tǒng)計(jì)年份季節(jié)各風(fēng)向上風(fēng)向頻數(shù)、PM2.5總濃度值（總濃度值為小時(shí)累積值）和PM2.5均值（該風(fēng)向上的總濃度值比上該風(fēng)向上的風(fēng)向頻數(shù)）的雷達(dá)圖，探究該統(tǒng)計(jì)年以及不同季節(jié)大塘山站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向，探究該統(tǒng)計(jì)年以及不同季節(jié)PM2.5濃度的來(lái)源情況，為決策部門對(duì)區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控管理提供依據(jù)。

此外還分析了春季秸稈焚燒期間PM2.5的分布情況，繪制該時(shí)期各風(fēng)向上PM2.5均值雷達(dá)圖，探究特殊時(shí)期對(duì)PM2.5濃度的影響，為決策部門對(duì)特殊時(shí)期污染源的管控工作提供依據(jù)。

按照PM2.5數(shù)值對(duì)污染物等級(jí)進(jìn)行分類，詳見(jiàn)表2。根據(jù)不同污染等級(jí)類別，繪制各風(fēng)向上PM2.5的均值雷達(dá)圖，探究不同污染等級(jí)中PM2.5濃度的來(lái)源情況。

表2 PM2.5污染等級(jí)

2 分析與結(jié)果

2.1 PM2.5 風(fēng)向年度值變化情況

2016 年12 月至2017 年11 月16 個(gè)風(fēng)向的風(fēng)向頻數(shù)見(jiàn)圖1（a）。從圖1（a）可見(jiàn)，在該統(tǒng)計(jì)年中風(fēng)向總頻數(shù)為8 482 次（扣除無(wú)效監(jiān)測(cè)），其中在北東北—東和西西南—西6 個(gè)風(fēng)向上的頻數(shù)較高，北東北—東風(fēng)向頻數(shù)在770 次～936 次之間，西西南—西風(fēng)向頻數(shù)在888 次～1 002 次之間。由此可見(jiàn)，該統(tǒng)計(jì)年中，風(fēng)向多為北東北—東和西西南—西。

圖1（b）為PM2.5在16 個(gè)風(fēng)向上的年總濃度值?？梢钥闯?，其分布規(guī)律與風(fēng)向頻數(shù)的分布規(guī)律一致，PM2.5年總濃度值在北東北—東和西西南～西6 個(gè)風(fēng)向上的濃度較高，北東北—東風(fēng)向上PM2.5年總濃度值在55 636 μg/m3～72 469 μg/m3之間，西西南—西風(fēng)向上PM2.5年總濃度值在65 780 μg/m3～63 653 μg/m3之間，峰值出現(xiàn)在東北風(fēng)向上，為72 469 μg/m3。該統(tǒng)計(jì)年中，在北東北—東和西西南—西6 個(gè)風(fēng)向上PM2.5濃度累積量較大。

PM2.5在16 個(gè)風(fēng)向上的年均值見(jiàn)圖1（c），各個(gè)風(fēng)向上PM2.5年 均 值 在57.5 μg/m3～79.8 μg/m3之 間，PM2.5年 均 值 為71.0 μg/m3。從圖中可以看出，PM2.5高值（以高于該統(tǒng)計(jì)年年均值為標(biāo)準(zhǔn)）集中在北東北—東和南西南—西西南風(fēng)向上，北東北—東風(fēng)向上PM2.5均值范圍在72.3 μg/m3～79.8 μg/m3之間，南西南～西西南風(fēng)向上在74.1 μg/m3～76.6 μg/m3之間，峰值（79.8 μg/m3）出現(xiàn)在東東北方向上。PM2.5年均值能反映污染嚴(yán)重程度，以上分析可得出：16 個(gè)風(fēng)向上，在北東北—東和南西南～西西南7 個(gè)風(fēng)向上PM2.5污染較嚴(yán)重，東東北風(fēng)向上細(xì)顆粒物污染最嚴(yán)重。結(jié)合大塘山周邊環(huán)境，北東北—東方向近處為農(nóng)村片區(qū)，農(nóng)村階段性秸稈焚燒對(duì)PM2.5濃度有一定的貢獻(xiàn)，遠(yuǎn)處為內(nèi)江市市區(qū)，城市綜合產(chǎn)生的污染物對(duì)PM2.5濃度有一定的貢獻(xiàn)；南西南—西西南方向存在幾個(gè)工業(yè)廠區(qū)，工廠排放的廢氣對(duì)PM2.5濃度有一定的貢獻(xiàn)。由此可見(jiàn)，實(shí)施內(nèi)江市和自貢市的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控管理是有必要的。

綜合分析圖1 可以看出，各方向上PM2.5濃度年均值的最高值和最低值相差22.3 μg/m3，在數(shù)值上差距相對(duì)較小，所以各方向上PM2.5年總濃度值必然是和該方向的風(fēng)向頻數(shù)一致，故圖1（a）中各方向上的風(fēng)向頻數(shù)分布規(guī)律和圖1（b）中各方向上PM2.5年總濃度值分布規(guī)律基本一致。

圖1 細(xì)顆粒物年度風(fēng)向特征圖

2.2 PM2.5 風(fēng)向季節(jié)性濃度均值變化情況

圖2 為四季風(fēng)頻圖，四季風(fēng)頻圖規(guī)律與年風(fēng)頻圖規(guī)律類似，四季普遍存在北東北—東和西西南—西風(fēng)向出現(xiàn)頻數(shù)高，在西北和東南風(fēng)向的頻數(shù)變化不明顯，在東北和西南風(fēng)向的頻數(shù)變化明顯。由于四川盆地屬于季風(fēng)區(qū)，在夏季偏西風(fēng)居多，在冬季偏東北風(fēng)居多，春秋兩季是風(fēng)向交替變化的時(shí)期，偏西風(fēng)和偏東北風(fēng)的頻數(shù)相當(dāng)。而自貢市恰好位于內(nèi)江市的西南方向，會(huì)造成兩地污染物的相互傳輸，再次印證了兩市做好區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控管理工作的必要性。

圖2 分季節(jié)風(fēng)向頻數(shù)圖/次

圖3 為四季PM2.5均值圖。從圖中可見(jiàn)，PM2.5濃度均值在冬季最高，其次是秋季、春季，夏季最低。冬季PM2.5濃度較大，究其原因，一方面與天氣因素有關(guān)，進(jìn)入冬季，受靜穩(wěn)天氣與不利氣象條件協(xié)同影響，空氣擴(kuò)散條件逐漸變差，夜晚大氣逆溫明顯，污染物累積不斷加劇。另一方面與人為因素有關(guān)，人為因素主要是春節(jié)燃放煙花爆竹、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和汽車尾氣等。夏季PM2.5濃度較小，主要原因是太陽(yáng)輻射強(qiáng)，引起的對(duì)流旺盛，同時(shí)夏季降雨大，兩者都有利于PM2.5的擴(kuò)散或稀釋。春秋兩季處于冬夏兩季的交替期，風(fēng)場(chǎng)以及降水等氣象因素類似，并都存在秸稈焚燒現(xiàn)象，因此春秋兩季污染物濃度相當(dāng)，且居于冬夏兩季濃度值之間。

圖3 四季細(xì)顆粒物（PM2.5）均值雷達(dá)圖/（μg/m3）

春季PM2.5均值較大值出現(xiàn)在東北—東及西南—西西南風(fēng)向上，最大值出現(xiàn)在西南風(fēng)向上（66.8 μg/m3）。夏季PM2.5均值較大值出現(xiàn)在北—東東北及西西南—西西北風(fēng)向上，最大值出現(xiàn)在東東北和西風(fēng)向上（48.7 μg/m3）。秋季PM2.5較大值出現(xiàn)在北東北—東南和南—西西南風(fēng)向上，最大值出現(xiàn)在南西南風(fēng)向上（80.3 μg/m3）。冬季PM2.5均值較大值出現(xiàn)在東北—東及南東南—西西北風(fēng)向上，最大值出現(xiàn)在西南風(fēng)向上（146.3 μg/m3）。四個(gè)季節(jié)的PM2.5均值較大值的風(fēng)向與圖1（c）統(tǒng)計(jì)年P(guān)M2.5均值較大值的風(fēng)向大體一致，均為偏東北和偏西南方向，全年對(duì)于PM2.5排放源的管控工作，著重點(diǎn)放在這個(gè)兩個(gè)風(fēng)向上。冬季PM2.5均值較大值更為集中在偏西南方向，冬季要特別注意偏西南方向工廠園區(qū)排放源的管控工作。

2.3 秸稈焚燒污染物特征

自貢地區(qū)秸稈焚燒一般集中在4 月～5 月、10 月～11 月。在這兩段時(shí)間內(nèi)，空氣PM2.5濃度顯著增加，大氣環(huán)境惡化。2017年秋季秸稈焚燒前，由于環(huán)境主管部門采取了有效禁燒措施，秋季秸稈焚燒行為得到有效遏制，因此本研究?jī)H分析了春季秸稈焚燒的污染物風(fēng)向特征，該統(tǒng)計(jì)年秸稈焚燒期為4 月20日至5 月21 日。圖4 為秸稈焚燒期間風(fēng)向頻數(shù)雷達(dá)圖。由圖4 可見(jiàn)北東北—東東南和西西南—西風(fēng)向風(fēng)頻次數(shù)較多，這與春季風(fēng)向頻數(shù)較大值出現(xiàn)的方向一致。圖5 是秸稈焚燒期間各風(fēng)向上PM2.5均值雷達(dá)圖。秸稈焚燒期間PM2.5的風(fēng)向特征顯示在大塘山偏東北風(fēng)向和偏西南風(fēng)向上均值較高，大塘山東北方向?yàn)檗r(nóng)村，秸稈焚燒主要發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，PM2.5在東北風(fēng)向的均值較春季大，這就印證了農(nóng)村秸稈焚燒能降低空氣質(zhì)量。

圖4 秸稈焚燒期間風(fēng)頻圖/次

圖5 秸稈焚燒期間細(xì)顆物（PM2.5）均值雷達(dá)圖/（μg/m3）

2.4 不同污染等級(jí)PM2.5 的風(fēng)向特征

本文還研究了優(yōu)良（AQI≤100）、輕度（100＜AQI≤150）、中度（AQI＞150）及以上三個(gè)等級(jí)PM2.5年均值的風(fēng)向特征。圖6為三個(gè)污染等級(jí)PM2.5均值濃度雷達(dá)圖。從圖中可見(jiàn)，優(yōu)良污染等級(jí)PM2.5均值在東北—東東南和西南～西西南風(fēng)向上較大；輕度污染等級(jí)PM2.5均值在東北—東、南西南和西西南風(fēng)向上較大；中度污染及以上污染等級(jí)PM2.5均值在北東北—東北、南東南—南、西南—西西北風(fēng)向上較大。在輕度污染和中度污染及其以上污染等級(jí)類別中，偏東北方向和偏西南風(fēng)向PM2.5濃度的貢獻(xiàn)較大，和圖1（c）得出的結(jié)論一樣。除此之外，在中度污染及其以上污染等級(jí)類別中，偏南方向和偏西北風(fēng)向?qū)τ赑M2.5濃度的貢獻(xiàn)也比較明顯。究其原因，南邊為自貢市主城區(qū)，西北方向?yàn)閮?nèi)江市威遠(yuǎn)縣城區(qū)，兩地區(qū)的城市綜合污染源的排放所引起的。

圖6 三個(gè)污染等級(jí)細(xì)顆粒物濃度均值雷達(dá)圖

3 結(jié)論

（1）該統(tǒng)計(jì)年中，大塘山風(fēng)向以北東北—東和西西南—西風(fēng)向?yàn)橹?。夏季偏西風(fēng)更明顯，冬季偏東北風(fēng)更明顯。

（2）該統(tǒng)計(jì)年中，PM2.5濃度均值反映出的特征：在北東北—東和南西南—西西南這7 個(gè)風(fēng)向上PM2.5污染較嚴(yán)重，東東北風(fēng)向上PM2.5污染最嚴(yán)重。大塘山偏東北方向，近處的農(nóng)村秸稈焚燒，遠(yuǎn)處的鄰市城市綜合污染源，大塘山偏西南方向的工廠園區(qū)的污染源排放，都對(duì)PM2.5濃度升高有一定的貢獻(xiàn)。

（3）在季節(jié)分析中，PM2.5濃度均值在冬季最高，其次是秋季、春季，夏季最低。各季節(jié)均值較大值出現(xiàn)的風(fēng)向大致和結(jié)論（2）一致，但在冬季，偏西南方向的工廠園區(qū)的污染源排放對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)更為明顯。

（4）秸稈焚燒期間，地處大塘山東北方向?yàn)檗r(nóng)村，對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)較春季大。

（5）在分析輕度污染和中度污染及其以上類別PM2.5的風(fēng)向特征中，除偏西南和偏東北方向?qū)M2.5濃度貢獻(xiàn)較大外，在中度污染及其以上類別PM2.5的風(fēng)向特征中，鄰市城區(qū)綜合污染源的排放對(duì)PM2.5濃度貢獻(xiàn)比較明顯。