成都市大氣中PM10濃度變化特征及與氣象因子的關(guān)系分析

張薇薇，歐陽(yáng)純烈

(1.綿陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621000；2.四川高縣經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)企業(yè)服務(wù)中心，四川宜賓 645150；3.綿陽(yáng)師范學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)與規(guī)劃學(xué)院學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大部分城市空氣污染問(wèn)題主要由顆粒物污染造成，PM10是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑10um的顆粒物統(tǒng)稱(chēng)，又稱(chēng)為可吸入顆粒物，可嚴(yán)重降低大氣的能見(jiàn)度，能夠通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體，對(duì)人類(lèi)的身體健康產(chǎn)生了極大的威脅[1].因此，對(duì)大氣中PM10質(zhì)量濃度的變化特征以及影響因素進(jìn)行分析對(duì)推動(dòng)空氣質(zhì)量改善和人類(lèi)的健康發(fā)展具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義.迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞大氣顆粒物已展開(kāi)了一系列的研究，主要集中于對(duì)大氣顆粒物與氣象因子的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究.劉永昌[2]等人經(jīng)研究表明，PM10、PM2.5是重度污染天氣主要的污染物，其形成、擴(kuò)散及消散過(guò)程迅速且影響范圍較廣，氣象因子在重污染事件過(guò)程中起著重要的影響，風(fēng)速和風(fēng)向促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散和消散.Bayraktar[3]等人對(duì)大氣污染物濃度與氣壓、風(fēng)速、降水量、相對(duì)濕度等氣象因子進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，表明其有顯著的相關(guān)性.馬慧[4]等運(yùn)用大氣顆粒物濃度以及同期的氣象數(shù)據(jù)，分析合作市2015、2016年供暖期的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓、降水量對(duì)PM10質(zhì)量濃度的影響，并分析其相關(guān)性.表明大氣顆粒物濃度與溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓、降水量均具有顯著的相關(guān)性，與氣壓呈正相關(guān)，與溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量呈負(fù)相關(guān)，合作市冬季氣象因素對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散與集聚具有顯著的影響.趙晨曦[5]等對(duì)北京市大氣中PM2.5和PM10的濃度與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明北京市冬季大氣中PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度與風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫相關(guān)性顯著，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度、氣溫呈正相關(guān).為了解成都市PM10質(zhì)量濃度的變化特征以及與氣象因子的關(guān)系，本文利用2018年1—12月成都市PM10濃度以及風(fēng)速、降水量、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度等氣象要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，為成都市大氣顆粒物污染的治理提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)空氣質(zhì)量改善，推動(dòng)創(chuàng)建成都市人民的美好幸福生活.

1 研究區(qū)概況

成都市(102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N(xiāo))位于四川盆地西部，成都平原腹地，按地貌類(lèi)型可分為平原、丘陵和山地，東南低，西北高，西部屬于四川盆地邊緣地區(qū)，以深丘和山地為主，形成了成都市地表海拔差異懸殊的地貌形態(tài)以及東西兩部分之間的氣候差異.成都市東南低、西北高的地形，使氣體流動(dòng)較困難，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，因此成都市的大氣污染較嚴(yán)重[6].成都市屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫在16 ℃左右，年平均日照時(shí)數(shù)為1 042～1 412 h，熱量充足；年平均降水量為900～1 300 mm，雨量豐富，四季分明，雨熱同期；冬季濕冷，春早，無(wú)霜期較長(zhǎng)，風(fēng)速小，廣大平原、丘陵地區(qū)風(fēng)速為1～1.5 m/s.擁有豐富的生物資源，動(dòng)、植物資源有11綱、200科、764屬、3 000余種.

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的2018年1—12月PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站;本文所使用的2018年1—12月平均氣壓、平均氣溫、降水量、風(fēng)速、平均相對(duì)濕度等氣象因子的數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心的中國(guó)地面氣象站.

2.2 研究方法

本文研究PM10質(zhì)量濃度與氣象因子的關(guān)系主要運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)法.Pearson相關(guān)系數(shù)主要是表示兩要素之間的相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，使用該系數(shù)表明PM10質(zhì)量濃度與氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，公式如下(見(jiàn)公式1)

r值介于[-1,1]區(qū)間.相關(guān)系數(shù)r>0，表示正相關(guān)，即兩要素同向相關(guān)；r<0，表示負(fù)相關(guān)，即兩要素異向相關(guān).相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近于1，表示兩要素的關(guān)系越密切；越接近于0，表示兩要素的關(guān)系越不密切.

3 PM10質(zhì)量濃度變化特征分析

3.1 PM10的月變化特征分析

圖1 PM10質(zhì)量濃度月變化特征Fig.1 Monthly variation characteristics of PM10 mass concentration

利用Excel軟件根據(jù)2018年1—12月的PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)繪制出PM10質(zhì)量濃度月變化趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖1).由圖1可知：2018年成都市PM10質(zhì)量濃度月均值變化明顯，總體上呈現(xiàn)兩頭高中間低的“U”型分布.PM10質(zhì)量濃度在1—7月和8—9月份呈下降趨勢(shì)，7—8月份和9—12月份呈逐漸上升趨勢(shì).PM10濃度年均值為82.75 ug/m3，超過(guò)國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(PM1070 ug/m3)，說(shuō)明成都市的顆粒物污染相對(duì)較重，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的防治和治理.PM10質(zhì)量濃度范圍為39～126 ug/m3，峰值出現(xiàn)在1月份，為126 ug/m3，1月份太陽(yáng)輻射較弱，空氣層結(jié)穩(wěn)定，空氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)遭到削弱和阻礙，靜風(fēng)、小風(fēng)天氣現(xiàn)象發(fā)生的頻率高，易發(fā)生逆溫，顆粒物的擴(kuò)散較緩慢[6]；低值出現(xiàn)在7月份，為39 ug/m3，7月份降水量豐富，雨水對(duì)顆粒物的沖刷作用效果顯著，有利于大氣顆粒物的沉降[7]，PM10顆粒較大吸附更多的水分子，從而沉降作用明顯.

3.2 PM10的季變化特征分析

根據(jù)2018年1—12月的PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)計(jì)算2018年P(guān)M10質(zhì)量濃度季節(jié)平均值，利用Excel軟件繪制出PM10質(zhì)量濃度季節(jié)變化趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖2).由圖2可知成都市PM10的質(zhì)量濃度季節(jié)變化明顯，均呈兩頭高中間低的“U”型狀態(tài)分布.2018年成都市PM10質(zhì)量濃度季均值的峰值出現(xiàn)在春季，為118 ug/m3，低值出現(xiàn)在秋季，為48 ug/m3，呈現(xiàn)出春季(1～3月份)>冬季(10—12月)>夏季(4—6月)>秋季(7—9月)，即春冬季污染物濃度較高，夏秋污染物濃度較低.造成這種現(xiàn)象的主要原因是：春冬季節(jié)，早晨晚間氣溫均較低，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)較弱，湍流運(yùn)動(dòng)也較弱，易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，加以地面的風(fēng)速小，PM10難以快速擴(kuò)散和遷移，因此質(zhì)量濃度較高.夏秋季節(jié)，氣溫較高，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)較旺盛，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，加以夏季降水量豐富，雨水較多，對(duì)空氣的凈化作用較強(qiáng)，PM10質(zhì)量濃度較低.

圖2 PM10質(zhì)量濃度季變化特征Fig.2 Seasonal variation characteristics of PM10 mass concentration

4 PM10質(zhì)量濃度與氣象因子的關(guān)聯(lián)性分析

對(duì)污染物的擴(kuò)散產(chǎn)生影響的氣象因素很多，風(fēng)向、風(fēng)速、湍流、太陽(yáng)輻射、大氣溫度層結(jié)、大氣穩(wěn)定度、逆溫、云、氣壓等對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散均有影響[8]，本文主要分析了降水量、溫度、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象因子與PM10質(zhì)量濃度的關(guān)系.

4.1 風(fēng)速對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的影響

風(fēng)速對(duì)污染物在大氣中的質(zhì)量濃度起著重要的作用，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，空氣的垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，使空氣充分湍流混合，有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋運(yùn)動(dòng).當(dāng)靜風(fēng)或風(fēng)速較小時(shí)，不利于空氣中污染物質(zhì)的擴(kuò)散，因此近地面層的污染物質(zhì)不斷聚集增加[9].利用Excel軟件根據(jù)2018年1—12月PM10質(zhì)量濃度及風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制出PM10質(zhì)量濃度和風(fēng)速之間的關(guān)系圖(見(jiàn)圖3).由圖3可知，風(fēng)速小于3.5 m/s時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為100.2 ug/m3，仍保持在較高水平清除效果不夠明顯.風(fēng)速為3.4 m/s時(shí)，PM10濃度達(dá)到最高，為126 ug/m3.當(dāng)風(fēng)速超過(guò)3.5 m/s時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為61.2 ug/m3，清除效果較顯著，并隨著風(fēng)速的增加，PM10濃度逐漸降低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4.4 m/s時(shí)，PM10濃度最低，為39 ug/m3.

圖3 PM10質(zhì)量濃度與風(fēng)速隨時(shí)間的變化特征Fig.3 Variation characteristics of PM10 mass concentration and wind speed with time

4.2 氣溫對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的影響

利用Excel軟件根據(jù)2018年1—12月PM10質(zhì)量濃度及氣溫?cái)?shù)據(jù)繪制出PM10質(zhì)量濃度和氣溫之間的關(guān)系圖(見(jiàn)圖4).從圖4可知，當(dāng)氣溫為0～10 ℃時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為117 ug/m3，處于較高水平；氣溫為10～20 ℃時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為93 ug/m3；氣溫為20～30 ℃時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為53.43 ug/m3，顯著降低，隨著氣溫的升高，PM10質(zhì)量濃度逐漸降低.當(dāng)氣溫為4.9 ℃時(shí)，PM10質(zhì)量濃度最高，為126 ug/m3，氣溫為25.6 ℃時(shí)，PM10質(zhì)量濃度最低，為39 ug/m3.這種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)氣溫較高時(shí)，空氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈，逆溫層難以形成，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于PM10的擴(kuò)散和沉降運(yùn)動(dòng)，從而使PM10質(zhì)量濃度降低；而當(dāng)氣溫較低時(shí)，太陽(yáng)輻射較弱，易于造成逆溫層的出現(xiàn)，空氣層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)空氣垂直對(duì)流起到削弱阻礙作用，顆粒物難以穿過(guò)厚逆溫層向上擴(kuò)散，因此PM10質(zhì)量濃度仍保持在較高的水平[10].

圖4 PM10質(zhì)量濃度與氣溫隨時(shí)間的變化特征Fig.4 Variation characteristics of PM10 mass concentration and temperature with time

4.3 氣壓對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的影響

利用Excel軟件根據(jù)2018年1—12月PM10質(zhì)量濃度及氣壓數(shù)據(jù)繪制出PM10質(zhì)量濃度和氣壓之間的關(guān)系圖(見(jiàn)圖5).由圖5可知：PM10質(zhì)量濃度與氣壓的變化趨勢(shì)基本一致，即PM10質(zhì)量濃度隨氣壓的增加而升高，減小而逐漸降低.當(dāng)氣壓為956.7 hpa時(shí)，PM10質(zhì)量濃度達(dá)到峰值，為126 ug/m3，當(dāng)氣壓為940.3 hpa時(shí)，PM10質(zhì)量濃度處于最低值，為39 ug/m3.

圖5 PM10質(zhì)量濃度與氣壓隨時(shí)間的變化特征Fig.5 Variation characteristics of PM10 mass concentration and air pressure with time

當(dāng)近地面受低壓系統(tǒng)控制時(shí)，中心氣壓比周?chē)鷼鈮旱?，因此?nèi)部氣流易形成垂直上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)烈的上升氣流有利于形成云降水，從而促進(jìn)顆粒物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)虼藲鈮狠^低時(shí)PM10質(zhì)量濃度隨之降低；而當(dāng)近地面受高壓系統(tǒng)控制時(shí)，中心氣壓比周?chē)?，?nèi)部氣流易形成下沉運(yùn)動(dòng)，有利于大氣顆粒物的積累，PM10質(zhì)量濃度隨之升高[11].采樣期間，成都市冬季平均氣壓為956.1 hpa，PM10平均質(zhì)量濃度為90 ug/m3，在高壓系統(tǒng)控制下顆粒物難以擴(kuò)散PM10質(zhì)量濃度較高.秋季平均氣壓為944.4 hpa，PM10平均質(zhì)量濃度為47.7 ug/m3，受低壓控制有利于顆粒物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)琍M10質(zhì)量濃度較低.

4.4 降水量對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的影響

根據(jù)2018年1—12月PM10質(zhì)量濃度及降水量數(shù)據(jù)，利用Excel軟件繪制出PM10質(zhì)量濃度與降水量之間的變化圖(見(jiàn)圖6).從圖6可知，在降水量小于10 mm時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為126 ug/m3，保持在較高水平；降水量在10～20 mm時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為106.7 ug/m3，比降水量小于10 mm時(shí)降低了15.32%；在降水量大于20 mm時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為68 ug/m3，比降水量小于10 mm時(shí)降低了46.03%.在1—7月份降水量呈逐漸上升趨勢(shì)，PM10質(zhì)量濃度則隨著降水量的增加逐漸下降，7月份降水量達(dá)到峰值，PM10質(zhì)量濃度處于較低的狀態(tài)，清除效果顯著.7—12月降水量在達(dá)到峰值過(guò)后呈逐漸下降的趨勢(shì)，PM10質(zhì)量濃度隨之逐漸升高.以上數(shù)據(jù)說(shuō)明降水對(duì)顆粒物有較好的清除作用，雨水可沖刷大氣中的塵埃，有利于顆粒物的稀釋和沉降[12]，使PM10質(zhì)量濃度隨降水量的增加而逐漸降低.成都市處于四川盆地中部，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，全年溫暖濕潤(rùn)，降水量豐富，因此降水量對(duì)大氣中顆粒物的沉降和稀釋起著至關(guān)重要的作用.

圖6 PM10質(zhì)量濃度與降水量隨時(shí)間的變化特征Fig.6 Variation characteristics of PM10mass concentration and precipitation over time

4.5 相對(duì)濕度對(duì)大氣PM10質(zhì)量濃度的影響

相對(duì)濕度是表示大氣濕度常用的物理量，是大氣的實(shí)際水汽壓e與同溫度下的飽和水汽壓E之比.根據(jù)2018年1—12月PM10質(zhì)量濃度及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，利用Excel軟件繪制出PM10質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度的變化圖(見(jiàn)圖7).從圖7可知，當(dāng)相對(duì)濕度為70%～80%時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為106.2 ug/m3，仍處于較高水平，這是因?yàn)殡S著相對(duì)濕度增加，大氣中的空氣逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，從而吸濕性強(qiáng)的氣溶膠粒子吸收水分而膨脹，從而使PM10質(zhì)量濃度虛高[13].當(dāng)相對(duì)濕度大于80%時(shí)，PM10平均質(zhì)量濃度為76.71 ug/m3；相對(duì)濕度達(dá)到89.5%時(shí)，PM10質(zhì)量濃度最低，為39 ug/m3；PM10質(zhì)量濃度隨相對(duì)濕度的增加顯著降低，這是因?yàn)楫?dāng)相對(duì)濕度過(guò)大時(shí)，空氣處于過(guò)飽和狀態(tài)，加以溫度變化較小，大氣中的塵埃、煙粒易成為凝結(jié)核，有利于水汽凝結(jié)從而發(fā)生降水，大氣顆粒物易發(fā)生沉降，使PM10質(zhì)量濃度降低[14].

圖7 PM10質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化特征Fig.7 Variation characteristics of PM10 mass concentration and relative humidity with time

4.6 PM10與氣象因子的相關(guān)性分析

在污染物排放相對(duì)穩(wěn)定的情況下，氣象條件強(qiáng)烈影響著污染物的稀釋?zhuān)瑪U(kuò)散和積累[15]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)期間成都市PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與同期氣象因子數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 成都市2018年1-12月PM10質(zhì)量濃度與氣象因子的相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis between PM10 mass concentration and meteorological factors in Chengdu city from January to December 2018

在表1得出的相關(guān)系數(shù)中，氣溫、氣壓、降水量與PM10的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了在置信水平0.01的檢驗(yàn)，相對(duì)濕度與PM10的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了在置信水平0.05的檢驗(yàn)，表明PM10質(zhì)量濃度與氣溫、氣壓、降水量極顯著相關(guān)，與相對(duì)濕度顯著相關(guān).由表1可知，隨著氣溫升高，PM10濃度逐漸降低(負(fù)相關(guān))；隨著氣壓增加，PM10濃度逐漸升高(正相關(guān))；隨著降水量增加，PM10濃度逐漸降低(負(fù)相關(guān))；隨著濕度增加，PM10濃度逐漸降低(負(fù)相關(guān))；對(duì)表中各氣象因子與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值進(jìn)行比較進(jìn)行排序可得：∣r氣溫∣>∣r降水量∣>∣r氣壓∣>∣r相對(duì)濕度∣>∣r風(fēng)速∣，表明各氣象因子對(duì)PM10質(zhì)量濃度的影響程度是不同的.氣溫、降水量、氣壓對(duì)PM10質(zhì)量濃度起著不可忽視的作用.因此，在對(duì)大氣顆粒物污染進(jìn)行防治和治理時(shí)，應(yīng)注重氣象因子對(duì)其產(chǎn)生的不同影響，從而采取有效措施進(jìn)行治理.

5 結(jié)論

(1)2018年成都市PM10質(zhì)量濃度月均值和季均值變化明顯，總體上呈現(xiàn)兩頭高中間低的“U”型分布.月變化為1月>2月>3月>12月>4月>11月>5月>10月>8月>6月>7月，季節(jié)變化為春季(1—3月)>冬季(9—12月)>夏季(4—6月)>秋季(7—8月).通過(guò)月均值和季均值的變化可以看出成都市的顆粒物污染相對(duì)較重，尤其在春冬季污染物濃度較高，人們應(yīng)適當(dāng)減少戶(hù)外活動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)其的防治和治理.

(2)由氣象因子的影響分析可得出氣象要素對(duì)PM10質(zhì)量濃度的影響顯著，春冬季節(jié)風(fēng)速低，降水量少，氣溫低以致于不利于大氣顆粒物的擴(kuò)散，所以，應(yīng)加強(qiáng)人工干預(yù)，提高人們生活居住環(huán)境質(zhì)量；PM10質(zhì)量濃度與氣溫，降水量以及相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，即隨著溫度、降水量和相對(duì)濕度的增大而降低.PM10質(zhì)量濃度與氣壓呈正相關(guān)，即隨著氣壓的增加而升高.表明氣溫、降水量、氣壓對(duì)PM10質(zhì)量濃度起著不可忽視的作用.因此，在對(duì)大氣顆粒物污染進(jìn)行防治和治理時(shí)，應(yīng)注重氣象因子對(duì)其產(chǎn)生的不同影響，從而采取有效措施進(jìn)行治理.