嚴敏馬姍姍馮貴賓閆巍賈志強高猛王健

（1 北京市海淀區(qū)氣象局，北京 100080；2 北京市延慶縣氣象局，北京 102100；3 北京市大興區(qū)氣象局，北京 102600）

北京市海淀區(qū)PM10污染特征及其與氣象要素的關系

嚴敏1馬姍姍2馮貴賓1閆巍2賈志強3高猛2王健2

（1 北京市海淀區(qū)氣象局，北京 100080；2 北京市延慶縣氣象局，北京 102100；3 北京市大興區(qū)氣象局，北京 102600）

通過對2006年1月—2009年12月北京市環(huán)境保護局海淀區(qū)三個子站的空氣質量資料和相對應的三個氣象站的氣象資料分析發(fā)現(xiàn),海淀區(qū)香山、北部新區(qū)、萬柳三個站的PM10濃度達到空氣質量二級以上(不含二級)的天數(shù)占全年的30%,且濃度超標日數(shù)春季＞冬季＞秋季＞夏季,其中以北部新區(qū)空氣質量二級以上天數(shù)最多,高達125天。PM10濃度峰值主要出現(xiàn)在上午10時和傍晚19時附近?？傮w上,各年空氣質量二級以上天數(shù)以2006年最多,2009年最少。通過對PM10的濃度與氣象要素做相關分析,發(fā)現(xiàn)PM10的濃度隨溫度、風速、氣壓、降水量的增高而降低,隨相對濕度的升高而升高,風向影響較為復雜。

大氣污染,PM10,氣象要素

1 引言

20世紀90年代以來，伴隨著城市化進程的加快，大氣環(huán)境污染事件明顯增多，對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響日益加劇[1]。污染不僅對人體造成巨大傷害，也影響生產(chǎn)活動、生活活動和城市景觀。目前，空氣污染受到各界的普遍關注，如何兼顧環(huán)境與發(fā)展已成為重大問題[2]。

2012年之前，北京市的主要污染物包括PM10、SO2和NO2，首要污染物是PM10。已有許多研究對北京市污染物的污染特征進行了分析，例如，有關北京近郊區(qū)PM10大于等于四級污染日的年、季及隨不同天氣類型的變化特征、濃度水平和地域分布特征[2-3]，北京地區(qū)污染的氣象條件[4]，北京市城市大氣污染物PM10的污染特征[5]，北京地區(qū)污染物濃度與天氣形勢或氣象要素的關系[6-11]，等等。一些研究[2,6]認為污染物濃度由排放源和天氣過程共同決定，當污染源相對固定

時，重污染事件的原因則主要歸于天氣條件[3,12]。

在以上研究中，由于城市邊界層大氣污染觀測資料時間序列較短，因此在城市大氣污染年、季、月、天的特征分析及其影響因子的研究方面不夠充分，也很難具備代表性。本文利用北京市海淀區(qū)環(huán)境保護局三個子站2006—2009年長達4年的污染資料，結合海淀區(qū)氣象局相應站點與時段的地面站氣象資料，從不同角度對PM10的時空變化特征及其氣象影響因子進行了全面系統(tǒng)的分析和研究。本研究一方面對海淀區(qū)三站的空氣質量情況進行了綜合評價，另一方面也為大氣污染物的研究與治理提供了依據(jù)，從而可為大氣環(huán)境規(guī)劃、管理、污染物防治及城市工業(yè)布局、合理的能源政策制定提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 空氣質量數(shù)據(jù)與氣象資料來源

2006—2009年的空氣質量實時監(jiān)控數(shù)據(jù)來自于北京市海淀區(qū)的空氣質量自動監(jiān)測站（包括香山、北部新區(qū)、萬柳三個子站的數(shù)據(jù)）（圖1），監(jiān)測的項目為大氣主要污染物PM10，其濃度資料取前一天12時至當天12時共24h 的平均值，表示當天的污染物日均濃度，其中2006—2008年的數(shù)據(jù)為逐日數(shù)據(jù)，2009年數(shù)據(jù)為逐時數(shù)據(jù)。地面氣象數(shù)據(jù)來自于2006—2009年地面觀測站海淀本站、稻香湖站和香山站，氣象要素包括平均氣溫、相對濕度、風向、風速、氣壓和降水量。

2.2 空氣污染指數(shù)

空氣污染指數(shù)（API）可用來反映和評價空氣質量。該指數(shù)分為5級：API≤50，為Ⅰ級，空氣質量優(yōu)；50＜API≤100，為Ⅱ級，空氣質量良；100＜API≤200，為Ⅲ級，空氣質量為輕度污染；200＜API≤300，為Ⅳ級，空氣質量為中度污染；API＞300，為Ⅴ級，空氣質量為重度污染，其中達到三級及三級以上污染指數(shù)會對人體或環(huán)境產(chǎn)生危害[5]。PM10濃度與污染指數(shù)的對應關系見表1。

圖1 海淀區(qū)周邊地形示意

2.3 方法

本文將統(tǒng)計出主要大氣污染物PM10的年、季（3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季）、月、日（前一日12時—當日12時）的序列圖，對其進行趨勢和特征分析，分析相應的氣象要素，并進行相關分析，對產(chǎn)生污染的原因進行探索。

3 結果

3.1 不同時間尺度PM10的變化特征分析

3.1.1 年變化特征

2006—2009年海淀區(qū)三站（香山站、北部新區(qū)站和萬柳站）在4年中的PM10的平均狀況為：PM10濃度達到空氣質量一級天數(shù)為60d，占全年的16.5%；二級天數(shù)為195d，占全年的53.4%；三級天數(shù)為99d，占全年的27.1%；四級天數(shù)為6d，占全年的1.6%；五級天數(shù)為5d，占全年的1.4%；PM10超標日數(shù)（包括三級、四級和五級）占全年的30%。

分析三站2006—2009年PM10濃度達到空氣質量五級的平均天數(shù)，發(fā)現(xiàn)以萬柳站最多，北部新區(qū)站最少，分別為6d和4d；四級天數(shù)以萬柳站最多，香山站最少，分別為7d和5d；三級天數(shù)以北部新區(qū)站最多，香山站最少，分別為115d和81d；二級天數(shù)以萬柳站最多，香山站最少；一級天數(shù)以香山站最多，萬柳站最少?？諝赓|量二級以上天數(shù)從多到少為北部新區(qū)站＞萬柳站＞香山站，即空氣質量超標日數(shù)以北部新區(qū)最多，而空氣污染程度以萬柳站最重，中度和重度污染都集中在萬柳站。從各年分布來看，2006—2009年，PM10濃度達到空氣質量二級以上天數(shù)總體呈逐年遞減的趨勢，但三個站的變化趨勢各有不同（圖2）。

3.1.2 季節(jié)變化特征

2006—2009年，三站各季節(jié)PM10濃度達到空氣質量二級以上的平均天數(shù)呈現(xiàn)出春季＞冬季＞秋季＞

夏季的趨勢，所占比例分別為31.8%、29.8%、23.4%和14.6%。萬柳和北部新區(qū)呈冬季＞春季＞秋季＞夏季，香山地區(qū)呈春季＞秋季＞冬季＞夏季，其中北部新區(qū)各季節(jié)的空氣質量二級天數(shù)均明顯高于香山和萬柳。表2給出了三站四季PM10濃度達到空氣質量五級、四級和三級的天數(shù)分布，可以看出，中度和重度污染大多分布在春季和冬季，以春季最多。

表1 污染指數(shù)分級限值

圖2 2006—2009年三站PM10濃度達到空氣質量二級以上的天數(shù)分布

3.1.3 月變化特征

綜合2006—2009年三個站點的平均狀況，各月之中PM10濃度達到空氣質量二級以上天數(shù)最多的分別是12月、4月和1月，分布最少的分別是8月、7月和9月。其中，香山站PM10濃度達到空氣質量二級以上天數(shù)以4月、5月和12月居多，北部新區(qū)和萬柳站均以12月、4月和1月居多（圖3）。

通過對2006—2009年三站各個月份的PM10濃度進行分析，發(fā)現(xiàn)萬柳站PM10的年平均濃度最大（142μg·m-3），北部新區(qū)站次之（140μg·m-3），香山站最?。?27μg·m-3）。三個站各個月份的濃度變化趨勢是一致的，均是在12月達到最高，1月、3—5月的PM10平均濃度也較高，7—10月的PM10平均濃度相對較低。

表2 2006—2009年三站四季PM10濃度達到空氣質量五級、四級和三級的天數(shù)分布

圖3 2006—2009年三站各月PM10濃度達到空氣質量二級以上的天數(shù)分布

3.1.4 四季逐時變化特征

以2009年為例，對三站PM10超標日的逐時濃度按季節(jié)進行計算，發(fā)現(xiàn)PM10濃度在春季、夏季、秋季和冬季的平均值分別為335、181、335和201μg·m-3，以春、秋季比較高。四季PM10濃度變化趨勢基本一致：春季在10時和20時達到峰值，在7時達到谷值；夏季在15時和23時達到峰值，5時達到谷值；秋季在19時達到峰值，7時達到谷值；冬季在10時和23時達到峰值，7時達到谷值（圖4）。總體上，各個季節(jié)的波峰都在18—23時附近和上午10時附近，谷值在上午7時附近。這一方面受逆溫影響，另一方面也受上下班的車流高峰影響。

將三站PM10污染達到中度和重度污染的日分為工作日（周一至周五）和節(jié)假日（周六、周日及法定節(jié)日），發(fā)現(xiàn)節(jié)假日的PM10濃度略高于工作日，時間變化特征大概一致（圖5）。這主要是由于節(jié)假日人類活動相對頻繁，車輛不限號，污染相對嚴重一些。

圖4 2009年三站空氣質量三級的PM10平均濃度逐時變化

圖5 2009年三站空氣質量為中度和重度污染的工作日和節(jié)假日的PM10平均濃度逐時變化

3.2 污染物濃度與氣象要素的關系分析

3.2.1 溫度

以往研究認為，大氣污染物濃度與溫度成反比[9]。一方面由于隨著氣溫升高，大氣對流層內垂直對流運動增強，使污染源排放到大氣中的污染輸送到遠方，從而加速了顆粒物的擴散；另一方面，溫度降低，需要燃煤供暖（11月15日—次年3月15日），使得PM10等排放增加[1,13-14]。

然而，由于地形、季節(jié)和局地小氣候的影響，PM10濃度與溫度的關系也是復雜的。通過對三站氣溫與PM10濃度做相關分析（表3）表明：在春季和夏季，三站均呈現(xiàn)出顯著的正相關，即隨著溫度升高，PM10濃度也在增加；在秋季，香山站的PM10濃度與氣溫無顯著相關，而北部新區(qū)站和萬柳站則呈現(xiàn)出負相關；在冬季，香山站呈現(xiàn)出極顯著的正相關，北部新區(qū)站為極顯著的負相關，萬柳站的溫度同PM10濃度無顯著相關。

3.2.2 相對濕度

當相對濕度≤90%時，大氣中PM10濃度與相對濕度呈顯著的正相關，這是由于相對濕度大，有利于大氣中的氣體轉化成為粒子。另外，由于相對濕度的增加，大氣顆粒物由于吸濕使得本身所含的液體量增加，大粒子數(shù)量增多，因而使得空氣中PM10的質量濃度增加[3,15]。

通過對2006—2009年三站四季的污染物濃度和相對濕度做散點圖，發(fā)現(xiàn)污染物濃度較高的點都分布在相對濕度較大的區(qū)域，尤其是在相對濕度為50%～95%的區(qū)間，這種現(xiàn)象在秋、冬季節(jié)很明顯，特別是冬季。但是當相對濕度＞90%時，水汽則極可能凝結并形成降雨，此時污染物濃度又會明顯下降，這種現(xiàn)象在夏季最常出現(xiàn)（圖6）。

對三站各季節(jié)PM10濃度與相對濕度進行相關分析，發(fā)現(xiàn)：在春季、秋季、冬季PM10濃度與相對濕度呈顯著正相關，且冬季的相關系數(shù)高于春、秋季，而在夏季則無顯著相關，這也充分表明了相對濕度的增大（降水較多的夏季除外）有利于PM10的形成與濃度增加（表4）。

通過對三個站點的年均相對濕度進行分析，發(fā)現(xiàn)北部新區(qū)＞萬柳＞香山，分別為58%、55%和53%，這可能也是北部新區(qū)站空氣質量超標日數(shù)高于萬柳和香山的一個重要因素。

表3 三站各個季節(jié)PM10濃度同氣溫的Pearson相關系數(shù)

圖6 北京市海淀區(qū)污染物濃度與相對濕度的散點圖

3.2.3 氣壓

根據(jù)表5，可以看出，除夏季外，其他季節(jié)的氣壓與污染物濃度大體呈負相關趨勢，即本站氣壓越高，越有利于污染物擴散，使?jié)舛冉档汀?/p>

3.2.4 風速

大氣低層風速影響著污染物的傳輸及擴散過程，長時間的微風或靜風則會抑制污染物的擴散，使近地面層的污染物成倍地增加。在本研究中，大氣污染物的濃度與2/10min平均風速、最大風速和極大風速都有著顯著的負相關關系，尤其是秋季和冬季，不過，在夏季相關性并不顯著。需要指出的是，當風速過大時，地表的沙塵會被風帶入空中，使得顆粒物質量濃度增大，特別是PM10的質量濃度，這個時候風速就與PM10濃度表現(xiàn)出一種正相關性[16]。

通過對2006—2009年三站四季的污染物濃度和風速做相關分析，發(fā)現(xiàn)三站四季PM10濃度與風速（2min平均風速和極大風速）均呈現(xiàn)顯著負相關（表6）。

3.2.5 風向

北京城市污染過程與南部或東南部為主的周邊城市排放源污染顯著相關，即北京周邊向南開口的“馬蹄型”地形可能導致南部周邊城市排放源遠距離輸送的污染“滯留”或動力擴散效應，形成北京與南部周邊地區(qū)污染源的特殊南—北向帶狀相關影響域[9]。

表4 三站各個季節(jié)PM10濃度與相對濕度的相關系數(shù)

表5 三站各個季節(jié)PM10濃度與氣壓的相關系數(shù)

表6 三站各個季節(jié)PM10濃度與2min平均風速和極大風速的相關系數(shù)

表7 三站各個季節(jié)污染物濃度與降水量的相關系數(shù)

總體上，風向對污染物濃度的影響很復雜，在不同的站點和不同的季節(jié)，風向對污染物濃度的影響也是不同的。通過對海淀區(qū)三站空氣質量為四級和五級時的風向的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：風向大多是白天北（東北、西北風）轉南（東南、西南）風，夜間南（東南、西南）轉北（東北、西北）風，在方向轉換為南風時，會將南、西南和東南部的污染物輸送到海淀區(qū)，使污染物沉積。因此，海淀區(qū)雖不是污染源產(chǎn)生區(qū)，卻深受南—北向帶狀相關影響域傳輸而來的污染物影響。

3.2.6 降水量

降水量與大氣污染物濃度呈負相關，這是因為降水能夠沖刷大氣中的污染物[3]，通過對PM10濃度與降水量的相關分析發(fā)現(xiàn)，整體兩者在春、夏、秋季呈負相關，在冬季相關性不顯著。在不同的站點，這種相關性有時并不顯著，如春季除在香山站兩者呈極顯著負相關外，另外兩個站的相關不顯著，在秋季萬柳站的兩者負相關不明顯（表7）。

4 結論和討論

4.1 結論

2006—2009年，海淀區(qū)香山站、北部新區(qū)站和萬柳站空氣質量超標（三級、四級和五級）天數(shù)占全年的30%，空氣質量達標天數(shù)（一級和二級）占全年的70%。空氣質量四級和五級天數(shù)分布為：萬柳站＞香山站＞北部新區(qū)站，三級天數(shù)為北部新區(qū)站＞萬柳站＞香山站。PM10濃度達到空氣質量二級以上天數(shù)在香山站和北部新區(qū)站呈逐年波動下降趨勢，萬柳站呈逐年遞減的趨勢。二級以上天數(shù)最多的月份是12月，最少的是8月。

各季節(jié)空氣質量二級以上天數(shù)總體呈春季＞冬季＞秋季＞夏季，所占比例分別為31.8%、29.8%、 23.4%和14.6%。四級和五級天數(shù)主要出現(xiàn)在萬柳，三級天數(shù)主要出現(xiàn)在北部新區(qū)。污染濃度在每日大致出現(xiàn)兩個波峰，出現(xiàn)在18—23時附近和上午10時附近，污染物濃度在節(jié)假日高于工作日。

污染物濃度與氣象要素有很大的關系，其中大氣污染物濃度與溫度、地面氣壓、風速、降水量呈負相關，同相對濕度和逆溫層厚度呈正相關。北京污染源排放大多聚集在東南—南—西南方向，白天北（東北、西北風）轉南（東南、西南）風，夜間南轉北風時，會將南、西南和東南部的污染物輸送到海淀區(qū)，使污染物沉積。

4.2 討論

鑒于污染資料是北京市國控點資料，而氣象資料是北京市地面站資料，兩者的測站不是完全一致的。因此，在分析過程中，可能會有一定的影響。

本研究僅討論了北京市大氣污染物短期變化的影響因子，污染物濃度的長期變化除了受到氣候條件的影響，更主要的會受到污染源排放的影響。而本文是在假使污染源固定的前提下做的分析，并沒有對其他因素做量化的計算，這尚需進一步的研究。

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Research on Characteristics of PM10Air Pollution and the Relationship Between PM10and Meteorological
Elements in Haidian District, Beijing City

Yan Min1, Ma Shanshan2, Feng Guibin1, Yan Wei2, Jia Zhiqiang3, Gao Meng2, Wang Jian2
(1 Haidian Meteorological Service of Beijing City, Beijing 100080 2 Yanqing Meteorological Service of Beijing City, Beijing 102100 3 Daxing Meteorological Service of Beijing City, Beijing 102600)

The air quality data and meteorological observational data of the three weather stations of Beijing Municipal Environmental Protection Bureau in Haidian district from Jan 2006 to Dec 2009 were analyzed. The results show that the major air pollution was PM10and it occurred all over the year. The number of days whose air quality was above Class Ⅱ standard of air quality (not including Class Ⅱ standard) was about 30% of the year and it was the minimum in 2006 while it was the maximum in 2009. In terms of the season, the pollution occurred following a spring＞winter＞autumn＞summer order. The period reaching the peak concentration of PM10was between 10 am and 19 pm. The concentration of PM10decreased with an increase of the temperature, wind speed, air pressure and precipitation, and increased with an increase in the relative humidity while the inf l uence of the wind direction was complex. Meanwhile, the correlation analysis between concentration of PM10and the meteorological elements was discussed in this paper, which provided a comprehensive evaluation of air quality of the three weather stations in Haidian district and furnished a basis for the research and control of air pollutants in future.

air pollution, PM10, meteorological elements

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.05.007

2013年7月23日；

2013年12月16日

嚴敏（1961—），Email: 1054104457@qq.com

資助信息：北京市氣象局氣象科技研發(fā)專項（2010BMBKYZX10）