倪紅梅，陳建文，孫彬彬

(1.銅川市環(huán)境監(jiān)測站，陜西 銅川 727000；2.陜西省氣候中心，陜西 西安 710014)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們健康意識不斷增強，對環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)注度迅速提高。但是，工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，城市和社會基礎(chǔ)建設(shè)的大規(guī)模投資，城市汽車保有量的迅速膨脹，使得環(huán)境空氣中的污染物濃度越來越高，城市區(qū)域的不斷拓展又使得植被大面積減少，自然生態(tài)環(huán)境受到破壞，大氣污染物的凈化能力不斷減弱，同時造成近地層風速減小，城市熱島效應(yīng)和逆溫加劇，大氣擴散能力削弱，能見度和空氣質(zhì)量明顯下降，形成霾天氣。近年來，北方采暖期特別是在大氣擴散能力最差的冬季，大范圍、高強度、持續(xù)時間長的霾天氣過程明顯常態(tài)化，已經(jīng)成為一種新的災(zāi)害性天氣。霾天氣的本質(zhì)是細粒子氣溶膠污染，與光化學煙霧相關(guān)聯(lián)[1]。空氣中不同大小的顆粒物均能降低能見度，但細顆粒物(PM2.5)降低能見度的能力更強[2]，細顆粒物污染是造成大氣能見度下降的主要原因[3]。PM2.5因其粒徑小和比表面積大，更容易富集有毒物質(zhì)，對人體健康的危害遠比粗顆粒物大[4]。大氣顆粒物中PM2.5的比重較小，但其粒徑小，在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，并含有大量有毒有害氣體和重金屬離子等有害物質(zhì)，而且人體對其沒有任何過濾和阻攔能力，可由呼吸進入支氣管和肺泡到達血液，不經(jīng)過肝臟解毒直接通過血液循環(huán)分布到全身，不僅干擾肺部的氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管疾病，還會損害血紅蛋白輸送氧的能力。PM2.5主要來自車輛尾氣、化石、油料及生物質(zhì)燃料燃燒等人為排放源和二次污染[5]，但不同區(qū)域不同季節(jié)具有很大差異，如南方區(qū)域冬季PM2.5可能主要來自于火電廠、化工廠、汽車尾氣和揚塵等，北方采暖期燃煤燃燒廢氣則是PM2.5的重要來源，而夏季光化學過程造成的二次污染影響較大。

污染物的排放是形成大氣污染的內(nèi)因，氣象條件是外因。通常，氣象條件變化不大時，污染源排放大氣污染物越多，大氣污染越嚴重，反之越輕。大氣擴散的理論和實踐研究表明，在不同的氣象條件下，同一污染源排放所造成的近地層污染物體積分數(shù)可相差幾十倍乃至幾百倍[6]。同一區(qū)域一定時期內(nèi)源排放總量是大致穩(wěn)定的，大氣污染物濃度取決于環(huán)境氣象條件。風速和混合層高度是反映大氣污染擴散能力的動力因子，反映大氣水平和垂直擴散能力，降水條件體現(xiàn)大氣的凈化能力，而湍流強度決定大氣對污染物的稀釋能力。本文利用銅川市新區(qū)2013年11月至2014年3月PM2.5濃度、氣象觀測站同步氣象觀測資料，探究PM2.5與環(huán)境氣象條件的關(guān)系，為開展大氣污染預(yù)測、大氣污染治理和環(huán)境規(guī)劃提供科學依據(jù)。

2 資料來源

2.1 對比氣象站的確定

銅川市新區(qū)管委會環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站位于34°52′21″N、108°56′04″E，海拔745m，采樣口距地面高度20m。新區(qū)蘭芝公司環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站位于34°52′23″N、108°57′32″E，海拔836m，采樣口距地面高度18m。距離新區(qū)最近的耀州區(qū)氣象站(34°55′27.69″N、108°58′32.91″E，觀測場海拔710m)位于新區(qū)管委會環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站ENE方向約4.3km，蘭芝公司環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站NNE方向約5.86km。區(qū)域地勢較為平坦，監(jiān)測子站與對比氣象站之間無大的地物阻隔且距離較近，因此耀州區(qū)氣象站氣象觀測資料對銅川市新區(qū)具有較好的代表性。

2.2 基礎(chǔ)資料及其來源

為了消除非正常排放和污染源間歇排放等可能造成的觀測資料波動，區(qū)域PM2.5濃度采用了新區(qū)管委會環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站和新區(qū)蘭芝公司環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站提供的2013年11月至2014年3月每日逐時平均濃度，氣象資料來源于耀州區(qū)氣象觀測站氣溫、風速、降水量、氣壓、相對濕度、日照時數(shù)、總云量、低云量、大氣能見度同步觀測資料，能見度和云量人工定時觀測資料為02、05、08、11、14、17和20時8次觀測，其余時刻采用線性內(nèi)插得到。

3 基本原理與分析方法

3.1 穩(wěn)定度分類與混合層高度計算

首先采用帕斯奎爾(Pasquill)及其修訂的分類法對每日逐時大氣穩(wěn)定度計算分類：根據(jù)云量、云狀、太陽輻射狀況和地面風速等常規(guī)氣象資料用A、B、C、D、E、F六個穩(wěn)定度級別來表示大氣對污染物的擴散能力，從A→F表示大氣擴散能力逐漸減弱[7-9]。然后根據(jù)大氣邊界層(或混合層)高度參數(shù)計算方程，計算各類穩(wěn)定度下的混合層高度。

3.2 主要環(huán)境氣象要素與PM2.5濃度的關(guān)系

采用數(shù)理統(tǒng)計、點聚圖和對應(yīng)關(guān)系圖，通過PM2.5濃度與主要環(huán)境氣象要素小時和日均值之間的相關(guān)分析，探究氣象要素對PM2.5濃度變化的影響。

4 環(huán)境氣象條件與PM2.5濃度相關(guān)分析

4.1 主要污染過程與良好天氣過程及其氣象條件

銅川新區(qū)2013年度采暖期PM2.5濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量》二級標準75 μg/m3的天數(shù)共90天(占采暖期的59.6%)，其中輕度污染天數(shù)47天(占52.2%)，中度污染天數(shù)10天(占11.1%)，重度污染天數(shù)26天(占28.9%)，嚴重污染天數(shù)7天(占7.8%)。共出現(xiàn)了三次持續(xù)污染天氣過程，分別是：2013年12月17日至25日、2014年1月23日至2月2日、2014年2月6日至3月8日；三次環(huán)境空氣良好天氣過程，分別是：2013年11月23日至12月11日、2013年12月16日至2014年1月4日、2014年3月9日至27日。第一次污染過程持續(xù)時間短但強度最大，多日平均濃度242.2μg/m3，接近250μg/m3屬重度污染，第三次污染過程強度最小但持續(xù)時間長。從表1看出，三次污染過程和良好過程比較，空氣相對濕度、總云量和穩(wěn)定類天氣出現(xiàn)頻率較高，能見度、日平均氣溫、風速、日照時數(shù)、混合層高度和不穩(wěn)定類天氣出現(xiàn)頻率較低。PM2.5濃度對大氣能見度的影響顯著，較高的空氣濕度能促進本區(qū)域氣溶膠顆粒的增加，云量會阻擋太陽輻射和大氣污染物的垂直擴散，穩(wěn)定類天氣多不利于大氣污染物的垂直擴散，氣溫的高低不僅能反映冬季太陽輻射條件和垂直擴散能力的強弱，也影響著污染源強的變化，而風速是大氣水平擴散能力的主要指標。不穩(wěn)定類天氣出現(xiàn)頻率和混合層高度是大氣垂直擴散能力的主要指標，其值越大則大氣水平和垂直擴散能力越強?？傊?，環(huán)境氣象條件對PM2.5濃度影響顯著。

表1 各主要污染過程與良好天氣過程平均氣象要素

4.2 相關(guān)性分析

從表2看，各主要環(huán)境氣象要素與PM2.5濃度的小時值線性相關(guān)系數(shù)均通過0.001的相關(guān)性檢驗。日平均值中，大氣能見度、相對濕度、風速、日照時數(shù)、混合層高度、日最高氣溫和日平均氣溫的相關(guān)關(guān)系數(shù)均通過0.001的相關(guān)性檢驗，總云量通過0.005的相關(guān)性檢驗，最低氣溫通過0.05的相關(guān)性檢驗。能見度與PM2.5濃度的相關(guān)性最好，其次是相對濕度，日最低氣溫的相關(guān)性相對最小，說明PM2.5濃度對大氣能見度的影響較大，而日最低氣溫對PM2.5濃度的影響相對較小。由于小時污染源強的不穩(wěn)定性較日平均差，氣象要素日均值與對應(yīng)PM2.5濃度相關(guān)性均明顯好于小時值。能見度、風速、日照時數(shù)、混合層高度和氣溫與PM2.5濃度呈負相關(guān)，相對濕度和總云量呈正相關(guān)?？梢姡耗芤姸仍胶谩⑷照諘r間越長、氣溫越高；PM2.5濃度越小，風速越大、混合層高度越高，大氣水平和垂直擴散能力越強，PM2.5濃度亦越小，而空氣相對濕度越高、云量越多，PM2.5濃度越大。

5 環(huán)境氣象要素對PM2.5濃度的綜合影響分析

PM2.5濃度和空氣濕度是影響大氣能見度的主要因子，而降水又直接影響能見度和空氣濕度，并對其進行稀釋沉降，風速決定大氣水平擴散能力。太陽輻射是大氣垂直擴散能力的動力因子，對大氣層和混合層高度起決定作用，而混合層高度是太陽輻射強弱和大氣層的客觀反映。因此，利用日平均相對濕度、能見度、風速和降水量、風速和混合層高度的組合來分析其對PM2.5濃度的綜合影響。

5.1 日平均相對濕度和能見度與PM2.5濃度的綜合分析

相對濕度和能見度是判別灰霾天氣的兩個主要環(huán)境氣象指標，而大氣中水汽和PM2.5顆粒物會減弱大氣能見度，與粗顆粒物相比，細顆粒物(PM2.5)降低能見度的能力更強，是灰霾天氣能見度降低的主要原因[2]。從圖1看，相對濕度和PM2.5濃度明顯與能見度呈反相關(guān)，相對濕度與PM2.5濃度呈較好的正相關(guān)。2013年11月23日至12月11日、2013年12月26日至31日和2014年3月9日至27日三次能見度較好天氣過程，相對濕度和PM2.5濃度明顯均較低。2013年12月16日至25日和2014年2月6日至3月8日兩次嚴重灰霾天氣過程是由水汽和PM2.5共同造成，2014年1月23日至2月2日灰霾天氣過程主要由PM2.5濃度高引起；2013年11月1日至9日能見度小于10 km則由相對濕度較高造成，日平均相對濕度高達83.3%、能見度7 km，主要是霧。可見：本區(qū)域采暖期相對濕度越高，越有利于PM2.5顆粒的形成和發(fā)展，能見度越差；PM2.5對能見度的影響明顯大于相對濕度，而濕度和PM2.5共同作用影響更大。

圖1 逐日PM2.5濃度與相對濕度和能見度變化關(guān)系圖

5.2 日平均風速和降水量對PM2.5濃度的綜合影響分析

風速決定大氣水平擴散能力，降水條件體現(xiàn)大氣凈化能力。新區(qū)采暖期共出現(xiàn)8次單日降水、3次2日以上降水過程和7次持續(xù)多日較大風速過程，降水發(fā)生時風速均較小。從表3和圖2看出，2日以上的過程降水對PM2.5的凈化效果最為顯著，其次是較大風速過程，而單日降水的效果相對較差。采暖期第1次降水過程強度大，三日降水量14.9 mm，第二日高達11.6 mm，凈化效果最顯著；第2次二日降水過程雨量6.1 mm，雖然降水量稍大于第3次過程的5.1 mm，但時間短，效果反而不如第3次，表明強度越大、持續(xù)時間越長的降水過程對降低空氣中PM2.5濃度效果更顯著。7次較大風速過程對PM2.5的凈化效率均較高，表明持續(xù)多日平均風速在2.3 m/s以上的風對PM2.5有很好的凈化效果。比較來看，降水過程和較大風速過程前PM2.5濃度越高，其凈化效果越顯著，2.0 mm以下的單日降水在風速較小時效果不明顯，1.0 mm以下的微量降水在風速較小時還會使PM2.5濃度不降反升。

表3 單日降水、過程降水和較大風速天氣過程對PM2.5濃度的凈化效果

*注：表3中標注*為降水過程最大日平均PM2.5濃度，對應(yīng)PM2.5濃度下降率=100×(降水過程最大日平均PM2.5濃度-次日平均PM2.5濃度)÷降水過程最大日平均PM2.5濃度。

圖2 逐日PM2.5濃度與風速和降水量變化關(guān)系圖

圖3 逐日PM2.5濃度與風速和混合層高度變化關(guān)系圖*注：圖中混合層高度單位為100m

5.3 日平均風速和混合層高度對PM2.5濃度的綜合影響分析

風速和混合層高度是反映大氣水平和垂直擴散能力的主要環(huán)境氣象因子。從表1看，相比三次PM2.5為主要污染物過程，三次良好天氣過程風速大、混合層高度高。從圖3看，7次較大風速過程平均混合層高度也明顯高于過程前后，分別為545.1 m、497.7 m、549.0 m、586.4 m、594.7 m、612.7 m和839.5 m?？梢?，風速較大時一般混合層高度也較高，大氣水平和垂直擴散能力均較強，PM2.5濃度也明顯較低。

6 主要環(huán)境氣象要素日均值與PM2.5污染特征分析

利用日平均的大氣能見度、空氣相對濕度、日照時數(shù)、風速、混合層高度等，與PM2.5濃度繪制點聚圖(見圖4)，分析采暖期主要環(huán)境氣象要素與PM2.5日均濃度變化之間的關(guān)系。從圖4看，日平均PM2.5濃度與大氣能見度、日照時數(shù)、風速和混合層高度明顯呈反相關(guān)，與相對濕度呈正相關(guān)。當能見度>10 km時，PM2.5日均濃度均≤111.2 μg/m3，根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》(QX/T 46-2007)，可將PM2.5日均濃度>111.2 μg/m3作為本區(qū)域采暖期灰霾日的一個預(yù)測判別指標。當相對濕度≤29%時，PM2.5日均濃度均<75 μg/m3；相對濕度≤38%時，PM2.5日均濃度均<150 μg/m3；當日照時數(shù)≥8.4 h時，PM2.5日均濃度均≤99.2μg/m3；當日平均風速≥3.5 m/s時，PM2.5日均濃度均≤53 μg/m3；當日平均混合層高度≥730 m時PM2.5日均濃度均≤102 μg/m3；當日均混合層高度≥850 m時，PM2.5日均濃度均≤75 μg/m3。因此，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)，對本區(qū)域采暖期可基本確定：當日平均相對濕度≤29%，或者日平均風速≥3.5 m/s，或者日平均混合層高度≥850 m時，PM2.5AQI<100(二級)；當日照時數(shù)≥8.4 h時，或者日平均混合層高度≥730 m時，PM2.5AQI<150(三級)；當日平均相對濕度≤38%時，PM2.5AQI<200(四級)。

7 結(jié)語

(1)環(huán)境氣象條件對PM2.5濃度影響顯著。能見度越好、日照時間越長、氣溫越高，PM2.5濃度越??；風速越大、混合層高度越高，大氣水平和垂直擴散能力越強，PM2.5濃度亦越?。欢諝庀鄬穸仍礁?、云量越多，PM2.5濃度越大。

圖4 逐日PM2.5濃度與能見度、相對濕度、日照時數(shù)、風速和混合層高度點聚圖

(2)本區(qū)域采暖期相對濕度越高，越有利于PM2.5顆粒的形成和發(fā)展，能見度越差；PM2.5對能見度的影響明顯大于相對濕度，而濕度和PM2.5共同作用影響更大。

(3)5 mm以上連續(xù)性降水過程對PM2.5的凈化效果明顯，強度越大、持續(xù)時間越長，效果越顯著，持續(xù)多日平均風速2.3 m/s以上的較大風速過程也有很好的凈化效果。降水過程或較大風速過程前PM2.5濃度越高，其凈化效果越顯著。2.0 mm以下的單日降水在風速較小時凈化效果不明顯，1.0 mm以下的微量降水在風速較小時，還會使PM2.5濃度不降反升。

(4)風速較大時一般混合層高度也較高，大氣水平和垂直擴散能力均較強，PM2.5濃度明顯較低。

(5)PM2.5日均濃度>111.2 μg/m3可作為本區(qū)域采暖期灰霾日的一個預(yù)測判別指標，當日平均相對濕度≤29%，或者日平均風速≥3.5 m/s，或者日平均混合層高度≥850 m時，PM2.5AQI<100(二級)；當日照時數(shù)≥8.4 h時，或者日平均混合層高度≥730 m時，PM2.5AQI<150(三級)；當日平均相對濕度≤38%時，PM2.5AQI<200(四級)。

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