萬 欣，王 磊，張亞楠，王 火，江 浩，丁晶晶，李冬林，何冬梅

(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇 南京 211153)

PM2.5是指大氣中直徑≤2.5 μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。近年來，由于人們對PM2.5的高度關(guān)注，有關(guān)大氣PM2.5的相關(guān)研究也日益增多。PM2.5質(zhì)量濃度除了與污染源有直接關(guān)系外，還與氣象因素，如氣壓、風(fēng)速、溫度、濕度等密切相關(guān)[1-3]。有資料顯示，氣象因素對大氣污染物的擴(kuò)散、稀釋和積累有著重要作用，同步觀測并分析氣象因素與污染物濃度的關(guān)系不僅能驗(yàn)證并合理解釋試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還對研究當(dāng)?shù)卮髿馕廴拘纬傻臍庀髼l件與空氣污染預(yù)報(bào)具有基礎(chǔ)性的意義[4]。

有關(guān)城市大氣顆粒物污染與氣象因素關(guān)系的研究較多。有研究表明，在北京地區(qū)，降雨、降雪、風(fēng)等3類氣象要素對顆粒物PM2.5均有較強(qiáng)的去除效果[5]，對顆粒物PM2.5去除效率高低依次排列為大風(fēng)＞降雪 ＞降水[6]。常州市在 2011年的大氣PM2.5質(zhì)量濃度日變化呈雙峰結(jié)構(gòu)，峰值分別出現(xiàn)在早上9:00點(diǎn)和晚上21:00點(diǎn)，2峰值濃度相近，而且城市風(fēng)場對PM2.5污染有一定影響，偏西風(fēng)時污染較重，偏東風(fēng)時污染較輕;風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，即風(fēng)速越大，PM2.5污染程度越小[7]。長沙市在 2013年 4個典型月份內(nèi)大氣PM2.5質(zhì)量濃度與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，而與濕度和氣壓呈正相關(guān)[8]。目前為止，有關(guān)南京市PM2.5質(zhì)量濃度對不同季節(jié)地面氣象因素變化的響應(yīng)研究報(bào)道尚不多見。筆者基于四季PM2.5質(zhì)量濃度和氣象數(shù)據(jù)，分析和探討PM2.5質(zhì)量濃度的四季變化規(guī)律及其濃度與四季各氣象因素的相關(guān)性和響應(yīng)關(guān)系，以期為今后的PM2.5的監(jiān)測、預(yù)警和污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的監(jiān)測地點(diǎn)位于江蘇省南京市江寧區(qū)東善橋江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)，PM2.5質(zhì)量濃度及氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于CSI開路渦動相關(guān)通量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三維超聲風(fēng)速溫度儀CSAT3和紅外氣體分析儀LI-7500，以及相匹配的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和預(yù)處理軟件等。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel軟件進(jìn)行總體特征描述，非參數(shù)分析即Spearman秩相關(guān)系數(shù)采用SPSS11.0軟件計(jì)算[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣PM2.5質(zhì)量濃度的日變化特征

由于PM2.5質(zhì)量濃度在大氣環(huán)境中是隨時間不斷變化的。為較準(zhǔn)確地分析PM2.5在城市森林內(nèi)的變化規(guī)律，本研究依托在江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院建立的森林環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)，從長期監(jiān)測數(shù)據(jù)中抽取2014年6月到2015年5月這1 a中每月每周一24 h的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，再取其平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 PM2.5質(zhì)量濃度日變化曲線

從圖1中可以看，PM2.5質(zhì)量濃度的日變化呈波浪形變化，并且有2個高峰，1個高峰出現(xiàn)在夜間，另一個高峰出現(xiàn)在上午，這主要與大氣污染物排放以及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)。PM2.5質(zhì)量濃度在下午變得相對較低，一般來說，下午是擴(kuò)散條件最好的時候，這個時間段的多數(shù)污染物呈現(xiàn)較低值，主要是由于夜間易發(fā)生逆溫，使地面產(chǎn)生的顆粒物不易擴(kuò)散而積累所致[10-11]。對于從午夜到凌晨的時段，PM2.5的變化則很平緩，說明PM2.5分布比較均勻。此外，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出，PM2.5質(zhì)量濃度的日變化范圍較大，其最大PM2.5質(zhì)量濃度值在上午的8:00點(diǎn)，均值為71.28 μg/cm2，最小值在凌晨2:00點(diǎn)，均值為38.10 μg/cm2。

2.2 城市森林PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化特征

根據(jù)氣候?qū)W上的分類，南京市每年的3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月-翌年2月為冬季。不同季節(jié)由于受污染源排放量及氣象因素的影響，大氣顆粒物濃度水平表現(xiàn)出季節(jié)特征。對2014年6月到2015年5月全年中每月每周一PM2.5質(zhì)量濃度平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以3個月做為1個季度單位，結(jié)果如圖2所示。

圖2 PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征

由圖2可知，在污染源和氣象條件2方面作用下，江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院測出的PM2.5質(zhì)量濃度在春季最高，平均值為89.42 μg/m3，秋、冬季次之，夏季最低，平均值為53.27 μg/m3。與徐敬等[10]的研究結(jié)果一致。分析其原因，春季冷暖空氣活動頻繁交替，大量的空氣顆粒物懸浮于空氣中，霧霾天氣多發(fā)，故PM2.5污染較重;而南京地區(qū)夏季降水較多，且降水對消減大氣顆粒物濃度有積極作用[12]，導(dǎo)致夏季大氣PM2.5質(zhì)量濃度在四季中最低。

2.3 不同氣象因素對城市森林內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響

本項(xiàng)目以江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院為監(jiān)測點(diǎn)，選擇2014年6月到2015年5月1 a中每月每周的氣象數(shù)據(jù)(氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)速)的平均值和PM2.5平均質(zhì)量濃度，通過 SPSS11.0軟件進(jìn)行Spearman秩相關(guān)分析。分析結(jié)果如表1所示。

表1 四季PM2.5質(zhì)量濃度與氣象因素的Spearman秩相關(guān)系數(shù)

結(jié)果表明，不同季節(jié)影響PM2.5質(zhì)量濃度的氣象因素各不相同。春季PM2.5質(zhì)量濃度與氣壓呈顯著負(fù)相關(guān);夏季和秋季PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象因素相關(guān)性都不大;冬季PM2.5質(zhì)量濃度均與平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，與氣溫、相對濕度呈顯著正相關(guān)。具體原因分析如下:

2.3.1 春季氣象因素對PM2.5質(zhì)量濃度水平的影響 由表1可知，春季PM2.5質(zhì)量濃度均值與地面氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)(見表1，圖3)，與其他氣象因素相關(guān)性不顯著。主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)春季冷、暖空氣活動頻繁，易形成地面高、低壓交替和控制，形成不同的天氣形勢，造成了PM2.5質(zhì)量濃度的相應(yīng)變化[13-14]。在春季，冷空氣過境后，氣溫升高，地面高壓減弱，轉(zhuǎn)為低壓控制。地面維持低風(fēng)速，而且春季時常有大風(fēng)天氣，容易引起地面揚(yáng)塵，從而導(dǎo)致大氣中懸浮物質(zhì)量濃度開始增加[15]。

2.3.2 夏、秋季氣象因素對PM2.5質(zhì)量濃度水平的影響 由表1可知，夏季PM2.5質(zhì)量濃度與氣壓、氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速等氣象因素相關(guān)性均不顯著，這可能是因?yàn)橄募咎鞖膺^程交替不明顯，同1 d氣系統(tǒng)可維持較長的時間，所以夏季地面氣壓和氣溫的變動范圍小于其他季節(jié)。此外，夏季降雨能有效清除大氣顆粒物，再加上逆溫現(xiàn)象發(fā)生頻率少，且即使發(fā)生，由于逆溫層厚度較低，強(qiáng)度弱、邊界層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，都使夏季大氣顆粒物擴(kuò)散、沉降的條件非常好，大氣顆粒物污染最輕[16]。同樣，秋季PM2.5質(zhì)量濃度與地面氣壓、氣溫、相對濕度和平均風(fēng)速等其他氣象因素相關(guān)性也不顯著。主要原因在于當(dāng)?shù)厍锛撅L(fēng)速小(平均風(fēng)速只有1.187 m/s，為四季中最低)，相對濕度偏大，逆溫發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大且持續(xù)多日，常出現(xiàn)穩(wěn)定天氣形勢[17]。

圖3 春季地面氣壓與PM2.5質(zhì)量濃度變化

2.3.3 冬季氣象因素對PM2.5質(zhì)量濃度水平的影響 表1及圖4，5，6所示，冬季PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫、相對濕度呈顯著正相關(guān)，與平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，與地面氣壓相關(guān)性不顯著。其中，冬季PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.732，其次是濕度和風(fēng)速。

在冬季相對濕度增大，風(fēng)速減小和逆溫層加厚等不利氣象條件時，大氣顆粒物會發(fā)生持續(xù)累積，質(zhì)量濃度升高;相對濕度變小時，風(fēng)速增大，大氣顆粒物通過輸送、遷移和沉降導(dǎo)致其濃度有降低趨勢[18-19]，所以冬季PM2.5質(zhì)量濃度與相對濕度呈顯著正相關(guān)。而在冬季相對濕度與平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān) (Spearman秩相關(guān)系數(shù)為 -0.514，P＜0.101)，風(fēng)速減小，相對濕度增大，有利于近地面層處于穩(wěn)定狀態(tài)，逆溫強(qiáng)度增大，不利于污染物垂直和水平方向的擴(kuò)散，加重了大氣顆粒物的積聚污染，使其質(zhì)量濃度升高[20]。而且冬季氣溫和相對濕度都增大時，經(jīng)常會伴有霧，不利于顆粒物的擴(kuò)散、沉降，懸浮的霧滴極易捕獲空氣中的污染顆粒，也易吸附氣態(tài)污染物[21]。

圖4 冬季氣溫與PM2.5質(zhì)量濃度變化

圖5 冬季相對濕度與PM2.5質(zhì)量濃度變化

圖6 冬季平均風(fēng)速與PM2.5質(zhì)量濃度變化

3 結(jié)論

(1)南京市郊大氣PM2.5質(zhì)量濃度的日變化呈波浪形變化趨勢，并且有2個高峰，一個高峰出現(xiàn)在夜間，另一個高峰出現(xiàn)在上午，這主要與大氣污染物排放以及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)。

(2)該地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度具有明顯的季節(jié)特征。在春季最高，平均值為89.42 μg/m3，秋、冬季次之，夏季最低，平均值為53.27 μg/m3。

(3)不同季節(jié)影響PM2.5質(zhì)量濃度的氣象因素各不相同。春季PM2.5質(zhì)量濃度與氣壓呈顯著負(fù)相關(guān);夏季和秋季PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象因素相關(guān)性都不大;冬季PM2.5質(zhì)量濃度均與平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，與氣溫、相對濕度呈顯著正相關(guān)。

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