吳萍等

摘要采用2013年株洲市大氣污染物逐時監(jiān)測資料及同時段的氣象觀測資料，分析了株洲市空氣污染的時間變化特征及其與氣象條件的關(guān)系。結(jié)果表明，2013年株洲市首要污染物為PM2.5，全年有158 d空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)、良，其中5～9月空氣質(zhì)量較好，其余時段空氣質(zhì)量較差；總的看來夏半年AQI小于冬半年，除O3污染物外，其余污染物較大濃度值主要出現(xiàn)在冬季，夏半年污染物濃度明顯小于冬半年；除O3污染物外，其余污染物均為白天濃度小于夜晚，下午為一日中濃度最低時段。風(fēng)速、降水量、能見度與AQI均呈反相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速越大越有利于污染物的擴(kuò)散、降水對污染物有沖刷作用、能見度越高擴(kuò)散條件越好；混合層高度越高、逆溫出現(xiàn)概率越小，污染物被稀釋、擴(kuò)散的范圍越廣，對應(yīng)污染物濃度越低，空氣質(zhì)量較好。

關(guān)鍵詞污染物；AQI；變化特征；氣象條件；關(guān)系

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）29-215-04

大氣污染是世界各國所面臨的最大挑戰(zhàn)之一，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)前我國城市大氣環(huán)境中總懸浮顆粒物濃度普遍偏高，機(jī)動車尾氣污染物排放總量迅速增加，SO2和氮氧化物污染呈加重趨勢，這已對人民群眾身體健康和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，引起各國政府的高度重視。大氣環(huán)境保護(hù)問題越來越受到氣象和環(huán)境保護(hù)工作者關(guān)注，成為當(dāng)前亟待解決的環(huán)境問題之一。近年來，國內(nèi)關(guān)于城市空氣質(zhì)量特征及其氣象條件的研究取得了一系列的成果。有研究指出，在污染源變化相對穩(wěn)定的情況下，空氣質(zhì)量主要取決于大氣的擴(kuò)散能力，特別是與天氣形勢密切相關(guān)；也有一些研究者通過分析城市空氣質(zhì)量特征，建立預(yù)報(bào)預(yù)測模型。筆者在此分析了2013年株洲市空氣污染的時間變化特征及其與氣象條件的關(guān)系，揭示污染物的時間變化特征及污染物輸送規(guī)律，為城市大氣環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

以株洲市為研究區(qū)域，株洲市環(huán)境空氣質(zhì)量為研究對象，選取2013年大氣污染物（O3、SO2、PM10、PM2.5、NO2和CO）的逐時監(jiān)測資料、同時段的氣象觀測資料等?？諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)來源于株洲市環(huán)境監(jiān)測站提供的7個監(jiān)測點(diǎn)（大京風(fēng)景區(qū)、株冶醫(yī)院、市監(jiān)測站、火車站、天臺山莊、市四中、云田中學(xué)）2013年逐時污染物的濃度資料。采用環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）評價株洲市的環(huán)境空氣質(zhì)量等級，其中這7個監(jiān)測點(diǎn)分別代表農(nóng)村地區(qū)、一般工業(yè)區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)等。氣象資料來源于株洲市國家基準(zhǔn)氣候站逐時數(shù)據(jù)，株洲市國家基準(zhǔn)氣候站位于株洲市荷塘鋪朝陽山山頂，周圍地理環(huán)境為郊外。

2結(jié)果與分析

2.1株洲市環(huán)境空氣質(zhì)量特征

2.1.1污染物濃度及環(huán)境空氣質(zhì)量的逐月變化。

從圖1可以看出，2013年株洲6種污染物濃度的逐月變化趨勢非常明顯，O3最大濃度出現(xiàn)在10月（120 μg/m3）、9月次之（105 μg/m3），4～10月O3濃度明顯大于其余月份，這可能與4～10月氣溫高于其余月份有關(guān)；SO2最大濃度出現(xiàn)在1月（78 μg/m3）、12月次之（75 μg/m3）；CO最大濃度出現(xiàn)在1月（23 mg/m3）、2和4月次之（1.7 mg/m3）；PM10、PM2.5和NO2濃度的逐月變化非常類似，NO2最大濃度出現(xiàn)在12月（68 μg/m3）、10月次之（54 μg/m3），PM10最大濃度出現(xiàn)在12月（162 μg/m3）、10月次之（146 μg/m3），PM2.5最大濃度出現(xiàn)在1月（143 μg/m3）、12月次之（133 μg/m3）。

由此可見，除O3污染物外，其余污染物較大濃度值主要出現(xiàn)在冬季，夏半年（4～9月）污染物濃度明顯小于冬半年（1～3、10～12月）。造成這種季節(jié)差異的原因可能是由于冬半年污染物擴(kuò)散條件較差，經(jīng)常出現(xiàn)逆溫層不利于污染物的擴(kuò)散；另外冬半年降水較少、強(qiáng)度較小，對污染物的沖刷作用不大；還有冬半年處于取暖期，污染物排放增加。

利用環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）對2013年株洲市逐月的空氣質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從圖2可以看出，空氣質(zhì)量為優(yōu)天數(shù)在6～9月較多，空氣質(zhì)量為良的天數(shù)在4～9月較多，其中6月全月空氣質(zhì)量均為優(yōu)或良、7、8月僅1 d未達(dá)到優(yōu)或良；1、10～12月大部分天數(shù)空氣質(zhì)量較差，其中1月有15 d達(dá)到重度及以上污染，10、12月有8 d達(dá)到重度及以上污染。

2.1.2空氣質(zhì)量綜合指數(shù)AQI逐日的變化。2013年株洲市逐日AQI的時間變化（圖3）表明，總的看來夏半年（4～9月）AQI小于冬半年（1～3、10～12月）；1月AQI最大，達(dá)186，7月AQI最小，為39。即冬半年空氣質(zhì)量明顯較夏半年差，7月空氣質(zhì)量最好，1月空氣質(zhì)量最差。2013年株洲市六級空氣質(zhì)量（AQI>300）僅發(fā)生2 d，分別為10月30日和11月23日；五級空氣質(zhì)量（201≤AQI<300）主要發(fā)生在1月上旬末至下旬初、10月下旬初至下旬末、12月上旬中等時段；四級空氣質(zhì)量（151≤AQI<200）主要發(fā)生在1月下旬初至下旬末、12月下旬等時段；三級空氣質(zhì)量（101≤AQI<150）主要發(fā)生在2月上旬前半段、2月中旬前半段、3月上旬中至中旬中、3月底至4月初、4月中旬、5月中旬末至上旬初、10月上旬初至中旬末、11月中旬中至下旬初等時段；其余時段均為一級和二級空氣質(zhì)量。

2013年株洲市空氣質(zhì)量有158 d達(dá)到優(yōu)和良，占全年的56.3%；80 d達(dá)到輕度污染，占全年的21.7%；45 d達(dá)到中度污染，占全年的12.2%；34 d達(dá)到重度污染，占全年的9.2%；僅2 d達(dá)到嚴(yán)重污染。首要污染物為PM2.5，其次為PM10。

2.1.3污染物濃度的逐時變化。

從圖4可以看出，2013年株洲6種污染物濃度的日變化趨勢非常明顯，O3濃度的日變化呈單峰型，為67（08：00、09：00）～96（16：00、17：00）μg/m3，12：00～20：00 O3濃度明顯大于其余時段，這與12：00～20：00氣溫高于其余時段有關(guān)；SO2濃度的日變化呈雙峰型，在正午前后有一個主峰，在21：00前后有一個次峰，SO2的濃度為43（05：00～08：00）～49（12：00、14：00）μg/m3，12：00～20：00 O3濃度明顯大于其余時段，這與12：00～20：00氣溫高于其余時段有關(guān)；CO、PM10、NO2和PM2.5濃度的逐日變化非常類似，均為白天濃度小于夜晚，下午為一日中濃度最低時段，其中CO的濃度為1.14（16：00）～1.39（22：00）mg/m3、PM10的濃度為89（18：00）～105（24：00）μg/m3、NO2的濃度為32（16：00）～46（21：00）μg/m3、PM2.5的濃度為63（16：00、17：00）～75（21：00～24：00）μg/m3。

43卷29期吳 萍等2013年株洲市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征及其與氣象條件的關(guān)系

2.2氣象條件對株洲空氣質(zhì)量狀況的影響

2.2.1污染趨勢分析。分別對2013年株洲市逐日AQI與逐日風(fēng)速、降水量和能見度進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)均呈反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.47、-0.23、-0.57，均通過001顯著性檢驗(yàn)。

風(fēng)向影響大氣污染物的輸送擴(kuò)散方向，風(fēng)速影響大氣污染物的輸送擴(kuò)散速率和范圍，為了綜合考慮風(fēng)向和風(fēng)速2個因子對污染物擴(kuò)散的影響，在此定義一個無量綱系統(tǒng)即污染系數(shù)來表征對污染物變化趨勢，污染系數(shù)表達(dá)式為：污染系數(shù)=風(fēng)向頻率/平均風(fēng)速。根據(jù)株洲國家基準(zhǔn)氣候站的有關(guān)資料，計(jì)算了株洲市區(qū)近地面層各方位的污染系數(shù)。從株洲市區(qū)污染系數(shù)玫瑰圖（圖5）可以直觀地看出株洲污染源排放的污染物對周圍地區(qū)的影響趨勢，2013年污染源排放的污染物對株洲市SE、SSE、S和SSW方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向的影響趨勢較小；春季污染源排放的污染物對株洲市NW、NNW、SE和SSW方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向影響趨勢較??；夏季污染源排放的污染物對株洲市NW和NNW方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向影響趨勢較??；秋季污染源排放的污染物對株洲市SE、SSE、S和SSW方向的影響趨勢較大；其余地區(qū)影響趨勢較?。欢疚廴驹磁欧诺奈廴疚飳χ曛奘蠸E、SSE、和S方向的影響趨勢較大，污染物排放對其余方向的影響趨勢較小。

2.2.2混合層和逆溫出現(xiàn)概率。

株洲市區(qū)逐時混合層高度和逆溫出現(xiàn)概率的變化（圖6）表明，每天的01：00～08：00和20：00～24：00株洲市區(qū)出現(xiàn)逆溫的概率較大，

逆溫概率為93.2%（20：00）～100%（04：00、05：00、07：00），且該時段混合層高度在110（05：00）～256（03：00）m，混合層高度較低，厚度較薄，不利于污染物的擴(kuò)散，對應(yīng)時段污染物濃度較高；而09：00～19：00出現(xiàn)逆溫的概率非常小，且該時段混合層高度較高，表明污染物可以被稀釋的最大大氣容量越大，污染物在垂直方向稀釋、擴(kuò)散的范圍越廣，對應(yīng)時段污染物濃度相對較低。

2013年株洲市區(qū)逆溫出現(xiàn)概率和AQI的逐月變化（表1）表明，3～9月逆溫出現(xiàn)概率較小，其余月份逆溫出現(xiàn)概率較大；4～9月AQI較小，空氣質(zhì)量較高，其余月份AQI較大，空氣質(zhì)量較上述月份差。對比株洲市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）發(fā)現(xiàn)，混合層高度與AQI有較好的相關(guān)性（圖7），兩者的相關(guān)性達(dá)0.87，1～3、10～12月混合層高度小，AQI大，空氣質(zhì)量較低；4～9月混合層高度大，AQI小，空氣質(zhì)量較高。

3結(jié)論

（1）2013年株洲市首要污染物為PM2.5，其次為PM10，全

年有158 d空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)、良。其中5～9月空氣質(zhì)量較

好，空氣質(zhì)量為優(yōu)、良的天數(shù)較多；1、10～12月大部分天數(shù)空氣質(zhì)量較差，空氣質(zhì)量為中度、重度、嚴(yán)重污染的天數(shù)較多。

（2）總的看來，夏半年AQI小于冬半年，除O3污染物外，

其余污染物較大濃度值主要出現(xiàn)在冬季，夏半年污染物濃度明顯小于冬半年。

（3）2013年株洲6種污染物濃度的日變化趨勢非常明顯，除O3污染物外，其余污染物均為白天濃度小于夜晚，下午為一日中濃度最低時段。

（4）分析2013年AQI與氣象條件的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，逐日風(fēng)速、降水量、能見度與AQI均呈反相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速越大越有利于污染物的擴(kuò)散、降水對污染物有沖刷作用、能見度越高擴(kuò)散條件越好?；旌蠈痈叨仍礁?、逆溫出現(xiàn)概率越小，污染物被稀釋、擴(kuò)散的范圍越廣，對應(yīng)污染物濃度越低，空氣質(zhì)量較好。

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