崔宜少

（威海氣象局，山東 威海 264200）

威海 PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)分析

崔宜少

（威海氣象局，山東 威海 264200）

分析2013年10月—2014年1月威海監(jiān)測站逐日、逐時的PM2.5平均值與氣象要素的相關(guān)性。結(jié)果表明，風(fēng)速和風(fēng)向與PM2.5的濃度均有一定的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速小于3m/s時，PM2.5值緩慢增大或一直持續(xù)；當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速連續(xù)大于3 m/s時，PM2.5值將迅速下降；南風(fēng)增強(qiáng)對PM2.5的濃度沒有明顯的改變。PM2.5濃度增大的多數(shù)形勢為高空為平直的西風(fēng)環(huán)流或高空槽前。PM2.5濃度最大值往往出現(xiàn)在地面冷鋒過境后北風(fēng)風(fēng)力較弱的時間段，北風(fēng)風(fēng)速大于3m/s后且持續(xù)，PM2.5的濃度將迅速下降。

PM2.5；風(fēng)速；冷鋒

引言

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快以及能源消耗的不斷攀升，顆粒物已成為國內(nèi)城市大氣的首要污染物［1-2］，其中細(xì)顆粒物 PM2.5不僅會導(dǎo)致大氣能見度下降，還會增加死亡率和呼吸道系統(tǒng)疾病發(fā)病率［3-5］?？茖W(xué)家們對引起空氣質(zhì)量變差的原因進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為引起能見度下降的主要原因是大氣顆粒物特別是細(xì)顆粒物污染的加?。?］。大氣能見度還與風(fēng)速、空氣濕度等氣象要素以及降水、沙塵等天氣現(xiàn)象密切相關(guān)［7］。當(dāng)華北地區(qū)處于鋒后的高壓控制時，北京地區(qū)受偏北風(fēng)影響，地面風(fēng)速較大，致使大氣顆粒物質(zhì)量濃度較低；而當(dāng)華北地區(qū)處于高壓均壓場時，地面風(fēng)速較小，致使PM2.5濃度持續(xù)上升［8］。

山東半島受海洋的調(diào)節(jié)作用，空氣污染物一直較西部地區(qū)偏少，但近年來也出現(xiàn)了霧霾天氣現(xiàn)象。通過對PM2.5的逐日和逐時平均濃度與氣象要素的統(tǒng)計(jì)，得出其相關(guān)性，對預(yù)報(bào)霧霾天氣提供依據(jù)。

1　PM2.5與風(fēng)場的關(guān)系

1.1PM2.5日均值和風(fēng)速

由于空氣污染在秋冬季較嚴(yán)重，統(tǒng)計(jì) 2013 年10月—2014年1月威海監(jiān)測站觀測的PM2.5日均值與平均風(fēng)速（圖1）。通過對比發(fā)現(xiàn)，4個月份中有3日PM2.5超過150μg /m3，13日PM2.5超過100μg /m3，其余日均PM2.5值在100μg /m3以下。從逐日平均風(fēng)速值與PM2.5日均值對比來看，風(fēng)速突然增大的幾個拐點(diǎn)處多數(shù)對應(yīng)PM2.5值下降。反之，風(fēng)速迅速減小的拐點(diǎn)處 PM2.5濃度將會升高。說明風(fēng)速與PM2.5值大致成相反的對應(yīng)關(guān)系。

圖1　2013年10月-2014年1月日均風(fēng)速與PM2.5濃度的對比統(tǒng)計(jì)（圖中箭頭分別對應(yīng)表1和圖2中過程時間段）

1.2相關(guān)性分析

計(jì)算了日均 PM2.5濃度與風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù)，樣本總數(shù)為123，相關(guān)系數(shù)r為-0.41。r＜0，表示PM2.5濃度和風(fēng)速之間為負(fù)相關(guān)，與1.1結(jié)論相同；0.3≤|r|＜0.5，為低度相關(guān)，結(jié)果說明所用樣本 PM2.5濃度與風(fēng)速之間存在較弱的負(fù)相關(guān)性。為了更精確地判斷地面風(fēng)場與 PM2.5濃度的相關(guān)性，1.3部分分別選取了地面北風(fēng)、南風(fēng)突然增大的個例進(jìn)行逐時統(tǒng)計(jì)。

1.3PM2.5逐時值和北風(fēng)風(fēng)速

選擇了2013年12月3日、2014年1月6日、12日、15日4次PM2.5濃度日均值較大的4次過程，觀測數(shù)據(jù)均為威海監(jiān)測站觀測所得。4次過程地面主要受冷高壓控制，風(fēng)向以北風(fēng)為主。圖 2演變出逐時風(fēng)速與PM2.5值增大前、增大時、減小后的整個過程。從圖2a可看出，PM2.5濃度經(jīng)歷了從小變大，再變小的過程，當(dāng)風(fēng)速小于 3m/s時，PM2.5值從 50 ug/m3以下相對緩慢地增至100ug/m3以上且一直持續(xù)，后期（藍(lán)框內(nèi)）當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時，PM2.5值迅速下降至50ug/m3以下。從圖2b、圖2c、圖2d中也可總結(jié)出，當(dāng)冬季北風(fēng)風(fēng)速小于3 m/s時，有利于PM2.5值的增大，但增大過程較為緩慢，期間風(fēng)速達(dá)到2m/s時，對PM2.5的濃度變化亦沒有明顯改變；當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速超過3 m/s時，有利于PM2.5濃度的變小，且濃度值下降迅速。且從PM2.5逐時值和風(fēng)速的相關(guān)性來看，風(fēng)速大值的拐點(diǎn)處，相關(guān)性較好，風(fēng)速小值區(qū)相關(guān)性較差。

圖2　2013年12月02—05日（a），2014年1月05—08日（b），2014年1月09—12日（c）和2014年1月13—18日（d）逐時風(fēng)速與PM2.5濃度的對比統(tǒng)計(jì)（藍(lán)框?yàn)楸憋L(fēng)風(fēng)速大于3 m/s的區(qū)域）

1.4PM2.5逐時值和南風(fēng)風(fēng)速

選取了2013年10月中上旬的一次南北風(fēng)交替的天氣過程，從表1的逐時觀測數(shù)據(jù)來看，南風(fēng)在10—17時風(fēng)力超過3m/s，對應(yīng)的PM2.5值略有減小，幾乎沒有變化。風(fēng)向轉(zhuǎn)為北風(fēng)且風(fēng)力小于3m/s時，PM2.5值升高明顯，此時PM2.5濃度達(dá)到了一天中的最大值 0.202mg/m3。22時北風(fēng)風(fēng)力大于 3m/s后，PM2.5值迅速下降至0.050mg/m3以下，其中21—22時一個時次PM2.5濃度下降了0.099mg/m3。這個個例說明南風(fēng)增強(qiáng)對 PM2.5的濃度沒有明顯的改變，3m/s以上風(fēng)速的北風(fēng)有利于迅速降低PM2.5濃度。

表1　2013年10月10—11日威海監(jiān)測站逐時PM2.5濃度、風(fēng)速、風(fēng)向演變

2　天氣形勢分析

從以上統(tǒng)計(jì)分析可看出，PM2.5濃度較大時地面風(fēng)場均較小，結(jié)合地面天氣圖可以看出，地面氣壓場大致分為均壓場、弱高壓、弱低壓，風(fēng)速非常弱。選擇了幾次PM2.5濃度較前一日迅速增大的天氣過程。統(tǒng)計(jì)出，PM2.5濃度增大的多數(shù)形勢為高空為平直的西風(fēng)環(huán)流或高空槽前。平直西風(fēng)環(huán)流下，大氣層結(jié)穩(wěn)定且干燥，近地面層為弱高壓或弱低壓影響，風(fēng)速較弱；高空槽前低層有時有較大的相對濕度，大氣層結(jié)有時存在不穩(wěn)定能量，可帶來弱降水，地面冷鋒剛過境時PM2.5濃度維持或持續(xù)增大，北風(fēng)增強(qiáng)后 PM2.5濃度下降。由于 4個月份主要為冬季，從統(tǒng)計(jì)的風(fēng)向、風(fēng)速來看，南風(fēng)僅出現(xiàn)了20.1%，且很少出現(xiàn)春季典型的南大風(fēng)形勢，故下文給出冷鋒過境前南風(fēng)相對較大和冷鋒過境后北風(fēng)較大的兩個個例詳細(xì)分析南風(fēng)、北風(fēng)對PM2.5濃度的影響。

圖3　2013年10月10日20時（a），11日08時（b）500hPa（等值線單位：dagpm）和10日20時（c），11日08時（d）地面（等值線單位：hPa）形勢

2.1個例一形勢分析

分析2013年10月10—11日的過程，從高空500hPa圖可以看出，10月10日20時（圖3a）山東半島位于高空槽前西南氣流中，地面位于東北低壓底部（圖3c），除成山頭仍為南風(fēng)外，山東其他地區(qū)自西向東剛轉(zhuǎn)為北風(fēng)。11日08時（圖3b）高空槽剛過境，山東半島轉(zhuǎn)入西北氣流中，地面轉(zhuǎn)入低壓后部（圖3d），吹西北風(fēng)。結(jié)合T-lnp圖（圖略）看出，高空槽過境前低層相對濕度較大，且有一定的不穩(wěn)定能量存在，高空槽過境后相對濕度變小。結(jié)合表1的逐時觀測數(shù)據(jù)來看，在地面冷鋒未過境時，PM2.5值幾乎沒有變化。當(dāng)?shù)孛胬滗h過境，剛轉(zhuǎn)為北風(fēng)且風(fēng)力小于 3m/s時，PM2.5值升高明顯。

2.2個例二形勢分析

分析 2013年 12月 8—9日高空槽過程，500hPa層8日20時高空槽仍未過境（圖4a），山東半島位于槽前西南氣流中，地面圖8日20時山東半島位于冷鋒過境前的高壓前部低壓后部的倒槽區(qū)（圖 4c），為偏南風(fēng)。由于倒槽偏弱，故偏南風(fēng)較弱；9日08時高空槽過境（圖4b），冷空氣較強(qiáng)，地面冷鋒過境后地面等壓線密集（圖4d），北風(fēng)較強(qiáng)。從表2也可看出，地面為南風(fēng)時，風(fēng)力小于1m/s，剛轉(zhuǎn)為北風(fēng)時，風(fēng)力仍較弱，至 9日 04時除去01時其他風(fēng)力均小于3m/s，PM2.5值在這個時間段內(nèi)持續(xù)升高，05時開始風(fēng)速連續(xù)大于3m/s，PM2.5值開始迅速下降，最快的05—06時一個時次下降0.096 mg/m3。

圖4　2013年12月8日20時（a），9日08時（b）500hPa（等值線單位：dagpm）和8日20時（c），9日08時（d）地面（等值線單位：hPa）形勢

以上兩個個例代表了基本秋冬季高空槽影響的普遍特點(diǎn)，從兩個個例的分析中可以看出，PM2.5濃度最大值往往出現(xiàn)在地面冷鋒過境后北風(fēng)風(fēng)力較弱的時間段，北風(fēng)風(fēng)速大于 3m/s后且持續(xù)，PM2.5的濃度將迅速下降。這兩個個例地面都沒有在山東半島產(chǎn)生有量降水，這也是影響PM2.5濃度的一個主要原因。

表2　2013年12月8—9日威海監(jiān)測站逐時PM2.5濃度、風(fēng)速、風(fēng)向演變

3　小結(jié)

（1）風(fēng)速和風(fēng)向與PM2.5的濃度均有一定的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速小于3m/s時，PM2.5值緩慢增大或一直持續(xù)；當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速連續(xù)大于3m/s時，PM2.5值將迅速下降；南風(fēng)大于3m/s對PM2.5的濃度沒有明顯的改變。

（2）PM2.5濃度增大的多數(shù)形勢為高空為平直的西風(fēng)環(huán)流或高空槽前。南風(fēng)增強(qiáng)對 PM2.5的濃度沒有明顯的改變，北風(fēng)增強(qiáng)有利于降低PM2.5濃度。

（3）PM2.5濃度最大值往往出現(xiàn)在地面冷鋒過境后北風(fēng)風(fēng)力較弱的時間段，北風(fēng)風(fēng)速大于3m/s后且持續(xù)，PM2.5的濃度將迅速下降。

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P468.0

B

1005-0582（2015）03-0017-06

2015-08-18

國家自然科學(xué)基金（41175044）和山東省2014年開放基金（SDQXKF2014M05）共同資助

崔宜少（1978—），男，山東萊西人，本科，工程師，主要從事業(yè)務(wù)管理工作。