張潔瓊,王雅倩,高 爽,陳 莉,毛 健,孫艷玲,馬振興,肖 健,張 輝*

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不同時(shí)間尺度氣象要素與空氣污染關(guān)系的KZ濾波研究

張潔瓊1,王雅倩1,高 爽1,陳 莉1,毛 健1,孫艷玲1,馬振興1,肖 健2,張 輝1*

(1.天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,天津 300387；2.天津市津南區(qū)氣象局,天津 300350)

空氣污染狀況受氣象要素和污染源排放的共同影響,為了評估大氣污染控制措施的效果,需將由污染源排放的濃度數(shù)據(jù)分離出來.本文利用KZ濾波方法將天津市6個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)2015~2017年逐日的O3、PM2.5和PM10濃度資料和6個(gè)同期氣象數(shù)據(jù)分解為長期分量、短期分量和季節(jié)分量,計(jì)算各分量對原始時(shí)間序列方差的貢獻(xiàn).采用逐步回歸法建立O3及顆粒物3種分量與相應(yīng)尺度氣象要素的線性模型.結(jié)果表明,上述3種污染物濃度數(shù)據(jù)經(jīng)分解后,季節(jié)分量對總方差貢獻(xiàn)最大,其次為短期分量;氣溫和相對濕度是影響O3季節(jié)和短期分量的主要?dú)庀笠蛩?其中溫度占主導(dǎo)地位,且呈現(xiàn)正相關(guān),與相對濕度呈負(fù)相關(guān);風(fēng)速、氣壓、降水與顆粒物的短期及季節(jié)濃度變化呈負(fù)相關(guān),相對濕度與之呈正相關(guān),溫度與短期分量呈正相關(guān)、與季節(jié)分量的變化呈負(fù)相關(guān);經(jīng)逐步回歸消除氣象影響的PM10的長期分量有波動(dòng)下降的趨勢,PM2.5濃度在2017年年初有所上升,其余部分有下降趨勢,O3長期分量濃度有所上升;這幾年間顆粒物污染控制措施的效果較為顯著,O3污染有所加重.

KZ濾波法；氣象要素；空氣污染物；天津市

近年來,隨著一系列環(huán)保措施的開展,大氣污染的狀況有所改善,但是相對于發(fā)達(dá)國家,形勢依舊嚴(yán)峻.2016年環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示京津冀地區(qū)首要污染物為PM2.5、O3和PM10的天數(shù)分別占污染總天數(shù)的63.1%、26.3%和10.8%[1].因此本研究選取的大氣污染物為PM2.5、PM10及O3.在空氣質(zhì)量長期變化中,污染源排放不容忽視[2],但由氣象條件引起的空氣污染濃度變化往往存在多時(shí)空尺度、高影響及快速變化的特點(diǎn)[3],因此評估氣象要素對空氣質(zhì)量的影響極其重要.2017年正值“大氣十條”收官之年,大氣污染治理的效果顯著,但是該效果是由于控制措施使得污染物排放總量減少還是受到有利氣象條件的影響,需進(jìn)一步探究.

在氣象條件對空氣質(zhì)量影響的定量評估方面,國外學(xué)者進(jìn)行了很多研究[4-7],在該領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的方法是KZ濾波統(tǒng)計(jì)方法[7-8],他們將污染物的時(shí)間序列分解為不同周期對應(yīng)的分量從而進(jìn)行定量的分析.澳大利亞[9]、西班牙[10]等地的一些學(xué)者利用KZ濾波方法主要研究近地層O3的濃度變化趨勢.此外還利用KZ濾波方法以及Haslett- Raftery算法對NO2和PM10的時(shí)間序列進(jìn)行了評估[9],這兩種方法幾乎得到了相同的結(jié)論.國內(nèi)現(xiàn)有的研究主要是利用KZ濾波方法將空氣污染指數(shù)(API)時(shí)間序列進(jìn)行分解[11-12],但是在不同時(shí)間尺度上氣象要素對大氣污染物特別是O3和顆粒物濃度的影響在已有的研究中涉及較少.

本研究基于KZ濾波方法對天津市2015~2017年的O3、PM10及PM2.5的逐日資料及同時(shí)期氣象要素的時(shí)間序列進(jìn)行分解,得到不同時(shí)間尺度上(短期、季節(jié)、長期)污染物濃度的變化,以此分析原始濃度的變化主要受到何種尺度的影響;同時(shí),建立不同尺度上污染物與氣象要素的逐步回歸模型,進(jìn)一步消除了O3、PM2.5和PM10長期序列中氣象變量的影響,分析氣象要素對不同時(shí)間尺度上污染物的影響.

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測站點(diǎn)與數(shù)據(jù)

為保證污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)可以與氣象數(shù)據(jù)相匹配,選取了天津市的6組站點(diǎn),其依據(jù)是同一區(qū)縣內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)與氣象站點(diǎn)距離最近的一組點(diǎn),如圖1所示.

本研究中選擇2015年1月1日~2017年12月31日的PM2.5、PM10及O3期間的逐日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(http://beijingair.sinaapp.com).其中,本研究使用的PM2.5與PM10數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)集中的日平均濃度數(shù)據(jù),O3數(shù)據(jù)是日最大8h平均濃度數(shù)據(jù).由于航天路監(jiān)測點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失,故該點(diǎn)選取2015年1月~2017年4月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.所用的氣象數(shù)據(jù)來源于天津市氣象局,主要包括2015~2017年逐時(shí)的氣溫、氣壓、降水、風(fēng)速和相對濕度這5個(gè)氣象要素.本研究中分析的氣象要素有日平均氣壓(PA)、日平均氣溫(TA)、日平均相對濕度(RH)、日降水量(Pre)及日平均風(fēng)速(WNDA),上述要素均通過整理原始數(shù)據(jù)集得到.

圖1 監(jiān)測站分布和分類

1.北辰科技園區(qū);2.第四大街;3.永明路;4.航天路;5.漢北路;6.團(tuán)泊洼

1.2 研究方法

本研究為了分析空氣質(zhì)量趨勢,探討氣象數(shù)據(jù)對O3、PM2.5以及PM10數(shù)據(jù)的影響,利用KZ濾波方法將天津市O3、PM2.5、PM10及同時(shí)期氣象要素原始時(shí)間序列進(jìn)行分解,之后對分解后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.大氣污染物及氣象數(shù)據(jù)可以被適當(dāng)?shù)倪^濾技術(shù)分解[7],具體表現(xiàn)為:

() =() +() +() (1)

式中:()是原始時(shí)間序列;()、()和()分別是長期、季節(jié)和短期分量,短期分量是由于天氣系統(tǒng)及短期污染排放變化引起,時(shí)間尺度為1d~3周;季節(jié)分量是由于太陽角度變化引起的污染源和氣象條件的季節(jié)變化,時(shí)間尺度為1a;而長期分量則是由于污染排放總量、污染物運(yùn)輸、氣候、政策或經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等因素引起的變化,時(shí)間尺度一般大于1a.

KZ濾波方法主要是通過R軟件中的kza程序包實(shí)現(xiàn),它是經(jīng)次迭代與點(diǎn)滑動(dòng)平均的低通濾波[13],其計(jì)算公式如下:

式中:A為經(jīng)過一次濾波后的時(shí)間序列,為序列的時(shí)間間隔(本文采樣的時(shí)間間隔為天);為滑動(dòng)窗口變量,表示參與滑動(dòng)的各時(shí)間點(diǎn);為對A進(jìn)行濾波時(shí)其兩端的滑動(dòng)窗口長度,滑動(dòng)窗口長度=2+1;為輸入的原始序列,原始時(shí)間序列濾波后的結(jié)果作為下次的濾波輸入再次進(jìn)行計(jì)算,以此迭代計(jì)算次,最終得到濾波結(jié)果KZ(m,p),濾波后的結(jié)果其單位與原始時(shí)間序列單位相同,時(shí)間間隔與滑動(dòng)窗口長度單位均為.通過調(diào)整濾波參數(shù)與可以控制不同尺度過程的濾波,下式表示濾波結(jié)果KZ(m,p)將波長小于N的高頻波濾除,即有效濾波寬度滿足如下[13]:

′1/2￡N (3)

用公式(3)來決定有效濾波的寬度.根據(jù)公式(3),KZ(15,5)濾波器(滑動(dòng)窗口長度為15[]且進(jìn)行了5次迭代[])將周期小于33d(15×51/2￡33)的波動(dòng)濾除,即有效濾波大約為33d.

將氣候和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用于KZ(15,5)過濾器,提取的時(shí)間序列表示為基線分量,基線分量定義為長期分量和季節(jié)分量的總和:

Baseline() = KZ(15,5)=()+() (4)

數(shù)據(jù)的長期趨勢可以通過選擇較大滑動(dòng)窗口長度的KZ濾波器獲得[6],通過使用KZ(365,3)濾波器從數(shù)據(jù)中提取長期分量,有效濾波寬度大約為632d,約1.7a,即該分量是將原始序列中周期小于632d (365×31/2￡632)的波動(dòng)濾除:

() = KZ(365,3)(5)

在上述分量分離之后,可以計(jì)算季節(jié)和短期分量.

() = KZ(15,5)-KZ(365,3)(6)

() =()-KZ(15,5)(7)

由于本研究要同時(shí)考慮幾個(gè)氣象要素,所以使用逐步回歸的分析方法來探索空氣質(zhì)量與氣象要素之間的關(guān)系.該方法是通過SPSS預(yù)測分析軟件19版實(shí)現(xiàn),將已分解的不同時(shí)間尺度的污染物濃度數(shù)據(jù)和已分解的對應(yīng)的氣象要素引入逐步回歸,利用該軟件生成O3、PM10、PM2.5的統(tǒng)計(jì)模型,只有滿足0.05顯著性水平的條件才被接受.

PM2.5、PM10及O3的時(shí)間序列經(jīng)過KZ濾波分解后仍受到氣象的影響,線性的逐步回歸是消除氣象影響的有效手段[14],故我們采用逐步回歸方法來評估氣象要素對空氣質(zhì)量的影響,得出了PM2.5、PM10和O3在95%置信水平上的統(tǒng)計(jì)模型,并給出了相應(yīng)的解釋方差[15](variance explained)(%).其中,解釋方差的計(jì)算方法如下[13]:

式中:VE為解釋方差;var()為PM2.5、PM10和O3的原始時(shí)間序列的方差;varε為殘差序列方差.一般而言,殘差序列越小,則解釋方差越大,參與模型構(gòu)建的氣象要素對PM2.5、PM10和O3時(shí)間序列解釋能力及影響程度也就越大.

2 結(jié)果與討論

2.1 KZ濾波分析結(jié)果

使用KZ(15,5)濾波方法可以從逐日的氣象變量中濾除掉短期分量,使用KZ(365,3)過濾方法可以提取長期分量,隨后,就可以推算出季節(jié)分量.依據(jù)上述方法,分別將PM2.5(圖2)、PM10(圖3)及O3(圖4)的原始時(shí)間序列分解.

我國在2016年實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16]中規(guī)定PM2.5及PM10濃度日均值限值分別為75, 150μg/m3,O3日最大8h平均濃度的限值為160μg/m3.但如圖2中的原始序列所示,2015年~2017年所有監(jiān)測站測得的PM2.5的值都超出該范圍很多,有些甚至在冬季超出該規(guī)定值將近5倍;冬季污染較為嚴(yán)重的站點(diǎn)的PM10濃度接近該規(guī)定值的3倍(圖3);夏季污染較為嚴(yán)重的站點(diǎn)的O3濃度也在濃度限值的1.5倍左右(圖4).

對于PM10來說,它的長期分量有波動(dòng)下降的趨勢(圖3),PM2.5濃度(圖2)在2017年1、2月有所上升,其余季節(jié)有下降趨勢,O3(圖4)長期分量濃度有所上升.天津市PM2.5和PM10的短期分量均存在明顯振幅,最大振幅分別為-130~+210和-154~+270,主要集中在-50~+50,O3的短期分量的波動(dòng)也具有類似的趨勢,即污染排放在短期內(nèi)相對穩(wěn)定,其波動(dòng)主要由當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓?在本研究中,由排放源與氣象條件的變化引起季節(jié)分量隨時(shí)間變化的波動(dòng)同樣較為明顯.

圖2 經(jīng)KZ濾波方法分解的天津市24h平均PM2.5時(shí)間序列

圖3 經(jīng)KZ濾波方法分解的天津市24h平均PM10時(shí)間序列

圖4 經(jīng)KZ濾波方法分解的天津市日最大8hO3時(shí)間序列

Fig.4 Decomposition of a daily maximum of 8-hr moving average O3time-series by the KZ filter in Tianjin

對于PM2.5和PM10而言,它們的季節(jié)分量在冬季和春季出現(xiàn)波峰,這主要是由于北方冬季供暖以及春季沙塵現(xiàn)象造成的.在非供暖期的夏季由于氣溫高,雨水較多,空氣對流強(qiáng)烈,有助于污染物的擴(kuò)散和沉降,因此出現(xiàn)了波谷,另外,在冬春交替的時(shí)候,也出現(xiàn)一個(gè)較小的波谷,這可能與供暖期結(jié)束且還未受到沙塵天氣影響有關(guān).此外,如圖2、圖3所示,在2017年5月4日~5日期間,顆粒物濃度出現(xiàn)一個(gè)峰值,這是由于該時(shí)段天津受到一次強(qiáng)沙塵天氣過程的影響,PM10質(zhì)量濃度達(dá)到六級嚴(yán)重污染的級別,PM2.5濃度同樣有所增加,也達(dá)到重度污染的水平,該過程在短期、季節(jié)、長期分量中均有所體現(xiàn).對于O3的季節(jié)分量,則出現(xiàn)與顆粒物濃度變化相反的結(jié)果,春末夏初時(shí)O3濃度達(dá)到最高,此后開始下降,夏末秋初又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)次峰,后逐漸下降到冬季達(dá)到最低.賈夢唯等[17]的研究也得到了類似的結(jié)論.

為了識別每個(gè)時(shí)間分量對原始空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn),計(jì)算出生成的各個(gè)時(shí)間序列對原始數(shù)據(jù)總方差貢獻(xiàn)(表1).長期分量、短期分量和季節(jié)分量在理想情況下相互獨(dú)立,即原始序列的方差應(yīng)等于3分量方差之和[10].如表1所示,3種污染物對總方差的貢獻(xiàn)中最大的是季節(jié)分量,對于PM2.5、PM10而言,長期分量總方差貢獻(xiàn)最低.PM2.5及PM10時(shí)間序列的波動(dòng)主要是由于污染源和氣象條件的季節(jié)性變化造成的.O3的季節(jié)分量對總方差的貢獻(xiàn)最大是與它的成因相關(guān)的,由于太陽照射在很大程度上可以影響O3本身濃度[18],同時(shí),對流層頂折疊引發(fā)平流層對流層交換是春季對流層O3增加的重要源[19-20].故O3的季節(jié)變化特征較為明顯.

表1 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)各分量對其總方差貢獻(xiàn)

2.2 氣象要素對污染物濃度的影響

經(jīng)KZ濾波分解后的時(shí)間序列仍然受到部分氣象要素的影響,而多元線性逐步回歸是進(jìn)一步消除氣象要素的有效手段[14].表2給出了經(jīng)逐步回歸后得到的統(tǒng)計(jì)模型,所示的結(jié)果取決于所分析的分量、所考慮的污染物和所選擇的空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn).對于O3而言,長期分量的解釋方差最高,其次是季節(jié)分量,就這兩者而言,數(shù)據(jù)的可變性可以由5個(gè)氣象變量來解釋,從41.75%~99.45%不等.PM2.5及PM10仍然是長期分量的解釋方差最高,其次是短期分量.O3相對于PM2.5和PM10,解釋方差的百分比較低,這說明3種污染物中,受氣象要素影響最大的是O3.

本研究中,由于污染物濃度的波動(dòng)很大程度上受到季節(jié)分量和短期分量的影響,因此在分析氣象要素對污染物濃度的影響時(shí),重點(diǎn)關(guān)注季節(jié)分量和短期分量的回歸模型.對于O3而言,平均氣溫(TA)和平均相對濕度(RH)是主要?dú)庀笥绊懸蛩?其中溫度的系數(shù)相對最大,說明其占據(jù)主導(dǎo)地位,且為正相關(guān);相對濕度的系數(shù)為負(fù),數(shù)值較小,說明它對O3影響較小,且呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性.氣象因子與O3的關(guān)系研究中,不同地區(qū)略有差異,結(jié)論大致相同.安俊琳等[21]、程念亮等[22]、齊冰等[23]認(rèn)為,O3與紫外輻射、氣溫成正比,與相對濕度、降水成反比.

如表2的回歸模型所示,PM2.5及PM10的濃度變化受到風(fēng)速、溫度、氣壓、相對濕度和降水的共同影響.就單站點(diǎn)而言,氣象條件如風(fēng)速、相對濕度等與顆粒物濃度變化有著明顯的相關(guān)性[24].其中風(fēng)速(WNDA)在本研究監(jiān)測點(diǎn)位季節(jié)分量的回歸方程中與顆粒物濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且相關(guān)性最高.風(fēng)速主要決定了污染物傳輸?shù)乃俾?在水平方向上,隨著風(fēng)速增大,大氣污染物擴(kuò)散稀釋作用增強(qiáng),顆粒物濃度隨之降低,反之,在風(fēng)速較小時(shí),顆粒物容易大量累積,濃度就越高[25].研究區(qū)旱風(fēng)同期和大面積的季節(jié)性裸露農(nóng)田為顆粒物的排放提供了氣象條件和物質(zhì)條件,當(dāng)風(fēng)速增大到一定的程度時(shí),可能會(huì)造成二次揚(yáng)塵,使得空氣中顆粒物濃度增加[26],這可能是在逐步回歸中部分系數(shù)出現(xiàn)正值的原因.與O3不同,季節(jié)分量里溫度與PM2.5和PM10濃度呈負(fù)相關(guān),但短期分量時(shí)為正相關(guān).氣壓(PA)呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān),根據(jù)前人的研究可知,氣溫和氣壓[27]的垂直分布可以決定大氣污染物在垂直方向的擴(kuò)散,它們主要是通過影響大氣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來間接影響顆粒物稀釋與擴(kuò)散.此外,如果有逆溫層存在時(shí),氣溫升高,有利于大氣穩(wěn)定,使得污染物聚集在近地面從而濃度增加.郭利等研究發(fā)現(xiàn),PM10質(zhì)量濃度與氣壓的Spearman相關(guān)系數(shù)為-0.416,呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[15].

表2 經(jīng)逐步回歸后的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的短期、季節(jié)及長期分量的回歸模型

Table 2 Regression model of the air quality data concerning the short-term, seasonal and long-term components by the method of stepwise regression

分量物質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)回歸模型解釋方差(%)P 長期分量PM2.5112263.421-12.722T+0.041P-12.002PA+2.433R+20.136W97.08<0.01 21795.024-3.394T-1.253P-1.779PA+1.445R+19.393W84.86<0.01 38679.145-8.149T-3.104P-8.248PA+0.597R-67.907W90.23<0.01 410827.806-10.51T-1.565P-10.321PA+0.547R-72.345W97.91<0.01 57399.067-7.123T-3.631P-7.121PA+0.918R-24.343W97.44<0.01 617715.615-15.216T-2.151P-16.961PA+0.5R-96.658W94.95<0.01 PM1016926.377-7.656T+0.04P-6.599PA74.87<0.01 27386.831-8.703T-6.033P-7.284PA+2.762R+40.78W88.51<0.01 38034.792-9.171T-1.6P-7.702PA+0.616R83.62<0.01 46619.671-8.43T-1.966P-6.44PA+1.89R+27.304W94.78<0.01 58379.1-9.587T-5.65P-8.207PA+2.308R+27.979W90.70<0.01 614011.649-14.637T-13.609PA+1.586R+27.337W92.43<0.01 O31-13310.62+14.924T+0.028P+12.913PA-0.896R+56.661W97.50<0.01 25577.393-0.742T-7.949P-5.321PA-0.251R-23.561W92.42<0.01 38794.688-2.049T-14.149P-8.444PA+0.381R-49.817W96.87<0.01 48315.884-3.477T-3.109P-7.831PA-0.808R-37.998W99.45<0.01 514924.357-6.565T-12.26P-14.325PA-76.64W94.18<0.01 610386.321-3.035T-9.773PA-1.645R-106.752W88.84<0.01 短期分量PM2.510.02-3.175PA+1.329R+4.717T-10.58W43.21<0.01 20.002-2.314PA+1.005R+5.959T-6.647W42.75<0.01 3-0.004-2.565PA+0.963R+5.128T-11.316W41.82<0.01 40.296-2.568PA+1.209R+5.757T-10.28W40.19<0.01 5-0.025-1.948PA+1.1R+5.16T-5.959W40.30<0.01 6-0.012-3.003PA+1.193R+5.152T-12.784W40.64<0.01 PM1010.095-5.049PA+1.037R+4.179T-12.84W25.51<0.01 20.018-3.921PA+0.579R+6.859T-7.671W21.93<0.01 30.205-4.411PA+0.752R+5.915T-10.537W23.17<0.01 40.006-4.253PA+0.894R+7.123T-14.648W34.48<0.01 50.011-3.442PA+0.724R+6.766T-7.921W21.83<0.01 6-0.077-5.201PA+0.811R+4.48T-9.285W21.28<0.01 O31-0.067+5.72T-0.62R-4.196W+0.695P23.20<0.01 2-0.037+5.151T-0.527R+3.925W+0.837PA-0.28P22.41<0.01 3-0.032+5.633T-0.433R-2.528W+0.739PA18.76<0.01 4-0.008+3.675T-0.427R+2.907W+0.53PA14.82<0.01 50.097+5.581T-0.559R+0.736PA15.99<0.01 60.02+4.508T-0.569R15.32<0.01

續(xù)表2

分量物質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)回歸模型解釋方差(%)P 季節(jié)分量PM2.510.126-31.942W+0.484R-2.451T-0.002P-1.524PA29.71<0.01 20.281-22.494W+0.611R-1.401T-1.172P-0.831PA29.85<0.01 30.298-31.833W+0.66R-1.928T-1.129P-1.19PA31.65<0.01 40.21-34.313W+0.79R-2.322T-1.214P-1.471PA39.88<0.01 50.284-21.401W+0.776R-1.666T-0.994P-1.062PA30.40<0.01 60.212-34.154W+0.453R-1.915T-1.473P-1.541PA25.15<0.01 PM1010.267-36.526W-1.904PA-2.215T10.44<0.01 20.219-23.618W-1.732P-1.731PA-1.549T8.21<0.01 30.151-39.025W-1.404P-2.36PA-2.584T12.42<0.01 40.399-43.723W-1.952P-2.299PA-2.555T+0.476R26.92<0.01 50.552-26.868W-1.277P+0.237R9.39<0.01 60.097-28.972W-1.833P5.46<0.01 O310.17+3.753T-0.591R-6.168W48.36<0.01 2-0.14+3.088T-0.517R-0.548P43.65<0.01 3-0.016+3.672T-0.429R-0.561P47.96<0.01 4-0.036+3.15T-0.379R-0.855P+7.156W+0.478PA41.75<0.01 5-0.163+3.419T-0.378R43.68<0.01 60.158+3.892T-0.45R-0.99P47.09<0.01

注: 1-北辰科技園區(qū);2-第四大街;3-永明路;4-航天路;5-漢北路;6-團(tuán)泊洼;PA-日平均氣壓;-日平均氣溫;-日平均相對濕度;-日降水量;-日平均風(fēng)速.

由逐步回歸模型可知,季節(jié)和短期分量中相對濕度的系數(shù)和其他氣象要素相比雖然值較小但是均為正數(shù),這說明相對濕度和顆粒物之間呈現(xiàn)正相關(guān),以往研究表明,由于水汽可以吸附空氣中親水性微小顆粒物,故隨著空氣相對濕度的增加,吸附的顆粒物增多[27],因此顆粒物濃度增加,污染加劇.另外,降水(Pre)的系數(shù)為負(fù),說明其與顆粒物濃度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性,主要原因是部分懸浮顆粒物作為凝結(jié)核聚集水汽并落下,同時(shí)隨著雨水的降落,懸浮在空氣中的部分顆粒物也被隨之沖刷,使得大氣中顆粒物濃度降低[28].張瑋等人的研究表明顆粒物濃度隨相對濕度增加而增加,當(dāng)相對濕度大于75%后,由于該狀態(tài)下更易發(fā)生降水使得顆粒物開始濃度下降[29].張淑平等也有類似的研究結(jié)果[30].

圖5為PM2.5、PM10和O3長期分量數(shù)據(jù)和根據(jù)逐步回歸的氣象變量的最佳模型計(jì)算的3種污染物的比較.分析可得,這2組數(shù)之間的2均在0.747以上,這說明使用該回歸模型的擬合效果較好.如圖所示,航天路空氣質(zhì)量站的原始長期分量和經(jīng)過計(jì)算調(diào)整的O3長期數(shù)據(jù)之間差異最低,這也是預(yù)期的結(jié)果,因?yàn)樵诒?中的5個(gè)氣象變量已經(jīng)解釋了O3長期分量數(shù)據(jù)的99.45%的變化.經(jīng)逐步回歸消除了氣象因素對長期分量的影響,得到了由污染源排放產(chǎn)生的濃度變化.如圖5可知,天津市對于PM10來說,它的長期分量有波動(dòng)下降的趨勢,PM2.5濃度在2017年1、2月有所上升,其余季節(jié)有下降趨勢,O3長期分量濃度有所上升.這說明近幾年間對大氣顆粒物的減排效果較好,對O3的治理還需進(jìn)一步加強(qiáng).

3 結(jié)論

3.1 研究表明,KZ濾波方法可以較好的將天津市O3、PM2.5及PM10的濃度數(shù)據(jù)分離為短期、季節(jié)、長期3種時(shí)間尺度上的分量,其中長期分量對總方差的貢獻(xiàn)最小,其次為短期分量,對總方差貢獻(xiàn)最大的是季節(jié)分量.這表明天津市PM2.5、PM10和O3隨時(shí)間序列的波動(dòng)主要是由污染源的季節(jié)變化和氣象條件引起的.

3.2 氣溫(TA)和相對濕度(RH)與O3之間存在較好的相關(guān)性,它們是影響O3季節(jié)和短期分量的主要?dú)庀笠蛩?其中溫度占主導(dǎo)地位,呈現(xiàn)正相關(guān),相對濕度呈一定的負(fù)相關(guān).而PM2.5和PM10的短期及季節(jié)濃度變化與風(fēng)速、氣壓、降水呈負(fù)相關(guān);與相對濕度呈正相關(guān);溫度與PM2.5和PM10的短期分量呈正相關(guān),與季節(jié)分量的變化呈負(fù)相關(guān).

3.3 經(jīng)逐步回歸消除氣象因素對長期分量的影響,得到由于污染源排放產(chǎn)生的濃度變化.PM10的長期分量有波動(dòng)下降的趨勢.PM2.5濃度在2017年1、2月有所上升,其余部分有下降趨勢,O3長期分量濃度有所上升.說明在“大氣十條”實(shí)施的這幾年間顆粒物污染總量有所下降,控制措施的效果較為顯著,O3污染在這幾年間有加重趨勢,對其的治理還需進(jìn)一步加強(qiáng).

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Study on the relationship between meteorological elements and air pollution at different time scales based on KZ filtering.

ZHANG Jie-qiong1, WANG Ya-qian1, GAO Shuang1, CHENG Li1, MAO Jian1, SUN Yan-ling1, MA Zhen-xing1, XIAO Jian2, ZHANG Hui1*

(1.School of Geographic and Environmental Sciences, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China；2.Tianjin Jinnan Meteorological Bureau, Tianjin 300350, China)., 2018,38(10)：3662~3672

Air pollution condition is affected by meteorological elements and emissions from air pollution sources. In order to evaluate the effect of air pollution control measures, we need to separate the contributions from air pollution sources. In this study, the KZ filter was used to decompose the time series of three pollutants including O3, PM2.5and PM10as well as time series of several meteorological factors into long-term, short-term and seasonal components. Data of air pollutants were collected from six air quality monitoring sites in Tianjin during 2015~2017. The contribution of each component to the total variance of the original air quality data was calculated. Stepwise regression was used to establish the relationship between air pollutants (O3, PM2.5and PM10) and meteorological variables for each time scale. Our results showed that seasonal component contributed most to the total variance, followed by short-term component. Temperature and relative humidity were the major factors affecting seasonal and short-term changes of O3. Temperature was positively correlated with short-term component. Relative humidity was negatively correlated with the seasonal component of O3; Wind speed, air pressure and precipitation were negatively correlated with particle concentrations at short-term and seasonal time scales. Relative humidity was positively correlated with them. Temperature was positively correlated with short-term component of particles, and was negatively correlated with seasonal component. Long-term concentration of PM10showed a downward trend after removing the effects of meteorological factors. The concentration of PM2.5increased in early 2017, and for the rest of the study time periods, its concentration showed a downward trend. The long-term concentration of O3was increased during the studied years. We can conclude that the effect of particulate pollution control measures was significant. However, the pollution of O3was aggravated.

KZ filter；meteorological elements；air pollutant；Tianjin

X16

A

1000-6923(2018)10-3662-11

張潔瓊(1994-),女,甘肅天水人,天津師范大學(xué)碩士研究生,主要從事空氣顆粒物污染與防治研究.

2018-03-13

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目(2016YFC0201700);天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(16YFXTSF00330);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃青年基金資助項(xiàng)目(16JCQNJC08600)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhang_hui69@163.com