姚豫奇
(駐馬店市氣象局,河南 駐馬店 463000)
改革開放以來,我國經(jīng)濟飛速發(fā)展,城鎮(zhèn)化進程加快,極大地提高了人們的生活水平,但最初的發(fā)展往往伴隨著環(huán)境的破壞,帶來很多污染問題,對人們的生活、生產(chǎn)、交通等產(chǎn)生影響,人們對改善城市空氣質(zhì)量的呼聲越來越高[1-2]。因此,對大氣污染的研究顯得尤為重要,引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。影響大氣污染物質(zhì)量濃度的因素有很多,包括人為活動、污染源的排放、氣象條件、天氣系統(tǒng)等,其中污染源是根本原因,但污染擴散時的氣象條件也至關重要[3-5]。有很多學者對其進行了研究[6-8],穩(wěn)定的大氣層結(jié)有利于污染天氣的維持,降水可以加速污染物沉降,大風又可以加快污染物擴散,降低污染物質(zhì)量濃度,污染物在空間上分布不均,時間上有著明顯的月、季、年變化特征[9-10]。
駐馬店市位于豫南地區(qū),地勢西高東低,是河南省重要的人口、農(nóng)業(yè)和新興工業(yè)城市,隨著不斷發(fā)展,空氣污染問題也逐漸凸顯。目前,關于駐馬店大氣污染的研究主要集中在大氣污染物特征方面,而影響大氣污染的因素除了排放源外,還與氣象條件息息相關,但此方面的研究較少。因此,對大氣污染物與氣象條件的關系進行研究具有重要意義。本研究利用駐馬店市逐日大氣污染物質(zhì)量濃度及氣象數(shù)據(jù),首先分析駐馬店市空氣污染物質(zhì)量濃度變化特征,然后再利用同期的氣象數(shù)據(jù),研究氣象因子對大氣污染的影響,為駐馬店市大氣污染防治工作提供一定的參考依據(jù)。
本研究使用的大氣污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量AQI、氣象條件數(shù)據(jù)來自河南省環(huán)境氣象業(yè)務平臺,氣象觀測數(shù)據(jù)來自氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),時間范圍為2020 年12 月1 日至2021 年11 月30 日,包括主要大氣污染物(PM10、PM2.5、O3、NO2)逐日質(zhì)量濃度、逐日空氣質(zhì)量AQI,逐日降水量、平均氣溫、平均風速、逐日大氣邊界層高度、通風量。
Pearson 相關系數(shù)[11]是統(tǒng)計學中一種常用來衡量變量之間線性關系的方法。本研究采用該方法計算各污染物質(zhì)量濃度與氣象因子的相關關系,相關系數(shù)的絕對值越大,相關性越強,反之越弱。r>0表示兩變量之間為正相關關系,r<0 表示兩變量之間為負相關關系。其計算公式如式(1)。
式中:xˉ和yˉ分別為變量x和y的樣本平均值;xi和yi分別為兩個樣本的變量值;r為相關系數(shù)。
根據(jù)空氣質(zhì)量AQI 的等級標準,將駐馬店市2020 年12 月1 日至2021 年11 月30 日空氣質(zhì)量分級,見圖1,并統(tǒng)計各等級的天數(shù)及占比,見表1。結(jié)果表明,駐馬店市空氣質(zhì)量等級以二級為主,占60.27%,一級次之,占20.27%,三級及以上達19.45%,優(yōu)良天數(shù)共294 d,輕度污染及以上天數(shù)共71 d,說明駐馬店市各等級空氣質(zhì)量占比差別很大,整體空氣質(zhì)量較好。
圖1 空氣質(zhì)量等級占比
表1 駐馬店市空氣質(zhì)量實況統(tǒng)計
為研究駐馬店市空氣污染季節(jié)變化特征,對2020 年12 月1 日至2021 年11 月30 日PM10、PM2.5、O3、NO2和AQI 進行統(tǒng)計分析(見表2),按氣象標準進行劃分,12 月、1 月、2 月為冬季,3 月、4 月、5 月為春季,6 月、7 月、8 月為夏季,9 月、10 月、11 月為秋季。從AQI 來看,空氣質(zhì)量最好的是夏季,最差的是冬季,其次是秋季和春季;從4 種污染物質(zhì)量濃度來看,PM10質(zhì)量濃度在四季中較其他3 種污染物大,冬春季較大,冬季最大,達108μg/m3;PM2.5質(zhì)量濃度與NO2質(zhì)量濃度變化相似,在冬季和秋季質(zhì)量濃度較大,PM2.5質(zhì)量濃度在冬季為70.2 μg/m3,NO2質(zhì)量濃度在冬季為29.2μg/m3;O3質(zhì)量濃度變化相反,夏季最大,為120.5μg/m3,冬季最小,為68.9μg/m3。
表2 駐馬店市PM10、PM2.5、O3、NO2質(zhì)量濃度和AQI季節(jié)平均值
從4 種污染物質(zhì)量濃度月變化分析(見圖2)可以看出,4 種污染物質(zhì)量濃度變化有明顯的規(guī)律,PM10、PM2.5、NO2質(zhì)量濃度變化呈“U”型分布特征,即1 月質(zhì)量濃度高,之后逐漸降低,到7 月、8 月質(zhì)量濃度最低,之后質(zhì)量濃度又逐漸升高;O3質(zhì)量濃度變化相反,呈倒“U”型分布,12 月質(zhì)量濃度低,之后質(zhì)量濃度逐漸升高,6 月質(zhì)量濃度達到高值,之后整體呈降低趨勢。這是由于冬季天氣形勢穩(wěn)定,氣象條件不利于污染物擴散,加上冬季取暖需求增加,造成空氣污染物含量增加,夏季氣溫較高,大氣污染擴散能力強,降水量較大,對大氣細顆粒物有清除作用,且由于夏季太陽輻射強、氣溫高,使大氣中的氮氧化物發(fā)生光化學反應,使O3含量增多[12]。
圖2 駐馬店市PM10、PM2.5、O3、NO2平均質(zhì)量濃度月變化
從以上分析可知,空氣污染物質(zhì)量濃度變化有明顯的季、月變化規(guī)律,說明污染物質(zhì)量濃度變化受氣象因子影響,二者關系密切。為研究駐馬店市主要空氣污染物與氣象因子之間的關系,選取同期的日降水量、日平均氣溫、日平均風速進行Pearson相關性研究并檢驗。
駐馬店市在污染天氣時主要空氣污染物為O3和PM2.5,因此主要分析二者及AQI與氣象要素的相關性,見表3。由表3 可以看出,O3質(zhì)量濃度與降水量和風速呈負相關,與氣溫呈正相關,且均通過顯著性水平α=0.01 的相關性檢驗。PM2.5質(zhì)量濃度與降水量、氣溫、風速均呈負相關,與降水量和氣溫的相關性通過顯著性水平α=0.01的相關性檢驗,與風速的相關性通過顯著性水平α=0.05的相關性檢驗??諝赓|(zhì)量AQI 與降水量、氣溫、風速也呈負相關關系,其中與降水量和氣溫相關性通過顯著性水平α=0.01 的相關性檢驗,與風速的相關性通過顯著性水平α=0.05 的相關性檢驗。降水與污染物質(zhì)量濃度呈負相關,是因為雨滴促進污染物濕沉降,雨水也對污染物有沖刷作用;氣溫與PM2.5質(zhì)量濃度呈負相關,與O3質(zhì)量濃度呈正相關,是因為氣溫升高會加強大氣對流運動,污染物垂直擴散條件變好,但是對O3而言,太陽輻射增強,氣溫升高,加強光化學反應產(chǎn)生的O3含量遠大于垂直擴散條件變好而擴散的O3含量;風速與污染物質(zhì)量濃度呈負相關,是由于風速增大有利于污染物擴散。
表3 主要空氣污染物及AQI與氣象要素的相關性
為進一步研究主要空氣污染物與氣象條件的相關性,對邊界層高度、通風量與O3、PM2.5進行相關性分析,見表4。由表4 可以看出,O3質(zhì)量濃度與邊界層高度、通風量呈負相關關系,其中與通風量的相關性通過顯著性水平α=0.1 的相關性檢驗,與邊界層高度的相關性未通過檢驗,PM2.5質(zhì)量濃度與邊界層高度和通風量均呈負相關關系,且通過顯著性水平α=0.01 的相關性檢驗。這是因為大氣運動發(fā)生在邊界層內(nèi),邊界層高,大氣垂直運動強,空氣污染物垂直擴散條件好;同樣地,通風量越大也越有利于污染物擴散。
表4 主要空氣污染物與氣象條件的相關性
本研究使用駐馬店市2020 年12 月1 日至2021年11月30日主要大氣污染物質(zhì)量濃度及同期幾種氣象要素、氣象條件要素逐日數(shù)據(jù),對駐馬店市空氣污染變化規(guī)律及與氣象條件的相關性進行研究,得到以下幾點結(jié)論。
①駐馬店市空氣質(zhì)量以二級為主,一級次之,整體空氣質(zhì)量較好。
②空氣質(zhì)量有明顯的季、月變化特征,空氣質(zhì)量最好的是夏季,最差的是冬季;PM2.5、NO2和PM10濃度變化呈“U”型分布特征,冬季質(zhì)量濃度最大,夏季質(zhì)量濃度最??;O3質(zhì)量濃度變化與其他3 種污染物相反,呈倒“U”型分布,夏季質(zhì)量濃度最大,冬季質(zhì)量濃度最小。
③O3質(zhì)量濃度與降水量和風速呈負相關,與氣溫呈正相關;PM2.5質(zhì)量濃度與降水量、氣溫、風速呈負相關;空氣質(zhì)量AQI與降水量、氣溫、風速也呈負相關,且均通過顯著性檢驗。
④O3質(zhì)量濃度與邊界層高度、通風量呈負相關關系,其中與通風量的相關性通過顯著性水平α=0.1 的相關性檢驗,與邊界層高度的相關性未通過檢驗,PM2.5含量與邊界層高度和通風量均呈負相關關系,均通過顯著性水平α=0.01的相關性檢驗。