孫語(yǔ)茉　張建

摘 要 本文采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)上海市2013年3月2014年2月PM2.5濃度及同時(shí)段的氣象因素進(jìn)行相關(guān)分析，分季節(jié)建立回歸模型，得出上海市春夏季PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)，在秋季10月份開始上升，于冬季12月份濃度達(dá)到最大值。春季PM2.5濃度的主要影響氣象因素為氣壓和相對(duì)濕度，夏季為降雨量和風(fēng)速，秋季為相對(duì)濕度，冬季為氣溫。

關(guān)鍵詞 PM2.5濃度 氣象因素 相關(guān)性 主成分分析 回歸

中圖分類號(hào)：X16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.01.077

Abstract In this paper， the method of statistical analysis in Shanghai in March 2013 February 2014 PM2.5 concentrations and meteorological factors simultaneously segment correlation analysis， regression models by season， spring and summer come to Shanghai PM2.5 concentration decreased， began to rise in the autumn in October， in the winter in December reached a maximum concentration. The main factors affecting the weather in the spring PM2.5 concentrations for barometric pressure and relative humidity in summer rainfall and wind speed， relative humidity fall， winter temperatures.

Key words PM2.5 concentrations； meteorological factors； correlation； principal component analysis； return

0 引言

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物。研究表明由于PM2.5顆粒直徑小且表面積大，易攜帶大量工業(yè)廢氣等有毒有害物質(zhì)，對(duì)空氣質(zhì)量造成重要影響；且能夠穿過(guò)鼻毛的過(guò)濾作用，經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體肺組織深處，導(dǎo)致支氣管炎和心血管病等發(fā)病率增加，對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。①

莊國(guó)順等在研究細(xì)顆粒物PM2.5和總懸浮顆粒物TSP的離子化學(xué)的結(jié)果表明，上海市PM2.5的主要成分是硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽和黑炭。二次氣溶膠、礦物、工業(yè)和交通排放是上海大氣顆粒物污染的主要來(lái)源，并且氣候因素也是上海市PM2.5濃度的重要影響因素。②

為深入了解上海市氣象因素與PM2.5濃度的相關(guān)關(guān)系，本文對(duì)2013年3月～2014年2月上海市空氣中PM2.5濃度數(shù)據(jù)以及同期氣象因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析研究，并針對(duì)不同的氣象條件給出上海控制PM2.5污染狀況的建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

上海氣候四季分明，各季節(jié)氣象條件有著顯著差別，因而不同季節(jié)下氣象條件對(duì)上海PM2.5濃度的影響不同。本文采取氣象劃分法對(duì)季節(jié)進(jìn)行劃分——陽(yáng)歷3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月來(lái)～年2月為冬季，分別研究各個(gè)季節(jié)內(nèi)PM2.5濃度的變化特征與氣溫、氣壓、降雨量、相對(duì)濕度和風(fēng)速五個(gè)氣象因素的相關(guān)性。

從“PM2.5監(jiān)測(cè)網(wǎng)”中，選取2013年3月～2014年2月一整年上海市十個(gè)國(guó)控點(diǎn)每天每小時(shí)的PM2.5連續(xù)自動(dòng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中對(duì)于有缺失的數(shù)據(jù)采取線性內(nèi)插法進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)通過(guò)“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”獲得2013年3月～2014年2月上海市每天五個(gè)氣象條件——?dú)鉁?、氣壓、降雨量、相?duì)濕度和風(fēng)速的平均指標(biāo)值。

1.2 研究方法

首先對(duì)上海市PM2.5的總體污染情況進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而對(duì)上海市十個(gè)國(guó)控點(diǎn)PM2.5濃度變化進(jìn)行一致性和差異性分析，簡(jiǎn)要得出造成上海市不同區(qū)域PM2.5濃度不同的原因。其次，采用主成分分析和回歸分析法建立因子（主氣象因子）與PM2.5濃度的回歸方程，得出不同季節(jié)下，對(duì)于PM2.5濃度影響最重要的氣象因子以及二者之間的相關(guān)性。

2 上海市PM2.5污染情況

2.1 上海市PM2.5平均濃度

通過(guò)對(duì)2013年～2014年上海市九個(gè)國(guó)控點(diǎn)（青浦淀山湖監(jiān)控站是國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量對(duì)照點(diǎn)，所采集的數(shù)據(jù)未計(jì)入平均值，只是作為參考和對(duì)照，故該站點(diǎn)的PM2.5濃度未納入統(tǒng)計(jì)中）PM2.5年均值濃度、年最值濃度、年最高值所在月份的統(tǒng)計(jì)，得出上海市九個(gè)國(guó)控點(diǎn)PM2.5年均濃度的平均值為58.6764，年均濃度的變化范圍為5.21～473.30。濃度變化范圍較大，并且各個(gè)站點(diǎn)PM2.5年最高濃度均在冬季內(nèi)（11月或12月）達(dá)到。

我國(guó)PM2.5標(biāo)準(zhǔn)采用世界衛(wèi)生組織設(shè)定的最寬限值，《標(biāo)準(zhǔn)》中PM2.5年均值和日均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別定為0.035和0.075。③相對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)，在所采集的一年內(nèi)，上海市各個(gè)站點(diǎn)PM2.5的年均濃度均出現(xiàn)超標(biāo)情況，甚至最高的濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的11.6倍。由此可以看出，上海市空氣質(zhì)量情況不容樂(lè)觀。

2.2 PM2.5濃度變化趨勢(shì)一致性

通過(guò)對(duì)上海市十個(gè)國(guó)控點(diǎn)PM2.5月均濃度變化做折線圖，發(fā)現(xiàn)上海市十個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM2.5總體變化趨勢(shì)一致。春夏季PM2.5濃度較小，呈下降趨勢(shì)，自秋季10月，PM2.5濃度急劇上升，在冬季12月份達(dá)到最高后開始下降，至2014年2月降低至正常水平。

每小時(shí)公布一次的PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，加上氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水以及風(fēng)速在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，以及空氣的流動(dòng)性，導(dǎo)致站與站之間空氣質(zhì)量的差異性不大，很快具有一致性。通過(guò)對(duì)上海市各站點(diǎn)PM2.5月均濃度計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)，得出每?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)間的Pearson相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，由此認(rèn)為上海市各區(qū)域空氣污染程度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

2.3 國(guó)控點(diǎn)地理位置差異性

目前，經(jīng)環(huán)境保護(hù)部認(rèn)定的十個(gè)國(guó)控點(diǎn)，雖然不是每一個(gè)城區(qū)都有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但約20平方公里就一個(gè)，并且它們都位于城市化程度比較高的中心城區(qū)，人口集中、活動(dòng)強(qiáng)度較大，因此九個(gè)國(guó)控點(diǎn)基本能反映城市的空氣質(zhì)量狀況。④而青浦淀山湖監(jiān)測(cè)站是環(huán)境空氣質(zhì)量對(duì)照點(diǎn)，所采集的數(shù)據(jù)只是作為參考和對(duì)照。參照上海市國(guó)控點(diǎn)空間分布圖，可以認(rèn)為這個(gè)布局基本合理，所反映的PM2.5濃度具有代表性。

2.4 國(guó)控點(diǎn)PM2.5濃度差異性

根據(jù)月均濃度變化折線圖，發(fā)現(xiàn)青浦淀山湖、靜安監(jiān)測(cè)站、徐匯上師大、普陀監(jiān)測(cè)站和盧灣師專附小這五個(gè)站點(diǎn)的PM2.5濃度相對(duì)較高。

從2013年10月開始，青浦淀山湖對(duì)照點(diǎn)PM2.5濃度異常高，上升得十分陡峭。這是由于上海臨海，淀山湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻繁受到海陸風(fēng)影響，不斷將市區(qū)和周邊區(qū)域的污染物推送至這里。其次，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)離湖僅一公里，水面附近濕度偏高，小顆粒污染物容易粘附水汽，霧霾相對(duì)較多。這些因素均可能造成淀山湖PM2.5濃度偏高。⑤

靜安監(jiān)測(cè)站、徐匯上師大、普陀監(jiān)測(cè)站和盧灣師專附小這四個(gè)國(guó)控點(diǎn)都位于居民密集居住區(qū)和交通繁忙區(qū)，居民、飯店眾多，道路密集，車流量較大，其地理環(huán)境具有商業(yè)、居民和交通的混合性。因此這四個(gè)國(guó)控點(diǎn)受生活油煙排放、機(jī)動(dòng)車尾氣排放和揚(yáng)塵的影響，導(dǎo)致PM2.5濃度較高。

2.5 季節(jié)差異性

通過(guò)對(duì)PM2.5濃度變化趨勢(shì)一致性分析，自10月份，十個(gè)國(guó)控點(diǎn)的PM2.5濃度均開始大幅度提升，冬季12月份濃度達(dá)到最高，多個(gè)國(guó)控點(diǎn)PM2.5小時(shí)濃度超過(guò)500。其實(shí)，上海沒(méi)有冬季取暖，一年中的污染不應(yīng)有明顯變化，但是卻出現(xiàn)了秋冬季PM2.5濃度較高，春夏季濃度相對(duì)較低的現(xiàn)象。并且根據(jù)有關(guān)研究，PM2.5濃度變化的確與季節(jié)有關(guān)，對(duì)人體健康危害較大的Pb、As、Cu、Cr等元素濃度的極大值往往出現(xiàn)在冬季，所以冬季是PM2.5顆粒含量較高的季節(jié)。⑥因而上海呈現(xiàn)PM2.5季節(jié)差異性。

3 統(tǒng)計(jì)模型

先用主成分分析法在氣溫、氣壓等五個(gè)可測(cè)氣象變量中找出具有顯著影響效力的非可測(cè)氣象因子；再用回歸分析法研究PM2.5濃度與這些氣象因子的倚變關(guān)系，建立回歸模型，進(jìn)而將回歸模型中的自變量還原為原始?xì)庀笠蛩?，?duì)PM2.5濃度的變化進(jìn)行解釋。為了去除各個(gè)氣象變量因計(jì)量單位不同可能對(duì)研究結(jié)果造成的影響，先對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示氣象數(shù)據(jù)和PM2.5數(shù)據(jù)均為正態(tài)分布。此外，對(duì)氣象數(shù)據(jù)做了Bartlett球形檢驗(yàn)，P值小于0.01，適宜做主成分分析。

3.1 春季

（1）主成分分析。對(duì)五個(gè)氣象因素（氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)速）進(jìn)行主成分分析，得到相關(guān)矩陣方差貢獻(xiàn)率。前三個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.50%，可以認(rèn)為選擇前三個(gè)因子可以較好地反映數(shù)據(jù)的信息。根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣可以得到各個(gè)因子表達(dá)式：

1 = + +

2 = + +

3 = +

（2）回歸分析。將提取出的因子、、和PM2.5濃度進(jìn)行回歸分析，第一、二因子回歸系數(shù)通過(guò)檢驗(yàn)，而第三因子的回歸系數(shù)未通過(guò)檢驗(yàn)。刪去第三因子后可以得到因子回歸模型：

= +

將因子表達(dá)式代入上式，得到最終模型：

= +

（3）模型檢驗(yàn)?；貧w模型的統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的概率值<.0001，說(shuō)明該模型有顯著的統(tǒng)計(jì)意義；、的檢驗(yàn)值分別為<.0001和0.0003，表明按給定的顯著性水平模型中、具有顯著性意義；回歸模型的標(biāo)準(zhǔn)化殘差的絕對(duì)值最大為0.4397，沒(méi)有超過(guò)默認(rèn)值3；同時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)P-P圖也可以發(fā)現(xiàn)殘差具有正態(tài)分布的趨勢(shì)，因此可以認(rèn)為這個(gè)因子回歸分析模型是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

（4）模型分析。從最終建立的模型可以分析出，相對(duì)其他幾個(gè)氣象因素，春季PM2.5濃度與氣壓和相對(duì)濕度呈現(xiàn)較顯著的相關(guān)關(guān)系，其中與氣壓呈負(fù)相關(guān)，與相對(duì)濕度呈正相關(guān)。

一般地，氣壓與PM2.5濃度具有負(fù)相關(guān)性。這是由于在低氣壓場(chǎng)天氣形勢(shì)下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)靜風(fēng)現(xiàn)象，而且多有低云阻擋垂直擴(kuò)散，這就間接造成了空氣中污染物不易擴(kuò)散并逐步積累，PM2.5濃度增大；而強(qiáng)高壓天氣PM2.5易向外和向上走向高空擴(kuò)散，PM2.5濃度較小。

相對(duì)濕度與PM2.5濃度呈正相關(guān)性。因?yàn)橄鄬?duì)濕度大，大氣顆粒物能吸收更多的水分子，凝聚增重粒徑變大，污染物不易擴(kuò)散。當(dāng)空氣中水汽多但是為非降水天氣時(shí)，空氣中的水汽可以使PM2.5在空氣中停留，造成污染增大；當(dāng)出現(xiàn)降水天氣時(shí)，降水將大氣中的污染物夾帶、溶解或沖刷下來(lái)，使污染物濃度降低。上述回歸方程得出的結(jié)論符合一般規(guī)律。

3.2 夏季

類似地，通過(guò)對(duì)夏季數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將提取出的因子、、和PM2.5濃度進(jìn)行因子回歸分析，發(fā)現(xiàn)第一、二因子的回歸系數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)有顯著意義，可以得到回歸模型。再將因子表達(dá)式代入，即可得到最終模型：

= +

從最終建立的模型中可以分析出，相對(duì)其他幾個(gè)氣象因素來(lái)說(shuō)，夏季PM2.5的濃度與降雨量和風(fēng)速呈現(xiàn)較顯著的相關(guān)關(guān)系，其中與降雨量呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈正相關(guān)。

通過(guò)對(duì)下雨天的統(tǒng)計(jì)，上海市一年中共降雨122天，其中夏季降雨最多為39天。降雨時(shí)，大氣細(xì)粒子由于降水的沖刷而隨雨水降落到地面，另外部分細(xì)粒子可以用于使云凝結(jié)和雨滴凝結(jié)，因此雨水對(duì)于細(xì)粒子的清除作用非常顯著；降雨過(guò)后，溫度降低也是使PM2.5濃度保持穩(wěn)定低值的原因之一。

風(fēng)速的大小決定了對(duì)污染物沖淡稀釋作用的大小。據(jù)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，如果在沙塵天氣下，PM2.5濃度在風(fēng)速為15km/h時(shí)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，即風(fēng)速小于15km/h時(shí)對(duì)污染物擴(kuò)散具有稀釋作用，PM2.5濃度隨風(fēng)速的增大而降低；當(dāng)風(fēng)速大于15km/h時(shí)地面起塵會(huì)使污染更嚴(yán)重，PM2.5濃度隨風(fēng)速的增大而升高。⑦在對(duì)上海市四個(gè)季節(jié)平均風(fēng)速和PM2.5濃度描繪的散點(diǎn)圖中，也證實(shí)了這一結(jié)論。通過(guò)對(duì)上海市風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)，夏季有16天風(fēng)速大于15km/h，其余76天風(fēng)速均小于等于15km/h，但是在夏季PM2.5與風(fēng)速呈正相關(guān)，因此可以認(rèn)為在夏季PM2.5的濃度還受其他因素的共同影響。

3.3 秋季

采用同樣方法，得到最終模型為：

= + +

從模型可以分析出，相對(duì)其它幾個(gè)氣象因素，秋季PM2.5濃度與相對(duì)濕度呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系，原因與春季相同。

3.4 冬季

最終模型為：

= + +

可以分析出，相對(duì)其它幾個(gè)氣象因素，冬季PM2.5濃度與溫度呈現(xiàn)較顯著的正相關(guān)關(guān)系。

上海市在2013～2014一年中冬季氣溫變化區(qū)間為-0.118，冬季氣溫偏暖，風(fēng)速較小，降雨少，大氣擴(kuò)散條件差，能夠造成PM2.5濃度升高，因而冬季PM2.5濃度與溫度呈正相關(guān)。同時(shí)12月份至次年1月份是新年、春節(jié)期間，燃放煙花爆竹更容易使空氣中污染物增加，PM2.5顆粒物濃度便會(huì)在冬季明顯上升。

在上面的研究過(guò)程中有時(shí)會(huì)有特殊情況出現(xiàn)，這說(shuō)明各種氣象因素的作用是多方面的綜合作用。而且PM2.5的濃度也和其他因素，例如人為的生活垃圾排放、工廠的大量污染物排放等各種無(wú)規(guī)律的特殊因素有關(guān)。

4 上海市控制PM2.5途徑

4.1 管理完善

目前，上海市已設(shè)立二十多個(gè)PM2.5監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并且十個(gè)國(guó)控點(diǎn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站能夠?qū)崟r(shí)發(fā)布PM2.5濃度數(shù)據(jù)，但是仍然有公布不及時(shí)和數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。有關(guān)部門應(yīng)該提高環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，在公開環(huán)境質(zhì)量信息方面繼續(xù)嚴(yán)格監(jiān)管，能夠使公眾免費(fèi)、方便獲取空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)，方便各個(gè)領(lǐng)域科研人士進(jìn)行研究，使其為上海市的環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)能夠貢獻(xiàn)出自己的力量，避免“心有余而數(shù)據(jù)不足”的現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 預(yù)報(bào)預(yù)警

短期來(lái)看，污染源排放的污染物總量基本不會(huì)變化。但在不利氣象條件下，污染物易累積會(huì)加重污染。建議上海市政府加大環(huán)境質(zhì)量信息公開的同時(shí)，在重污染日采取應(yīng)對(duì)措施，即參照各種氣象信息（例如臺(tái)風(fēng)、大雪等）發(fā)布預(yù)警機(jī)制，在重污染日不僅要向社會(huì)發(fā)布空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警，還要根據(jù)污染特征以及氣象因素的影響，有針對(duì)性地采取停止部分工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)、停止建筑施工土石方作業(yè)等污染減排措施。

4.3 預(yù)測(cè)提醒

春季中，如果氣象局可以預(yù)測(cè)到氣壓較低，相對(duì)濕度較高，則這一天PM2.5濃度很有可能較高，如果有風(fēng)，風(fēng)向能夠?qū)⒔紖^(qū)工廠、施工地的灰塵吹向市中心，那么PM2.5濃度一定會(huì)很大。因此，類似此方法并結(jié)合文中研究的各季節(jié)內(nèi)PM2.5濃度與氣象因子的很好的相關(guān)性，政府可以繼續(xù)深入研究，更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)出每一天的PM2.5濃度，在每日的天氣預(yù)報(bào)中進(jìn)行預(yù)測(cè)提醒，從而為上海市環(huán)境改善、人民健康出行提供有利的依據(jù)。

基金項(xiàng)目：本文章是2013年度“上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目”中201310273054《上海市各區(qū)域站點(diǎn)PM2.5的變化特征及其與氣象因素的相關(guān)性分析》創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的研究成果，經(jīng)費(fèi)來(lái)源由2013年度上海市大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目資助

注釋

① 滕博，王賀彬，汪雅芳等.細(xì)顆粒物（PM2.5）與呼吸系統(tǒng)疾病的關(guān)系及機(jī)制.中國(guó)實(shí)驗(yàn)診斷學(xué)，2014（2）.

② Y. Wang；G. S. Zhuang；X. Y. Zhang；K. Huang；C. Xu；A. H. Tang；J. M. Chen；Z. S. An.The ion chemistry；seasonal cycle；and sources of PM2.5 and TSP aerosol in Shanghai， Atmospheric Environment， 2006， 40（16）：2935-2952.

③ 新浪網(wǎng)http：//news.sina.com.cn/c/2011-11-17/034523478393.shtml.

④ 文新傳媒http：//www.news365.com.cn/xwzx/sh/201204/t20120407_348182. html.

⑤ 東方早報(bào)http：//www.dfdaily.com/html/63/2012/7/16/825175.shtml

⑥ 沈軼，陳立民，鄭志堅(jiān)等.上海市大氣PM2.5中Cu、Zn、Pb、As等元素的濃度特征.復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002.41（4）.

⑦ 廣州市PM2.5變化特征及影響因素研究 http：//wenku.baidu.com/view/3fc0 da75f242336c1eb95eeb.html.