文 雯，李國(guó)平，2*，謝 娜，張?zhí)裨?/p>

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225；2.氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；3.四川省氣象局，四川 成都610072；4.成都市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川 成都 610031）

空氣質(zhì)量狀況的優(yōu)劣，可直接影響到人體健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人類活動(dòng)不斷增加的能源消耗，使得空氣中污染物的排放總量不斷增加，污染范圍不斷擴(kuò)大，引起人們對(duì)環(huán)境大氣保護(hù)問(wèn)題日益重視?？諝赓|(zhì)量指數(shù)[1]（AQI）是2012年3月國(guó)家發(fā)布的新空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，AQI將一次氣態(tài)污染物NO2、SO2、CO，二次氣態(tài)污染物O3，顆粒污染物PM2.5、PM10這6項(xiàng)污染監(jiān)測(cè)物以統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)加以呈現(xiàn)。AQI數(shù)據(jù)每小時(shí)更新一次，其中PM2.5、PM10是形成霾天氣的重要微顆粒物，而一次氣態(tài)污染物是這種微顆粒物的主要來(lái)源。

目前，針對(duì)我國(guó)霧霾天氣頻發(fā)且污染程度較嚴(yán)重的區(qū)域，如京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等地區(qū)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)這些區(qū)域霧霾天氣進(jìn)行了不少分析。Boynard A等[2]使用IASI（紅外大氣探測(cè)干涉儀）對(duì)華北地區(qū)的北京、天津、河北省三地冬季的空氣污染進(jìn)行探測(cè)分析，認(rèn)為靜穩(wěn)大氣條件和人為污染源的大量排放會(huì)造成大氣污染物濃度的升高；Li等[3]分析了珠江三角洲地區(qū)霧霾發(fā)生的特征及其形成機(jī)制，認(rèn)為低大氣邊界層高度不利于空氣污染物的擴(kuò)散，同時(shí)相對(duì)濕度通過(guò)氣溶膠直徑吸濕性增長(zhǎng)而在霧霾的形成中起關(guān)鍵作用；Ren等[4]研究了北京市2016、2017年冬季霧霾發(fā)生過(guò)程中大氣邊界層中的湍流特征以及氣溶膠濃度與大氣霧霾的關(guān)系，得出風(fēng)速與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，在未受污染的（清潔）天氣過(guò)程中湍流動(dòng)能較大，但在重霧霾污染天氣過(guò)程中湍流動(dòng)能較??；趙金霞等[5]分析了天津市濱海新區(qū)一次持續(xù)重度霧霾天氣過(guò)程及其成因，認(rèn)為接地逆溫層的形成和污染物濃度是持續(xù)重度霧霾產(chǎn)生的關(guān)鍵條件。水汽是影響天氣變化的關(guān)鍵要素，也是導(dǎo)致霾天氣發(fā)生的重要外因，近年來(lái)，已有針對(duì)北京、深圳、湖北和廣州等地城市空氣質(zhì)量及其與水汽關(guān)系的研究。王勇等[6-9]人利用GPS水汽數(shù)據(jù)分析了北京大氣水汽與霧霾天氣及其PM2.5、PM10的關(guān)系；柳林濤等[10]人開展了北京地區(qū)探空水汽與氣態(tài)污染物相關(guān)性的研究。

目前中國(guó)有4個(gè)灰霾天氣頻發(fā)、危害較嚴(yán)重的地區(qū)[11]，分別為京津冀地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)及四川盆地。國(guó)內(nèi)對(duì)空氣質(zhì)量及其與水汽關(guān)系的研究當(dāng)前主要集中在北京、上海和廣州等特大城市，而對(duì)我國(guó)西部中心城市（如成都）空氣質(zhì)量與水汽關(guān)系的研究還很少。成都是中國(guó)西部重要的工業(yè)城市和交通樞紐，近些年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展以及城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，成都地區(qū)重度霧霾（污染）天氣事件頻發(fā)，不僅影響人們的交通出行和日常生活，更嚴(yán)重的是威脅到人體健康，引發(fā)多種呼吸道疾?。ㄈ缰夤苎?、哮喘、鼻炎等）、肺病和心臟病。

成都地處位于四川盆地西部的成都平原，四周高山環(huán)繞，冷空氣不易侵入，大氣擴(kuò)散條件差，靜風(fēng)、小風(fēng)出現(xiàn)的概率高，年平均風(fēng)速僅為1.2 m/s。加之天空多云，日照時(shí)間短，常年多霧，空氣濕度大，使得成都在這種特殊的地形和氣象條件下不利于大氣污染物擴(kuò)散、稀釋，霧霾天氣頻發(fā)，成為中國(guó)西部空氣污染較為嚴(yán)重的城市[12]。對(duì)該地區(qū)空氣質(zhì)量狀況及其與大氣水汽的關(guān)系進(jìn)行分析，可為全面認(rèn)識(shí)四川盆地霧霾天氣的成因，提高空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警水平以及采取工程手段減輕空氣污染提供科學(xué)依據(jù)。本文利用成都市2015年的AQI數(shù)據(jù)，結(jié)合同期氣象探空資料計(jì)算大氣水汽總量（可降水量），區(qū)分季節(jié)和污染物類型來(lái)分析環(huán)境空氣質(zhì)量的季節(jié)和月變化特征，重點(diǎn)分析AQI與可降水量的關(guān)系，期望能夠深化認(rèn)識(shí)影響環(huán)境空氣質(zhì)量的氣象因子及其作用，對(duì)保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境、科學(xué)有效地調(diào)控和治理大氣污染有所裨益。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所用的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）來(lái)源于成都市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的大石西路、君平街、金泉兩河、梁家巷、三瓦窯、沙河鋪、十里店、靈巖山等8個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，包括2015年1月1日—2015年12月31日這8個(gè)站點(diǎn)逐小時(shí)的AQI（表1）和PM10、PM2..5、SO2、O3（8 h）、NO2、CO的濃度和分指數(shù)。霾天數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)自成都市溫江區(qū)國(guó)家氣候觀象臺(tái)（溫江站）每日14時(shí)（北京時(shí)，下同）的地面觀測(cè)值。

實(shí)況降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自于溫江站點(diǎn)每日24 h降水（08—08時(shí)），計(jì)算大氣水汽時(shí)使用了溫江站2015年逐日08、20時(shí)的L波段探空資料[13]，包括氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速及風(fēng)向等。

1.2 方法

目前，我國(guó)一般以空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）來(lái)評(píng)價(jià)每日的空氣質(zhì)量狀況，按AQI大小將空氣質(zhì)量劃分為5級(jí)，值域?yàn)?～500。

本文大氣水汽總量（可降水量）基于上述探空數(shù)據(jù)采用探空水汽計(jì)算方法[14]獲得。結(jié)合成都市年、季、月的AQI質(zhì)量變化特征，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)成都市空氣質(zhì)量與大氣水汽的關(guān)系進(jìn)行Pearson 分析[15]。

2 空氣質(zhì)量分析

2.1 空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 成都空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)間分布特征

成都市周邊地形比較封閉，龍泉山脈和邛崍山脈分別位于城區(qū)東西兩側(cè)，盆地地形和靜、小風(fēng)的不利氣象條件，使得成都地區(qū)污染物濃度較高。2015年成都市出現(xiàn)灰霾天氣79 d，占全年天數(shù)的21.6%，冬季霾天數(shù)最多（31 d），秋季（25 d）和春季（13 d）次之，夏季霾天數(shù)最少（10 d）。單日AQI最高值為308（表2），已達(dá)到嚴(yán)重污染級(jí)別。

表2 成都市空氣質(zhì)量指數(shù)

2015年成都市AQI的季節(jié)分布大致呈現(xiàn)“波動(dòng)型”，其中冬季出現(xiàn)最高峰（圖1）。春季，由于近地面氣溫回升，3月降水較少，造成3月AQI值高出其他春季月份，4、5月降水開始增多，AQI總體有一定幅度下降，但由于此季節(jié)冷暖空氣處于拉鋸階段，不排除某些時(shí)段AQI“回潮”又會(huì)出現(xiàn)峰值的情況。夏季，6—7月由于氣溫升高，城市出現(xiàn)“熱島效應(yīng)”并逐漸加強(qiáng)，使得城區(qū)氣壓降低，低層空氣逐步向市區(qū)內(nèi)輻合，容易產(chǎn)生污染物的水平方向堆積，7月位于AQI波峰，但同時(shí)熱對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)又有利于垂直擴(kuò)散，使得AQI值不致于很高；8月降水也較多，雨水有利于降低污染物濃度，因此夏季空氣質(zhì)量多為“優(yōu)”或“良”等級(jí)，AQI值維持在全年較低水平。秋季，9月汛期結(jié)束，降水減少，靜穩(wěn)天氣增多，污染物濃度開始回升，AQI轉(zhuǎn)為增高。尤其是10月降水過(guò)程較少，因此AQI值達(dá)到冬季來(lái)臨前的一次峰值。冬季，氣壓高，空氣溫度低，降雨量少，逆溫層、靜穩(wěn)天氣頻現(xiàn)，這些氣象條件皆不利于空氣污染物擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較差，AQI維持在全年最高水平。

2.1.2 成都空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別分布比例

成都市2015年環(huán)境空氣質(zhì)量級(jí)別中良級(jí)別出現(xiàn)頻率最高（圖2），達(dá)到51.11%；其次是輕度污染（20.56%），嚴(yán)重污染日數(shù)出現(xiàn)的比例最低（0.28%）。

成都市2015年AQI單日最大值出現(xiàn)在冬季（308），較秋季最高值（175）高較多，夏季（129）比春季（174）略低。不同的污染等級(jí)在全年以及四季所占比例也有差異（表3）。良級(jí)別出現(xiàn)頻率最高（51.11%），其次是輕度污染（20.56%）和優(yōu)等級(jí)（17.78%），中度污染（5.83%）和重度污染（4.44%）出現(xiàn)程度占全年比例較低，嚴(yán)重污染日數(shù)出現(xiàn)的比例最低（0.28%）,嚴(yán)重污染、重度污染占比在冬季分別為1.2%、18.6%，其他季節(jié)沒(méi)有出現(xiàn)；中度污染在夏季沒(méi)有出現(xiàn)，冬季出現(xiàn)最多（14.0%），春季次之（6.5%），秋季最少（3.3%）；輕度污染日數(shù)比例在春季最多（33.7%），冬季（22.1%）其次，秋季（16.5%）次之，夏季最少（9.9%）?？諝赓|(zhì)量出現(xiàn)良的日數(shù)比例的順序?yàn)橄募荆?3.6%）＞秋季（47.3%）＞春季（46.7%）＞冬季（36.0%）；空氣質(zhì)量出現(xiàn)優(yōu)的日數(shù)比例順序是秋季（33.0%）＞夏季（16.5%）＞>春季（13.0%）＞冬季（8.1%）。總體來(lái)看，成都市各季空氣質(zhì)量為出現(xiàn)良的日數(shù)最多；春季是輕度污染、優(yōu)的等級(jí)出現(xiàn)次多，整體空氣質(zhì)量較好；夏季是優(yōu)、輕度污染等級(jí)出現(xiàn)次多，整體空氣質(zhì)量狀況好于春季；秋季是優(yōu)、輕度污染等級(jí)出現(xiàn)次多，整體空氣質(zhì)量狀況較夏季有所下降；冬季是重度、輕度污染等級(jí)出現(xiàn)最多，空氣質(zhì)量狀況在四季中最差。

圖1 成都2015年逐日AQI、月均PWV與月降水量的時(shí)間變化

圖2 各級(jí)別空氣質(zhì)量日數(shù)的年占比

表3 全年及各季不同污染級(jí)別所占比例

2.1.3 首要污染物

首要污染物[16]指計(jì)算AQI的過(guò)程中得出的空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）最大的一種污染物（AQI>50）。成都市2015年首要污染物按出現(xiàn)天數(shù)排序依次是PM2.5>O3（8 h）>PM10>NO2（表4），PM2.5作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)是143 d，占AQI＞50 d數(shù)的43.60%；O3（8 h）作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)是104 d，占AQI>50 d數(shù)的31.71%；PM10是46 d，占 AQI>50 d數(shù)的 14.02%；NO2是 35 d，占 AQI>50 d數(shù)的10.67%，SO2和 CO 沒(méi)有成為首要污染物。1、2、3、10、11、12月的首要污染物出現(xiàn)頻率最高的是PM2.5；4—8月首要污染物出現(xiàn)頻率最高的是O3（8 h），9月則是NO2。成都秋冬季多靜穩(wěn)天氣，靜風(fēng)比例大（69%），顆粒物不易擴(kuò)散，容易成為首要污染物；春夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，O3（8 h）容易超標(biāo)，在強(qiáng)光照、高溫的午后時(shí)段（14—16時(shí)），臭氧濃度通常較高。臭氧超標(biāo)的主要原因是充足的日照時(shí)間，并且當(dāng)時(shí)的氣象條件有利于發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而形成臭氧，臭氧濃度必然增大[17]。因此，春、夏季臭氧容易超標(biāo)，其中以夏季最為嚴(yán)重，O3（8 h）會(huì)逐漸替代顆粒污染物，成為首要污染物（表4）。

表4 2015年成都市年內(nèi)各月首要污染出現(xiàn)天數(shù)/d

3 大氣水汽與空氣質(zhì)量的相關(guān)性

大氣柱中總量約99%的水汽都位于10～12 km以下，約75%的水汽在4 km以下，50%的水汽聚集在2 km以下[18]。成都處于青藏高原東側(cè)的四川盆地，受青藏高原及盆地地形的影響，水汽含量高、降水充沛，空氣濕潤(rùn)，降水的日變化（巴山夜雨）[19]和季節(jié)變化（華西秋雨）[20]特征明顯。

3.1 春、夏季大氣水汽與臭氧的關(guān)系

近地面O3是由其前體物經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)光照發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而形成的二次污染物，其濃度過(guò)高會(huì)危害到人體健康和城市生態(tài)系統(tǒng)，甚至還會(huì)惡化城市環(huán)境，造成光化學(xué)煙霧污染。城市中臭氧（O3）過(guò)高的原因，一方面是氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物在空氣中進(jìn)行復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)而形成；另一方面，與高溫、強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射等氣象外部條件有關(guān)[21]。臭氧為二次污染物，其產(chǎn)生不僅與其前體物的轉(zhuǎn)化有關(guān)，同時(shí)與氣象條件也密切相關(guān)。氣象條件通過(guò)臭氧周圍環(huán)境影響其形成及轉(zhuǎn)化，從而引起臭氧濃度的變化。日O3（8 h）超過(guò)160 ug/m3時(shí)，則判定為出現(xiàn)臭氧污染[22]。成都2015年春季有21 d出現(xiàn)臭氧污染，夏季共有40 d出現(xiàn)臭氧污染。

圖3 成都市2015年春、夏季各月PWV與O3（8 h）濃度的比較

圖3為2015年成都市O3（8 h）濃度和大氣可降水量（Precipitable Water Vapor，PWV）的比較，表 5為成都市春、夏季PWV與O3（8 h）濃度相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。2015年3、4月沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，5、6月通過(guò)了0.1水平上的顯著性檢驗(yàn)，7、8月通過(guò)了0.01水平上的顯著性檢驗(yàn)。因此，夏季O3濃度與PWV的相關(guān)性明顯大于春季，可能是由于夏季光照強(qiáng)（日均日照時(shí)間為4.8 h），O3濃度大（季節(jié)平均值為149.68 ug/m3），大氣中水汽含量充沛（PWV季節(jié)平均值為46.74 mm），水汽的光化學(xué)分解反應(yīng)和O3的分解反應(yīng)更為迅速。同時(shí)，春季太陽(yáng)輻射較弱（日均日照時(shí)間為3.7 h），O3濃度較?。竟?jié)平均值為120.79 ug/m3），但由于春季可降水量較?。≒WV季節(jié)平均值為27.39 mm），導(dǎo)致O3濃度與水汽的相關(guān)性不如夏季顯著。

結(jié)合表5和圖3，得出成都市2015年P(guān)WV與臭氧濃度的關(guān)系為：春、夏季，大氣水汽（PWV）與臭氧（O3）濃度的變化呈負(fù)相關(guān)。因?yàn)橐环矫嫠饣瘜W(xué)分解可以產(chǎn)生較多與 O3、O結(jié)合的活性基（如H、OH等），將臭氧分解成氧分子，降低臭氧濃度，使臭氧濃度與水汽的變化呈負(fù)相關(guān)；另一方面臭氧與有機(jī)物相互作用產(chǎn)生微顆粒需要水汽，當(dāng)水汽較多時(shí)，O3易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而O3濃度下降。而當(dāng)水汽較少時(shí)，缺乏水汽的幫助，O3難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而觀測(cè)到的O3濃度較高[23]。

表5 成都市2015年春、夏季PWV與O3（8 h）濃度相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 秋、冬季大氣水汽與顆粒污染物的關(guān)系

成都市秋冬季發(fā)生霾天氣的頻率較高（圖1）。根據(jù)水汽資料結(jié)合PM2.5/PM10觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇秋冬季進(jìn)行地面大氣可降水量與PM2.5/PM10的比較（圖4、圖5），表 6為秋冬季 PWV與PM2.5/PM10濃度相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)圖4、圖5并結(jié)合表6可知：PWV與PM2.5/PM10濃度在變化趨勢(shì)上基本保持一致，呈現(xiàn)正相關(guān)特性，即大氣水汽總量的增大對(duì)應(yīng)PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的上升。這是因?yàn)椋核欣谝恍┮淮挝廴疚锱c大氣中某些物質(zhì)反應(yīng)后生成二次污染顆粒。其次，水汽能促進(jìn)有機(jī)物與臭氧發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的屬于PM2.5/PM10的微顆粒。此外，1、10、11月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，2、9、12月則沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，可能與其他氣象因素（如華西秋雨、冬季冷空氣入侵較多）對(duì)PM2.5/PM10顆粒物濃度的影響有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。在1月和10月，PWV與PM2.5濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在0.01水平上顯著正相關(guān)，是水汽對(duì)PM2.5濃度變化影響較大的時(shí)段。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)代表四川盆地西部的成都市2015年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和L波段探空水汽資料，重點(diǎn)研究了成都市空氣質(zhì)量的基本特征及其與大氣水汽的關(guān)系，得到：成都市單日AQI最高值可達(dá)308，空氣質(zhì)量狀況冬季最差，夏季最好，各季出現(xiàn)良的等級(jí)頻率最高。1—3月、10—12月首要污染物出現(xiàn)頻率最高的是PM2.5；4—8月首要污染物出現(xiàn)頻率最高的是O3（8 h），9月首要污染物出現(xiàn)頻率最高的是NO2。春、夏季，PWV與O3（8 h）質(zhì)量濃度在5—8月呈顯著負(fù)相關(guān)，夏季水汽對(duì)臭氧濃度的變化影響更大；而在秋、冬季，PWV與PM2.5/PM10質(zhì)量濃度變化在1月、10—11月呈顯著正相關(guān)，1、10月是水汽對(duì)PM2.5/PM10質(zhì)量濃度影響較大的月份。

從新一代探空水汽資料、O3質(zhì)量濃度和PM2.5/PM10質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)上初步探討了空氣質(zhì)量與水汽總量的關(guān)系。不同天氣形勢(shì)下大氣水汽對(duì)AQI的影響存在明顯差異，氣象因子與大氣環(huán)境質(zhì)量在日變化、特定季節(jié)變化的統(tǒng)計(jì)關(guān)系以及物理成因都是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

表6 成都市2015年秋、冬季PWV與PM2.5/PM10濃度相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4 成都市2015年秋、冬季各月PWV與PM2.5濃度比較

圖5 成都市2015年秋、冬季各月PWV與PM10濃度比較