蔡惠文,呂恩奇,陳欣昊,劉萍珠,鐘 鳴
(1.高陵區(qū)氣象局,陜西高陵 710200;2.藍(lán)田縣氣象局,陜西藍(lán)田 710500;3.西安市氣象臺(tái),西安 710016)
由于PM2.5粒徑較小,在大氣中停留時(shí)間較長且輸送距離遠(yuǎn),可對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。PM2.5表面可吸附病原微生物等有毒害物質(zhì),長期PM2.5暴露有誘發(fā)心腦血管[1]或肺部[2]疾病的危害。目前針對(duì)PM2.5的研究主要包括PM2.5的污染特征、時(shí)空變化特征、化學(xué)組成、源解析、氣象因素的影響[3]等。曹軍驥[4]等研究了我國 PM2.5污染現(xiàn)狀與控制對(duì)策,研究表明華北、華東、華中、華南及四川盆地區(qū)域是我國PM2.5的重污染區(qū)。劉晟東[5]等研究了中國典型城市群PM2.5污染特征研究進(jìn)展,分析了京津冀城市群、長三角城市群與川渝城市群 PM2.5組成與污染特征。王紅軍[6]等通過分析關(guān)中區(qū)域主要大氣污染物時(shí)空分布特征,發(fā)現(xiàn)2014—2018年P(guān)M2.5年平均質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢(shì)。張帆[7]等就砣磯島國家大氣背景站PM2.5化學(xué)組成及季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析。李云燕[8]總結(jié)分析了我國京津冀、長三角、珠三角三大區(qū)域PM2.5源解析的研究進(jìn)展。
高陵區(qū)位于關(guān)中平原腹地,地勢(shì)西北微高東南較低,南望秦嶺,北臨黃土高原,東南方向?yàn)轶P山山脈。北部易受裸露黃土影響,東南部受山體阻擋,大氣擴(kuò)散條件較為不利。隨著高陵經(jīng)濟(jì)發(fā)展,制造業(yè)基地建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,工業(yè)的快速發(fā)展加劇了大氣污染物排放。近年來,高陵區(qū)大氣污染事件頻發(fā),大氣污染物對(duì)人體健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及區(qū)域環(huán)境與氣候都有著重要影響,而氣象要素對(duì)大氣污染物的稀釋、擴(kuò)散以及輸入型污染的減少有著重要作用,因而研究大氣污染物特征及其與氣象要素的關(guān)系可為本地大氣污染的治理提供科學(xué)依據(jù)。本文利用西安市生態(tài)環(huán)境局高陵分局PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量指數(shù)資料及高陵區(qū)國家一般氣象站相關(guān)氣象資料,分析了PM2.5污染特征、質(zhì)量濃度變化特征,并通過相關(guān)分析方法分析了PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的關(guān)系,為空氣污染預(yù)報(bào)和服務(wù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。
資料選取2018年1月1日—2021年12月31日的月平均、日平均及小時(shí)平均的PM2.5質(zhì)量濃度、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速資料以及逐日空氣質(zhì)量指數(shù)。PM2.5日均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別來自西安市生態(tài)環(huán)境局高陵分局,數(shù)據(jù)均經(jīng)過國家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站審核和質(zhì)量控制。氣象要素?cái)?shù)據(jù)為高陵區(qū)國家一般氣象站(34°32′41″N,109°01′16″E)觀測(cè)資料(風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、降水、相對(duì)濕度等的日均值和小時(shí)值)。
2018年1月1日—2020年12月31日期間,由于儀器故障、儀器維護(hù)維修、停電等原因?qū)е赂吡陞^(qū)PM2.5質(zhì)量濃度44 d無數(shù)據(jù),有效數(shù)據(jù)日數(shù)為1 052 d。經(jīng)統(tǒng)計(jì),3 a來高陵區(qū)PM2.5日均質(zhì)量濃度平均值為61.34 μg/m3,其中超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中環(huán)境空氣污染物二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值(75.0 μg/m3) 的日數(shù)為282 d,超標(biāo)日均質(zhì)量濃度范圍為76.0~322.0 μg/m3,超標(biāo)率為26.8%。高陵區(qū)近3 a在不同等級(jí)污染天氣中首要污染物為PM2.5的累計(jì)日數(shù)見圖1。高陵區(qū)近3 a重度污染以上天氣累計(jì)日數(shù)達(dá)79 d,首要污染物PM2.5占比92.4%(73 d);中度污染天氣達(dá)60 d,首要污染物PM2.5占比91.7%(55 d);輕度污染天氣達(dá)275 d,首要污染物PM2.5占比49.8%(137 d)??傮w上污染天氣首要污染物為PM2.5的累計(jì)日數(shù)遠(yuǎn)超其他污染物,由此可見高陵區(qū)污染天氣的首要污染物為PM2.5。
圖1 2018—2020年高陵區(qū)在不同等級(jí)污染天氣中首要污染物為PM2.5的累計(jì)日數(shù)
PM2.5質(zhì)量濃度的月均值變化呈明顯的“U”型特征,11月至次年2月為高值時(shí)段,1月是污染最為嚴(yán)重的月份。以近3 a逐月PM2.5質(zhì)量濃度平均值做距平圖(平均值為近3 a PM2.5日均質(zhì)量濃度的均值),從距平圖來看(圖2a),11月至次年2月為正距平值,說明在此期間PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)較高,空氣污染較嚴(yán)重。其中,1月和2月的距平值較大,表明這兩個(gè)月污染最為嚴(yán)重。從各月PM2.5質(zhì)量濃度的變化范圍來看(圖2b),8月PM2.5質(zhì)量濃度的下四分位數(shù)(25%)和上四分位數(shù)(75%)之間跨度最小,這顯示8月PM2.5質(zhì)量濃度變化相對(duì)穩(wěn)定,PM2.5質(zhì)量濃度均值、中位數(shù)等也最小,說明8月空氣質(zhì)量相對(duì)較好。1月數(shù)據(jù)跨度最大,大致在29~316μg/m3之間,且1月PM2.5質(zhì)量濃度的均值、中位數(shù)最大,這說明1月PM2.5質(zhì)量濃度最高,空氣污染最嚴(yán)重,2月次之。
圖2 2018—2020年高陵區(qū)PM2.5月平均質(zhì)量濃度距平圖(a)及箱線圖(b)
PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化特征表現(xiàn)為冬春高、夏秋低,其中冬季平均質(zhì)量濃度最高(102.22 μg/m3),春季(49.89 μg/m3)次之,秋季(44.33 μg/m3)第三,夏季(26.44 μg/m3)最低。由于冬季取暖造成污染物排放量大,且靜風(fēng)高濕等穩(wěn)定天氣形勢(shì)影響,易導(dǎo)致污染物積累,顆粒物質(zhì)量濃度增高。夏季太陽輻射強(qiáng)烈,大氣擴(kuò)散條件好,其次降水較多,濕清除作用強(qiáng),有效降低了顆粒物質(zhì)量濃度。春、秋季大氣擴(kuò)散條件和降水的濕沉降作用介于冬夏之間,空氣質(zhì)量也明顯好于冬季。
利用2018 年1月1日—2020 年12月31日PM2.5質(zhì)量濃度逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算了PM2.5質(zhì)量濃度的逐小時(shí)平均值,分析其日變化特征。由圖3可知,PM2.5質(zhì)量濃度日變化呈“單峰單谷”特征:在17時(shí)前后PM2.5質(zhì)量濃度處于全天最低值,隨后太陽輻射逐漸減弱,PM2.5質(zhì)量濃度逐漸升高;傍晚開始太陽輻射消失,由于地面逆輻射使得接地逆溫開始形成并逐漸加強(qiáng),大氣擴(kuò)散能力迅速下降,PM2.5質(zhì)量濃度迅速升高,并在23時(shí)達(dá)到峰值;隨后逆溫開始逐漸減弱,大氣擴(kuò)散能力逐漸改善,PM2.5質(zhì)量濃度逐漸下降,日出后隨著太陽輻射的不斷增強(qiáng)逆溫很快消失,大氣擴(kuò)散能力迅速加強(qiáng),PM2.5質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)顯著。PM2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢(shì)與氣溫、風(fēng)速的日變化呈相反趨勢(shì),與相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)基本一致。
圖3 2018—2020年高陵區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度及氣象要素日變化圖
四季PM2.5質(zhì)量濃度的日變化曲線與3 a平均日變化基本一致(圖4),峰值和谷值出現(xiàn)的時(shí)間也接近,峰值在23時(shí),谷值在17時(shí)左右。曲線的起伏表現(xiàn)為冬季最為顯著、春季次之、秋季最小。PM2.5質(zhì)量濃度在夏季較低且變動(dòng)幅度小,冬季最高且變動(dòng)幅度大,污染最嚴(yán)重。
圖4 2018—2020年高陵區(qū)不同季節(jié)PM2.5質(zhì)量濃度日變化圖
PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫和風(fēng)速、降水量整體呈負(fù)相關(guān)(圖5),相關(guān)系數(shù)分別-0.62、-0.25、-0.18;與相對(duì)濕度呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.05(表1)。
圖5 2018—2020年高陵區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度和氣象要素相關(guān)性散點(diǎn)圖(直線為擬合線)
不同季節(jié)PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素相關(guān)性存在差異(表1),其中PM2.5質(zhì)量濃度與降水量及風(fēng)速在各個(gè)季節(jié)均呈顯著負(fù)相關(guān),風(fēng)速是影響秋季和冬季污染物輸送的主要因素之一[9],其對(duì)污染物的影響主要是整體輸送以及稀釋作用,降水的濕沉降作用對(duì)大氣中顆粒物質(zhì)量濃度降低有很大作用。
表1 2018—2020年高陵區(qū)不同季節(jié)PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素的Pearson相關(guān)系數(shù)
PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫在夏季呈正相關(guān), 在春季、秋季和冬季呈負(fù)相關(guān)。隨著近地表氣溫升高,大氣層結(jié)穩(wěn)定度低,湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,空氣垂直運(yùn)動(dòng)明顯,將低層空氣污染物隨著對(duì)流向上輸送,污染物質(zhì)量濃度降低[10]。冬季對(duì)流層易出現(xiàn)“逆溫”,會(huì)造成局部大氣上熱下冷,阻礙空氣垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展,使大量煙塵、污染物等聚集在下面,不利于污染物擴(kuò)散,導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量濃度增高。
PM2.5質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度在冬季呈顯著正相關(guān), 其他季節(jié)呈負(fù)相關(guān)。冬季在一定的濕度條件下,當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大PM2.5質(zhì)量濃度值也相應(yīng)增大,應(yīng)該是由于空氣相對(duì)濕度偏大時(shí),空氣中水汽含量增大,有利于吸濕粒子的增長,導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度增大[11]。
風(fēng)向?qū)ξ廴疚镔|(zhì)量濃度的變化也有著重要影響[12],輸入型污染是高陵地區(qū)空氣污染的主要來源,不同風(fēng)向決定了輸入型污染的強(qiáng)度,通過分析風(fēng)向變化可以確定輸入型污染的來源。從風(fēng)向頻次與PM2.5質(zhì)量濃度分布圖(圖6a)可以看出,PM2.5質(zhì)量濃度高值對(duì)應(yīng)風(fēng)向?yàn)槠鞅憋L(fēng),其次是東北風(fēng),風(fēng)向偏東和西南時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度值相對(duì)較小。結(jié)合平均風(fēng)速玫瑰圖(圖6b)可以看出,高陵區(qū)偏東風(fēng)(NE—ESE)的風(fēng)速相對(duì)較大。雖然關(guān)中地區(qū)污染來源主要為“當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生+東北方向輸入”[13],當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)時(shí)有利于區(qū)域外污染物的輸入,但是較大的風(fēng)速也有利于污染物的擴(kuò)散,使得污染物濃度反而較小。這與高陵區(qū)處于汾渭平原下游最窄處的特殊地理位置有密切關(guān)系,受山脈阻擋和背風(fēng)坡氣流下沉作用影響,易形成反氣旋式的氣流停滯區(qū),在污染階段地面輻合形勢(shì)明顯,污染物輻合后被困,不易擴(kuò)散導(dǎo)致污染物累積。
圖6 2018—2020年高陵區(qū)風(fēng)向頻次與PM2.5質(zhì)量濃度分布(a)和風(fēng)速玫瑰圖(b)
(1)近3 a來高陵區(qū)污染天氣首要污染物為PM2.5的累計(jì)時(shí)間遠(yuǎn)超其他污染物。PM2.5月平均質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)明顯的“U”型特征,1月最高,2月、12月次之,8月最低,相對(duì)穩(wěn)定。PM2.5質(zhì)量濃度四季變化規(guī)律為冬春高、夏秋低,冬季最高,夏季最低。PM2.5質(zhì)量濃度日變化呈“單峰單谷”特征, 23時(shí)為一日的峰值,17時(shí)左右為谷值,其日變化趨勢(shì)與氣溫、風(fēng)速的日變化呈相反趨勢(shì),與相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)基本一致。
(2)PM2.5質(zhì)量濃度與降水量在各個(gè)季節(jié)均呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.18;與氣溫和風(fēng)速整體上呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.62、-0.25;與相對(duì)濕度整體上呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.05。
(3)PM2.5質(zhì)量濃度高值對(duì)應(yīng)風(fēng)向?yàn)槠鞅憋L(fēng),其次是東北風(fēng)。風(fēng)向偏東和西南時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度值相對(duì)較小。