王桂紅
(周口市氣象局,河南周口 466000)
國(guó)外有關(guān)大氣污染物的研究起步相對(duì)較早,1988年,Chow和Watson[1]通過(guò)對(duì)氣溶膠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在夏秋季節(jié)較干燥的條件下,灰塵、粗顆粒鐵濃度會(huì)變高. 近年來(lái),國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的課題研究逐漸增多,有關(guān)研究表明,在短時(shí)間范圍內(nèi)城市環(huán)境變化較小,空氣污染狀況主要受內(nèi)外兩個(gè)因素共同影響,外因是污染源,內(nèi)因是氣象條件[2]. 在污染源相對(duì)穩(wěn)定的情況下,氣象條件對(duì)污染物的稀釋、擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化等過(guò)程影響比較大,常常作為重要影響因子受到研究者的青睞[3-4]. 目前,國(guó)內(nèi)有關(guān)空氣質(zhì)量與氣象條件之間關(guān)系的研究范圍主要集中在京津冀、長(zhǎng)三角等地區(qū)[5-8],近幾年也對(duì)主要城市群和重點(diǎn)城市相關(guān)的空氣質(zhì)量指數(shù)特征進(jìn)行分析[9-12],研究的對(duì)象多為PM2.5和PM10等污染物,主要分析其在不同時(shí)間尺度和某一關(guān)注時(shí)間段的特征. 這些研究成果能為研究區(qū)大氣污染治理提供依據(jù),但由于各地在氣象條件、地理位置和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等方面都存在著差異,故其他地區(qū)的研究成果還不能完全解釋鄭州市的空氣質(zhì)量問(wèn)題.
鄭州是河南省的省會(huì)城市,位于河南省中部偏北(112°42′~114°14′E,34°16′~34°58′N(xiāo)),下轄6區(qū)5市1縣,總面積7446 km2,總地勢(shì)為西南高、東北低. 屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,多年平均氣溫15.6 ℃,多年平均降雨量542.15 mm. 鄭州是中部區(qū)域重要的中心城市和國(guó)家重要的綜合交通樞紐,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口密集程度高,大氣污染問(wèn)題相對(duì)較嚴(yán)重. 李尉卿等[13]從時(shí)間和空間上對(duì)鄭州市春節(jié)期間的大氣污染物濃度變化特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)PM2.5和PM10濃度受各項(xiàng)氣象因素的直接影響. 朱玉周等[14]對(duì)鄭州市空氣質(zhì)量狀況及冬季持續(xù)污染過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行了分析,指出持續(xù)多日平均風(fēng)速小、出現(xiàn)逆溫是鄭州市持續(xù)污染的主要原因. 目前,長(zhǎng)時(shí)間尺度上,對(duì)鄭州市空氣質(zhì)量與多種氣象要素之間關(guān)系的系統(tǒng)研究成果較少.
利用2016—2020年鄭州市空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,AQI)逐日數(shù)據(jù)和同期常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)資料,分析鄭州環(huán)境空氣質(zhì)量的月、季、年變化特征及其與主要?dú)庀笠氐南嗷リP(guān)系,從而為全面了解鄭州市空氣質(zhì)量狀況、大氣污染防控治理、政府部門(mén)決策提供科學(xué)參考依據(jù).
AQI和6種污染物數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(http://www.cnemc.cn/),時(shí)間范圍為2016—2020年. 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),時(shí)間范圍為2016—2020年,包括20—翌日20時(shí)逐日降水量、逐日平均氣溫、逐日平均相對(duì)濕度、逐日平均風(fēng)速.
1.2.1 空氣質(zhì)量等級(jí)劃分法 根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[15],AQI是一種無(wú)量綱指數(shù),能夠定量描述空氣質(zhì)量的真實(shí)情況,參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要有二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6種污染物. 此規(guī)定對(duì)空氣質(zhì)量分指數(shù)也進(jìn)行了定義,目的是為了對(duì)某一項(xiàng)污染物進(jìn)行描述,各項(xiàng)污染物空氣質(zhì)量指數(shù)的最大值即為AQI,以下為其表達(dá)式:
式中:IAQIn表示空氣污染物n的空氣質(zhì)量指數(shù),該數(shù)值越高,表明空氣質(zhì)量狀況越差;反之,則越好. 文獻(xiàn)[15]將我國(guó)城市AQI劃分為6個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量的6個(gè)級(jí)別(表1).四季劃分采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn):3—5月為春季;6—8月為夏季;9—11月為秋季;12月至翌年2月為冬季. 月、季、年AQI數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)逐日AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均獲得.
表1 AQI等級(jí)劃分Tab.1 AQI air quality grade division
1.2.2 Pearson 相關(guān)分析法 Pearson 相關(guān)系數(shù)常用來(lái)衡量定距變量間的線(xiàn)性關(guān)系并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),是統(tǒng)計(jì)學(xué)中比較常用的一種方法[16],本文用來(lái)分析鄭州市AQI 與所研究氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系. 在進(jìn)行樣本相關(guān)關(guān)系分析中,給定AQI 值X=(x1,x2,…,xn),氣象要素值Y=(y1,y2,…,yn),則X與Y間的Pearson相關(guān)系數(shù)可用以下公式表示:式中:xˉ和yˉ分別為X和Y的樣本平均值;xi和yi分別為兩個(gè)樣本的變量值;r>0 表示兩個(gè)樣本之間呈正相關(guān),r<0 表示兩個(gè)樣本之間呈負(fù)相關(guān),絕對(duì)值越大表明相關(guān)程度越大.
根據(jù)AQI 等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(表1),對(duì)2016—2020年鄭州市AQI逐日數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí),并計(jì)算出每個(gè)污染等級(jí)天數(shù)占全年天數(shù)的百分比(圖1).結(jié)果表明,2016—2020年各年空氣質(zhì)量級(jí)別所占比例差別很大,其中占比最高的為良級(jí)別,高達(dá)49%,優(yōu)級(jí)別的天數(shù)占4.8%,輕度污染以上即為達(dá)到污染級(jí)別,占比為46.2%.
由逐年變化情況(圖1)可以看到,2016—2020年(2019年除外),鄭州空氣質(zhì)量逐漸變好,空氣質(zhì)量?jī)?yōu)和良的比例均呈上升趨勢(shì),空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良的比例呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì),從2016 年的43.6%上升到2020 年的63.1%;出現(xiàn)輕度污染天數(shù)最多的年份在2019年;達(dá)到中度污染級(jí)別以上等級(jí)最多的年份均在2016年,2020年全年無(wú)嚴(yán)重污染天氣出現(xiàn). 總體來(lái)說(shuō),2016年空氣質(zhì)量最差,2020年空氣質(zhì)量最好.
圖1 2016—2020年鄭州市逐年空氣質(zhì)量等級(jí)比例分布Fig.1 Proportional distributions of annual air quality grade in Zhengzhou from 2016 to 2020
將鄭州市AQI數(shù)值按照季節(jié)時(shí)間尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2)不難發(fā)現(xiàn),鄭州市空氣冬季AQI平均值144.1,為輕度污染;春季次之,AQI 平均值102.4,為輕度污染;夏季和秋季AQI 平均值較低,空氣質(zhì)量良好. 根據(jù)2016—2020 年的AQI不同季節(jié)變化可知,這5年來(lái)冬春兩季AQI有明顯降低趨勢(shì),夏季和秋季AQI平均值變化不明顯. 從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來(lái)看,夏季標(biāo)準(zhǔn)差最小,AQI 數(shù)據(jù)最穩(wěn)定;冬季標(biāo)準(zhǔn)差最大,AQI 數(shù)據(jù)波動(dòng)性最大,冬季容易出現(xiàn)重污染天氣. 綜上所述,鄭州市空氣質(zhì)量秋季最好,冬季最差.
圖2 2016—2020年AQI季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variations of AQI from 2016 to 2020
總體來(lái)看,2016—2020年以來(lái),鄭州市AQI月平均值變化呈“U”型分布,其中1—4月、4—6月、6—10 月、10—12 月分別呈下降、上升、下降、上升趨勢(shì)(圖3). 從全年看,1月AQI 平均值最高,為168,空氣質(zhì)量最差;10 月AQI 平均值最低,為82,空氣質(zhì)量最好. 研究期間,鄭州市空氣質(zhì)量污染數(shù)值出現(xiàn)比較大的差異,良好月份占41.7%,輕度污染月份占48.3%,中度和重度污染月份占10.0%.
圖3 2016—2020年AQI逐月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of AQI from 2016 to 2020
為了進(jìn)一步了解各種空氣質(zhì)量級(jí)別在月、季內(nèi)的分布規(guī)律,對(duì)月、季AQI 各種污染級(jí)別所占比例進(jìn)行細(xì)分(表2). 從月變化看,2016—2020年,鄭州市10月空氣質(zhì)量全年最佳,達(dá)到優(yōu)良級(jí)別的天氣近80%;4月、7月、8月和9月空氣質(zhì)量相對(duì)較好,未出現(xiàn)中度及以上污染,輕度污染以上占比在7%以下,60%以上的天氣為優(yōu)良. 全年空氣質(zhì)量較差的月份是1 月、2 月和12 月,其中1 月嚴(yán)重污染天氣最多,沒(méi)有優(yōu)級(jí)別的天氣,空氣質(zhì)量全年最差.
表2 2016—2020年鄭州市月、季空氣質(zhì)量等級(jí)比例Tab.2 Proportions of monthly and seasonal air quality grades in Zhengzhou from 2016 to 2020 單位:%
從季節(jié)尺度上分析,秋季空氣質(zhì)量最佳,春季次之,春夏秋季均未出現(xiàn)嚴(yán)重污染級(jí)別天氣;僅冬季出現(xiàn)嚴(yán)重污染級(jí)別天氣,空氣質(zhì)量最差,輕度及以上污染級(jí)別占天氣一半以上,為59.9%,達(dá)到優(yōu)良級(jí)別的天氣占比僅為40.1%.
為進(jìn)一步了解鄭州市各種空氣污染物的分布規(guī)律,按照文獻(xiàn)[15]中的規(guī)定,對(duì)影響AQI的6種主要污染物(NO2、PM10、SO2、PM2.5、O3和CO)進(jìn)行研究. 文獻(xiàn)[15]中對(duì)首要污染物進(jìn)行了定義,即污染物需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件,一是AQI 數(shù)值大于50,二是該污染物在6種主要污染物中AQI最大. 對(duì)研究期間鄭州市首要污染物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3)可以看出,2016—2020 年鄭州市空氣中首要污染物以O(shè)3和PM2.5為主,其次是PM10,然后是NO2,未出現(xiàn)以CO和SO2為首要污染物的情況. 其中首要污染物PM10的比例呈逐年下降趨勢(shì)(2019年除外),由2016 年的26.4%下降到2020年的16.5%,說(shuō)明鄭州市對(duì)可吸入顆粒物PM10防治取得顯著效果;而O3為首要污染物所占比則呈上升趨勢(shì),從2016年的30.0%上升到2020年的40.9%,所以鄭州市下一步要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)O3污染物的防治和治理.
表3 2016—2020年鄭州市空氣中首要污染物出現(xiàn)天數(shù)占比Tab.3 Proportions of days in which primary pollutants appeared in Zhengzhou from 2016 to 2020 單位:%
從各月分布情況來(lái)看(表4),污染物PM2.5和O3具有一定的規(guī)律,呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性分布特點(diǎn). 2016—2020 年,PM2.5主要集中在冬季,而O3主要集中在夏季. 冬季出現(xiàn)PM2.5污染嚴(yán)重的原因主要有氣象因素和人為因素兩點(diǎn),一是冬季環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定,大氣擴(kuò)散條件差(氣象因素),二是人們用燃?xì)夂碗娙∨男枨笤黾?,造成可吸入顆粒物的PM2.5升高(人為因素). 夏季PM2.5減少,O3增加主要受氣象條件影響,PM2.5減少是因?yàn)橄募敬髿鈹U(kuò)散條件好,同時(shí)較多的降水對(duì)空氣具有明顯的沖刷作用,但是夏季O3增加成為首要污染物,原因主要是由于在較高的溫度下,大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物和氮氧化物在強(qiáng)烈的紫外光照射下,容易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致O3濃度升高.
表4 2016—2020年鄭州市首要污染物月分布占比Tab.4 Monthly distribution of primary pollutants in Zhengzhou from 2016 to 2020 單位:%
由以上分析結(jié)果可知,AQI指數(shù)變化出現(xiàn)了比較明顯的年、季、月分布規(guī)律,這表明空氣質(zhì)量受氣象要素的影響很大,二者有密切聯(lián)系. 為了分析鄭州市空氣質(zhì)量與氣象要素之間的關(guān)系,選取4種主要?dú)庀笠?,即逐日降水、逐日平均氣溫、逐日平均相?duì)濕度和逐日平均風(fēng)速,與同一時(shí)間段的AQI 進(jìn)行Pearson 相關(guān)性研究,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(表5).
表5 2016—2020年鄭州市月、季、年AQI與氣象要素的相關(guān)性Tab.5 Correlations between monthly,seasonal and annual AQI and meteorological elements in Zhengzhou from 2016 to 2020
表5為2016—2020年各月、季、年的AQI 與降水、氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù),從表中可以看出,AQI 在不同的時(shí)間尺度與各氣象要素的相關(guān)關(guān)系不盡相同,這是因?yàn)楦鳉庀笠卦诓煌瑫r(shí)間尺度上具有很大變化.
總的來(lái)說(shuō),在年、大部分季節(jié)和月份,AQI與降水均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系. 二者在年尺度上呈顯著負(fù)相關(guān),這是由于云內(nèi)雨滴可以吸附吸收污染物粒子,同時(shí)雨水可以沖刷洗滌污染物,從而導(dǎo)致污染物濃度降低,空氣質(zhì)量得以改善,AQI數(shù)值降低. 從季節(jié)上來(lái)看,AQI與春夏秋季均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中夏秋季比較明顯,以6月、8月、10月最為明顯,與冬季相關(guān)性不明顯,這可能是由于冬季降水偏少且時(shí)空分布不均,這表明降水對(duì)降空氣中的低污染物具有一定的積極作用,但降水量級(jí)的大小和降水的分布可能對(duì)污染物消除也有影響. 對(duì)降水天數(shù)與AQI的相關(guān)性進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),二者呈顯著負(fù)相關(guān)(表6),比降水量與AQI的關(guān)系更為顯著,年相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.628. 除3月和12月外,各年、季、月降水日的AQI值均低于無(wú)降水日,年平均降水日的AQI值為87,比無(wú)降水日低30,差異比較大的AQI值主要集中在夏冬季,其中6月相差最大,AQI值為42,春夏季AQI差異一般在30以下,相對(duì)較小. 由此可見(jiàn),當(dāng)日降水與否直接關(guān)系著AQI值的大小. 故適時(shí)開(kāi)展人工增雨作業(yè)可以在一定程度上凈化空氣,改善空氣質(zhì)量.
表6 2016—2020年鄭州市AQI與降水日數(shù)的月相關(guān)性Tab.6 Monthly correlation between AQI and the number of precipitation days in Zhengzhou from 2016 to 2020
在不同時(shí)間尺度上,AQI 與氣溫的相關(guān)性存在著較大的差異. 從全年看來(lái),鄭州市AQI與氣溫表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān),主要是從1—12月該市氣溫呈“低—高—低”的變化趨勢(shì),而AQI則表現(xiàn)出“高—低—高”的相反變化走向,從而呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性. 這是因?yàn)榇髿馔牧骰顒?dòng)隨氣溫升高會(huì)加強(qiáng),使污染物在低層垂直方向上得以稀釋和擴(kuò)散,進(jìn)一步導(dǎo)致AQI下降. 從季節(jié)尺度來(lái)看,春夏季節(jié)AQI 與氣溫呈顯著正相關(guān),這可能與冷暖氣團(tuán)的活動(dòng)有一定的關(guān)系,因?yàn)榕瘹鈭F(tuán)過(guò)境時(shí),會(huì)升高氣溫而積累大量污染物,冷空氣過(guò)境時(shí),會(huì)降低氣溫且常同時(shí)伴有風(fēng),有利于污染物的擴(kuò)散,冷暖氣團(tuán)活動(dòng)常在夏季頻繁出現(xiàn);秋季AQI 與氣溫呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)性不太明顯. 從月尺度來(lái)看,AQI與氣溫呈顯著正相關(guān),表現(xiàn)最為明顯的是4月、5月、6月及9月,春夏季節(jié)冷暖氣團(tuán)的活動(dòng)與此規(guī)律可能相關(guān).
在不同月份,AQI與相對(duì)濕度之間存在著不同的相關(guān)性,12月、1月和2月(冬季),表現(xiàn)為明顯正相關(guān),而4—10月則為顯著負(fù)相關(guān). 研究發(fā)現(xiàn)[17-18],冬春季空氣干燥,污染物濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān),而在其他季節(jié),兩者呈負(fù)相關(guān). 當(dāng)相對(duì)濕度較小時(shí),它的上升在一定程度上會(huì)對(duì)污染物顆粒增長(zhǎng)具有聚集作用,如果相對(duì)濕度繼續(xù)上升到接近飽和程度,此時(shí)對(duì)污染物顆粒的清除作用比較明顯. 鄭州市夏秋季相對(duì)濕度較大,高濕氣候條件有利于產(chǎn)生雨水天氣,濕沉降作用優(yōu)于污染物粒子的吸濕增長(zhǎng)作用,使污染物濃度降低;鄭州冬春季空氣干燥,濕度相對(duì)較小,濕清除作用明顯小于濕沉降作用,導(dǎo)致AQI增大. 這和朱紅蕊等[19]對(duì)哈爾濱市污染物濃度與相對(duì)濕度的相互關(guān)系結(jié)果一致,當(dāng)相對(duì)濕度大于80%時(shí),降水對(duì)污染物的清除作用更加明顯.
風(fēng)速在全年尺度上與AQI負(fù)相關(guān)關(guān)系比較顯著,特別是秋冬季節(jié)更為明顯,其中1月、2月、12 月尤為突出,冬季風(fēng)速與AQI之間相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.383. 風(fēng)速的大小直接影響著大氣的水平擴(kuò)散能力,大風(fēng)天氣對(duì)污染物的擴(kuò)散比較有利,鄭州市在秋冬季節(jié)常出現(xiàn)大風(fēng)天氣,風(fēng)速增加對(duì)污染物起到顯著的稀釋擴(kuò)散作用,進(jìn)而使AQI降低. 這與郭黎等[20]的研究結(jié)果相一致,風(fēng)速的增大對(duì)污染物的清除作用較為明顯,致使大氣污染物濃度下降.
根據(jù)2016—2020年鄭州市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和同期氣象數(shù)據(jù),對(duì)該市空氣質(zhì)量變化規(guī)律及其與主要?dú)庀笠刂g的關(guān)系進(jìn)行分析研究,結(jié)果如下:
1)2016—2020年(2019年除外),鄭州市空氣質(zhì)量逐年變好,空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)所占的比例均逐年上升,占比例最高的為良級(jí)別,高達(dá)49%,達(dá)到優(yōu)的天數(shù)占4.8%,輕度污染以上即為達(dá)到污染級(jí)別,所占比例為46.2%. 2020年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的天數(shù)占比63.1%. 從季節(jié)上來(lái)看,鄭州市夏秋兩季整體空氣質(zhì)量較好,冬季最差(平均達(dá)到輕度污染). 空氣質(zhì)量1—12 月呈U 型分布,兩頭高中間低,1 月、2 月、12 月空氣質(zhì)量較差,其中1月全年最差. 10月空氣質(zhì)量全年最佳,達(dá)到優(yōu)良級(jí)別的天數(shù)近80%.
2)鄭州市近2016—2020年空氣中首要污染物以O(shè)3和PM2.5為主,未出現(xiàn)以CO 和SO2為首要污染物的情況. 總的來(lái)說(shuō),首要污染物為PM10的比例呈逐年下降趨勢(shì),說(shuō)明鄭州市對(duì)可吸入顆粒物PM10防治取得顯著效果;而O3為首要污染物所占比例則呈上升趨勢(shì),所以下一步要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)O3污染物的防治和治理. 從各月分布情況來(lái)看,污染物PM2.5和O3具有明顯季節(jié)性分布特點(diǎn),PM2.5主要集中在冬季,而O3主要集中在夏季,這與氣象因素和人為因素密切相關(guān).
3)AQI與降水量在年、大部分季節(jié)和月份表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,降水天數(shù)與AQI呈顯著負(fù)相關(guān),年相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.628,比降水量與AQI關(guān)系顯著. 不同月份,相對(duì)濕度與AQI之間相關(guān)性不同,1月、2月、12月為明顯正相關(guān),而其他月份則為顯著負(fù)相關(guān). AQI與氣溫之間的關(guān)系在不同時(shí)間尺度上差異較大,年尺度及秋季呈負(fù)相關(guān),春夏冬季及月尺度為正相關(guān). AQI與風(fēng)速之間呈較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,秋冬季節(jié)相關(guān)性尤為顯著.
4)在污染源穩(wěn)定的條件下,氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量具有直接的影響作用. 因此,可利用氣象要素與AQI之間的關(guān)系建立模型,從而根據(jù)天氣預(yù)報(bào)提前判斷空氣質(zhì)量狀況,以供大氣污染防治和政府決策部門(mén)進(jìn)行參考. AQI與降水量在年、大部分季節(jié)和月份表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,且與當(dāng)日是否產(chǎn)生降水有密切關(guān)系,故可以適時(shí)開(kāi)展人工增雨作業(yè),改善空氣質(zhì)量.