天气因数对PM2.5浓度的影响

蒋雷敏 李 佶

(浙江工业大学，浙江 杭州 310023)

0 前言

当前PM2.5已经越来越成为人们日常生活中关注的焦点，针对它的研究也是层出不穷，但是在这些研究中以化学元素对PM2.5影响的研究居多，纯粹的研究天气因数对PM2.5浓度的研究相对较少。空气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物一般就属于PM2.5范畴，它的颗粒较小，含有大量的有毒有害物质，严重威害人体健康。研究天气因素对PM2.5的影响能更透彻的分析PM2.5浓度与天气之间的关系，在已知天气情况的前提下，能有效预测PM2.5浓度的变化规律，为建立天气因数与PM2.5浓度之间的联动关系创造了条件。

1 模型建立

考虑到PM2.5扩散与衰减随机性较大，突变情况繁杂的特点，本文研究建立在一定的基本前提上。首先必须排除人为因素干扰和大气环境的各项其他因素引起的非预期剧烈变化，其次假定风向在一定时间内保持一致，不考虑风向突变对PM2.5带来的影响，地理特性具有一定的均匀性，忽略风向的因素的影响。

2 天气因素对PM2.5影响分析

2.1 温度对于PM2.5浓度影响分析

杭州地区一年中温度的变化范围一般是-5℃～40℃之间。天气预报中温度的指标有两个,最高温度和最低温度,分别对这两个指标进行统计,研究温度对PM2.5浓度的影响。

研究对象为杭州市2013年6月至2014年3月的气象资料数据，我们对数据进行了适当处理：(1)去掉突然PM2.5浓度激增和突降的点，排除人为的影响因素；(2)去掉显然由天气情况和风力大小等因数而引起PM2.5浓度巨大波动的点；(3)处理数据时，线性拟合曲线尽可能提高阶次，以反映温度对PM2.5微小的影响。

通过统计与图像拟合我们发现，最高温度和最低温度对于PM2.5浓度的影响曲线走势大致相同。在-5℃～13℃之间，PM2.5浓度随温度的升高有一个缓慢的上升趋势，但上升幅度相当小。在17℃～26℃范围内，PM2.5浓度随温度的升高有一个先下降后上升的过程。在26℃～40℃范围内，PM2.5浓度随温度升高有一个较快的上升趋势。

从物理上分析，温度影响空气中颗粒物浓度有两方面：一方面，随着温度逐渐升高，混合层会提升，使大气在竖直方向上扩散。若混合层高度越高，稀释地表污染物的空气需求就越大，导致PM2.5浓度降低[1]。另一方面，温度与土壤扬尘、交通及工业排放呈正相关。温度越高，越利于土壤颗粒扬入空气，同时尾气排放物也更容易进入空气，导致PM2.5浓度增加。虽然本文研究的是天气因素对PM2.5的影响，但是交通工业污染物早已渗透到空气中，是天气影响不容忽视的方面。

2.2 风力对于PM2.5浓度影响分析

当前天气预报对于风的描述主要有两个指标，分别是风向和风力。风向在很大程度上跟一个地方的地理位置，地质构造，季节因素有关。本文研究的数据对象提出如下基本假设：地理特性具有一定的均匀性，忽略风向的因素的影响。

本文的数据对象来自杭州的历史天气，杭州地属亚热带季风气候，风力大小在时间上具有明显的惯性，在某个季节内的连续几天风力大小都是具有相似性的。这使我们针对某个风力等级在尽量保持其他两个变量相同的情况下，取其平均PM2.5浓度更具有科学性。

通过数据分析发现，随着风力等级的增大，PM2.5浓度有一个波动下降的趋势。原因可归结为，风力越大，空气流动速度越快，有助于颗粒物扩散，单位时间内PM2.5浓度相对就越低。

污染物浓度与风的关系取决于两方面：风向、风力。风向决定污染物输送方向，风力决定对污染物的稀释程度。当输送清洁空气时，风力的加强利于污染物稀释，PM2.5下降；当输送空气不清洁时，污染加剧，则风力加强反而会增加PM2.5的值[2]。

理论上PM2.5浓度随着风力等级的增加表现出来应是一条不断下降的曲线，但是通过数据处理后发现在多个风力等级处出现PM2.5波动。这是由于此时风输送的不完全是清洁空气，局部加重对PM2.5的影响，但这并不影响我们得出风力等级与PM2.5浓度呈负相关的结论。

2.3 气象因素对于PM2.5浓度影响的分析

杭州地处中北亚热带过渡区，气候呈现典型的亚热带季风气候[3]，天气情况种类较多。排除个别极端天气，我们取：雨、雪、阴、晴、多云、霾，分出具体的15种天气进行统计。

由于研究的自变量为是天气状况，应去除如秋季的秸秆燃烧等人为因素导致PM2.5激增的点。天气影响长期存在，且具有一定连贯性，因此可以用PM2.5平均值作为各天气情况下的代表来进行数据统计。

统计结果表明：

1)降水可以有效降低PM2.5浓度，降水强度越大，对于PM2.5的去除效果越好。在同样的大气环境下，PM2.5浓度较高，大气中凝结核就越多，雨水更容易形成，雨水的下落过程又能吸附很多近地面附近的PM2.5微粒，从而有效降低PM2.5的浓度。

2)降雪对PM2.5的清除和冲刷作用比降雨更好，表明降雪比降雨更能使颗粒物有效沉降。随着降雪强度的增加，空气中气溶胶沉降加剧，PM2.5浓度会有一个明显的下降过程。

3)在晴天，多云，阴等天气条件下，PM2.5的浓度较之前者普遍偏高。没有降水，导致地面更容易扬尘，进而使PM2.5浓度大幅升高。多云转晴空气质量相对较好，晴转多云空气逆温，空气质量相对变差[4]。

3 结论

本文通过特定历史数据，研究了天气因数对PM2.5浓度的影响程度和影响方式，分析了各个天气因数作用于PM2.5浓度的过程，为今后研究PM2.5变化及建立合理的PM2.5预测模型提供了理论依据。

[1]中国颗粒学会气溶胶专业委员会.第九届全国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会论文集[C].广州,2007.

[2]中国气象学会.城市气象——让生活更美好分会场论文集[C]//第27届中国气象学会年会.北京,2010.

[3]包贞,冯银厂,焦荔,洪盛茂,刘文高.杭州市大气 PM2.5 和 PM10 污染特征及来源分析[J].中国环境监测,2010,26(02):44-48.

[4]文一章,孙在,邓川,付志民.杭州市下沙地区 PM2.5 浓度监测与分析[J].中国计量学院学报,2012,23(03):279-283.