延吉市PM2.5时空分布特征及其与气象要素的相关性分析

付强， 赵晶， 赵春子

( 1.延边朝鲜族自治州气象局， 吉林 延吉 133001； 2.延边大学 理学院， 吉林 延吉 133002 )

随着社会、经济的发展，环境污染问题越来越受到人们的重视.在各类大气污染物中，PM2.5已经成为影响我国城市大气环境质量的重要污染物.PM2.5不仅影响空气能见度，而且危害人体健康，尤其是对心血管系统和呼吸系统[1-2].延吉市于2015年实现了空气质量自动化监测，其中包含了PM2.5的监测数据.本文以2015年延边朝鲜族自治州环境保护局3个国控环境空气自动监测站的PM2.5监测数据为依据，分析延吉市PM2.5浓度的时空分布特征以及与气象要素的关系，以期为延吉市空气污染防治和空气污染气象条件预报提供依据.

1 数据来源与方法

PM2.5小时浓度数据(24 h连续监测数据)取样站分别位于延吉市中心商业区(Y站)、中心商业区西南偏西3.5 km处的新城区(J站)、中心商业区西南偏西12 km处的远郊(C站).PM2.5统计基础数据均为小时数据，统计时间为2015年1月1日至2015年12月31日.PM2.5的日均值根据每天24 h(00:00—24:00)的数据求得，月均值和季均值根据PM2.5的日均值求得.全年中，1、2、12月为冬季，3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季.用Excel 2010、SPSS 22.0软件统计分析数据.

2 结果与分析

2.1 PM2.5浓度季节变化

图1为3个监测站点不同季节的PM2.5浓度图.按季节看，冬季PM2.5平均浓度最高，达到59.9 μg·m-3；其次为秋季、春季，分别为37.2 μg·m-3和34.1 μg·m-3；夏季最低，为16.3 μg·m-3.按站点来看，延吉市PM2.5浓度在冬季、秋季和春季Y站最高，分别为66.4、41.7 μg·m-3和36.0 μg·m-3，在夏季C站最高，为17.5 μg·m-3.

研究[3-9]表明，不同季节PM2.5平均浓度的时空变化主要是由污染物排放量、大气环流转换两方面因素决定的.由图1可以看出，受污染物排放量的影响，延吉市3个监测站点各季节的PM2.5平均浓度均呈现冬季最高，秋季、春季次之，夏季最低的特征.出现该特征的原因是：延吉市每年10月中旬至次年4月中旬为供暖期，该段时间燃煤所产生的细颗粒物排放量明显增多，进而导致PM2.5平均浓度显著增高.各季节3个监测站点PM2.5浓度的空间分布特征主要受大气环流的季节性转换影响.延吉市春季、秋季和冬季受西风带环流影响盛行偏西风，夏季受海上高压影响盛行偏东风，在风的作用下大气污染物会向下风向飘散，因此延吉市PM2.5浓度在春季、秋季、冬季Y站最高，在夏季C站最高.

图1 各站点不同季节的PM2.5平均浓度分布图

2.2 PM2.5浓度逐月变化

延吉市3个监测站点的PM2.5月均浓度变化如图2所示.由图2可以看出，延吉市PM2.5月均浓度变化均呈单峰单谷型，高峰值出现在冬季，低谷值出现在夏季.1、2、11月和12月的PM2.5平均浓度较高(月均浓度均超过50.0 μg·m-3).其中Y站的月PM2.5浓度在12月份达到最高，为76.9 μg·m-3； J站和C站的月PM2.5浓度在1月达到最高，分别为63.5 μg·m-3和60.6 μg·m-3.在1月和12月，3个监测站点PM2.5浓度的中位数均在50.0 μg·m-3以上，第3和第4分位数在80.0 μg·m-3左右.统计各站点的超标天数，结果显示： 1月份，Y、J、C站点的超标天数分别为19、17、16 d, 12月份超标天数分别为20、19、16 d， 这2个月的超标率均超过50%.

2.3 PM2.5浓度逐日变化

图3为各监测站点PM2.5平均浓度的逐日变化曲线.图3中各站点曲线均呈锯齿状，且存在明显的尖峰和深谷.1月、2月、3月、11月和12月尖峰处的PM2.5日均浓度远高于相邻深谷，Y站、J站和C站相邻尖峰和深谷的最大差值分别为238.9、233.5 μg·m-3和183.9 μg·m-3.其余月份尖峰处和相邻深谷处的PM2.5日均浓度差值相对较小.1月、2月、3月、11月和12月的PM2.5浓度特征与这一时期(供暖期)的污染物排放量有关.供暖期细颗粒污染物排放量增多，当天气不利于大气污染物扩散时，PM2.5浓度会随着污染物的排放而不断升高.当天气(如降水、大风等天气)有利于污染物扩散时，PM2.5浓度会发生骤降，因此导致相邻两天的PM2.5日均浓度相差很大.

2.4 PM2.5浓度日变化

为分析延吉市PM2.5浓度的日变化规律，以季节为基本单元，统计3个监测站点每日不同时刻PM2.5浓度的平均值，结果见图4.从图4可以看出，3个监测站点的PM2.5浓度日变化在春季、秋季和冬季均呈现明显的双峰双谷型，其中冬季最为明显；夏季呈现不明显的双峰双谷型.双峰分别出现在7:00—10:00和18:00—20:00，双谷分别出现在13:00—16:00和2:00—5:00，并且傍晚的低谷值要明显低于凌晨时段.

统计分析延吉市的PM2.5观测数据发现，延吉市PM2.5浓度的日变化特征主要受早晚出行高峰汽车尾气排放、采暖期每日的供热燃煤时段，以及大气湍流交换能力3方面因素决定.延吉市早晚出行高峰时段为7:00—9:00和17:00—19:00，采暖期供热燃煤时段为5:00—9:00和16:00—20:00.大气污染物的排放高峰时段与PM2.5浓度的高峰时段基本重合.下午和凌晨出现PM2.5浓度低谷值，一方面是由于污染物排放量减少，另一方面是由于白天伴随气温不断升高，大气的湍流扩散能力不断增强，有利于大气污染物在水平和垂直方向向外扩散，因此一天中PM2.5平均浓度最低值一般出现在下午.

2.5 PM2.5浓度与气象条件

PM2.5浓度与气象要素密切相关[10-11].由表1可以看出，延吉市各月的PM2.5浓度与气象要素均呈极显著相关，但各季节相关性存在差异.春季PM2.5平均浓度与气压、气温日较差呈极显著正相关，与风速呈极显著负相关；夏季PM2.5平均浓度与气温日较差呈极显著正相关，与相对湿度呈极显著负相关；秋季PM2.5平均浓度与气压呈显著正相关，与气温日较差呈显著负相关；冬季PM2.5平均浓度与气温日较差、相对湿度呈显著正相关，与风速呈极显著负相关.各气象要素中，气温日较差与延吉市各季节PM2.5浓度均呈显著正相关.气温日较差可以反映大气层结稳定度，气温日较差越大，大气层结越稳定，空气在水平和垂直方向上的湍流运动就越小，越不利于大气污染物稀释扩散.就气压而言，一般情况下当地面受低压控制时，四周高压气团流向中心，使中心形成上升气流，利于污染物向上扩散；相反，若地面受高压控制，中心部位出现下沉气流，抑制污染物向上扩散,在稳定高压的控制下，污染物积累，颗粒物浓度加剧.从相对湿度来看，相对湿度大会易使颗粒物聚集；但有研究[12]表明，当相对湿度较高，并伴有降水时，会降低空气中颗粒物浓度.

图2 各站点的PM2.5月均浓度箱线图

图3 各站点PM2.5浓度逐日变化曲线

图4 各站点PM2.5浓度日变化曲线

图5为延吉市PM2.5浓度与风向的关系.由图5可以看出，风对空气污染物的来源、聚集和扩散有重要影响.春季、秋季和冬季，在WSW风向下PM2.5的平均浓度最高，达到61.2、34.8 μg·m-3和91.3 μg·m-3.其余风向下，PM2.5的平均浓度明显低于WSW风向时.根据以往预报经验，延吉市在雨雪天气来临前，通常出现WSW风，使得细颗粒物不易扩散，空气质量较差.夏季， 在各种风向下PM2.5的日平均浓度均低于20 μg·m-3，所以延吉市夏季的空气质量较好.

表1 不同季节PM2.5浓度与气象因素之间的相关性

图5 PM2.5浓度与风向的关系

3 结论

1)从季节看，延吉市城区PM2.5浓度由高到低依次为冬季、秋季、春季和夏季，各季节的PM2.5浓度值分别为59.9、37.2、34.1 μg·m-3和16.3 μg·m-3.

2)延吉市PM2.5月均浓度变化呈单峰单谷型，月均浓度最高值出现在1月，2月开始逐月递减，10月份开始回升.在1月、2月、11月和12月均出现PM2.5浓度超标情况，其中1月和12月的超标率超过50%.

3)延吉市PM2.5浓度逐日变化曲线呈锯齿状，具有明显的尖峰和深谷，尖峰处的PM2.5日均浓度高于相邻深谷.在1月、2月、3月、11月和12月，各空气监测站点的PM2.5日均浓度变化剧烈，尖峰处PM2.5浓度远高于相邻深谷，其余月份日均值浓度变化相对较小.

4)受污染物排放量日变化和大气湍流扩散能力日变化的影响，延吉市PM2.5浓度日变化曲线在春季、夏季、秋季和冬季都呈现双峰双谷型，其中冬季波动最大，其次为秋季和春季，夏季最小.

5)延吉市PM2.5浓度与各类气象要素之间存在显著的相关性，且季节不同其相关性也存在差异.