小时气象要素对PM2.5浓度的影响

徐迎春 谌伟 刘佳颖 刘佩廷

摘要：本文基于武汉气象站点和空气质量监测点的小时数据，分析有无降水、风对PM2.5浓度的影响。结果表明：武汉各区PM2.5污染物浓度空间分布不均。中心城区PM2.5污染最严重，新洲区空气质量最好，其余各区PM2.5平均浓度值较接近;PM2.5平均浓度值日变化趋势呈单峰型。降水对PM2.5有清理作用。武汉重污染天气多为输入性污染，输入路径包括偏北路径和偏东路径。

关键词：PM2.5;降水;风;武汉

中图分类号：X16 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）04-0-01

Abstract： Based on the hourly data of Wuhan meteorological stations and air quality monitoring points， this paper analyzes the effects of precipitation and wind on PM2.5 concentration. The results show that the spatial distribution of PM2.5 pollutants in various districts of Wuhan is uneven. The PM2.5 pollution in the central city is the most serious. The air quality in Xinzhou District is the best. The average concentration of PM2.5 in the other districts is close to each other; the daily variation trend of the average concentration value of PM2.5 is unimodal. Precipitation has a cleansing effect on PM2.5. Most of the heavily polluted weather in Wuhan is imported pollution， and the input path includes the northerly route and the eastward path.

Key words： PM2.5;Precipitation;Wind;Wuhan

近年來多地出现严重空气污染天气，其中PM2.5为首要污染物[1-3]。气象要素对重污染天气的影响已经成为共识，主要表现在降水对污染物的清除作用[3]，风和层结稳定条件对污染物扩散条件的影响[4-5]。气象要素的变化在空气污染潜势预报中有很好的指示意义，研究指出均压场易出现空气污染[6];地面气象要素如风、气温、降水、相对湿度、水汽压、气压，以及地面环流形势与污染物指数有相关性[7-8]。

本文从小时时间尺度上，探讨PM2.5与气象要素的关系，为开展精细化空气污染扩散条件预报提供依据。

1 资料与方法

本文使用的资料包括2016年1-11月武汉市5个基本气象观测站和1个中心城区自动气象站的逐小时降水资料，以及同期武汉市5个市级环境空气质量监测点和中心城区监测点的逐小时PM2.5浓度值。文中PM2.5浓度值及降水量的月、日均值（累积量）均由逐小时数据计算获得。在计算有降水及无降水的PM2.5月、日平均浓度值，先按照逐小时降水资料判断有无降水量级（降水数据中降水量级为微量，本中均定义为无降水），后按照有降水或者无降水对逐小时的PM2.5浓度值进行平均计算获得。

2 降水对PM2.5浓度影响

2.1 有无降水PM2.5浓度空间分布特征

武汉市2016年1-11月有降水和无降水各区PM2.5浓度平均值（表略）。无降水的PM2.5平均浓度值大于有降水的，降水对PM2.5浓度有一定的清除作用。在无降水条件下，中心城区的PM2.5平均浓度值最大，为75.9μg·m-3，远城区除了新洲区外，其余各区PM2.5平均浓度值较接近，为71.0～72.8μg·m-3，PM2.5平均浓度值最小的是新洲区，为65.1μg·m-3，蔡甸区是武汉市5个远城区中PM2.5平均浓度最大的地区，72.8μg·m-3;故中心城区PM2.5污染最为严重，新洲区空气质量最好。在有降水条件下，PM2.5平均浓度最大为蔡甸区57.0μg·m-3，其次为江夏区，55.7μg·m-3，中心城区为53.9μg·m-3位于江夏区之后，东西湖区和黄陂区较为接近52.7μg·m-3、51.5μg·m-3，有降水条件PM2.5平均浓度值最小为新洲区，47.5μg·m-3。对比有无降水条件下各区PM2.5平均浓度变化可知，降水对PM2.5清理作用，中心城区效果最好，其次为黄陂区，其他各区清理效果依次为东西湖区、新洲区、江夏区、蔡甸区。

2.2 PM2.5浓度小时变化特征

图1为武汉市PM2.5平均浓度数据在有降水或无降水条件下，城区、蔡甸区、黄陂区、新洲区、江夏和东西湖区的一天同一时刻PM2.5平均浓度的平均值，简称降水PM2.5平均浓度值和无降水PM2.5平均浓度值。对比降水和无降水0～23时变化曲线发现，无降水PM2.5平均浓度值整体上大于降水PM2.5平均浓度值，再次佐证了降水对PM2.5有一定的清理作用。在无降水条件下，武汉市无降水PM2.5平均浓度值呈先降后升的趋势，凌晨0～5时，无降水PM2.5平均浓度呈逐渐下降趋势，每小时降幅为1.1μg·m-3，6～11时无降水PM2.5平均浓度较为平稳，波动小，12～17时无降水PM2.5平均浓度值下降幅度增大，下降速度是1.5μg·m-3/h，之后呈加速上升，浓度值由63.0μg·m-3（下午17时）爬升至78.2μg·m-3（夜间23时），上升速度是2.5μg·m-3/h。由此可知武汉PM2.5平均浓度值日变化趋势为单峰型，傍晚至凌晨PM2.5平均浓度值上升加快，夜间至上午段维持较高水平，午后（12时）开始下降。

对比分析武汉小时平均雨量与降水PM2.5平均浓度值发现，武汉降水峰值出现在4～7时，之后开始逐渐减弱，18时平均雨量最低，之后（19时）雨量增大。雨量峰值第一次出现时间为4时，处于PM2.5平均浓度值弱势上升时间段内，6时PM2.5平均浓度开始下降，之间间隔2个小时左右。雨量最大峰值时间为7时，此时PM2.5平均浓度值呈上升趋势中，且趋势延续至9时，清理延迟3小时。由此可知降水对PM2.5的清理具有延迟性，延迟时间约为2～3小时。PM2.5平均浓度最低点位于14时，处于小时平均雨量下降时段内，之后PM2.5平均浓度开始上升，但是小时平均雨量下降趋势持续至18时，故小时平均雨强对PM2.5的清理能力表现出现一定差异， 当小时雨量大于1.5㎜时，清理作用效果明显;当小时雨量小于1.5毫米时，清理作用减弱。

3 风向对重污染的影响

本文依据武汉气象站，以及距离武汉气象站位置最近的环境空气质量监测点东西湖区站进行分析。统计武汉重污染以上等级小时PM2.5浓度值，即PM2.5浓度值大于200μg·m-3，统计结果显示武汉在样本时间内出现重污染等级以上的时间为102小时，其中北风52小时，东风25小时，静风11小时，南风和西风分别为9小时和5小时。静风导致的重污染天气，说明武汉本地有一定的污染源，约10.8%。相关性分析发现，武汉重污染天气PM2.5平均浓度的变化与北风和东风有关，其中北风和东风的相关系数为0.40和-0.24（通过0.05置信度检验），其他风向相关系数较低。因此武汉重污染天气主要以输入型污染为主，且包括两条输入路径，即偏北路径和偏东路径。

4 结论

文中分析有无降水、风对PM2.5浓度的影响，获得如下结论：（1）武汉各区PM2.5污染物浓度空间分布不均，在无降水条件下，中心城区PM2.5污染最严重，新洲区空气质量最好，其余各区PM2.5平均浓度值较接近;PM2.5平均浓度值日变化趋势呈单峰型，傍晚至凌晨PM2.5平均浓度值上升加快，夜间至上午段维持较高水平，午后（12时）开始下降，下降时间延续至17时。（2）降水对PM2.5有清理作用，中心城区效果最好，其次为黄陂区，其他各区清理效果依次为东西湖区、新洲区、江夏区、蔡甸区;降水对PM2.5的清理作用具有延迟性，延迟时间2～3小时。（3）不同的雨強对PM2.5的清理能力具有差异性。当小时雨量大于1.5㎜时，清理作用效果显著;小时雨量小于1.5㎜，清理作用减弱。

参考文献

[1]程海容，王祖武，冯家良等.武汉市城区大气PM2.5的碳组分与源解析[J].生态环境学报，2012，21（9）：1574-1579.

[2]李芳，董倩，任兆鹏等.鲁西南一次持续空气污染过程的气象条件分析[J].山东气象，2016，36（147）：36-41.

[3]段莹，吴战平，张东海等.贵阳市降水对PM2.5污染物湿清除作用[J].气象科技，2016，44（3）：458-473.

[4]崔宜少.威海PM2.5浓度与气象要素的相关分析[J].山东气象，2015，35（143）：17-22.

收稿日期：2019-01-11

作者简介：徐迎春（1984-），男，汉族，硕士研究生，工程师，研究方向为气象服务。

通讯作者：刘佳颖（1986-），女，汉族，硕士研究生，讲师，研究方向为气象服务。