近4年早春宝鸡市区气象条件对空气污染的影响

韩 洁，徐迎春，庞 翻，李恩莉

(1.宝鸡市气象局，陕西宝鸡 721006；2.武汉市气象局，武汉 430299)

随着经济发展和城市化进程的加快，污染物的排放量不断增加，污染范围不断扩大，以颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等为主要污染物的大气环境污染问题日趋严重。环境污染对经济建设和人体健康造成了极大危害，人们也开始更加关注空气质量的相关问题。污染物的排放量和气象条件是影响空气质量的主要因素。周兴江[1]利用北京市气象要素数据与主要污染物浓度进行了对比分析，发现污染物浓度与气象要素之间有明显的非线性关系。陈渤黎等[2]分析了2012—2014年常州市空气质量与气象要素之间的关系。张侠等[3]对2017年陕西气象条件与大气环境质量进行了分析，发现2017年1—3月陕西省首要污染物为颗粒物(PM2.5和PM10)，5—7月为臭氧。杜怡心等[4]研究表明西安地区臭氧已经成为除颗粒物之外的一大污染源。徐娟娟等[5]对关中一次重污染天气过程的气象特征进行了分析，发现污染物质量浓度与低层风关系密切，当低层为弱偏南风时，相对湿度逐渐上升，污染物质量浓度升高。已有的研究对冬季重度污染天气的气象条件分析较多，但是对于春季特别是早春3月的分析仍然较少。3月是季节转换时节，气温起伏大、多沙尘天气，导致首要污染物种类多，污染物质量浓度与气象要素关系复杂，因此，通过对宝鸡市区2015—2018年早春(3月)的气象要素与污染物质量浓度的统计分析，探究影响3月各首要污染物质量浓度变化与不同气象要素之间的关系，为宝鸡市区早春空气污染预测提供科学依据。

1 资料选取

采用的污染物质量浓度和AQI指数资料来自于宝鸡市环保局监测站提供的2015—2018年3月宝鸡市8个环境监测站的平均逐日空气质量日报。PM2.5质量浓度(C(PM2.5))与PM10质量浓度(C(PM10))均指一个自然日24 h平均浓度的算数平均值，臭氧质量浓度(C8h(O3))是指一日内最大的连续8 h平均浓度的算数平均值。

由于宝鸡市位于关中西部，为向东开口的“喇叭口”地形，南北山区空气污染小，主要污染集中在川道地区，环境监测站的8个站点均位于宝鸡市区，宝鸡市区的国家级气象监测站只有渭滨区气象监测站，因此选取宝鸡市渭滨区气象监测站资料代表宝鸡市区的气象要素，并与8个环境监测站平均AQI指数和主要污染物质量浓度数据进行对比分析。气象资料主要包括MICAPS地面实况图和温度、降水量、平均风速、逐时风向风速、相对湿度等气象要素的地面观测资料。

2 2015—2018年3月宝鸡市区污染日数与主要污染物

根据宝鸡市环保局提供的宝鸡市区的空气质量日报，分析2015—2018年3月宝鸡市区的污染日数发现，3月轻度污染以上日数最多为2018年和2016年的16 d，其次是2015年11 d，2017年最少为8 d。统计污染日中的首要污染物发现，首要污染物为PM2.5的日数最多，其中2018年和2015年最多为9 d，2017年最少为6 d；首要污染物为PM10的日数2016年最多为8 d，2017年最少为2 d；首要污染物为O3的日数较少，2018年2 d，2016年1 d，2015年和2017年未出现。可见，近4 a中，宝鸡市区3月大气首要污染物主要为PM2.5、PM10，O3相对较少。2016年和2018年污染日数最多，首要污染物PM10和PM2.5出现较多。

表1 2015—2018年3月宝鸡市区轻度污染以上首要污染物出现日数单位：d

年份2015201620172018PM2.59769PM102825O30102

3 2015—2018年3月AQI指数与降水、风向风速的关系

3.1 AQI指数与降水

对比2015—2018年3月的总降水量(见表2)可以看出：宝鸡市区2017年降水量最大，其次是2015年，均较历年同期(1981—2010年3月降水量平均值为24.8 mm)偏多1倍以上；2018年降水量与历年同期基本持平；2016年最小。3月降水日数2015年最多为10 d，2018年和2017年同为9 d，2016年最少为7 d。比较大于5 d的连续无降水日数发现，除2015年1次外，其余各年均为2次，且2018年大于5 d的连续无降水日数持续时间最长。结合污染日数和AQI指数的分析来看，2018年和2016年宝鸡市区降水量较少且无降水日数较多，其3月平均AQI指数均超过100；而2017年和2015年降水量多于历年同期1倍以上，其大气污染日数和月平均AQI指数明显低于2016年和2018年。可见，降水量偏少，连续无降水日数持续时间长，空气中的污染物无法有效清除而不断累积，使得AQI指数升高，污染日数增多。

表2 2015—2018年3月宝鸡市区AQI指数与降水情况对比

3.2 AQI指数与风向风速

受地形影响，宝鸡市区3月多偏东风和偏西风。为了进一步分析不同风向下，AQI指数的变化，定义东风日与西风日，即统计一天中逐小时的风向，若东风时次大于西风时次，则定义该日为东风日，反之为西风日；若东、西风时次相同，选择平均风速大的风向定义该日。计算东风日和西风日的平均风速、平均AQI指数，得到表3。从表3可以看出，只有2017年西风日数多于东风日数，其平均AQI指数为4 a中最小；2018年平均AQI指数110，为4 a中最高，其东风日数超出西风日数19 d，为4 a中最多。2015年和2016年东风日数均超过西风日数15 d，2015年东风日的平均风速1.6 m/s大于2016年的1.5 m/s；2016年西风日平均风速超过2015年0.1 m/s。由此可见，AQI指数与风速呈负相关，与已有的研究[6]一致；风向与AQI指数也存在一定联系。当东风日数明显多于西风日数时，AQI指数较高；反之则AQI指数较低。这与宝鸡为向东开口的喇叭口地形有关，东边开阔，越向西越狭窄，当吹东风时，有利于污染物堆积；吹西风时，有利于污染物的扩散。

表3 2015—2018年3月宝鸡市区的AQI指数与风向风速对比

4 污染物质量浓度与气象要素的关系

计算不同气象要素与污染物质量浓度的相关系数(见表4)，选取相关性较大的气象要素。为了避免降水与日平均气温同时对污染物质量浓度的影响，去除降水日后计算日平均气温与污染物质量浓度的相关系数。结果显示，3种主要污染物质量浓度与日平均气压的相关性最好，呈负相关，相关系数均超过0.3，即气压升高，有利于污染物的扩散。C(PM10)与日降水量相关系数为-0.34，相关性较好。C(PM2.5)与日最小相对湿度相关系数为0.35，相关系数在各气象要素中最高。C8h(O3)与日平均气温、日最小相对湿度的相关性最好，相关系数均超过0.5。由此可知，气压越高，越有利于污染物的扩散；降水量越大越有利于C(PM10)的降低；日平均气温越低、日相对最小湿度越大则有利于C8h(O3)的降低。

表4 2015—2018年3月宝鸡市区气象要素与污染物质量浓度的相关系数

4.1 污染物质量浓度与降水、气压、相对湿度和气温

2015—2018年3月，共有13次降水过程，其中单日降水5次，其余为连续2日以上的连续性降水。通过统计降水前后污染物质量浓度的变化发现，单日降水量小于1 mm对3种主要污染物的清除作用不明显；其余3次单日降水量都大于3 mm，均使得C(PM10)降低，其中两次使C(PM2.5)和C8h(O3)降低。8次连续性降水均使得C(PM10)和C8h(O3)下降，7次使C(PM2.5)下降。由此可知，不同强度的降水对C(PM10)降低效果最明显，连续性降水对污染物的清除作用优于单日降水，且小于1 mm的单日降水对3种主要污染物无明显清除作用。降水量较小时，污染物吸湿作用明显[7]，使得污染物质量浓度不降反升。

统计气象要素变化趋势与3种污染物质量浓度变化之间的关系(表5)发现，两者相关系数(表4)小于0.3时，气象要素的变化与污染物质量浓度变化的正负相关特征不显著，这可能与样本数较小有关；因此在表5中主要讨论相关系数超过0.3时，气象要素增大或减小引起污染物质量浓度变化的情况。结果显示：当日平均气压减小时，C(PM10)69.5%呈增加趋势，且平均增加7.2 μg/m3。 日最小相对湿度对C(PM2.5)的影响最大，当日最小相对湿度增加时，C(PM2.5)75.4%增加，平均增加11.0 μg/m3；当日最小相对湿度减少时，C(PM2.5)平均减小14.8 μg/m3。日最小相对湿度的减小与日平均气温的减小与C8h(O3)变化最为密切，日相对湿度减小使得C8h(O3)平均增加13.6 μg/m3，日平均气温减小使得C8h(O3)平均减小15.4 μg/m3。

表5 2015—2018年3月宝鸡市区污染物质量浓度变化与气象要素变化的对比

总体而言，3种主要污染物质量浓度分别与不同气象要素的变化关系密切。C(PM10)变化与日平均气压关系密切，且为反相关；C(PM2.5)变化与日最小相对湿度正相关特征明显；C8h(O3)与日最小相对湿度变化呈显著反相关，与日平均气温的正相关特征明显。

4.2 污染物质量浓度与风场

4.2.1 日平均风速、东西风日 从表4看出，C(PM2.5)与日平均风速的相关系数为-0.2，相比于C(PM10)和C8h(O3)，相关性较好。计算日平均风速与C(PM2.5)的变化量发现，当日平均风速增加时，C(PM2.5)平均减少3.6 μg/m3，反之，C(PM2.5)平均增加4.3 μg/m3。

分别统计东风日与西风日污染物的质量浓度(表略)，东风日3种主要污染物质量浓度均高于西风日。其中C(PM2.5) 东风日与西风日差距最大,差值为18.6 μg/m3，而C(PM10)与C8h(O3)东风日与西风日的差值均未超过10 μg/m3。

4.2.2 08时风场 计算08时、14时、20时、02时的风速与3种污染物质量浓度的相关系数，发现08时风速与污染物质量浓度的对应关系最好。

从图1a可看出，近4年3月08时风向出现频次最高为偏西北风(包括西北风、西西北风和北西北风)，其次是东东南风。从图1b可以看出，C(PM10)超过150 μg/m3时主要风向为北东北风、东东北风和南东南风；C(PM2.5)超过100 μg/m3时主要为东东北风或西西南风；C8h(O3)超过100 μg/m3主要为东北风。分析可见，C(PM10)大值区多出现在锋面附近的偏南风之中，或宝鸡地区受东北路冷空气影响时的偏东北风中。C(PM2.5)和C8h(O3)在偏东北风时较大，可能与无明显天气系统影响时，受地形影响，宝鸡市区多偏东北风有关。

4.3 C8h(O3) 与日平均气温、日最小相对湿度

从图2可以看出：C8h(O3)的大值区主要分布在日最小相对湿度20%～40%之间；当日最小相对湿度小于30%时，C8h(O3)呈上升趋势，超过30%后，C8h(O3)开始下降。随着日平均气温上升，C8h(O3)呈线性增长趋势。分析O3为首要污染物当日的日最高气温，发现其主要出现在前期日最高气温突然增加5～8 ℃的当天，或出现在日最高气温为近期极值后的1～2 d。

图1 2015—2018年3月宝鸡市区08时风向的出现频次(单位为次)(a)、08时不同风向与3种污染物质量浓度(单位为μg/m3)(b)的玫瑰图

5 沙尘天气对3月污染物质量浓度的影响

已有的研究表明，沙尘天气对于本地及其下游地区的空气质量会产生重大影响[8]。春季，特别是3月沙尘天气对空气污染的影响在一年中最重。马敏劲等[9]利用近15年兰州逐日空气质量与地面观测资料发现沙尘天气的C(PM10)、C(PM2.5)比非沙尘天气高1.2～5.4倍。以宝鸡上游地区及本地在日观测天气现象和地面3 h实况图中出现沙尘天气(包括浮尘、扬沙、沙尘暴)为依据，定义沙尘影响日数，4 a共28 d。统计沙尘当天的污染物质量浓度与前一天的差值发现，沙尘天气使C(PM10)、C(PM2.5)平均升高37.25 μg/m3和15.6 μg/m3，C8h(O3)平均升高0.7 μg/m3。因此，沙尘天气使得C(PM10)与C(PM2.5)升高明显，而对C8h(O3)影响不大。

3月气温回暖后，当有锋面南下时，造成宝鸡地区浮尘、扬沙天气。统计4 a中28 d沙尘影响下的地面形势场(图略)，发现主要有两种典型的地面形势，一种是蒙古气旋东移，另一种是冷空气东移南下，均有利于锋面携带沙尘过境，使C(PM10)和C(PM2.5)明显升高。

6 结论

(1)2015—2018年3月，宝鸡市区大气污染的首要污染物为PM2.5、PM10和O3。2016年和2018年3月污染日数多，主要的气象因素是降水量偏少，连续无降水日数持续时间长，日平均风速小，西风日多于东风日，易使得宝鸡市区早春平均AQI指数升高。

(2)气压越高，越有利于三种主要污染物质量浓度的下降。连续性降水对污染物的清除作用优于单日降水，且小于1 mm的单日降水对3种主要污染物无明显清除作用。C(PM10)变化与日平均气压、日降水量关系密切，且为反相关；C(PM2.5)变化与日最小相对湿度正相关特征明显；C8h(O3)与日最小相对湿度变化呈显著反相关，与日平均气温的正相关特征明显。

(3)东风日中3种主要污染物的质量浓度均高于西风日，且C(PM2.5)在东风日与西风日中差距最大。C(PM10)大值区多出现在锋面附近的偏南风之中，或宝鸡地区受东路冷空气影响时的偏东北风中。C(PM2.5)和C8h(O3)在偏东风时较大，这与无明显天气系统影响时，宝鸡地区多偏东风有关。

(4)C8h(O3)随着日最小相对湿度的增加呈现先增加后减少的趋势；日平均气温越高，C8h(O3)越高。O3为首要污染物主要出现在前期日最高气温突然增加5～8 ℃的当天，其次出现在日最高气温为近期极值后的1～2 d。

(5)沙尘天气使得C(PM10)与C(PM2.5)升高明显。早春影响宝鸡市区的沙尘天气主要有两种地面形势，分别为蒙古气旋东移和冷空气东移南下。