2014—2017年揭阳市空气污染变化特征及与风速关系

2020-05-12夏云谢泽嘉陈映强

广东气象 2020年2期

夏云，谢泽嘉，陈映强

（揭阳市气象局，广东揭阳 522000）

环境空气质量的优劣与人体健康密切相关。二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、近地层臭氧（O3）和可吸入颗粒物（PM10）作为主要的大气污染物，会对生态环境和人体健康产生显著影响［1-3]，地方政府面临着改善空气质量、美化城市景观的艰巨任务。

加强空气质量的监测预报服务能力是广东省气象局全面推进气象现代化、提高造福社会能力的重要举措之一。要做到准确有效预报服务，必须深刻了解影响空气质量的因素。目前不少学者对空气质量以及风场与空气质量的关系进行了研究，发现空气质量具有明显的季节变化特征［4-5]，同时风场与风速、气温、湿度等气象因子与空气质量有着显著的相关关系，尤其风速对于空气质量的影响是非常明显的［6-10]，随着揭阳市的不断发展，空气质量的变化也已经引起政府和公众的广泛关注，本研究采用揭阳市区观测站逐日风场资料和揭阳市4个环境监测站的逐日污染物质量浓度数据来分析风速对揭阳市区空气质量的影响，以期为当地环境质量提供一定的参考。

1 资料和方法

本研究所采用的风场数据来源于2014—2017年广东省揭阳市区观测站逐日风场资料；大气环境数据来源于揭阳市4个环境监测站（东兴、西马、新兴、渔湖）的逐日污染物（SO2、NO2、O3、PM10）质量浓度数据。

采用区域空气质量指数（RAQI）作为空气污染的指标对空气质量进行分析［11]，由于本研究数据来源于揭阳市的4个环境监测站，每个站点的环境状况和气象条件存在差异，如果单纯用空气质量指数（AQI），无法突出各个站点风场条件对污染状况的差异，因此本研究选择RAQI指数

其中，RAQI为区域空气质量指数；Ii为单项污染物空气质量分指数；Ci是SO2、NO2、O3、PM10的日均质量浓度或O3的8 h质量浓度均值的日最大值，单位均为μg／m3；Ri为国家环境空气质量标准中相对应的污染物质量浓度限值的2级标准（ρ（SO2）＝150μg／m3、ρ（NO2）＝80μg／m3、ρ（O3）＝160μg／m3、ρ（PM10）＝150μg／m3）。为了分析不同污染物对空气质量影响的贡献水平，本研究进一步采用单项污染物空气质量负荷系数（Fi）：

另外，根据RAQI对空气质量进行划分：RAQI＝0～1，远低于国家环境空气质量2级标准；RAQI＝1～2，基本符合；RAQI＝2～3，接近或超过；RAQI＝3～4，超过；RAQI＝＞4，严重超过。在本研究中，如果RAQI＞2就作为污染日进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 空气污染变化特征

1）RAQI指数特征。

2014—2017年揭阳市4个环境监测站东兴、西马、新兴和渔湖年平均RAQI分别为1.40、1.38、1.39和1.44。可以看出，4个站点的平均RAQI都在1～2之间，基本符合国家2级标准；对比4个不同的站点，空气污染情况存在区域差异，渔湖站的平均RAQI最高，西马站的最低，这是由于渔湖站空气质量的季节变化较弱所致。

进一步对4个环境监测站的RAQI进行趋势分析，从图1给出变化情况来看，4个站点的RAQI都表现出显著下降趋势（通过0.05的显著性检验），其中以新兴站（图1c）的下降趋势最为明显，每年以0.069μg／m3的速率降低，而西马站（图1b）的下降趋势最为平稳，每年仅以0.017μg／m3降低，尽管不同的站点表现出差异性的下降速率，但是整体都表现揭阳市的RAQI在逐年降低，也意味着揭阳市的空气质量在逐年变好；同时从图1还可以看出，4个站点都表现出显著的季节变化。

图1 揭阳市4个环境监测站RAQI指数和线性倾向估计

为了更明显地分析空气质量情况的季节分布，图2给出了2014—2017年逐年的RAQI季节分布情况。从图2可看到，冬春季（12月—次年5月）的RAQI较大，夏秋季节RAQI较小。东兴站的RAQI季节变化最为明显，12月—次年5月有近1／2日数的RAQI都在2以上，进入5月之后，几乎所有的RAQI都在2以下，即东兴站在冬半年的空气污染情况较为严重，在夏半年空气情况转好；其余3个站点尽管都存在着RAQI的季节变化，但是RAQI＞2的天数较少（主要出现在冬半年），以渔湖站的季节变化最弱，同时考虑渔湖站的RAQI都几乎集中在1.5左右，这就造成了其平均的RAQI较高，但是不代表这个站点的空气污染情况较差。相反，东兴站的平均RAQI尽管低于渔湖站，但是因为其季节变化明显，有较多的污染日，也在夏季出现较多有RAQI＜1的天数，最终造成其平均RAQI较低。

图2 揭阳市4个环境监测站不同年份RAQI指数分布

2）不同污染物的变化特征。

RAQI指数是4种污染物综合指标，即为单项污染物分指数的和，为了进一步探究影响揭阳不同污染物的影响比重，本研究根据式（2）分析了不同污染物的质量分指数（图3）与其负荷系数（表1）。

图3 揭阳市4个环境监测站年均单项污染物质量分指数I分布

从图3可以看到，4个环境监测站臭氧的分指数最大。从表1也可以看出臭氧对于RAQI负荷最大，约占40%；其次为PM10，占25% ～33%。从图3中还可以看到，NO2和PM10呈相反变化趋势，也就是说PM10的影响在逐年降低，而NO2的影响逐年增强。表1可以看到新兴站和渔湖站的NO2负荷系数从2014年的16% ～18%增加到2017年的23%；SO2对空气质量的影响最小，呈逐年递减趋势，其负荷系数从10%降低到7%。因此，揭阳市的空气污染物的主要来源是臭氧，其次是PM10，PM10的影响趋于逐年减弱，而NO2的影响逐年增强。

表1 揭阳市4个环境监测站点的年均RAQI以及单项污染物的质量负荷系数

2.2 空气污染与风速的关系

研究表明，风速与空气污染之间有着密切关系［6-11]，本研究对揭阳市的风速分布情况进行分析。从图4a可以看出风速呈增强趋势，这与揭阳市RAQI逐年减小表现为相反的关系。而从图4b可以看到2015年揭阳市平均风速最大，2014年平均风速最小，同时，4个环境监测站点年均RAQI（如图3黑色实线所示）均表现为在2014年最高，在2015年最低的分布情况，结合风速的年均特征可以表明，风速和空气污染存在较好的对应关系，即风速大，RAQI小，反之亦然。

图4 揭阳市2014—2017年逐日风速和线性趋势变化（a）以及年均风速强度分布（b）

为进一步检验风速和空气污染的关系，本研究对风速和RAQI的相关性进行分析（图略），可以看出，各个站点与风速之间呈负相关，且均通过0.05的显著性检验，由此从气象条件的角度来看，揭阳地区的风速越大，空气污染越小，空气质量越高。

从揭阳市各环境监测站的空气污染分布状况来看，揭阳市的空气污染几乎都处于基本符合2级标准的水平，不算是严重污染的状况。接近或超过、超过和严重超过2级标准的污染日数占比较少，而且要少于空气质量好（低于2级标准）的日数。那么，理清不同空气质量日与风速的关系，对于预测和治理空气质量问题是必要的，因此，本研究将远低于和基本符合2级标准的天气作为空气无污染日，其余超过2级标准的天气作为空气污染日，进一步分析不同空气质量条件下的风速强度状况。

首先，从图5可以看到，4个监测站点在风速较小的时候最容易出现空气污染的情况，反之在风速较强的情况下，空气质量好，表现为无污染日。其次，渔湖地区无污染日的风速要比其余3站都大，也意味着同一风速条件下，渔湖地区相比其他地区可能空气质量要更差，这可能是因为空气质量不仅受到风速的影响，地形、降水、冷空气等气象条件也会调节空气质量状况。从平均意义来说，风速约为0.2～0.3 m／s时，揭阳市最容易出现空气污染；当风速大于1.8 m／s时，无污染出现。