宁波北仑港区空气质量特征及污染空气成因分析

俞科爱 董群 陈从夷 朱佳敏 陈磊

(1.宁波市北仑区气象局,浙江 宁波 315826;2.民航宁波空管站气象台,浙江 宁波 315000;3.慈溪市气象局,浙江 宁波 315300)

0 引 言

经济发展、地形地貌、气候条件对城市空气质量产生影响[1-3]。随着长三角经济的高速发展和城市化进程的逐步加快，大气环境污染已成为突出的环境问题，最明显表现为城市能见度变差、霾日明显增多、且程度加重、范围扩大[4-5]，治气已经成为事关国计民生、事关可持续发展的突出问题之一。宁波北仑港位于长三角地区最东端，经过30多年的开发建设，已成为能接卸化工、煤炭、铁矿石、原油、集装箱等17类近百个品种的国际枢纽综合现代化深水大港，与世界100多个国家和地区的600多个港口有密切贸易往来，是全国拥有大型和特大型深水泊位最多的港口，2018年港域货物吞吐量达5.8亿 t。发达的港口物流、船舶运输、临港企业，使得空气污染成因较为复杂。

风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素。风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物浓度越低；大气稳定度影响大气污染物的扩散能力。与大气污染关系密切的气象要素主要有气温、气压、空气湿度、风、降水、日照等。赵敬国等认为西北风较东北风更有利于兰州市污染物扩散[6]，温度、风速和相对湿度是影响北京空气质量的主要气象因素[7]，秋冬季重度霾发生时主要气象条件是贴地逆温和地面4m/s以下的风速[8]。郁珍艳等认为浙江省大气自净能力春夏季沿海地区小、内陆大，风速较小、风向转西北风时杭嘉湖、宁绍等易出现中度及以上污染空气[9]。在浙江省开展空气污染与气象条件的关系研究总体还较少。浙江省经济增速快、地形复杂，空气质量状况和变化各地差异较大。本文运用2016—2018年资料，统计分析宁波北仑港空气质量与气象条件的关系，为空气污染防治提供科学依据。

1 空气质量特征

1.1 空气质量等级

2016—2018年北仑区空气质量总体呈逐年转好趋势，优良空气明显增加，中度到重度污染天气偶有发生，没有出现严重污染天气。这3 a空气质量优良率分别92.5%、93.9%、95.2%，轻度污染53 d，中度污染5 d、重度污染2 d，日均最大AQI为280。统计表明，北仑区空气质量呈现夏季好、春季次之、秋冬季最差的明显季节特征，图1可见，7月AQI最低仅40，12月最高为99，其中，4月和7—9月空气质量优良率达100%，11—12月和1—2月出现污染空气概率81.1%，中度和重度污染空气出现1—2月。首要污染物主要是NO2，占53.6%，绝大多数出现在空气质量为良的日期；其次是PM2.5，占23.4%，主要出现在空气质量为轻度污染-重度污染的日期；再次是PM10，占22.8%，主要出现在空气质量为良的日期。一般来说，11—12月和1—2月首要污染物是PM2.5的概率较大，2—5月和10月首要污染物是PM10概率较大，2月和8月首要污染物是NO2的可能性较小。

图1 2016—2018年北仑区空气质量等级日数月分布

AQI日变化特征在各个季节并不完全相同，见图2。首先，冬夏季日变化较明显，AQI最大振幅约10，而春秋季则仅5；其次，冬夏季日变化虽均为双峰双谷型变化，但基本呈反位相变化，冬季为后半夜上升、前半夜降低，上午上升、下午降低的日变化特征，即冬季凌晨(3—4时)和傍晚前后(17时)较低，中午(11时)和夜间(21时—1时)较大，而夏季则是后半夜下降、前半夜上升，白天先降(8—10时为谷值)后升(14—15时为峰值)，之后再缓慢降低的日变化特征。

图2 2016—2018的北仑区空气质量指数日分布

1.2 3类污染物浓度

北仑区SO2、NO2、PM2.5浓度整体呈下降趋势，但波动较大，年平均浓度分别为12.8、42.4、36.3 μg/m3。污染物浓度具有明显时间变化特征(图略)，即夏季最低、秋季略高、春冬季最高，1月SO2浓度达到最高17.0 μg/m3，8月降到最低8.4 μg/m3；12月NO2和PM2.5浓度达到最高59.0 μg/m3，55.9 μg/m3，8月降到最低22.3 μg/m3、22.9 μg/m3。三类污染物浓度日变化不相同，NO2变化振幅明显大于PM2.5，具体为SO2单峰单谷型，先升后降，峰值出现在中午12时，谷值在半夜24时；NO2和PM2.5为双峰双谷型，峰值出现在9—11时、20—22时，谷值在3—5时、16时。

1.3 对比统计

北仑区与宁波市3类污染物浓度基本呈相同变化特征，即年变化总体呈下降趋势，但北仑区波动略大。SO2、NO2比宁波市偏高0.3 μg/m3、3.0 μg/m3，PM2.5比宁波市偏低5.1 μg/m3。季节变化趋势对比表明(图略)，两地均表现为夏秋季浓度较低、春冬季较高，但北仑区SO2、NO2浓度偏高主要出现在上半年，特别是春季，宁波市区PM2.5偏高则在秋冬季，12月最高；污染物浓度日变化两地则基本一致。

2 污染成因分析

2.1 空气质量等级与气象要素的统计关系

表1为2016—2018年北仑区的日平均风速、温度、露点温度、气压、相对湿度、能见度、平均水汽压、雨量等8个气象因子与AQI的相关分析，统计表明：风速是各季AQI相关性最大的要素，呈负相关，即风速越大AQI越小，但其他气象要素与各季AQI相关性并不一致，秋季雨量、平均气温、露点温度、水汽压和气压均对AQI存在较明显的相关性，与平均气温负相关系数最高-0.498，说明气象要素对秋季AQI影响最复杂，其中气温变化是主要因素之一；冬季能见度与AQI相关性最高。另外，秋冬季的降水与空气质量的呈负相关性明显于春夏季。

表1 2016—2018年北仑区气象要素与空气质量指数相关统计表

备注：**置信度为0.01时，相关性是显著的；*置信度为0.05时，相关性是显著的。

降水有利空气质量好转。图3可见，雨日情况下，空气质量优时的平均日雨量在4.5 mm以上，空气质量为良时的平均日雨量为3.1 mm以上，轻度到中度污染时的日雨量在1.5 mm以下，尤其是冬季，日雨量在1.3 mm时仍有可能出现中度污染，重度污染时一般发生在无雨日。

北仑区夏秋季的轻度污染空气湿度比空气质量为优良的明显增大，平均相对湿度由78%增大到84%，而冬季则相反，空气质量由优到轻度污染转差时，湿度明显下降，但随着污染加重，湿度又明显增大，重度污染时平均湿度最大为76%，轻度污染时湿度最小为71%。另外，空气质量越差，大气能见度越低，特别是秋冬季表现尤为明显，空气质量为优良的平均能见度为24.9 km，污染天气时能见度明显下降，平均为10.3 km，重度污染时平均能见度仅为6 km。

2.2 污染系数

运用徐大海、俎铁林等提出的含静风效应的污染系数α计算方法[10]，即

α=16×fi/ui+f0×4/3

其中，fi为各风向出现频率,f0为静风频率,ui为各风向的平均风速。

图4为2016—2018年北仑区大气污染系数玫瑰图，图4中可见，NNE和NE方位的大气污染系数最小为0.42，SSE方位的最大为1.08，四方位滑动累积最小值所在方位是最小污染方位，说明原点的源对此方位内污染最轻，最小污染方位下风方位为最轻污染范围。统计表明，北仑区四方位滑动累积最小方位是NNW—NE，累积值为1.8，最大值的方位是SSE—SW，累积值为3.52。即来自西南偏南方位的风向对北仑区大气污染最小，偏北到东北方位污染最大。

图3 2016—2018年北仑区空气质量等级与雨量的分布图

图4 2016—2018年北仑区大气污染系数风向玫瑰图

2.3 对比分析

以2016—2018年易出现污染天气的冬季为例，小时整点AQI>150、AQI≤50分别代表污染空气、清洁空气。图5可见，污染空气的风向主要来自第四象限，其中，西北偏西风、西风频率最高，占污染空气41.9%，此两类风向的平均AQI为203；清洁空气的风向离散性比较大，特别是第一、二象限风向明显增多。北仑以南的海上来风能明显改善北仑区空气质量。值得关注的是，东北偏北风向虽然频率不高，仅2.4%，但这类风向的AQI有时是最大，平均达210，有时却是AQI最小，仅28，有待于进一步分析研究。

图5 北仑区清洁空气(a,c,e)与污染空气(b,d,f)的风频(a,b)、风速(c,d)、AQI(e,f)玫瑰图

3 结 语

1)北仑区空气质量总体逐年转好、环境状况日益改善，但中度到重度污染偶有发生；首要污染物主要是NO2，占53.6%；其次是PM2.5、PM10分别占23.4%、22.8%，PM2.5浓度较宁波市偏低，但NO2、SO2浓度偏高。这与北仑地理位置及北仑港口发达交通物流有关。

2)空气质量呈夏季好、春季次之、秋冬季最差的明显季节特征，但各季的AQI日变化不同，春夏季不明显，冬夏季为较明显的双峰双谷型，但冬季为后半夜上升、前半夜降低，上午上升、下午降低，夏季则反之。3类污染物浓度日变化特征亦不同，SO2最高值出现中午12时，最低在半夜，NO2最高值出现在夜里至次日早上，最低在15—16时，PM2.5最高值出现在8—9时，最低在16时。

3)降水有利空气质量好转，重度污染一般发生在无雨日，3 mm以上的雨日污染空气概率明显降低；中度污染时，随着污染加重，空气湿度随之增加；空气质量越差，大气能见度越低，优良空气平均能见度为24.9 km，污染天气能见度下降到10.3 km，重度污染能见度仅为6 km。

4)风与AQI相关性最大，西南偏南风对北仑区大气污染最小，偏北到东北风污染最大。东北偏北风控制下空气质量的两极化可能与港区海陆风气候特征有关，需要进一步分析研究。