新乡市大气污染特征与气象因子相关性分析

王金兰，胡亮帆，李改琴，王 军

(1.新乡市气象局，河南新乡 453000；2.濮阳市气象局，河南濮阳 457000；3.许昌市气象局，河南许昌 461000)

大气污染特征与气象扩散条件之间的关系，一直是国内外学者关心的焦点问题[1-3]。诸多研究表明[4-6]，在污染物总排放量一定的情况下，气象条件对环境空气质量影响很大。魏玉香等[7]研究不同风速下污染物质量浓度分布时指出，污染物质量浓度与风速大小呈反相关；马敏劲等[8]通过对兰州大气污染特征研究发现，大气污染与稳定的逆温层结密切相关。邱粲等[9]对济南市2001—2010年环境空气污染指数及同期气象资料进行相关分析，结果表明环境空气污染指数与气象要素的相关系数较高。赵克蕾等[10]分析了2012年库尔勒市PM10大气污染状况和质量浓度变化特征。徐娟娟等[11]在分析关中盆地一次霾重污染天气时发现，污染物质量浓度与低层风关系密切。纪凡华等[12]在探究聊城大气污染事件发展规律时发现，2012年后冬季污染最严重，夏季污染最轻，霾和雾月出现日数与月大气污染出现日数呈明显正相关。郑海涛等[13]对2014年河南一次重污染过程模拟后注意到，尽管河南各地区同时出现高污染，但其来源各不同。董贞花等[14]对2015年河南省3次重污染过程进行模拟，发现静稳天气有利于污染物的发展持续。

新乡市位于河南省北部，属于“2+26”通道城市之一，地势西高东低，平原占地总面积78%，是暖温带大陆性季风气候。近年来，新乡市经济发展迅速, 大气污染物排放总量大，加之地形条件等因素,致使城市大气污染加重，尤其是秋冬季，重污染天气频发。本文分析新乡市首要大气污染物质量浓度变化特征，进一步探究首要污染物与气象因子的相关性，为提高大气污染气象条件等级预报和服务水平提供科学依据，为政府大气治理提供技术支撑。

1 资料和方法

1.1 资料来源

2015—2016年AQI(Air Quality Index，空气质量指数)，PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2等大气污染物逐日和逐小时监测数据取自新乡市环境保护局环境监测站，同期新乡市常规气象观测数据取自中国气象科学数据共享服务平台(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)的中国地面国际交换站气候资料日值数据集和逐12时MICAPS气象观测资料。

1.2 分析方法

采用Pearson相关系数法，分析研究气温、相对湿度、海平面气压、10 min风速、24小时变温(ΔT24，指当天的日平均气温减去前一天的日平均气温)、24小时变压(ΔP24，指当天的日平均气压减去前一天的日平均气压)等气象因子与PM10和PM2.5及O3的质量浓度(分别用C(PM10)、C(PM2.5)、C(O3)表示)的相关性。

分析首要污染物质量浓度的季节变化时，季节按气象上的春、夏、秋、冬四季划分，其中春季指3—5月，夏季指6—8月，秋季指9—11月，冬季指12月—次年2月。因资料样本有限，能完整反映冬季的只有2015年12月和2016年1月、2月，为了尽可能利用现有资料反映冬季首要污染物质量浓度的变化趋势，用2015年1—2月代表2014年冬季，用2016年12月代表2016年冬季。

2 首要污染物占比分析

新乡市开展长期监测的主要大气污染物有PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2等，每种污染物对大气污染的贡献并不相同，作为首要污染物出现的频次也不相同。新乡市首要污染物出现时数最多的是PM2.5，2015年占比约65%，2016年占比约58%；其次是PM10，2015年占比约34%，2016年占比约39%；O3也占一定比例，2015年占比约1%，2016年占比约3%。SO2、NO2占比很小，全年中只出现过1～2 h；CO占比0，从未成为首要污染物。因此，仅分析对环境空气质量影响较大的PM2.5、PM10、O3三种首要污染物的月、季变化特征，及其与主要环境气象因子之间的相关性。

3 首要污染物质量浓度变化特征

3.1 C(PM2.5)的变化

3.1.1 月变化特征 2015、2016年C(PM2.5)的变化特征基本一致(图1)，峰值分别出现在12月和1月，谷值均出现在8月。2015年C(PM2.5)1月为127 μg/m3，随后开始下降，6—9月维持在66 μg/m3左右的低位波动变化，8月降至64 μg/m3，达到谷值；随后上升，12月骤升至184 μg/m3，达到年度内峰值。而2016年C(PM2.5)的峰值出现在1月，为165 μg/m3；随后下降，在5—8月维持在较低水平，尤其是8月降至39 μg/m3，达到年内谷值；随后波动上升，在11月后快速上升，12月升至152 μg/m3。

图1 2015年和2016年新乡市C(PM2.5)月变化

3.1.2 季节变化特征 从季节均值来看(图2)，C(PM2.5)季度变化特征较明显，均是冬季高、夏季低，春秋两季基本持平。2015年春季为87.7 μg/m3，夏季降到66 μg/m3，秋季上升到79.7 μg/m3，冬季达到峰值152.3 μg/m3。2016年形势开始好转，春季为76 μg/m3，较2015年下降11.7 μg/m3；夏季较2015年大幅下降11.7 μg/m3，降到了42.7 μg/m3；秋季逐渐上升到77.7 μg/m3，与2015年基本持平；而冬季大幅攀升，再次达到峰值152 μg/m3。

图2 2015—2016年新乡市C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)季节变化

3.2 C(PM10)的变化

3.2.1 月变化特征C(PM10)月变化与C(PM2.5)相近但不相同(图3)。2015年C(PM10)从1月的194 μg/m3开始平稳下降，8月降至谷底，为112 μg/m3；随后缓慢上升，12月骤升至283 μg/m3，达到最高值。2016年C(PM10)最高值出现在1月，为243 μg/m3；随后波动下降，3月有所反弹，然后缓慢下降，8月降至谷底，为67 μg/m3；随后波动上升，11月猛升至180 μg/m3，12月攀升至217 μg/m3。两年均在8月达到谷值，但质量浓度相差近2倍，2016年5月开始C(PM10)较2015年明显下降，且这种趋势维持到8月，这与2016年雨水显著偏多有一定关系，另外与管控措施关系密切。

图3 2015年和2016年新乡市C(PM10)月变化

3.2.2 季节变化特征 从季节均值(图2)来看，C(PM10)与C(PM2.5)走势几乎平行，都是冬季高夏季低，且每个季节C(PM10)均高于C(PM2.5)。2015年春季为161.7 μg/m3，夏季降到122.7 μg/m3，秋季上升到131 μg/m3，冬季攀升到峰值，达231 μg/m3。2016年整体形势有所好转，春季为157.3 μg/m3，较2015年略降低，夏季较2015年明显下降，降到75 μg/m3，秋季上升到130.7 μg/m3，与2015年基本持平，冬季继续攀升，再次达到峰值，达217 μg/m3。

两年相比较可以看出，在多雨的夏季，不论是C(PM10)还是C(PM2.5)，均降到年度最低，而冬季则大幅攀升，这与采暖期排放物增加有关。而且，2016年四季的质量浓度较2015年均有所下降，证明随着管控力度加大，管控成效开始显现。

3.3 C(O3)的变化

3.3.1 月变化特征C(O3)的月变化特征与PM10、PM2.5正好相反(图4)，特别是2015年，呈单峰型， 1月C(O3)只有19 μg/m3,后面一路攀升，6月达到峰值90 μg/m3，随后直线下降，12月达到谷值17 μg/m3。2016年则呈双峰型，有6月和9月两个峰值，1月C(O3)为19 μg/m3，是年内谷值，同样在6月达到峰值，为92 μg/m3，9月达到次高值，为82 μg/m3。2016年9月O3再次升高的原因有待进一步研究。

图4 2015年和2016年新乡市C(O3)月变化

3.3.2 季节变化特征 从季节分布上来看(图2)，2015年和2016年两年O3的变化特征完全一致，均为夏季高冬季低，不同的是2016年春、夏、秋三个季度的C(O3)值均比2015年偏高，2016年春季为70 μg/m3，较2015年同期高出8.3 μg/m3，2016年夏季为77 μg/m3，较2015年同期高出3.3 μg/m3，2016年秋季为46.3 μg/m3，较2015年同期高出12 μg/m3。C(O3)夏季高，尤其6月达到峰值，与夏季气温高、日照时长长密切相关[15]。

4 首要污染物质量浓度与气象因子的相关性

4.1 C(PM2.5)与气象因子的相关性

逐月计算C(PM2.5)与6个气象因子的相关性(见表1)，结果各不相同：C(PM2.5)与相对湿度、ΔT24在绝大多数月份呈正相关，相对湿度越大，ΔT24越高，对应C(PM2.5)越高，所有月份中不存在负相关的情况；C(PM2.5)与10 min风速在所有月份均呈负相关，即风速越小，则对应C(PM2.5)越高；C(PM2.5)与ΔP24绝大多数月份呈负相关，ΔP24越小，则对应C(PM2.5)越高，所有月份中不存在正相关的情况；C(PM2.5)与海平面气压大多数月份呈负相关，海平面气压越低，C(PM2.5)越高，但在6、7月却呈正相关；C(PM2.5)与温度的相关没有规律可循，其中有5个月不相关，1、3、10、11月正相关，而6、7、12月负相关。

表1 2015—2016年新乡各月气象要素与C(PM2.5)的相关性

4.2 C(PM10)与气象因子的相关性

逐月计算6个气象因子与C(PM10)的相关性(见表2)可知：C(PM10)与相对湿度在1、2、12月及3、5、9月呈正相关，相对湿度越大，C(PM10)越高；在4、8、10、11月不相关；但在多雨的6、7月却是负相关，这与雨水充沛，冲刷造成污染物湿沉降有关。C(PM10)与海平面气压大多数月份呈负相关，海平面气压越低，C(PM10)越高；在7月却呈正相关。C(PM10)与10 min风速大多数月份呈负相关，在春季和夏初却呈正相关。这可能和春季多大风，地表干燥，风速大时容易起扬沙有关；另外，风速大时，外地污染物远距离传输也是因素之一。C(PM10)与温度大多数月份呈正相关，只在7月和12月呈负相关；C(PM10)与ΔP24在春季呈正相关，在秋、冬季多呈负相关；C(PM10)与ΔT24大多数月份呈正相关，只有3月是负相关。

表2 2015—2016年新乡各月气象要素与C(PM10)的相关性

4.3 C(O3)与气象因子的相关性

逐月计算6个气象因子与C(O3)的相关性(见表3)，发现C(O3)与C(PM10)和C(PM2.5)的规律不同：C(O3)与温度、10 min风速在所有月份均呈正相关，温度越高，10 min风速越大，C(O3)越高；C(O3)和ΔT24在绝大多数月份呈正相关，只在2月和11月没有通过显著性检验；C(O3)与相对湿度在所有月份均呈负相关，相对湿度越大，C(O3)越低；C(O3)与海平面气压在大多数月份呈负相关，气压越高，C(O3)越低，只在1月和7月呈正相关，3月和11月没通过显著性检验；C(O3)与ΔP24的关系没有规律可循，其中有5个月不相关，1、5、8、10月负相关，而2、7、11月正相关。

表3 2015—2016年新乡各月气象要素与C(O3)的相关性

5 结论

(1)新乡市首要污染物主要为PM2.5、PM10、O3。C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)均存在明显的月际变化，C(PM2.5)和C(PM10)， 1月是峰值(或次峰值)，然后逐渐下降，8月达到谷值；随后缓慢升高，进入采暖季后快速上升，12月攀升到次峰值(或峰值)。C(O3)则相反，1月是谷值(或次谷值)，然后逐渐上升，6月达到峰值；随后开始下降，12月达到次谷值(或谷值)。从季节变化上看，C(PM2.5)和C(PM10)都是冬季最高，夏季最低；C(O3)则是夏季最高，冬季最低。在大气环境治理管控中，建议冬半年重点关注PM2.5和PM10的管控，而夏半年则务必关注O3污染源的治理。

(2)C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3) 与气温、相对湿度、海平面气压、10 min风速、ΔT24、ΔP24等的相关性各不相同。C(PM2.5)、C(PM10)、C(O3)大多数月份都与海平面气压呈负相关，与ΔT24呈正相关；C(PM2.5)和C(PM10)多数月份与10 min风速呈负相关。C(PM2.5)与相对湿度绝大多数月份呈正相关，与ΔP24大多数月份呈负相关；C(PM10)与相对湿度冬季呈正相关，夏季呈负相关，春、秋两季规律不明显，与ΔP24春季呈正相关，秋、冬季多呈负相关。C(O3)与温度、10 min风速在所有月份都呈正相关，与相对湿度在所有月份都呈负相关，与ΔP24没有规律可循。