瑞丽市空气污染状况与气象条件的相关性研究

周 晗 宋晓萌 李福林 郭开波 杨志军 徐永刚

（云南省瑞丽市气象局 德宏州生态环境局瑞丽分局，云南 瑞丽678600）

1 概述

近年来，随着我国工业生产和经济建设的高速发展，汽车数量的迅速增加，煤炭和石油等燃料消耗量的剧增，导致了空气污染的不断加剧，尤其是雾霾天气的频繁发生，给社会经济建设和人体健康造成了极大危害。空气污染引发的人体健康问题如呼吸系统疾病、心脑血管疾病等引起了社会各界的普遍关注。

过量排放污染物是造成污染的根本原因，但是气象条件和地形因素等方面对污染物浓度的变化和一些重污染事件的发生有很大影响。

气象要素往往制约着空气污染物的稀释、扩散、输送和转化过程，影响着空气污染物的分布与浓度。瑞丽市坝区属大气环境弱扩散区域，气象条件不利于污染物扩散，目前瑞丽市本地的气象因素对空气污染影响的研究不多，也缺乏适合瑞丽的预报指标。

为确保瑞丽市的人居环境，提高空气污染气象条件预报等级水平，急需开展瑞丽市空气污染状况与气象条件的相关性分析研究，为给瑞丽市大气污染预警提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 资料来源

2.1.1 空气污染资料

空气质量日报资料为德宏州生态环境局瑞丽分局提供的2016 年6 月到2019 年4 月污染数据，资料包括空气质量指数（AQI）、首要污染物、空气质量级别等数据。污染物浓度资料为瑞丽市逐小时污染资料，包括6 种污染物（PM2.5、PM10、NO2、O3、SO2、CO）小时浓度、AQI 和首要污染物等。

2.1.2 气象资料

气象资料来源于瑞丽市气象局，包括温度、风速、相对湿度等常规气象要素，以及对应腾冲站探空气象数据。

2.2 研究方法

Pearson 相关系数：

Pearson 相关系数主要反映的是变量之间的线性相关关系及密切程度，对任意变量x、y 之间的相关系数的计算公式如（1）：

3 瑞丽市空气污染特征分析

3.1 根据瑞丽市2016 年6 月至2019 年4 月的空气质量日报数据，对瑞丽市的AQI 的时间特征进行分析。首先对瑞丽市的污染天数进行统计分析，结果如表1。可见瑞丽市环境空气质量出现污染主要集中在每年的3、4、5 月份，2 月、6 月份污染天数均为1 天，12 月份污染天数为2 天，其余月份均未出现污染。进一步对空气质量指数（AQI）时间变化特征进行分析，发现每年的空气质量指数从6 月份开始逐步下降，8、9 月份达到最小值后开始逐步上升，到次年4、5 月份达到最大值。

表1 2016-2019 年瑞丽市各月污染天数统计表

3.2 以瑞丽市环境空气质量监测各等级所占比例进行分析，对比瑞丽市环境空气质量近期变换趋势。如表2，因2016 年数据不包含1-3 月数据，2019 年数据不包含5-12 月，此两年不做比较；2018 年优的天数较2017 年增加，而良的天数则减少，超标天数增加，空气质量优良率下降。总体来说，瑞丽市空气质量主要以优良为主，约占95.06%，出现污染的天气主要为轻度污染，而中度污染和重度污染鲜有出现，所占比例仅为0.65%和0.11%。

3.3 首要污染物指的是空气质量指数在50 以上时，某一污染物的空气质量指数最大的空气污染物，图2 是瑞丽市首要污染物所占比例情况。分析可知：瑞丽市环境空气质量主要受臭氧、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）三种污染物的影响，其中颗粒物的影响最大，超过50%。二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳均能达到《环境空气质量标准》（GB3095-2012）的一级标准，所以此次研究瑞丽市环境空气质量变化只针对臭氧、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）的浓度变化趋势进行探讨。

表2 2016-2019 年瑞丽市各空气质量等级比例

图1 瑞丽市首要污染物所占比例

3.4 对瑞丽市的PM10、PM2.5及O3三种污染物浓度的月均值进行分析（图2），如图可见PM10浓度月均值在每年的4 月份均大于其他月份，而后逐步下降到7、8 月份达到最小，而后逐步上升，在11 月份后又逐步下降后再次年1、2 月份开始上升，每年内3-4 月及11 月左右月均值均比其他月份大；PM2.5浓度月均值在每年的4 月份均大于其他月份，而后逐步下降到7、8 月份达到最小，而后逐步上升，每年内3-4 月及11 月左右月均值均比其他月份大；O3浓度在4 月份质量浓度值均在全年最大，而后逐步下降到8 月份达到最小，而后逐步上升，在11 月份后逐步下后再次年1、2 月份开始上升，每年内3-4 月及11 月左右月均值均比其他月份大。

图2 PM10、PM2.5 及O3 浓度月均值变化图

综上所述，瑞丽市环境空气质量出现污染天数基本在每年的3、4、5 月份，为了解出现污染天气的污染物在每天的质量浓度变化，对每年的3、4、5 月份出现污染天气的小时均值进行分析，以便了解首要污染物在每天的时间变化，结果发现，O3浓度白天均高于夜间；在早晨8、9 时出现最低值，而后逐步上升到到达16、17 时达到最大值，从19、20 时后逐开始下降。PM10、PM2.5两种污染物浓度的日变化无相对稳定的规律。

4 瑞丽市空气污染状况与气象要素的相关性分析

造成污染的原因主要是污染源的过量排放和不利于大气扩散的气象条件，在污染源一定的情况下，空气污染的主要影响因素是气象条件。本文将选取瑞丽市的PM2.5、O3、PM10浓度和AQI 与温度、风速、降水量、相对湿度、气压五个地面气象要素进行相关性分析。了ɑ=0.01 水平的显著性水平检验，表4 同。

表3 瑞丽PM2.5、O3、PM10 浓度和AQI 与风速的相关系数

表4 瑞丽PM2.5、O3、PM10 浓度和AQI 与降水的相关系数

表3～4 分别为瑞丽的PM2.5、O3、PM10浓度和AQI 与与风速、降水量的相关系数（温度、相对湿度、气压相关系数略）。表3 可以看出风速与三种污染物浓度和AQI 整体上均呈负相关。风速增加，有利于污染物的水平扩散，使污染物浓度降低，污染减弱，空气质量变好。

表5 为PM2.5、O3、PM10浓度和AQI 与降水的相关系数，可以看出降水与四者均呈明显的负相关，相关性显著。降水量与PM2.5、PM10浓度的负相关更显著一些，主要原因是降水对污染物具有湿清除的作用，尤其是对PM2.5、PM10颗粒物的清除效果更明显，相关性更显著。

通过相关系数可以看出温度与PM2.5浓度冬季呈负相关，其他季节呈正相关；与O3、PM10浓度、AQI 均是在10-12 月、1 月呈负相关，其余月份呈正相关；温度与三种污染物的相关性在春夏季更为显著，多数通过了0.01 的显著性检验。O3是光化学产物，温度高有利于光化学反应生成O3，从而使其浓度升高。相对湿度与三种污染物浓度和AQI 的相关性呈负相关，且与PM2.5、PM10浓度的相关性更显著，基本上都通过了0.01 的显著性检验，可能是因为瑞丽相对湿度比较大，大部分时间的相对湿度在70%以上，污染物可以通过吸湿增长产生沉降，从而造成颗粒物浓度随着相关湿度的增大呈递减趋势。气压与三种污染物浓度和AQI 的相关性为部分月份的气压与污染物浓度呈正相关，部分月份的气压与污染物浓度呈负相关，但相关性均是较弱，仅在个别月份通过的显著性检验。

5 瑞丽污染个例分析

2016 年6 月至2019 年4 月，瑞丽市共有46 天为污染天气，其中轻度污染天气有39 天，中度污染6 天，重度污染仅有1天。重度污染出现在2016 年6 月21 日，AQI 达259，首要污染物为O3，该污染过程仅有这一天为污染天气，主要原因可能是太阳辐射强，光合作用促进O3合成，是污染浓度升高，污染加重。

在这些污染过程中发现，2017 年4 月11 日、12 日、15 日均为中度污染，污染过程持续时间长，因此本文将主要分析该污染过程。

因瑞丽无探空站，因此选取临近站点腾冲站的探空数据进行分析。通过对2017 年4 月10-15 日08 时的探空温度曲线分析发现，连续6 天的08 时，在795-832hPa 范围内均有逆温层出现，平均逆温厚度为217.5m，平均逆温强度为2.49℃/(100m)，其中4 月12 日空气质量指数最大，逆温厚度也最大，为315m。地面无降水，风速较小，均在1m/s 左右，水平扩散能力弱，不利于污染物的扩散，加上近地面层逆温层的存在，抑制污染物的扩散，污染物浓度增加，使污染加重。

图3 2017.04.10-04.15 的08 时探空温度曲线

6 结论

6.1 瑞丽市环境空气质量整体以空气优良为主，但仍有污染出现，出现污染主要集中在每年的3、4、5 月份，发现每年的空气质量指数从6 月份开始逐步下降，8、9 月份达到最小值后开始逐步上升，到次年4、5 月份达到最大值。

6.2 瑞丽市环境空气质量主要受臭氧、可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）三种污染物的影响，其中颗粒物的影响最大，超过50%。二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳均能达到《环境空气质量标准》（GB3095-2012）的一级标准。

6.3 将瑞丽市的PM2.5、O3、PM10浓度和AQI 与温度、风速、降水量、相对湿度、气压五个地面气象要素进行相关性分析。可以看出温度与三种污染物的相关性在春夏季更为显著，多数通过了0.01 的显著性检验。O3是光化学产物，温度高有利于光化学反应生成O3，从而使其浓度升高。风速与三种污染物浓度和AQI 整体上均呈负相关。风速增加，有利于污染物的水平扩散，使污染物浓度降低，污染减弱，空气质量变好。降水对污染物具有湿清除的作用，与四者相关性显著。降水量对PM2.5、PM10颗粒物的清除效果更明显。相对湿度与三种污染物浓度和AQI 的相关性呈负相关，气压与三种污染物浓度和AQI 的相关性相关性均较弱。

6.4 通过个例分析发现，瑞丽近地面层有逆温存在，地面风速较小，无降水，不利于污染的扩散，使污染物浓度上升，造成污染天气的出现。