长沙市秋冬季降水对PM2.5的影响分析
2021-01-06周国治潘海婷
周国治,潘海婷
(湖南省生态环境监测中心，长沙 410019)
前 言
伴随着工业的高速发展和城市化进程加快，城市大气污染问题日益突出，在影响空气污染的各项因子当中，颗粒物尤为显著，颗粒物浓度超标已经是影响我国许多城市环境空气质量最为突出的因素。尤其是进入秋冬季后，大气污染形势更为严峻。颗粒物污染除了影响能见度，还对人体健康造成重大损害，其中粒径小于2.5μm的细粒子可进入肺泡中，可能导致与心和肺的功能障碍有关的疾病[1]，因此颗粒物污染受到政府和人民的高度关注。如何降低颗粒物浓度，尤其是降低秋冬季大气细颗粒物浓度，提高城市秋冬季大气环境质量，是各地政府近几年一直在努力探索的重大环境问题。
一般情况下，空气质量受污染物排放、大气化学反应及气象扩散条件等多方面条件影响[2]。污染物排放包括污染物本地排放及外源输入污染，一般在短时间范围内，本地污染排放相对较为稳定，外源输入污染就成为了影响大气环境的一个重要因素，尤其是秋冬季北方先后进入集中供暖期，大气污染物排放量较大，在北风盛行的气象条件下，大气污染物很容易随着冷空气传输至南方[3]。气象条件主要影响大气环境容量及扩散条件，秋冬季本身气温低，低云量日较多，大气环境容量较小[4]，扩散条件主要表现在降水和风影响了颗粒物的湿清除过程和干清除过程[5]，降水对颗粒物的清除主要是雨滴在降落过程中，主要通过惯性碰并过程和布朗扩散作用，捕获气溶胶粒子，使之从大气中清除的过程[6]。近年来，很多研究者从不同角度展开了降水对大气污染物浓度的影响研究，陈小敏等[7]和刘星等[8]定量分析了秋冬季和夏季不同等级降水对大气污染物浓度的清除能力；胡敏等[9]和郑晓霞等[10]进一步研究了降水过程对大气污染物浓度的影响，研究结果表明降水过程后颗粒物浓度明显低于降水前；李芳等[11]通过研究分析，结论表明连续性降水对大气颗粒物的去除效果明显。降水对大气污染物浓度影响大多采用浓度差值来进行说明，目前，也有学者开始采用相关性分析对降水与大气污染物浓度变化之间的关系进行定量研究刘妍妍[12]等对多个城市进行了研究。降水对颗粒物的清除机制十分复杂，还存在很多不确定性。
长沙作为湖南的省会城市，大气污染防治一直受到全体湖南人民的关注。2015年，湖南省人民政府就下发了《长株潭大气污染防治特护期工作方案》，明确每年10月至次年2月(共计5个月)为长株潭地区大气污染防治特护期，明确要求特护期内，在加强大气污染防治工作常态化的基础上，针对不利气象条件，进一步加大工作力度，加强区域协同，努力减少秋冬季节重污染天气出现的频次，降低空气污染程度，提高空气质量优良率。为考察秋冬季不同降水强度、降水时长以及累积降水量对大气污染物的清除效果，本文以长沙市莲花站点的气象观测站的降水量数据及长沙市9个国控环境空气评价点PM2.5污染物浓度数据为基础，对降水量与PM2.5浓度进行定性及定量分析，探究秋冬季降水对PM2.5的影响，以期为区域大气污染人工干预和防治提供参考。
1 实验部分
1.1 资料来源
研究所用PM2.5数据来自于长沙市城区9 个环境空气评价点2018年10月～2019年2月连续在线观测得到的PM2.5逐日浓度资料及2014～2019年逐月浓度数据。长沙市9个环境空气评价点分布在城区不同位置，其中芙蓉区有2个，岳麓区有2个，高开区、经开区、天心区、开福区和雨花区各有1个，可以充分代表长沙市环境空气质量情况。
1.2 资料处理
研究中监测点内均是采用Thermo Fisher 24h连续监测设备(美国)进行监测，可准确可靠地测量污染物的质量浓度，监测数据实时上传至中国环境监测总站。仪器的规格、维护、标定及数据处理质控方法均按照中国环境监测总站要求执行。
研究所用降水数据来源于气象台设置在长沙县莲华镇的基本气象观测站，是长沙市的代表观测站，监测数据实时传输至中国气象局。
先将近5年PM2.5与降水量月数据进行匹配，分析长时间尺度下累计降水量对PM2.5月均浓度的影响，再就2018年秋冬季特定时间范围内降水日的降水量及降水时长进行统计，分析降水强度、降水时长对PM2.5日均浓度的变化情况。
2 结果与分析
2.1 秋冬季降水与PM2.5浓度月变化特征
长沙属于典型的亚热带季风气候，雨热同期，四季分明，每年10月开始后，白天较暖，入夜转凉，降水量少，低云量日较多，以偏北风为主。在此条件下，大气环境容量较春夏季明显减小，且受到北风影响，京津冀等北方污染持续向湖南等南方地区传输[13]。长沙本身工业也较为发达，长沙地区GDP占全省三分之一左右[14]，工业类型以机械制造等重工业为主，污染排放较为集中。在大气环境容量明显减小、北方污染持续输入、本地污染排放集中等多方面的影响下，长沙秋冬季PM2.5浓度明显高于其他时期，高浓度持续时间长，浓度峰值较高，出现高浓度的频次较多[13]。
从月均降水量及月均PM2.5浓度分析，降水量大的月份，PM2.5浓度相对较低，降水量少的月份，PM2.5浓度较高，降水量与PM2.5浓度相关系数分别为-0.59，均通过99%置信区间检验，具有明显的负相关关系，说明降水对PM2.5有一定的清除作用。
通过梳理近5年长沙市秋冬季大气污染防治特护期内PM2.5平均浓度与累计降水量的关系(见图1)，可以看出整体上秋冬季累计降水对PM2.5平均浓度影响极大， 2014年累计降水量较少，PM2.5浓度较高，2015年随着降水量明显增高，PM2.5浓度迅速下降，2016、2017年随着降水量相对减少，PM2.5浓度出现反弹，2018年降水量升高后，细颗粒浓度再次下降。
图1 秋冬季特护期累计降水量与PM2.5浓度统计图Fig.1 Statistics of cumulative precipitation and PM2.5 concentration in autumn and winter
2018年累计降水量虽较2015年有所减少，但PM2.5浓度依然有所下降，笔者分析原因主要是随着国家对大气污染防治越来越重视，整顿力度越来越大，管控方式越来越精细，在降水不利的情况下，通过管控方式实现了空气质量的改善。
从秋冬季内各月的情况来看，11、12、1月降水量与细颗粒的浓度直接相关，降水量增加，浓度下降，降水量减少，浓度升高，而此段时间内也刚好是长沙市空气质量最恶劣的时期。
11月的累计降水量在近5年里相对较高，比其他4个月的累计降水量高出50%以上，PM2.5浓度较低。近5年11月累计降水比10月高出60%以上，但是颗粒物浓度相对10月并未出现明显下降，反而稍有升高，不过整体上10月及11月污染物浓度远低于其他3个月。
从各年的情况上看，除14、15年11月相对10月出现下降外，另3年PM2.5均有所上升，污染物浓度最高值主要集中在12月及1月，尤其是12月相对11月环比上升非常明显，分析原因认为主要有下面几点：(1)11月下旬节届冬令，长沙气温迅速下降，大气环境容量迅速减少；(2)11月正直秋冬交替，北方冷空气活动较为频繁；(3)11月中北方开始供暖，大气污染物排放量显著增加，受北风影响，传输影响非常明显。
2.2 日降水强度对PM2.5浓度的影响
为了进一步揭示特护期内不同降水强度对PM2.5的影响，图2列出了2018年秋冬季特护期内日降水量与PM2.5浓度曲线。该段时间内，10月到次年2月每月降水天数分别为：12天、16天、22天、19天、22天，月累计降水量分别为72.3 mm、137.3 mm、80.8 mm、85.1 mm、108.3mm。根据气象台统计，此段时间内降水较常年明显偏多，仅比2015年略有减少，表现为降水量偏多，降水时间偏长。
从日曲线变化情况上来看，大部分情况下降水后有一段时间PM2.5浓度会较低，但是也有多次出现降水量大的同时PM2.5也升高的情况，比如12月1日降水量达12.1mm，而PM2.5浓度依然高达287μg/m3。
图2 2018年秋冬季特护期日降水量及PM2.5的日均浓度曲线Fig.2 Daily precipitation and daily mean concentration curves of PM2.5 in autumn and winter during 2018
参考王妮等[14]的研究，本文依据日降水量(R) ，将其划分为R=0、0
利用2018年特护期内每日降水及PM2.5浓度数据，对降水量按上述方式进行分类统计，并利用大气污染物逐日平均浓度，计算出冬季不同降水强度对大气污染物浓度在降水前后的平均改变率得出表1。
表1 2018年特护期内日降水量与PM2.5浓度统计Tab.1 Statistics of daily precipitation and PM2.5 concentration in 2018
日降水量与PM2.5浓度均呈弱负相关，相关系数为-0.12，与李霞等[16]的研究中一致，他的研究表明，气溶胶浓度的改变量和当日降水量相关系数较小。
从表1统计可知，2018年特护期内，在降水5～10 mm情况下，PM2.5平均浓度最低，仅为45.1μg/m3，远远低于特护期内的平均浓度68μg/m3；其次是降水1～5mm情况下，平均浓度为59μg/m3；在降水 0.1～1mm情况下PM2.5的浓度不降反升，达89μg/m3，比平均浓度高31%，分析认为该降水条件下，降水并未去除空气中的污染物，相反，落下来的水增加了近地面空气的湿度，使得微粒子在高湿环境下迅速反应，吸湿增长[17]，加重了PM2.5的污染；降水量大于10mm条件下，PM2.5平均浓度为76，远高于降水1～10mm的情况，以12月1日作为典型例子分析。从11月30日开始，北方冷空气慢慢南移进入湖南，12月1日刚好开始降温，可以简单理解为冷空气前沿刚进入湖南，12月当日多云转阵雨，北风1到2级，冷空气进入湖南后与当地的暖湿气流共同作用下产生了间隙性降水。但是11月国内北方城市就已经开始供暖，大气污染物排放量较大，此时受到北风影响，北方的高浓度污染气团岁冷空气一并进入湖南，且污染传输在11月30日就已经开始，PM2.5浓度30日已升至171μg/m3，12月1日，北方污染物还在源源不断输入，虽然产生了降水，且降水量较大，但降水时间相对较短，全天仅有4个小时有降水。在此情况下，降水并不能有效清除空气中的污染物。不过随着污染带传输完毕后，冷空气主体控制长沙，且随后的一个星期均有降水产生，PM2.5浓度迅速下降，空气质量迅速好转。由此可见，在此条件下，降水虽对PM2.5有一定的清除作用，但此时起决定作用的已经变成了污染传输的强度及持续时间。
考察降水前后一天PM2.5浓度的变化情况发现，不管降水与否，PM2.5浓度平均的改变率均大于零，PM2.5浓度平均均呈升高趋势，其中在降水0～1 mm条件下升高特别明显，平均达38.2%，远高于无降水日的13.0%，且在该降水强度下，只有22.2%的样本PM2.5出现下降，其他绝大部分样本PM2.5均出现升高情况，进一步说明了该降水条件下PM2.5的吸湿增长效应；降水1～5 mm时，增长幅度相对较低，且有54.5%的样本数出现下降，情况较好。
整体来说，秋冬季日降水量与PM2.5浓度改变率呈弱负相关关系。
2.3 降水时长对颗粒物浓度的影响
大气污染物浓度的变化除了与降水强度有关外，还与降水持续时间有关[18]。依据日降水时长(H) 对PM2.5浓度变化的影响，将其划分为H=0、0
日降水时长与PM2.5浓度均呈负相关关系，相关系数为-0.33。
表2 2018年特护期内日降水时长与PM2.5浓度统计Tab.2 Daily precipitation duration and PM2.5 concentration statistics in 2018
从表2统计可知，2018年特护期内，PM2.5浓度与降水时长的关系以6h为界， 降水时长高于6h的，PM2.5平均浓度明显较低，且降水时长高于12h的，平均浓度仅为40.8μg/m3，远远低于特护期内的平均浓度68μg/m3；充分说明了降水对PM2.5的改善作用，而降水时长在0～6h的，PM2.5浓度明显升高，高于特护期平均浓度，也高于无降水情况下的平均浓度，说明降水时长较短的情况下，PM2.5去除效果非常有限，且由于降水时间太短，落地的雨水容易蒸发增加近地面的空气湿度，在一天的时间内有较长的时间进行二次反应增加空气中的PM2.5浓度。
在降水时长6～12h的，PM2.5浓度平均呈下降趋势，且下降的样本数达51.6%，充分说明6～12h时长的降水对PM2.5的良好清除作用；在0～6h的降水条件下，PM2.5浓度平均升高34.3%，且70%以上的调查样本均有所升高；时长大于12h的降水条件下，颗粒物基本已经清除的较为干净了，此时仅有43.5%的样本会进一步下降，其他一半以上的样本均出现反弹，且全部样本PM2.5平均略有上升。
3 结 论
3.1 从近5年长沙月均降水量及月均PM2.5浓度分析，降水量与PM2.5浓度具有明显的负相关关系，降水对PM2.5有一定的清除作用。但通过日降水分析，在日降水5～10 mm情况下，PM2.5平均浓度最低，远远低于特护期内的平均浓度，湿清除效果明显；在日降水 0.1～1mm 情况下PM2.5的浓度不降反升。
3.2 日降水时长与PM2.5浓度均呈负相关关系，降水时长高于6h的，PM2.5平均浓度明显较低；而降水时长在0～6h的，PM2.5浓度明显升高，吸湿增长明显。
3.3 长沙季风气候较为明显，秋冬季PM2.5污染较重的季节，降水相对较少，政府需进一步加大大气污染防治力度，通过管控减排方式实现了空气质量的改善。
3.4 重视预警预报在大气环境防治中的作用，在预测未来无雨、静稳的条件下，需提前进入管控，降低污染物排放，减少污染积累，在有条件的情况下，可以通过人工增雨作业的方式改善大气环境质量。但必须事先评估人工增雨作业后降水的总量及降水时长，以其最为有效的改善大气环境质量。
