兰州市颗粒物浓度的变化特征及其与气象要素的关系

孔祥如　潘峰　张鑫

摘要：利用兰州市5个环境空气质量国控监测站点2019年的监测值，采用统计学方法分析了颗粒物（PM和PM）质量浓度分布特征与气象因素之间的关系，研究结果表明：①兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度的月变化曲线呈现为“夏低冬高”的变化趋势，主要是冬季逆温频发，混合层高度低，且供暖期间污染物排放量最大;而夏季污染物排放量较低，并且边界层高度高，有利于污染物的扩散。②兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度的日变化呈“午峰晚峰”的双峰型变化趋势，这种变化趋势与生产及人们日常出行高峰的变化有关。③颗粒物（PM和PM）的质量浓度分布与气温、风速呈负相关，与相对湿度正相关。高温大风天气时污染物浓度低，随着气温的升高，风速的增大，大气湍流能力增强，边界层高度抬升，有利于污染物的扩散，污染物浓度降低。

关键词：颗粒物;气象要素;相关性

中图分类号：X51         文献标志码：A

随着城市化进程的不断加快，我国的空气污染问题越来越突出，呈现局地和区域结合，多种污染物交叉耦合的区域性、复合型污染特征。空气污染不仅影响人居环境，还会对居民的身心健康造成危害。兰州市地处青藏高原东北部的黄河河谷盆地内（35°51′N～38°00′N、102°30′E～104°30′E），属于典型的河谷城市，不利于污染物扩散;且兰州市冬季静风频率高，逆温频发，使得兰州市的环境空气质量污染较严重。根据《兰州市生态环境状况公报》（2019年）可知，剔除受沙尘天气影响的监测数据后，2019年兰州市可吸入颗粒物（PM）的的年均浓度为79μg/m，细颗粒物（PM）的年均浓度为36μg/m，均超出国家环境空气质量二级标准;且以PM为首要污染物的天数为17天，占污染天数的23.9%，严重影响兰州市的环境空气质量。区域大气环境质量受污染物排放和气象条件的综合影响，许多科研工作者的研究结果表明，气象条件通过影响污染物的稀释、扩散、传输和转化过程，进而影响污染物的时空分布。

本文利用兰州市5个环境空气质量国控监测站点2019年的监测值，分析了颗粒物质量浓度的月变化和日变化特征;此外采用统计学方法定量分析了兰州市2019年颗粒物（PM和PM）质量浓度分布特征与气象因素之间的关系，以期为兰州市空气污染防治提供科学依据。

兰州市目前有5个环境空气质量国控站点，分别为安宁区的教育港站点、城关区的生物制品所和铁路设计院站点、西固区的兰炼宾馆站点以及榆中县的榆中兰大校区站点，其中，榆中兰大校区站点为清洁对照点。本研究的污染物资料来源于兰州市5个环境空气质量国控站点2019年的逐时监测资料。气象资料来源于兰州市气象站同时期的逐时观测资料，观测要素主要有相对湿度、风向、风速、气压和降水量等。

兰州市5个环境空气质量国控站点和兰州市气象站的位置如图1所示。

采用EXCEL2013统计分析颗粒物（PM和PM）质量浓度的变化特征;利用SPSS19.0，选用统计学变量相关系数（R）分析污染物浓度的分布及其与气象要素的相关性。其计算公式如圖1所示。

对兰州市2019年颗粒物（PM和PM）逐时质量浓度进行统计，得到颗粒物（PM和PM）逐月平均质量浓度的变化规律（图2）。由图2可以看出，PM质量浓度的月变化曲线呈双峰型变化趋势，峰值出现在5月和12月，谷值出现在6月;PM质量浓度的月变化曲线呈“V型”变化趋势，冬季浓度较高，夏季浓度最低。冬季颗粒物（PM和PM）质量浓度较高主要有两方面的原因：一方面是由于冬季供暖，消耗大量的化石燃料，化石燃料的大量燃烧使得供暖期间污染物的排放量高于其他三个季节;另一方面，兰州市属于“河谷地形”，王式功、陈桃桃、王丽霞等的研究结果表明，兰州市冬季静风频率高，逆温频发且混合层高度低，限制近地面层湍流运动，不利于地面层污染物的扩散，使得污染物积聚在近地层，导致近地层污染物浓度较高。而5月是沙尘天气多发月，受沙尘影响较严重，其中以PM质量浓度的变化更为明显。夏季气温较高，大气层结不稳定，湍流的发展较强，使得大气对污染物的稀释扩散能力也较强，且夏季降雨较多，利于颗粒物（PM和PM）扩散、清除;此外，夏季污染物排放量较冬季低，因此，夏季颗粒物（PM和PM）的质量浓度低于其他三个季节。

对兰州市2019年颗粒物（PM和PM）的逐时质量浓度进行统计，得到颗粒物（PM和PM）质量浓度的日变化规律（图3）。由图3可知，PM和PM浓度的日变化均呈“午峰晚峰”的双峰型变化趋势，出现这一现象的原因主要是：清晨是人们生产、生活活动的高峰期，也是污染物排放的高峰期，日出后，温度逐渐升高，夜间形成的逆温层逐渐被破坏抬升，限制了近地面层的湍流运动，污染物不易扩散，使得近地面颗粒物（PM和PM）的质量浓度升高，并于10：00左右出现第一个峰值;午后，温度较高，大气层结不稳定，湍流的发展较强，增强了大气对颗粒物的输送扩散能力，使得颗粒物（PM和PM）的质量浓度减小;日落后到达地面的太阳辐射减少，温度开始降低，大气层结较稳定，对湍流的发展起到抑制作用，削弱了大气对颗粒物的输送扩散能力，颗粒物难以稀释扩散，使得颗粒物的质量浓度较高，并与23：00左右形成第二个峰值。

取5个国控点PM、PM小时平均质量浓度值代表全市污染物质量浓度的小时均值，与兰州市气象站观测的气象要素进行相关性分析，探讨各气象要素对颗粒物（PM和PM）质量浓度的影响。

兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度随温度的日变化如图4所示。由图4可知，颗粒物质量浓度与温度之间呈现负相关性，温度越高，颗粒物（PM和PM）质量浓度越低。温度的垂直分布决定了大气层结的垂直稳定度，直接影响湍流活动的强弱，随着温度的升高，大气层结不稳定，湍流的发展较强，增强了大气对颗粒物的输送扩散能力，使得颗粒物（PM和PM）的质量浓度减小;反之，当温度降低时，大气处于稳定层结，会对湍流的发展起到抑制作用，进而减弱了大气对颗粒物的输送扩散能力，颗粒物难以稀释扩散，使得颗粒物的质量浓度较高。

表1为颗粒物（PM和PM）质量浓度与温度的相关系数，由表1可知，夏季颗粒物（PM和PM）质量浓度与温度显著正相关，秋冬季显著负相关。

兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度随风速的日变化如图5所示。由图5可知，颗粒物（PM和PM）质量浓度与风速之间呈现负相关性，风速越小，颗粒物（PM和PM）质量浓度越高，主要原因为：风对污染物的水平输送起到重要作用，排放到大气中的污染物会在风的作用下进行输送迁移，风速越大，输送的距离越远，越有利于污染物的稀释扩散。同时，风速越大，湍流作用越强，而大气湍流的主要效果是混合，它使污染物在随风飘移过程中不断向四周扩展，不断将周围清洁空气卷入烟气中，同时将烟气带到周围空气中，使得污染物浓度不断降低。

表2为颗粒物（PM和PM）质量浓度与风速的相关系数，由表2可知，夏季颗粒物（PM和PM）质量浓度与风速显著正相关，秋冬季显著负相关。

兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度随相对湿度的日变化如图6所示。由图6可知，颗粒物质量浓度与温度之间基本呈现正相关性;较高的相对湿度利于大气颗粒物在水汽上附着，使得颗粒物质量浓度增加。此外，湿度大的天气多存在逆温现象，顆粒物（PM和PM）不容易扩散且易于二次污染物的生成，导致污染物浓度累积升高。

表3为颗粒物（PM和PM）质量浓度与相对湿度的相关系数，由表3可知，夏秋季颗粒物（PM和PM）质量浓度与相对湿度显著负相关，冬季PM的质量浓度与相对湿度显著正相关。

（1）兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度的月变化曲线呈现为“夏低冬高”的变化趋势，主要原因为：冬季逆温频发，混合层高度低，且供暖期间污染物排放量最大;而夏季辐射增强，边界层高度高，有利于污染物的扩散，且夏季污染物排放量较低。

（2）兰州市颗粒物（PM和PM）质量浓度的日变化呈“午峰晚峰”的双峰型变化趋势，这种变化趋势与生产及人们日常出行高峰的变化有关。

（3）颗粒物（PM和PM）的质量浓度分布与气温、风速呈负相关，与相对湿度正相关。高温大风天气时污染物浓度低，随着气温的升高，风速的增大，大气湍流能力增强，边界层高度抬升，有利于污染物的扩散，污染物浓度降低。

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