长沙市气象因素对大气污染的影响分析①

2021-09-15陈博明

矿冶工程 2021年4期

谢昆，陈博明

（1．长沙环境保护职业技术学院，湖南长沙410004；2．湖南省生态环境事务中心，湖南长沙410007）

我国经济发展迅速，但环境问题不可忽视［1］。水污染［2］、大气污染［3］、土壤污染［4］和生态环境问题使区域发展面临挑战。其中大气污染物的组分来源复杂，对经济发展、人体健康的影响大［5－6］。为有效防治大气污染，国内外学者对大气污染的影响因素做了大量研究，初步将大气污染的影响因素划分为自然因素和人为因素［7－8］；影响大气污染的自然因素有气象因素、海拔、植被覆盖、地形等，人为因素主要涉及城市发展、工业发展、农业活动、土地利用／土地覆盖变化［9］等。以PM2．5和O3污染为代表的区域大气复合污染问题，近年来成为大气污染问题的研究热点［10－11］。未来的大气污染将会随着气候的变化而变化［12－13］。有研究表明，平均气温、平均降水量与空气质量指数（Air quality index，AQI）均呈极显著负相关，气压与AQI呈显著正相关［14］；平均气温、平均风速对PM2．5浓度空间分布有影响作用，平均气压、地形起伏度、日照时间和平均风速对O3浓度空间分布有影响作用［15－16］。可见气象因素对大气污染影响作用至关重要。本文以长沙市为例，通过分析长沙市气象因素对大气污染的影响作用，为长沙市大气污染预防与控制提供科学理论依据。

1 数据与研究方法

1．1 数据来源

本研究的大气污染物数据来自天气后报（http：∥www．tianqihoubao．com／），主要指标有AQI、SO2、NO2、CO、O3、PM2．5、PM10浓度。气象数据来自国家气象科学数据中心（https：∥data．cma．cn／），WMOID＝576 87，主要指标有平均气温（TEM，0．1℃）、平均气压（PRS，0．1 hPa）、平均风速（WIN，0．1 m／s）、日照时数（SSD，0．1 h）、平均相对湿度（RHU，1%）。大气污染物数据与气象要素数据为2016～2019年逐日观测统计数据。

AQI是定量描述空气质量状况的无量纲指数，空气质量分指数依据（individual air quality index，IAQI）是单项污染物的空气质量指数，首要污染物（primary pollutant）指AQI＞50时IAQI最大的空气污染物。依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012），空气质量分指数级别及对应的污染物项目浓度限值见表1。

表1 空气质量分指数及对应的污染物项目浓度等级划分

《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）及《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）是为了保护和改善生态环境、生活环境、人体健康而制定的。污染物项目P的空气质量分指数计算公式为：

式中IAQIp为各单项污染物的空气质量分指数；IAQIHi为与Cp接近的高位临界值对应的空气质量指数；IAQILo为与Cp接近的低位临界值对应的空气质量指数；BPHi为与Cp接近的高位临界值；B PLo为与Cp接近的低位临界值；Cp为污染物浓度值。

空气质量指数计算公式为：

式中IAQI为空气质量分指数；n为污染物项目。

1．2 主要研究方法

本文采用的研究方法包括相关性分析和逐步回归分析［17－18］，其中相关性分析由软件SPSS19．0完成，逐步回归分析由软件Eviews8．0完成。文中所有绘图在Excel2013和Eviews8．0中完成。

2 结果与分析

2．1 大气污染物时间变化分布特征

长沙市2016～2019年空气质量状况见表2。由表2可知，长沙市空气质量优、良天数占比相对较大，且逐年呈现上升趋势；轻度污染和中度污染天数占比总体呈逐年下降趋势；重度污染和严重污染天数变化不稳定，这对改善长沙市空气质量构成一定挑战。总体来看，长沙市空气质量逐年向好。

表2 长沙市2016～2019年空气质量状况

长沙市2019年SO2、NO2、CO、O3、PM2．5、PM10浓度逐日分布图见图1。对照表1分析得出，长沙市SO2、NO2、CO、PM10浓度基本保持在二级标准以内，状况优良。O3浓度在7、8、9月急剧增加，且在8月达到三级标准（轻度污染）；PM2．5浓度在1、11、12月急剧增加，且超过四级标准（中度污染）。可以得出，O3和PM2．5是长沙市2019年主要的大气污染物。进一步分析了2016～2018年O3、PM2．5浓度逐日变化趋势，结果如图2～3所示。结合图1和图2可知，长沙市2016～2019年O3浓度呈现逐年增加趋势，由2016年的一级标准增加到了2019年的三级标准，说明长沙市O3对大气的污染逐年加重。结合图1和图3可知，长沙市2016～2019年PM2．5浓度呈现下降趋势，一级和二级占比逐年增加，三级和四级占比逐年降低，说明长沙市PM2．5对大气的污染逐年减轻；但是三级和四级污染仍然是长沙市PM2．5浓度治理的工作重点。

图1 长沙市2019年大气污染物时间变化趋势

图2 长沙市2016～2018年O3变化趋势

图3 长沙市2016～2018年PM2．5变化趋势

2．2 气象因素时间变化特征

对长沙市2016～2019年逐日气象因素变化进行了统计分析，结果见图4。由图4可见，2016～2019年长沙市全年平均气温变化趋势基本一致，呈现显著的倒“U”型。2016～2019年长沙市平均气压全年变化趋势基本保持一致，呈现显著的“V”型变化趋势。2016～2019年长沙市平均风速全年波动显著，1～5月呈现波动下降，6～12月波动上升。2016～2019年长沙市日照时数全年变化趋势呈现显著的倒“V”型变化趋势。2016～2019年长沙市平均相对湿度变化趋势相对平稳，但存在显著的波动。

图4 长沙市2016～2019年气象逐月趋势

2．3 气象因素对空气质量的影响分析

基于前面对长沙市空气质量和气象因素的分析，以逐日O3、PM2．5浓度值为因变量，以相对应的逐日气象因素为自变量，分析气象因素对O3、PM2．5浓度的影响作用。

2．3．1 相关性分析结果

分别对O3、PM2．5浓度和气象因素做相关性分析，结果如表3所示。与O3浓度在0．01水平上有显著正面影响的气象因素有平均气温（TEM，0．63）和日照时数（SSD，0．52），有显著负面影响的气象因素有平均气压（PRS，－0．5）、平均风速（WIN，－0．1）和平均相对湿度（RHU，－0．4）。与PM2．5浓度在0．01水平上有显著正面影响的气象因素有平均气压（PRS，0．45），有显著负面影响的气象因素有平均气温（TEM，－0．42）、日照时数（SSD，－0．11）和平均相对湿度（RHU，－0．17）。平均气温（TEM）和平均气压（PRS）分别对O3、PM2．5浓度的影响作用相反，这对O3、PM2．5的治理带来难题，即降低PM2．5对大气的污染，势必会增加O3对大气的污染。平均相对湿度（RHU）均对O3、PM2．5浓度产生显著的负面影响，这意味着长沙市应采取措施增加空气的相对湿度，以便同时有效缓解O3、PM2．5对大气的污染程度。

表3 O3、PM2．5与气象因素相关性分析

2．3．2 逐步回归分析结果

相关性分析结果只能说明气象因素对O3、PM2．5浓度是否存在显著、积极或消极影响，不能说明其影响程度。基于相关性分析结果，采用线性回归分析法揭示长沙市气象因素对O3、PM2．5浓度的影响程度和解释力度。

分别对与O3、PM2．5浓度相关性显著的气象因素进行线性关系初步判断，结果分别见图5～6。从图5可知，与O3浓度线性关系显著的气象因素有平均气温、平均气压、日照时数和平均相对湿度；从图6可知，与PM2．5浓度线性关系显著的气象因素有平均气温、平均气压和平均相对湿度。一般情况下，气温越高，气压越低（图5），气温与气压存在显著线性关系，无法避免变量的多重共线性，所以本研究通过逐步回归分析O3、PM2．5浓度与气象因素之间的线性关系。

图5 O3与气象要素线性关系初判断

图6 PM2．5与气象要素线性关系初判断

逐步回归分析结果如表4所示。从表4可知，平均气温、平均气压和平均相对湿度是对O3、PM2．5浓度相对较好的气象因素解释变量。首先，各气象因素对O3、PM2．5浓度的影响作用与相关性分析结果一致，证明了研究结果的科学性。其次，平均相对湿度分别与平均气温、平均气压最对分析时，其系数都高于其他2个气象因素，说明在平均气温和平均气压不能同步调节和控制的情况下，长沙市人工增加平均相对湿度能够同时有效降低O3和PM2．5浓度。最后，如果把长沙市O3浓度的解释变量看作灰箱“1”，那么O3浓度变化的46%能够由气象因素解释；同理可得长沙市PM2．5浓度变化的23%可由气象因素解释。