自贡市PM2.5 特征与风向的关系探究

2022-01-04杨茜何军刘忠鹏王志

能源与环境 2021年6期

杨茜何军刘忠鹏王志

（四川省自贡生态环境监测中心站四川自贡 643000）

0 引言

环境空气质量关乎人类身体健康。近年来，全国环境空气质量状况堪忧，大部分地区均呈现出以颗粒物污染为主的污染态势，关于空气中颗粒物污染的研究越来越多［1-7］。

大气颗粒物由于其化学成分复杂、来源多样，对人体危害较大。此外，颗粒物浓度升高会降低大气能见度，造成雾霾天气。2015 年实施《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）以来，PM2.5浓度呈逐年下降趋势，但2014—2017 年PM2.5作为首要污染物占比最高，在55.3%～74.0%之间。

自贡市四季气候变化明显，气候变化对空气污染有显著影响。冬季的污染状况在四季之中最为严重。冬季气温低、天气静稳，污染物不易扩散；连续多云天气导致昼夜温差较大，夜晚逆温使污染物进一步累积，凌晨会出现大范围雾霾天气，颗粒物污染严重。2017 年冬季（1 月～2 月）自贡市共出现2 次大范围寒潮天气，冬季寒潮对污染态势改善明显，但寒潮到达自贡前会使污染物挤压南下，污染物浓度会达到峰值。春季气温波动明显，整体天气晴好，扩散条件较好，阴雨天气较多，冷空气强度较低但频率较高，对污染态势有小幅度改善。夏季极端天气频发，暴雨天气较多并伴有短时强风，能明显改善空气污染，此外夏季光照较强，强日照导致颗粒物抬升，午后颗粒物浓度低于早晚。秋季，连阴雨天气较多，11 月开始出现雾霾天气，空气质量变差。

研究PM2.5的污染特征对于治理自贡市空气污染具有重要意义。长期观测发现，PM2.5的浓度与风向变化有着密切关系。因此，掌握PM2.5与风向之间的变化规律，对（东经104°44′55″，北纬29°22′32″）探究自贡市空气污染源具有重要借鉴意义。本文以自贡市空气自动监测站大塘山的监测数据作为研究对象，分析PM2.5与风向变化之间的关系，以期为寻找污染源提供参考和科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

选用国家空气质量联网监测管理平台自贡市大塘山站点一个完整统计年的数据，即从2016 年12 月1 日0 时至2017年11 月30 日23 时的PM2.5和风向连续监测小时值数据，其中PM2.5的单位为μg/m3，风向用度数表示。

1.2 研究方法

本研究按照气象分类标准将风向按度数分为16 个方向，详见表1。

表1 风向分类

本文绘制整个统计年以及统计年份季节各风向上风向频数、PM2.5总浓度值（总浓度值为小时累积值）和PM2.5均值（该风向上的总浓度值比上该风向上的风向频数）的雷达图，探究该统计年以及不同季节大塘山站点的主导风向，探究该统计年以及不同季节PM2.5浓度的来源情况，为决策部门对区域大气污染联防联控管理提供依据。

此外还分析了春季秸秆焚烧期间PM2.5的分布情况，绘制该时期各风向上PM2.5均值雷达图，探究特殊时期对PM2.5浓度的影响，为决策部门对特殊时期污染源的管控工作提供依据。

按照PM2.5数值对污染物等级进行分类，详见表2。根据不同污染等级类别，绘制各风向上PM2.5的均值雷达图，探究不同污染等级中PM2.5浓度的来源情况。

表2 PM2.5污染等级

2 分析与结果

2.1 PM2.5 风向年度值变化情况

2016 年12 月至2017 年11 月16 个风向的风向频数见图1（a）。从图1（a）可见，在该统计年中风向总频数为8 482 次（扣除无效监测），其中在北东北—东和西西南—西6 个风向上的频数较高，北东北—东风向频数在770 次～936 次之间，西西南—西风向频数在888 次～1 002 次之间。由此可见，该统计年中，风向多为北东北—东和西西南—西。

图1（b）为PM2.5在16 个风向上的年总浓度值。可以看出，其分布规律与风向频数的分布规律一致，PM2.5年总浓度值在北东北—东和西西南～西6 个风向上的浓度较高，北东北—东风向上PM2.5年总浓度值在55 636 μg/m3～72 469 μg/m3之间，西西南—西风向上PM2.5年总浓度值在65 780 μg/m3～63 653 μg/m3之间，峰值出现在东北风向上，为72 469 μg/m3。该统计年中，在北东北—东和西西南—西6 个风向上PM2.5浓度累积量较大。

PM2.5在16 个风向上的年均值见图1（c），各个风向上PM2.5年均值在57.5 μg/m3～79.8 μg/m3之间，PM2.5年均值为71.0 μg/m3。从图中可以看出，PM2.5高值（以高于该统计年年均值为标准）集中在北东北—东和南西南—西西南风向上，北东北—东风向上PM2.5均值范围在72.3 μg/m3～79.8 μg/m3之间，南西南～西西南风向上在74.1 μg/m3～76.6 μg/m3之间，峰值（79.8 μg/m3）出现在东东北方向上。PM2.5年均值能反映污染严重程度，以上分析可得出：16 个风向上，在北东北—东和南西南～西西南7 个风向上PM2.5污染较严重，东东北风向上细颗粒物污染最严重。结合大塘山周边环境，北东北—东方向近处为农村片区，农村阶段性秸秆焚烧对PM2.5浓度有一定的贡献，远处为内江市市区，城市综合产生的污染物对PM2.5浓度有一定的贡献；南西南—西西南方向存在几个工业厂区，工厂排放的废气对PM2.5浓度有一定的贡献。由此可见，实施内江市和自贡市的区域大气污染联防联控管理是有必要的。

综合分析图1 可以看出，各方向上PM2.5浓度年均值的最高值和最低值相差22.3 μg/m3，在数值上差距相对较小，所以各方向上PM2.5年总浓度值必然是和该方向的风向频数一致，故图1（a）中各方向上的风向频数分布规律和图1（b）中各方向上PM2.5年总浓度值分布规律基本一致。

图1 细颗粒物年度风向特征图

2.2 PM2.5 风向季节性浓度均值变化情况

图2 为四季风频图，四季风频图规律与年风频图规律类似，四季普遍存在北东北—东和西西南—西风向出现频数高，在西北和东南风向的频数变化不明显，在东北和西南风向的频数变化明显。由于四川盆地属于季风区，在夏季偏西风居多，在冬季偏东北风居多，春秋两季是风向交替变化的时期，偏西风和偏东北风的频数相当。而自贡市恰好位于内江市的西南方向，会造成两地污染物的相互传输，再次印证了两市做好区域大气污染联防联控管理工作的必要性。

图2 分季节风向频数图/次

图3 为四季PM2.5均值图。从图中可见，PM2.5浓度均值在冬季最高，其次是秋季、春季，夏季最低。冬季PM2.5浓度较大，究其原因，一方面与天气因素有关，进入冬季，受静稳天气与不利气象条件协同影响，空气扩散条件逐渐变差，夜晚大气逆温明显，污染物累积不断加剧。另一方面与人为因素有关，人为因素主要是春节燃放烟花爆竹、工业企业生产和汽车尾气等。夏季PM2.5浓度较小，主要原因是太阳辐射强，引起的对流旺盛，同时夏季降雨大，两者都有利于PM2.5的扩散或稀释。春秋两季处于冬夏两季的交替期，风场以及降水等气象因素类似，并都存在秸秆焚烧现象，因此春秋两季污染物浓度相当，且居于冬夏两季浓度值之间。

图3 四季细颗粒物（PM2.5）均值雷达图/（μg/m3）

春季PM2.5均值较大值出现在东北—东及西南—西西南风向上，最大值出现在西南风向上（66.8 μg/m3）。夏季PM2.5均值较大值出现在北—东东北及西西南—西西北风向上，最大值出现在东东北和西风向上（48.7 μg/m3）。秋季PM2.5较大值出现在北东北—东南和南—西西南风向上，最大值出现在南西南风向上（80.3 μg/m3）。冬季PM2.5均值较大值出现在东北—东及南东南—西西北风向上，最大值出现在西南风向上（146.3 μg/m3）。四个季节的PM2.5均值较大值的风向与图1（c）统计年PM2.5均值较大值的风向大体一致，均为偏东北和偏西南方向，全年对于PM2.5排放源的管控工作，着重点放在这个两个风向上。冬季PM2.5均值较大值更为集中在偏西南方向，冬季要特别注意偏西南方向工厂园区排放源的管控工作。

2.3 秸秆焚烧污染物特征

自贡地区秸秆焚烧一般集中在4 月～5 月、10 月～11 月。在这两段时间内，空气PM2.5浓度显著增加，大气环境恶化。2017年秋季秸秆焚烧前，由于环境主管部门采取了有效禁烧措施，秋季秸秆焚烧行为得到有效遏制，因此本研究仅分析了春季秸秆焚烧的污染物风向特征，该统计年秸秆焚烧期为4 月20日至5 月21 日。图4 为秸秆焚烧期间风向频数雷达图。由图4 可见北东北—东东南和西西南—西风向风频次数较多，这与春季风向频数较大值出现的方向一致。图5 是秸秆焚烧期间各风向上PM2.5均值雷达图。秸秆焚烧期间PM2.5的风向特征显示在大塘山偏东北风向和偏西南风向上均值较高，大塘山东北方向为农村，秸秆焚烧主要发生在农村地区，PM2.5在东北风向的均值较春季大，这就印证了农村秸秆焚烧能降低空气质量。

图4 秸秆焚烧期间风频图/次

图5 秸秆焚烧期间细颗物（PM2.5）均值雷达图/（μg/m3）

2.4 不同污染等级PM2.5 的风向特征

本文还研究了优良（AQI≤100）、轻度（100＜AQI≤150）、中度（AQI＞150）及以上三个等级PM2.5年均值的风向特征。图6为三个污染等级PM2.5均值浓度雷达图。从图中可见，优良污染等级PM2.5均值在东北—东东南和西南～西西南风向上较大；轻度污染等级PM2.5均值在东北—东、南西南和西西南风向上较大；中度污染及以上污染等级PM2.5均值在北东北—东北、南东南—南、西南—西西北风向上较大。在轻度污染和中度污染及其以上污染等级类别中，偏东北方向和偏西南风向PM2.5浓度的贡献较大，和图1（c）得出的结论一样。除此之外，在中度污染及其以上污染等级类别中，偏南方向和偏西北风向对于PM2.5浓度的贡献也比较明显。究其原因，南边为自贡市主城区，西北方向为内江市威远县城区，两地区的城市综合污染源的排放所引起的。