紫云空气质量特征及其与气象条件的关系

吴梅 李倩文 吴哲红 王雁翔 王定春 宋晓君

摘要 通过对紫云自治县2016—2020年的空气质量监测数据和气象资料分析，发现近年来紫云自治县空气质量优良率达99%以上，但污染物浓度呈增长趋势，总体上紫云的空气质量有变差的趋势。一年中，冬、春季空气质量最差，造成污染的首要污染物分别为PM2.5和臭氧（O3）。PM2.5和O3污染均出现在降雨量少、气压日较差较小、风速较小的条件下，但日照长、相对干燥的热低压天气更容易出现O3污染，而日照短、相对湿润的冷高压天气更容易出现PM2.5污染。污染物浓度与风速呈现负相关关系，风速对污染天气的形成和消散起决定性作用。

关键词 空气质量特征；气象条件；污染

中图分类号：X513 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）02–0099-03

在当今社会，低碳环保的生活理念已深入人心，生态文明既要青山绿水，又要有清新的空气。但是，随着社会经济的高质量发展，人类活动增多，汽车尾气、工厂废气、建筑工地等排放的污染物增加，空气污染问题正成为一大不得不面对的问题。研究表明：空气污染可直接导致各类心血管疾病发病风险增加，主要包括冠心病、心力衰竭、脑卒中、心律失常等[1]。同时，有大量研究指出，NO2、SO2、PM10和PM2.5等污染物会对人们的幸福感和心理健康都产生显著的负面影响，增加人们抑郁症的发生率[2]。

当前，贵州省正在开展全域旅游，紫云自治县作为“世界攀岩圣地、户外运动天堂”“亚鲁王故里”和“溶洞之乡”，北靠龙宫、西接黄果树，拥有丰富的旅游资源，旅游发展前景广阔。而要吸引游客前来，除了优美的风景和悠久的历史文化外，清新的空气也是必不可少的。一直以来紫云的空气质量优良率虽然较高，但近几年有变差的趋势。空气质量状况是影响旅游业发展的重要因素之一，因此，有必要对紫云的空气质量进行详细研究。

1 资料来源和研究方法

空气质量观测数据来自环保局安装于紫云县城内环境监测站2016—2020年逐日数据，该环境监测站位于紫云五峰山脚下的供电局楼顶，非城市主干道，剔除了异常、缺测值后，有效监测天数为1 776 d。同期气象观测资料来源于紫云国家气象站（与环保局环境监测站直线距离约1 300 m）和同期地面、高空资料。将通过统计分析找出紫云空气污染的特征和气象条件，并对典型的污染过程进行分析，总结污染天气形成的天气形势和气象条件，为紫云自治县空气污染防治和环境空气质量预报提供一定的参考。

2 紫云近年来的空气质量特征

2.1 紫云空气质量的年变化特征

统计分析表明，2016—2020年，紫云年内空气质量优良天数比例达99%，一年内轻度污染日数在2 d以内，没有出现中度和重度污染，整体来看，紫云县的空气质量优良率较高，主要受轻度污染的影响，但空气质量有变差的趋势，主要表现在空气质量为优的天数呈现逐年下降趋势，空气质量为良的天数有所增加，轻度污染日数由每年出现0 d增加至每年出现2 d（图1）。

这一点在各污染物年均浓度（图2）上也有明显体现。近5年来，污染物SO2、NO2、PM10、O3、PM2.5、CO浓度也呈增加趋势，且2018年以后增大趋势明显。

2.2 紫云空气质量季节特征

从图3可知，紫云冬季（12—翌年2月）、春季（3—5月）空气质量相对较差，空气质量为良的日数较多，总计298 d，占比达70%，其次是秋季（9—11月），共84 d，占比约20%，夏季（6—8月）最少，只占10%，轻度污染天气主要出现在春、冬季，夏季只出现了一次轻度污染天气。从各污染物浓度月分布来看（图4），一年中，春季和冬季污染物浓度较高，空气质量相对较差，秋季次之，夏季各污染物濃度均最低，空气质量最好。

2.3 首要污染物

因为污染天气少，故统计了空气质量级别为Ⅱ级（良）以上的各类首要污染物出现天数，从图5、6来看，O3、PM2.5、PM10污染出现的频率最高，O3作为紫云的首要污染物一直高居榜首，5年来共出现了169 d，占比38.6%，其次是PM2.5，出现了166 d，占比37.9%，PM10在2018年以前是次要污染物，但自2018年以后，PM2.5超越PM10成为次要污染物。

根据图7来看，紫云县不同季节的首要污染物不同，春季首要污染物为O3，其次是PM2.5，夏季首要污染物也为O3，秋季比较特殊，O3、PM2.5、PM10作为首要污染物出现的天数相差不大，冬季首要污染物为PM2.5。紫云2016—2020年仅有的6次轻度污染天气的首要污染物分别为O3和PM2.5。

3 首要污染物与气象条件的关系

研究发现，紫云空气质量级别为Ⅱ级（良）以上污染天气中，O3和PM2.5污染占了76.5%，因此，选择O3和PM2.5作为重点研究对象。

对PM2.5、O3污染日进行统计分析发现（如图8、图9），当日降雨量≤2 mm时，出现PM2.5和O3污染的概率相当，均为94%，而日最高气温≤25 ℃时，最容易出现PM2.5污染（占比95.2%），当日最高气温≥25 ℃时，PM2.5污染出现的概率减小，更容易出现O3污染（占比63.5%）。研究还发现，日照时数越长，越容易出现O3污染。据统计，62.6%的O3污染出现在日照时数≥6 h的条件下。

气压日较差越小，越容易发生PM2.5和O3污染，但两者出现时海平面气压不同，80.7%的PM2.5污染出现在1 010～1 030 hPa之间且分布比较均匀，而52.6%的O3污染集中出现在1 000～1 010 hPa之间，这意味着O3污染更容易出现在低压。

此外，PM2.5和O3污染对湿度的要求也不同，81.9%的PM2.5污染出现在空气相对湿度60%～90%之间，而81.3%的O3污染出现在空气相对湿度60%～80%之间。在空气相对湿度超过90%（最大达95%）时仍然会出现PM2.5污染，但是几乎没有出现O3污染的情况，即干燥的环境更容易出现O3污染，这与任至涵等[3]的研究结果相符。研究还发现，较低的风速有利于PM2.5和O3污染的出现，70.8%的PM2.5污染日和72.5%的O3污染日出现在平均风速≤2 m/s的天气。

4 典型污染天气过程

2017年12月27日，紫云出现了PM2.5轻度污染天气，并在凌晨至早晨期间有9个时次出现中度污染。分析资料发现，25日贵州省周边的湖南、广西、云南等省已经出现污染天气（图10）。

从图11来看，紫云上空26～27日一直存在逆温层，高空以西南风为主，此时地面一直处于冷高压控制，26日08：00～27日08：00，紫云850 hPa受东移高压环流控制，从高压前部的偏北风先后转为高压南部偏东风和后部的偏南风影响，将湖南、广西的污染物带入贵州上空，此时，PM2.5浓度从62 μg/m3升高至111 μg/m3，并在27日01：00达到最大，160 μg/m3。

27日08：00～27日20：00，高压减弱东移，紫云低层转为西南风并出现西南急流，查询当日记录，紫云国家站27日有1.8 mm的降水，PM2.5浓度从129 μg/m3降低至56 μg/m3（图12）。

由以上分析可知：此次PM2.5污染天气是由外来污染物引起的，高压环流将周边广西、湖南等地的污染物输送至贵州上空，干燥的空气加上贵州低层逆温层存在，空气垂直运动受阻，高压内部均一性的性质导致近地层风速较小，污染物难以扩散，形成了PM2.5污染。至高压东移后，低层西南急流导致逆温层遭到破坏，污染物浓度降低，同时西南急流提供了丰沛的水汽和动力条件产生降水，水汽的吸湿作用和降水粒子的沉降作用进一步降低了污染物浓度。同时，从图13可知，污染物浓度与风速呈现负相关关系，相关系数为-0.16，这与上文统计结论相符合，同时综合分析此次污染过程，发现即使在湿度、大气稳定度、PM2.5存量都有利于形成污染的条件下，只要低层风速大，也难以形成污染天气，即风速对污染天气的形成和消散有重要作用，而2 m/s是一个关键分界点。

5 结论

（1）紫云近5年来空气质量有变差的趋势，冬季、春季空气质量相对较差，冬季首要污染物为PM2.5，春季首要污染物为O3。

（2）PM2.5和O3污染均出现在降雨量少、气压日较差较小、风速较小的条件下，绝大多数的PM2.5污染出现在最高气温≤25 ℃的天气，最高气温≥25 ℃和日照时数≥6 h的天气更容易出现O3污染。PM2.5污染在高压、环境相对湿润的天气下更容易出现，而O3污染在低压、相对干燥的天气下更容易出现。

（3）低层逆温层存在和高压控制下的干燥、静稳天气有利于PM2.5污染的形成，高层南支槽东移影响，导致维持PM2.5污染的低层高压系统减弱东退，西南风加大导致逆温层减弱，降水的沉降作用和低层风速加大，从而减轻PM2.5污染。

（4）研究发现：PM2.5污染物浓度与风速呈现负相关关系，相关系数为-0.16，风速对污染天气的形成和消散有重要作用，2 m/s是一个关键分界点，风速大于2 m/s则很难形成PM2.5污染。

参考文献

[1] 李镒冲，刘佳敏，李静.空气污染与心血管疾病专家共识[J].中国循环杂志， 2021，36（1）：14-21.

[2] 陈俊芳，吴小菊，陶睿，等.空气污染对个体直接和溢出行为的影响[J].心理科学进展，2020，28（8）：1293-1306.

[3] 任至涵，倪长健，花瑞阳，等.成都夏季臭氧光化学反应控制气象因子的概率分布特征[J].生态与农村环境学报，2022，38（3）：334-342.

责任编辑：黄艳飞

Characteristics of Air Quality in Ziyun and Its Relationship with Meteorological Conditions

Wu Mei et al（Ziyun Meteorological Bureau， Ziyun， Guizhou 550800）

Abstract Through the analysis of the air quality monitoring data and meteorological data in Ziyun from 2016 to 2020， it is found that the air quality rate of Ziyun has reached over 99% in recent years， but the concentration of pollutants is increasing worsening trend，The air quality is the worst in winter and spring， and the main pollutants causing pollution are PM2.5 and O3. Both PM2.5 and O3 pollution occur under the conditions of low rainfall， small diurnal air pressure range， and low wind speed. However， O3 pollution is more likely to occur in hot and low-pressure weather with long sunshine hours and relatively dryness. Cold and high pressure weather is more prone to PM2.5 pollution.There is a negative correlation between pollutant concentration and wind speed， and wind speed plays a decisive role in the formation and dissipation of polluted weather.

Key words Air quality; Meteorological conditions; Pollution

基金項目 安顺市科技局项目“安顺市重污染天气预报预警研究”（安市科社[2020]01号）。

作者简介 吴梅（1992—），女，贵州紫云人，工程师，主要从事天气预报、气候变化研究。

*通信作者：吴哲红，女，正高级工程师，E-mail：1169396276@qq.com。

收稿日期 2022-11-18