2014—2022年昆明市空气质量与气象因子关系探析

赵 旸,董泽宇,杨芳园

(1.昆明市西山区气象局,云南 昆明 650228;2.昆明市气象局,云南 昆明 650034)

随着经济社会的快速发展,城市环境越来越受到人类的关注,尤其是城市大气环境污染问题[1-3]。大气污染物PM2.5对可见光的散射和吸收是造成大气能见度下降的主要原因,O3引发的城市光化学烟雾、大气能见度的降低给人们的生活带来诸多不便,且严重影响人体健康[4]。因此,进行大气污染的相关研究,不仅已成为中国气候研究领域的重要课题之一,而且能为环保部门有效控制大气污染提供科学理论依据。大气扩散的理论和实践表明,不同气象条件下,同一污染源排放所造成的近地层污染物浓度分布可相差几十倍甚至几百倍[4]。大气细粒子污染物与外部气象环境条件有非常密切的关系,不利的气象条件是大气细粒子严重污染的重要因素之一。

国内对大气细颗粒物研究已取得了一定进展[5-7],但与东部平原地区相比较,受研究手段、探测技术等客观条件的限制,西部及西南部高原城市大气细颗粒物研究比较缺乏[8-10]。昆明市作为云南省省会城市,地处西南低纬高原地区,随着近年来城市快速扩张、工业的迅猛发展、交通的日益发达,带来了日益严重的大气环境污染问题[11]。当前对于昆明市区域内的空气质量与气象因子关系的研究较少,主要集中于大气污染物形成过程中的相互关系、来源分析等[12-15]。因此利用2014—2022年昆明市环境监测数据与气象数据进行分析,旨在分析昆明市空气质量及各类污染物与气象因子之间的关系,从而为昆明市大气污染防治工作提供科学依据。

1 研究区概况

昆明市位于云南省中部,是中国—东盟自由贸易区、澜湄合作区域、泛珠三角经济圈交会点,是中国面向南亚东南亚乃至中东、南欧、非洲的前沿和重要门户,承担着连接云南省内外的重要交通枢纽和区域协调发展的重要角色,昆明不仅是云南省的经济中心,也是整个西南地区的重要经济枢纽。昆明属低纬度高原山地季风气候,冬无严寒,夏无酷暑,四季如春,是著名的“春城”“花城”,是休闲、旅游、度假、居住的理想之地。

2 资料与方法

2.1 数据来源

本文选取2014年1月—2022年12月昆明市国家环境监测站(官渡区的关上站点、呈贡区的新区站点、西山区的森林公园站点、盘龙区的龙泉镇站点、五华区的金鼎山站点共5个站点)逐日逐小时常规环境空气质量监测数据,包括AQI、SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10(环境监测数据来源于中国空气质量在线监测分析平台),并选取了2014年1月—2022年12月昆明国家基准气候站的气象观测数据,包括日平均气压、日平均气温、日平均相对湿度、日降水、日平均风速、日极大风速、日照7个气象要素。

2.2 研究方法

2.2.1 空气质量指数AQI

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)及《环境空气质量标准》(GB3095-2012)的规定,空气质量指数(AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲数,环境空气质量级别依其指数空间共分为6个级别(表1),AQI数值越大表明空气污染情况越严重[16]。

表1 AQI对应空气质量状况表

2.2.2 Pearson相关性分析法

Pearson相关性分析法于19世纪80年代由Karl Pearson提出,用于衡量两个变量间的线性相关程度[17-19]。

(1)

3 结果与讨论

3.1 空气质量时间变化特征分析

昆明市9年来的AQI年平均值为46.55,其中达到一级标准(优)的天数占62.11%,2014—2022年,昆明市的AQI呈逐年下降趋势,表明空气质量正在逐年变好(图1),由2014年的56.7降到2022年的34.9,只有2017年略有起伏。空气质量等级为优的天数逐年增多,2022年空气质量等级为优的天数为324d,比2014年增加53.09%;空气质量为良的天数逐年减少,2022年空气质量等级为良的天数为41d,比2014年减少79.60%;为轻度污染的天数较少,主要集中于2014—2017年,最多的天数在2014年,2014年轻度污染的天数为8d,9年间没有出现过中度、重度及严重污染情况。由表2可知,PM2.5、PM10的浓度年均值变化与AQI的年变化具有一致性,且在2017年均略有起伏;O3年均浓度呈现增加的趋势。

图1 2014—2022年昆明市AQI年变化和各类空气质量

表2 2014-2022年空气污染物年均值对比

3.2 主要污染物季节、月变化特征分析

从2014—2022年主要污染物浓度季节变化分析可知(图2),除O3外,其他污染物的浓度在冬季均有所升高,在夏季有所降低,SO2浓度在季节变化中差异不大。从月变化看(图3),SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10浓度在2—4月有所上升;SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度在9—12月有明显上升的变化趋势,O3浓度在9—12月呈下降趋势;各类污染物在4—6月均有明显的下降趋势,6—9月浓度变化较为平稳。

图2 各类污染物浓度的季节变化

图3 各类污染物浓度的月变化

3.3 主要污染物小时变化特征分析

2014—2022年昆明市各污染物浓度小时变化特征明显不同(图4),SO2和CO呈单峰单谷型,SO2的峰值出现在09时,为18.04 μg/m3,谷值出现在18时,为9.30 μg/m3;CO的峰值出现在09时,为1.03 mg/m3,谷值出现在16—17时,为0.63 mg/m3;PM2.5、PM10及NO2呈双峰双谷型,均在09时、23时达到两个峰值,分别为30.70 μg/m3、56.23 μg/m3、33.07 μg/m3及29.50 μg/m3、58.78 μg/m3、39.52 μg/m3,这几种污染物浓度的增加主要受上下班高峰期及大气扩散的影响。O3则是在15时达到峰值87.54 μg/m3,为最低值08时的3倍左右,考虑主要原因是白天太阳辐射增多,利于二次光化学反应生成O3,促使O3浓度增加[20]。

图4 2014—2022年昆明市主要污染物小时浓度对比

3.4 主要污染物空间变化特征分析

由图5可以看出,9年间昆明主城五区的AQI五华区相对最高,为49.52,处于空气质量状况为优的临界点,其次为盘龙区及呈贡区,AQI最低的区域为西山区,为35.62。分析2014—2022年昆明主城五区的主要污染物浓度对比(封二图版Ⅰ图6)发现,五华区的SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度相对最高;呈贡区的PM2.5、NO2、O3相对较高;西山区的PM2.5、PM10及NO2的浓度相对最低,且O3相对最高。

3.5 相关性分析

空气质量与气象因子有着密切的联系,气象因子的变化影响空气中污染物浓度的变化。利用Pearson相关性分析方法,对AQI、SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10等监测数据,及气温、相对湿度、降水、气压、风速、极大风速、日照7类日均气象因子进行相关性分析,有效样本数为3 238 d,得出主要污染物浓度与气象因子间的相关系数。若计算得出两者间的相关系数>0,表示二者间存在正相关关系;若相关系数<0,表示二者间存在负相关关系。通过分析发现,昆明市空气质量、污染物浓度与气象要素之间有较好地相关性。由表3可以看出:

表3 空气质量与气象因子的相关性分析

(1)AQI与气温、相对湿度、降水3个气象因子呈显著负相关,与气压、风速、极大风速、日照等4个气象因子呈正相关,降水对空气有增湿作用,对空气中的细颗粒物有湿清除作用,能有效降低空气中的污染物浓度。降水增多、湿度增大、气温降低,空气中的细颗粒物含量减少,导致AQI降低,而冬季降水较少,造成了9—12月AQI有明显上升趋势。

(2)气温与O3呈显著正相关[21],因为温度是光化学反应的重要影响因子,温度较高时大气光化学反应加剧,有利于大气中O3的生成。

(3)SO2、CO、O3、PM2.5、PM10与风速、极大风速呈正相关。一般而言,较高的风速有利于污染物的扩散,但大风(通常≥8 m/s)时,就会吹起扬沙[22],2—4月昆明的春季风速较大,使得空气污染较为严重。

(4)AQI及各类污染物浓度与相对湿度呈显著负相关,因为相对湿度越低,越有利于颗粒物悬浮在空气中,导致空气质量越差。

(5)AQI、NO2、CO、PM2.5、PM10与气压呈正相关,因气流从高气压区域往低气压区域流动,故气压越低,越不利于空气中的细颗粒物流动扩散,导致空气质量更差。

为深入了解极大风速情况下的风向对空气中主要污染物的影响,对极大风速、风向与各类污染物浓度进行了分析(封三图版Ⅱ图7),可以看出:风速大于10 m/s时,西、南、东方向的PM2.5、PM10浓度相对较高;北部及中部PM2.5、PM10浓度相对较低,受风速影响较小;风速在10～20 m/s时,南部、东南部的NO2相对较高;高浓度的CO主要集中于西北部高风速区域(风速在20～25 m/s),高浓度O3主要位于东南区域(风速在10～18 m/s)。PM2.5、PM10在西、西南高风速区域浓度较高,这可能与位于昆明西南方向安宁工业源排放的影响有关,以及春季缅甸生物质燃烧产生的生物质气团被抬升,通过盛行的西风输送到中国西南部[15],造成昆明市PM2.5、PM10浓度的增加。

4 结果与分析

利用2014—2022年昆明市空气质量数据及气象数据,分析了昆明市空气质量变化特征及与气象因子间的相关关系,得出以下结论:

(1)2014—2022年昆明市空气质量状况逐年呈现变好,空气质量为优的天数占比逐年增加,轻度污染最多的天数出现在2014年,其中,2015年3月22日昆明市AQI达128,为9年间昆明市AQI的最高值,9年间没有出现过中度、重度及严重污染情况。在主城五区的对比中,昆明市西山区空气质量相对较好,五华区9年间的平均AQI相对最高,为49.52,仍处于空气质量状况为优的区间,总体情况相对较好。

(2)昆明市空气质量受气象因子影响,如春季风速较大,易造成空气中扬沙增加,使得空气污染较为严重。降水、相对湿度与空气质量呈显著负相关,降水增湿对空气中的细颗粒物有清除作用,能有效降低空气中的污染物浓度,使空气质量好转。但是,从不同的时间尺度上看,相关性有所差异,这可能与不同时间尺度下气象因子不同的特征有关,其他影响因素还有待进一步深入讨论。

(3)在空气质量的季节变化特征中发现,昆明市冬春季主要以PM10、CO为主;夏季主要以O3为主。在季节变化中的相关性表现为:夏季温度高、降水量大有利于大气细颗粒物的湿清除,冬春风速较大、降水量少易造成颗粒物的增加,O3含量受温度的影响,在夏季较高,冬季较低。

(4)随着社会经济的发展,人们越发重视生态环境,特别是城市空气质量情况,可结合气象条件对空气质量的影响,根据未来天气形势,预测未来一段时期内的空气质量状况,对预防大气污染起到一定的辅助作用。