沈阳市供暖期PM2.5污染特征及其与地面气象要素关系研究

王安庭 刘东明 徐冰

关键词：PM2.5；沈阳市；地面气象要素；空气质量等级

前言

随着城市化进程不断加快，大气污染问题也随之加剧，污染范围不断扩大。PM2.5、PM10等污染物已成为导致中国城市大气污染的重要污染物。其中供暖期间污染现象尤为严重，由于燃烧排放增加，空气较为稳定，导致污染物不易扩散，秋冬季雾霾天气频发。掌握污染天气发生规律，污染物特征等对空气质量预报预测以及预防污染事件发生十分必要。

冯春莉等对徐州市供暖期空气进行分析，结果表明供暖期污染物浓度明显高于非供暖期。范宁云等对兰州市供暖期PM2.5进行分析，结果表明供暖期间，PM2.5含量变动较为明显。白莉等人研究室内PM2.5浓度的各影响因素。结果表明：在供暖季长春市高层建筑的不同楼层均存在一定的PM2.5污染，室内外PM2.5浓度随楼层升高大体呈现减小的趋势，但差异不显著。罗爻等分析了哈尔滨市冬季取暖期PM2.5质量浓度的污染特征，结果表明：取暖期哈尔滨市多次出现重污染天气，在开始供暖后最为严重，PM2.5质量浓度与风速、相对湿度呈负相关，与温度呈正相关。

文章选取沈阳市2022年供暖期（2021年11月1日至2022年3月31日），作为研究时段。分析沈阳市供暖期PM2.5空间格局分布、时间分布规律以及与气象因子之间的关系。为进一步了解沈阳市冬季大气污染状况，大气污染防控提供科学的依据。

1研究区域及数据来源

1.1研究区域

沈阳市是辽宁省省会城市，位于中国东北南部，辽宁中部，地貌以平原为主，山地丘陵集中在东北、东南部，属辽东丘陵的延中部分。沈阳属于北温带受季风影响的半湿润大陆性气候，全年气温、降水分布由南向东北和由东南向西北方向递减，一年四季分明。

此外沈阳供暖期间污染天气现象频发，不同区域受供暖时间，气候等因素影响，存在不同的污染特征，影响空气质量的主要气象要素各不相同，因此有必要对沈阳市供暖期PM2.5污染特征进行分析，为提高沈阳市空气质量提供依据。

1.2数据来源

数据来自中国环境监测总站“全国城市空气质量实时发布平台”，浓度数据每隔1小时记录一次。沈阳市现有环境空气质量监测国控站点11个，其中包括小河沿、太原街，新秀街等站点，为方便研究文章采用区域平均的方法处理PM2.5浓度及地面气象要素观测数据。

地面气象要素观测数据采用沈阳地区7个国家基本气象站的逐时气象观测资料，包括气温、气压、相对湿度等，数据时间范围为2022年1月1日一2022年1月31日，数据来源于辽宁省气象局。

1.3空气质量等级划分

根据生态与环境保护部发布的《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012），通常将PM2.5日均浓度划分为6个等级（见表1）

2结果与讨论

2.1PM2.5浓度分析

表2为2021年供暖期PM2.5月平均浓度，如表2所示，供暖期PM2.5月平均浓度最高出现在2022年1月，为81.5ug/m3；最低出现在2021年11月，为41.93ug/m3。从整体来看，供暖期间PM2.5月平均浓度1月>2月>3月>12月>11月，可见2021年供暖期间污染天气主要集中在次年1月，且1月PM2.5月平均浓度显著高于其他几个月份，主要原因可能是1月气温整体偏低，居民供暖需求较大。

2021年沈阳市供暖期从11月1日起至次年3月31日。如图1所示沈阳市2021年12月-2022年3月逐日PM2.5质量浓度，由图2可知1、3月多次出现污染天气，其中1月下旬多次出现PM2.5质量浓度较高情况，峰值高达175ug/m3，可见沈阳市供暖期PM2.5污染较为严重。选取空气污染较为严重的时间范围（2022年1月中下旬），分析沈阳市供暖期PM2.5质量浓度与气象要素之间的关系。

2.2沈阳市PM2.5浓度与气象要素的关系

如图2所示沈阳市1月15日-1月31日区域PM2.5质量浓度逐小时变化图。由图可知PM2.5质量浓度变化范围为7.5ug/m3～251ug/m3，在采集的408个时次中，约有187个时次PM2.5质量浓度超过75ug/m3，占整体的45.83%；PM2.5逐时质量浓度平均为77.45ug/m3，可见供暖期间沈阳市1月PM2.5污染尤为严重。主要原因可能是沈阳市冬季较为寒冷，1月温度较低，供暖较为集中，燃烧排放较大，导致污染偏高。此外白天PM2.5质量浓度相对偏低，夜晚浓度偏高。

如图3（a）所示沈阳市1月15日-1月31日区域风速逐小时变化图。由图可知风速与PM2.5质量浓度整体呈显著负相关。风是影响污染物水平和垂直方向扩散的重要因子，直接影响污染物的清除过程。风速大小影响大气扩散能力，当风速越大日寸，空气中的污染物浓度减少，空气质量越好；当风速偏小时，污染物的扩散稀释能力较差，空气中的污染物浓度增加，空气质量越差。地表风速较低时，对大气中污染物扩散影响较小；随着地表风速增大，重度污染天气现象逐渐减小。1月中下旬风速普遍偏低，静稳天气现象出现次数较为频繁，同时逆温层具有较为稳定的特性，不利于PM2.5在垂直方向上的扩散，导致地表PM2.5质量浓度偏高，污染事件出现频率较高。

图3（b）为沈阳市1月15日-1月31日区域温度逐小时变化图。由图可知温度与PM2.5质量浓度整体呈负相关，但相关性不高。当温度逐渐升高时，重度及以上污染天气逐渐减少。气温与空气质量等级息息相关，主要由于当地表气温升高时太陽辐射增强，空气中对流较为强烈，大气层稳定程度较低，有利于污染物在垂直方向上的扩散，大气清洁能力较好。当地表气温升高时太阳辐射增强，空气中对流较为强烈，大气层稳定程度较低，有利于污染物在垂直方向上的扩散，大气清洁能力较强。当温度较低时大气层稳定程度较高，不利于污染物在垂直方向上的扩散，导致PM2.5质量浓度偏高。沈阳冬季白天温度较夜间偏高，因此白天PM2.5质量浓度相对偏低，夜晚浓度相对较高。

如图4（a）所示沈阳市1月15日-1月31日区域相对湿度逐小时变化图。由图可知相对湿度与PM2.5质量浓度整体呈正相关。主要原因是当空气中相对湿度较高时，PM2.5容易出现吸湿增长现象，不利于大气颗粒物清除。相对湿度可以影响大气中颗粒物的聚积等过程，从而影响颗粒物浓度的变化。当相对湿度进一步增大时，会加速颗粒物的沉降，PM2.5浓度开始下降，相对湿度对PM2.5质量浓度影响较大，较高相对湿度亦会存在重度污染空气质量等级。

图4（b）为沈阳市1月15日-1月31日区域风速逐小时变化图。由图可知气压与PM2.5质量浓度整体呈正相关。；当气压相对较高时，近地面垂直方向上气流下沉，大气层结稳定，PM2.5不易扩散；相比于低气压，较高的地面气压不利于本地污染物的垂直输送，而使高处外源性污染物易堆积，有利于污染天气的发生。

3结论

文章利用环境空气质量监测资料和地面气象要素观测资料，分析了2021年沈阳市供暖期PM2.5质量浓度污染特征，并分析PM2.5质量浓度与地面气象要素关系。结果表明：沈阳市供暖期PM2.5质量浓度较高，污染天气出现次数较多。PM2.5月平均浓度最高出现在2022年1月，为81.5ug/3；最低为2021年11月。从整体看，PM2.5月平均浓度供暖期1月>2月>3月>12月>11月；白天PM2.5浓度偏低，夜晚浓度偏高。沈阳市供暖期PM2.5质量浓度与气压、相对湿度呈正相关，与温度、风速呈负相关。供暖期1月份污染较为严重，多次出现重度污染及严重污染，需重点关注沈阳市供暖期1月份天气现象并加强治理。研究从采暖角度出发，研究PM2.5的变化趋势及其与气象要素的关系，为今后沈阳地区供暖期空气污染防治和提高沈阳市空气质量预报水平提供参考。