气象因子与一次雾霾污染程度的相关性研究

关键词：一次雾霾天气；空气污染；年均污染分指数；灰色关联分析方法；相关性建模

中图分类号：X831 文献标志码：B

前言

在当今社会，随着工业化进程的加速和城市化水平的提高，空气质量问题日益凸显，其中雾霾污染已成为影响公众健康和生活质量的重要环境因素之一。污染物以气体和物质形态扩散至空气中，会导致不同程度的大气污染。当这些污染物改变了大气中的相关成分时，人类的生态系统将受到严重破坏，进而威胁人们的生存和发展条件。雾霾天气不仅导致能见度急剧下降，影响交通出行，更因其富含的细颗粒物（如PM_2.5）、二氧化硫、二氧化氮等有害成分，对人体呼吸系统、心血管系统等造成严重损害，长期暴露还可能增加患癌风险。因此，深入探究雾霾污染的成因及其影响因素，对于制定有效的防控措施、保护公众健康具有重要意义。

在众多影响雾霾污染的因素中，风速、湿度、温度等气象条件的变化，能够直接影响大气中污染物的扩散、稀释、转化和沉积过程，进而决定雾霾的形成、发展和持续时间。例如，低风速条件下，污染物难以有效扩散，容易在局部地区积聚形成雾霾；而高湿度环境则有利于气态污染物向颗粒态转化，加剧雾霾污染程度。因此，通过综合分析气象数据与雾霾污染监测数据，研究气象因子与雾霾污染程度之间的相关性，以期为雾霾污染的防控工作提供有力支持。

1资料与方法

1.1气象资料

将中国气象科学共享数据网中存在的数据作为气象资料，主要包括年平均总云量、年平均本站气压等。具体包括以下几个方面：

1.1.1地区与年份

此研究聚焦于某北方城市，选取2023年作为研究年份，以全面分析该城市在这一年内的雾霾污染状况及其与气象因子的相关性。

1.1.2采样具体的时间段

数据采样覆盖了全年，即202X年1月至12月，每月选取连续7天作为采样周期（如每月的1日至7日），以尽量减少季节内短期天气变化对分析结果的影响。特别关注四月份（春季雾霾高发期）和十月份（秋季臭氧浓度高峰期）的数据变化。

1.1.3采样位置

采样点位设置在该城市内具有代表性的多个区域，包括城市中心区、工业区、居民区、郊区以及城市边缘地带，共计50个采样点。这些点位的选择基于地理分布、人口密度、工业排放强度等因素，以确保数据的全面性和代表性。

1.1.4数据来源

此研究的数据主要来源于中国气象科学共享数据网及当地环保部门提供的空气质量监测数据。气象数据包括年平均总云量、年平均本站气压、月平均气温、月平均气压、月平均风速、月平均湿度等；空气质量数据则包括PM₁₀ 、PM_2.5、NO₂、O₃等多种污染物的日均浓度及空气质量综合指数。

1.1.5采样点位的详细信息

城市中心区（点位A）：位于城市核心商务区，四周高楼林立，交通繁忙，人口密度大，采样点设于某高层建筑的楼顶平台。

工业区（点位B）：位于城市东北部工业园区内，周边分布有多家重工业企业，采样点设于园区边缘的一处开阔地带，以减少局部排放的干扰。

居民区（点位C）：选取城市南部一个大型居民社区的中心位置，采样点设于社区内的小公园内，远离主要道路。

郊区（点位D）：位于城市西郊，自然环境相对较好，周边以农田和林地为主，采样点设于一处农业气象观测站内。

城市边缘地带（点位E）：位于城市最南端，紧邻乡村地区，是城市与乡村的过渡地带，采样点设于一处交通要道旁，便于监测城市扩张对空气质量的影响。

1.2研究设备

1.2.1 49i紫外荧光法O₃分析仪

该分析仪通过紫外吸收法分析大气中存在的03，臭氧作为大气中的关键污染物，浓度受到温度、光照强度等气象因子的显著影响。特别是在高温和强光照的条件下，臭氧浓度会出现明显上升，而这些气象条件也常与雾霾天气的形成相伴。因此，通过分析臭氧浓度的变化，可以间接窥探雾霾天气的污染程度及其与气象因子的内在联系。49i紫外荧光法O₃分析仪是一种采用紫外荧光法，通过获取特定波长下的荧光强度，实现精确测量臭氧浓度的仪器。用I₀表示不存在臭氧时的紫外光强度，该分析仪吸收的紫外波长主要以254 mm为主，用I表示存在臭氧时的紫外光强度，通过下式描述两者之间存在的关系：

式（1）中，C代表的是臭氧在大气中的浓度；L代表的是长度单位；K代表的是分子吸收系数。

1.2.2 42i氮氧化物分析仪

氮氧化物作为大气中的主要污染物，主要来源于工业排放和交通尾气等，其浓度变化在雾霾天气的形成中起着关键作用。在特定的气象条件如静风、高湿、逆温下，氮氧化物容易与大气中的其他成分产生化学反应，进而形成硝酸盐、硫酸盐等二次污染物，这些物质是构成雾霾的重要成分。通过反应42i氮氧化物分析仪能够对空气中存在的二氧化氮分子产生激发作用，光强与一氧化氮浓度之间具有线性关系，一氧化氮浓度可通过光强计算得到，对应的化学方程式为式（2）：

1.2.3 43i脉冲荧光SO₂分析仪

在静风、逆温等特定气象条件下，二氧化硫容易在大气中积聚，并与其他污染物或大气组分发生化学反应，从而生成硫酸盐等二次污染物。这些硫酸盐颗粒物是构成雾霾的关键成分，对空气质量和人体健康构成严重威胁。

二氧化硫分析仪的主要工作原理为：将紫外光波长的范围设定在190nm～230 nm，二氧化硫分析仪在该范围内可以完成能级跃迁，获得高能态的分子，周围气体分子与高能态分子之间的碰撞程度都不相同，通过碰撞实现分子之间的能力传递，二氧化硫的化学反应方程为式（3）：

1.2.4颗粒物监测仪

颗粒物来源广泛，包括工业排放、交通尾气、建筑施工等多种途径，并且在特定气象条件下容易积累形成一次雾霾污染，因此采用TEOM1400a系列颗粒物监测仪检测大气中存在的颗粒物，该监测仪由分析控制单元和进样系统构成。

1.3分析方法

以年均污染分指数为指标，分析一次雾霾污染程度与气象因子的相关性。

全年气温分布呈现明显的季节性特点，最高温出现在7月，最低温则在2月，5月至9月期间气温相对较高，而1月至3月以及11月至12月则相对较低。研究发现，气温与臭氧浓度之间呈正相关关系，而与PM₁₀、PM_2.5和NO₂浓度呈负相关。这一现象主要受到大气中逆温现象的影响。在冬季，逆温层持续时间长且强烈，导致大气运动不活跃，阳光照射时间短，使得污染物难以扩散，从而导致冬季污染物浓度升高。而夏季逆温层存在时间较短，大气运动活跃，阳光辐射充足，有利于污染物迅速扩散，因此夏季污染物浓度较低。此外，臭氧的生成受到太阳辐射和温度的影响，在太阳辐射和温度较低时，光化学反应概率降低，导致臭氧浓度减少。

2.2气压因子与污染物浓度的变换关系

如图2所示，1月、2月、3月、10月、11月和12月的气压相对较高，6月、7月和8月的气压相对较低，分析表中数据，气压会影响污染物在空气中的浓度。气压的变化也会影响气压，通常情况下气压在夏季的值较低，在冬季的值较高。空气在高气压条件下容易产生下沉逆温层，出现这种现象的主要原因是空气出现大范围的下沉，污染物在这种环境下的扩散方向为向上，因此空气质量较差。大气在气压降低时的不稳定性较高，污染物在这种条件下更容易发生扩散。气温与气压之间呈负相关，臭氧生成速度在低气压环境下较高。

2.3风速因子与污染物浓度的变换关系

如图3所示，1月和11月的风速较大，7月的风速较低。分析图3中的数据可知，随着风速的增加，空气中的污染物含量有所降低。但由数据可知臭氧浓度在夏季仍较高，造成这种现象的主要原因是夏季的太阳辐射强度高，虽然风速大，但污染物在空气中的含量仍然较高。污染物在风速的影响下与附近空气混合，稀释了污染物的浓度，污染物在风速的作用下，发生移动。因此污染物在风速的作用下会发生向下风向传输，且被混合稀释，因此风速较大时，空气质量高。扩散能力和水平输送能力在小风速环境下较差。

2.4湿度因子与污染物浓度的变换关系

如图4所示，10月的湿度最小，11月的湿度最高，1月、5月、6月、8月、11月和12月的相对湿度均高于70%。颗粒物经过雨水的冲刷会发生沉降，经过10月雨水多的影响，因此PM₁₀在11月的浓度较低，结合表中和图中的数据可知，污染物浓度随着湿度的增加而降低。

3结束语

一次雾霾天气在污染源排放固定时会受到气象条件的影响，研究一次雾霾污染程度与气象因子之间存在的相关性，深入分析了气温、气压、风速和湿度等关键气象因子与一次雾霾污染程度之间的相关性。结果显示，这些气象因子对雾霾污染程度具有显著影响，其中风速是影响雾霾扩散和稀释的关键因素，较高的风速有助于雾霾的快速消散；而湿度则在一定程度上促进了雾霾的形成和持续，尤其是在相对湿度较高时，颗粒物容易吸湿增长，加剧雾霾污染。此外，气温和气压的变化也通过影响大气稳定度和边界层高度等机制，间接作用于雾霾的生成与扩散。综上，此次研究可以更有效地降低污染物在空气中的积聚，从而改善空气质量，保护公众健康。