上海市青浦区PM10污染状况及其与气象要素的关系

朱 敏 陈海宇 张骁君

（1.上海市奉贤区环境监测站，上海 201400；2.上海市青浦区环境监测站,上海 201700；3.上海市长宁区环境监测站，上海 200052）

PM10是评价大气质量的重要指标。大气颗粒物中，可吸入颗粒物PM10的直径小于10微米，可进入呼吸道，能够引起一系列严重的心血管及呼吸道疾病[1,2]。同时，环境空气中的颗粒物还会引起能见度的降低[3]。而且，自2006年青浦区建立环境空气质量自动监测站，对外发布空气质量日报以来， PM10一直是本地区空气的首要污染物。

影响PM10浓度的主要有两方面的因素，一是污染源；二是气象条件，在本地污染源保持基本不变的情况下，主要是气象条件的变化影响了污染物质的传输、稀释、扩散和转化，从而引起空气质量的变化[4]。大气扩散的理论研究和试验研究表明，在不同的气象条件下，同一污染源排放所造成的空气污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍，这正是大气对污染物的稀释、扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大变化的缘故[5]。已有文章采用相关与回归分析的方法探讨空气污染与气象要素的关系[6,7]，或是从理论上描述气象条件对污染物迁移扩散的影响[8,9]。

本文以2006～2010年的青浦区PM10月均浓度及同期地面气象要素降雨量、大气湿度、风速为研究对象，着重分析了PM10浓度与相关气象要素间的关系。从而了解不同气象条件下PM10浓度的变化情况，为改善青浦区大气环境质量和污染防治等提供了科学依据。

1.材料与方法

本文所采用的数据为2006～2010年青浦区环境空气自动监测站监测的PM10的日均和月均质量浓度；同期地面降雨量、大气湿度和风速等气象要素的日均值和月均值。

PM10的浓度以及气象条件存在明显的季节规律，因此，文中涉及分春（3、4、5月）、夏（6、7、8月）、秋（9、10、11月）、冬（11、12、1月）来探讨季节变化的不同影响和差异。

2.结果与分析

2.1 PM10浓度的变化

2006～2010年青浦区的PM10年均浓度处于0.079～0.096 mg/m3的范围，达到空气质量二级标准0.10 mg/m3。5年的月均浓度如图1所示，由图可知，一年的浓度高值出现在冬季，冬季北方冷空气频频南下，将大量颗粒污染物带入本地区，而且冬季气温低，大气层结构稳定造成空气对流弱，湍流小，PM10难以得到迅速的扩散和迁移，导致PM10浓度较高。PM10浓度低值出现在夏季，夏季雨量充裕，对颗粒物有冲刷作用，并且夏季大气对流强烈，易于污染物的扩散。

图1 2006～2010年PM10月均浓度变化图

2.2 降水量与PM10的关系

颗粒物与雨滴碰撞可附着在雨滴上或者溶于水滴中并随着降水沉降到地面，因而降水对清除空气污染物起着重要的作用[10]。

首先从宏观上比较2006～2010年PM10月平均浓度与相应的降水量的关系，如图所示。由图可知，总体上降雨量大的月份PM10浓度较低。

图2 2006～2010年月平均降水量与PM10月平均浓度关系图

通过计算2006～2010年每个降雨日PM10日均浓度的改变量（即降雨日与前一日的PM10日均浓度之差），研究分析不同季节的降雨对PM10浓度的影响，计算结果见表1。

表1 不同等级降雨量下PM10日平均浓度的改变量（mg/m3）

可以看出，与无降雨状态（R=0）相比，降雨能在不同程度上降低PM10的浓度。日降雨量达到或超过5 mm的降雨对气溶胶粒子浓度降低作用最显著。 当日降雨量在5 mm以下时，PM10浓度日变化不明显，也就是降雨的清除作用不明显。当降雨量不大时，空气中的水汽会吸附更多的气溶胶粒子，当气溶胶粒子浓度增加的效应大于微量降雨的清除能力时，PM10浓度增加。

同时，为了了解连续降雨对PM10浓度的影响，用上述方法计算了连续降雨日第1～3天逐日的降雨清除量，结果见表2。

表2 连续降雨日对PM10清除能力的对比分析（mg/m3）

由表2可知，在春、冬季节，第一日降雨对PM10的清除能力最高，随着时间的推移第二日和第三日的清除能力逐渐减小。因为连续降雨使得PM10值不断降低，导致PM10去除量也相应不断减少；而在夏季，连续降雨期间PM10每日的清除量相差不大，因为夏季的雨往往是以雷阵雨的形式出现，间歇的雨水使得PM10浓度在一段时间内降低后又反弹，连续降雨日每天的PM10浓度没有显著下降，导致PM10的去除量也无显著差别；而在秋季，第一日降雨对PM10的清除能力最小，第二日的消除能力最大，这是因为秋季连续降雨日往往第二日雨量较大的缘故。

将降雨前一日PM10浓度和当日的降雨量作为变量因子，以PM10浓度改变量为应变量进行线性回归计算。回归方程为

式中，Y为PM10浓度的改变量，Con为前一日PM10浓度，RP为当日的降雨量，a、b为系数，c为一常数，利用上式分别计算了四个季度PM10浓度改变量的回归方程的系数及两个变量因子的复相关系数R,计算结果见表3。

表3 各季节PM10浓度的回归方程系数

表3中的系数表明：夏、秋两季PM10浓度改变量与上述两因子的复相关系数较高。系数a的绝对值比b大，说明前一日PM10平均浓度对Y的作用比降雨量大，由此可知PM10本底浓度的大小对PM10在降雨过程中的清除量影响重大。同时秋、冬季节系数b的绝对值大于春夏季节，由此可知，春夏季降雨对PM10的改变作用要大于秋冬季节。

2.3 湿度与PM10的关系

2006～2010年青浦区大气湿度与PM10的月均关系如图3所示。可见，大气湿度夏季较高，春冬季较低。而夏季的PM10浓度则低于春冬季节，由此大致可见PM10与大气湿度呈负相关关系。

图3 2006～2010年月均大气湿度与PM10月均浓度关系图

青浦区的大气湿度处于60%～80%的天居多。夏季空气湿润，大气湿度基本大于60%，冬季较为干燥，大气湿度小于60%的天数占40%。

选取2009年一年的数据，统计每天的大气空气湿度和PM10污染等级，分四个季节分别计算和分析不同湿度条件下不同污染等级天数出现的频率，如表4所示。

表4 不同湿度条件下出现不同污染等级天数的频率

由表4可知，PM10浓度与大气湿度基本呈负相关关系。当空气干燥，大气湿度小于60%时，PM10污染等级很少出现“优”（空气质量等级为一级），同时三级天（PM10污染等级为三级）的大气湿度也基本小于60%。比较各湿度区间60%～69%，70%～79%和＞80%，随着大气湿度的增加，一级天数所占比例基本呈不断增加的趋势。当大气湿度达到大于80%时，空气质量为“优”的天数占71.3%。总体而言，空气干燥，大气湿度较小的情况下，较易形成PM10的污染，而大气湿度高时，PM10浓度较低，不易出现PM10污染。

然而有研究表明，湿度增加时污染物浓度升高，灰尘等颗粒物作为水汽的凝结核，凝结后沉于大气低层，使灰尘浓度升高，在足够的湿度和降温条件下形成雾，加剧大气污染（南宁文章）。这与我们的结论相左，因为本地区的实际情况是高湿度的产生往往伴随着降雨的发生。莫雨淳等[11]研究了南宁市的大气湿度与PM10污染的关系，结果表明大气较干燥时，PM10污染等级很少为“优”，当湿度超过70%之后，PM10的污染等级开始好转，一级天占大部分时间。该结论与本文的分析结果相仿。

2.4 风速与PM10的关系

风速是影响大气扩散条件的重要因素，是大气水平扩散能力的重要指标，它决定大气稀释、扩散能力的大小，是影响空气污染的重要条件。选取2009年一年的数据，统计每天的平均风速和PM10污染等级，分四个季节分别计算和分析不同风速条件下不同污染等级天数出现的频率，如表5所示。

表5 不同风速条件下出现不同污染等级天数的频率

有表5可知，三级天在风速小于1.5 m/s时，出现频率最高。在春季，比较W≤3.5 m/s的三个风速区间，随着风速的上升，一级天出现的概率（占本区间出现频次的概率）增大；但当风速大于3.5 m/s时，一级天出现频率为零，三级天出现的概率增大（占本区间出现频次的33%）。在冬季，风速小于2.5 m/s时，随着风速增大，三级天出现的概率下降；但当风速大于2.5 m/s时，三级天出现的概率增加。秋季的风速小于1.5 m/s或大于3.5 m/s时，一级天出现的概率都较高。一般来说，风速越大，单位时间内空气污染物被输送的距离越远，输入的空气量越多，空气污染就越轻：风速越小，空气污染就越重，特别是在小风时，更加不利于污染物的输送扩散，使得大量污染物在市区堆积，往往造成严重的局部空气污染。但当风速大到一定程度时，会将地面的尘土吹起，使得PM10污染变得严重。只有在相对适宜的风速范围内，地面尘土不致吹扬，污染物又能等到良好的扩散。在本地区，春夏季节的适宜风速是1.5～3.5 m/s,冬季的适宜风速是1.5～2.5 m/s。

PM10浓度的影响因素众多，不同地区不同季节的风速条件与PM10的关系也不尽相同。国内也有部分文献关注了风速对于PM10的影响，其中郑美琴等[12]的研究发现南京地区平均风速超过5 m/s时，很少出现三级天，且当风速超过6.5 m/s时，随着风速的提高，污染物浓度呈下降趋势。申占营等[13]的研究表明在郑州市区，三级天主要出现在风速≤2 m/s的情况下，风速在2.1～2.9 m/s时，出现三级天的频率最低，得出的结论与本文相似。

3.结论

通过定量分析降雨量、湿度和风速三大气象因素对PM10浓度的影响，得出以下结论：

（1）日降雨量达到或超过5mm的降雨对PM10浓度降低作用较显著。 当日降雨量在5mm以下时，降雨的清除作用不明显。春夏季降雨对PM10的改变作用要大于秋冬季节。

（2）PM10浓度与大气湿度基本成负相关关系；大气湿度增加，出现PM10污染天气的概率下降。

（3）风速过小或过大都会加重PM10污染，春夏季节的适宜风速是1.5～3.5 m/s,冬季的适宜风速是1.5～2.5 m/s。

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