不同季节的北京市GPS可降水量与PM2.5／PM10的比较研究

王 勇 刘严萍 李江波 柳林涛 孙 晓

1天津城建大学地质与测绘学院，天津市津静路26号，300383

2 大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉市徐东大街340号，430077

3天津城建大学经济与管理学院，天津市津静路26号，300383

4 河北省气象局，石家庄市体育南大街178号，050022

5 中南大学土木工程学院，长沙市韶山南路68号，410075

雾霾是空气污染和气象因素共同作用的结果［1］。城市大气中的颗粒物（PM2.5／PM10）导 致能见度降低，影响空气质量，威胁人群健康，是具有区域性特征、危害严重的大气污染物。各国学者开展了城市大气污染研究。Fang［2］以美国东北部为例研究了夏季PM2.5空气质量的物理气候模型；Boynard［3］利用IASI（红外大气探测干涉仪）卫星测量技术探测了中国华北地区的冬季空气污染；我国部分学者针对北京、广州、深圳和天津等城市开展了城市PM2.5浓度特征及其影响因素的分析研究［4－7］。水汽（可降水量）是影响天气变化的关键要素，也是影响雾霾天气的关键因子［8］。本文拟利用2013年北京市PM2.5／PM10观测资料，结合GPS水汽资料，进行夏季、秋冬春季节的PM2.5／PM10与GPS 水 汽 变 化（precipitable water vapor，PWV）的比较研究。

1 实验数据与方法

本文研究数据主要包含2类：GPS可降水量（GPS PWV）、PM2.5／PM10观测数据。

1.1 GPS可降水量

利用GPS观测资料可以反演出高时间分辨率的对流层延迟序列，结合气象观测资料（气压、温度），可以获得时值GPS可降水量序列［9］。国际GNSS服务（IGS，International GNSS Service）提供国际GPS站点的对流层延迟解算资料和气象观测数据，通过下载BJNM 站点对流层延迟和气象资料，按照文献［9］提供的方法可以获得时值GPS可降水量序列。由于IGS提供的GPS对流层延迟数据和气象数据不完整，导致解算的GPS可降水量序列不连续，有个别天数数据缺失。

1.2 PM2.5／PM10观测数据

北京有多个PM2.5／PM10观测站点，本文选择昌平站点的PM2.5／PM10时值观测数据。2013年的北京PM2.5／PM10观测资料缺失9月和10月上旬数据，其他时间也有个别天数不连续。

由于北京处在大陆干冷气团向东南移动的通道上，每年从10月到翌年5月几乎完全受来自西伯利亚的干冷气团控制，只有6～9月前后3个多月受到海洋暖湿气团的影响，所以降水主要集中在夏季，7、8月尤为集中。因而，本文按照季节分为夏季和秋冬春2个部分进行研究。

2 夏季GPS PWV与PM2.5／PM10的比较

北京的夏季为6～8月。根据现有的PM2.5／PM10观测资料和GPS PWV 序列，选择夏季的4个时间段进行GPS PWV 与PM2.5／PM10的比较。图1（a）～（d）为夏季北京GPS PWV 与PM2.5／PM10的比较，表1为4个时间段的GPS PWV 与PM2.5／PM10相关性的统计。

由图1 和表1 可看出，夏季GPS PWV 与PM2.5／PM10相关性没有规律，这是由于北京夏季为汛期，时常有降水过程发生，降雨对大气中的雾、霾能起到清除和冲刷作用，即降水过程有助于降低PM2.5／PM10的浓度值。

表1 夏季GPS PWV与PM2.5／PM10的相关性Tab.1 Correlation between GPS PWV and PM2.5／PM10in summer

图1 夏季GPS PWV 与PM2.5／PM10的比较Fig.1 Comparison between GPS PWV and PM2.5／PM10in summer

3 秋冬春季节GPS PWV 与PM2.5／PM10的比较

由图2 和表2 可看出，在秋冬春季节，GPS PWV 变化与PM2.5／PM10变化呈明显的正相关性（两者比较的显著性均小于0.01，说明两者呈显著正相关），相关系数大于0.5。

在秋冬春季节，当可降水量含量较高时，空中水汽层较为湿润，PM2.5／PM10微粒无法向上扩散，因而形成地表霾天气。水汽的存在是导致二次离子生成的关键，一次离子和水汽反应而迅速生成二次离子（氮氧化物、硫氧化物），导致灰霾的消光效应迅速升高。

图2 秋冬春季节GPS PWV 与PM2.5／PM10的比较Fig.2 Comparison between GPS PWV and PM2.5／PM10among autumn，winter and spring

表2 秋冬春季节GPS PWV与PM2.5／PM10的相关性Tab.2 Correlationbetween GPS PWV and PM2.5／PM10 among autumn，winter and spring

4 结 语

本文比较了北京市2013年的PM2.5／PM10资料与GPS可降水量资料的变化。在秋冬春季节，PM2.5／PM10与GPS 可 降 水 量 呈 明 显 的 正 相 关性，相关系数大于0.5；夏季由于多雨的缘故，PM2.5／PM10与GPS可降水量没有呈现正相关性这一规律。

［1］戴树桂.环境化学进展［M］.北京：化学工业出版社，2005（Dai Shugui.Advances in Environmental Chemistry［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2005）

［2］Fang Y Y，Fiore A M，Lamarque J F.Using Synthetic Tracers as a Proxy for Summertime PM2.5Air Quality Over the Northeastern United States in Physical Climate Models［J］.Geophysical Research Letters，2013，40（4），755－760

［3］Boynard A，Clerbaux C，Clarisse L，et al.First Simultaneous Space Measurements of Atmospheric Pollutants in the Boundary Layer from IASI：A Case Study in the North China Plain［J］.Geophysical Research Letters，2014，41（2），645－651

［4］谷金霞，吴丽萍，霍光耀，等.天津市PM2.5中水溶性无机离子污染特征及来源分析［J］.中国环境监测，2013，29（3）：30－34（Gu Jinxia，Wu Liping，Huo Guangyao，et al.Pollution Character and Source of Water－Soluble Inorganic Ions in PM2.5Over Tianjin［J］.Environmental Monitoring in China，2013，29（3）：30－34）

［5］黄晓锋，云慧，宫照恒，等.深圳大气PM2.5来源解析与二次有机气溶胶估算［J］.中国科学：地球科学，2014，44（4）：723－734（Huang Xiaofeng，Yun Hui，Gong Zhaoheng，et al.Source Apportionment and Secondary Organic Aerosol Estimation of PM2.5in an Urban Atmosphere in China［J］.Science China：Earth Sciences，2014，44（4）：723－734）

［6］赵秀娟，蒲维维，孟伟，等.北京地区秋季雾霾天PM2.5污染与气溶胶光学特征分析［J］.环境科学，2013，34（2）：416－423（Zhao Xiujuan，Pu Weiwei，Meng Wei，et al.PM2.5Pollution and Aerosol Optical Properties in Fog and Haze Days during Autumn and Winter in Beijing Area［J］.Environmental Science，2013，34（2）：416－423）

［7］朱倩茹，刘永红，徐伟嘉，等.广州PM2.5污染特征及影响因素分析［J］.中国环境监测，2013，29（2）：15－21（Zhu Qianru，Liu Yonghong，Xu Weijia，et al.Analysis on the Pollution Characteristics and Influence Factors of PM2.5in Guangzhou［J］.Environmental Monitoring in China，2013，29（2）：15－21）

［8］王勇，闻德保，刘严萍，等.雾霾天气对GPS天顶对流层延迟与可降水量影响研究［J］.大地测量与地球动力学，2014，34（2）：120－123（Wang Yong，Wen Debao，Liu Yanping，et al.Effects of Fog and Haze Weather on GPS Zenith Tropospheric Delay and Precipitable Water Vapor［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2014，34（2）：120－123）

［9］王勇，刘严萍.地基GPS气象学原理与应用研究［M］.北京：测绘出版社，2012（Wang Yong，Liu Yanping.Theory and Application of Ground－Based GPS Meteorology［M］.Beijing：Surveying and Mapping Press，2012）