2013年株洲市环境空气质量变化特征及其与气象条件的关系

吴萍等

摘要采用2013年株洲市大气污染物逐时监测资料及同时段的气象观测资料，分析了株洲市空气污染的时间变化特征及其与气象条件的关系。结果表明，2013年株洲市首要污染物为PM2.5，全年有158 d空气质量达到优、良，其中5～9月空气质量较好，其余时段空气质量较差；总的看来夏半年AQI小于冬半年，除O3污染物外，其余污染物较大浓度值主要出现在冬季，夏半年污染物浓度明显小于冬半年；除O3污染物外，其余污染物均为白天浓度小于夜晚，下午為一日中浓度最低时段。风速、降水量、能见度与AQI均呈反相关关系，即风速越大越有利于污染物的扩散、降水对污染物有冲刷作用、能见度越高扩散条件越好；混合层高度越高、逆温出现概率越小，污染物被稀释、扩散的范围越广，对应污染物浓度越低，空气质量较好。

关键词污染物；AQI；变化特征；气象条件；关系

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）29-215-04

大气污染是世界各国所面临的最大挑战之一，随着我国经济的发展，当前我国城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍偏高，机动车尾气污染物排放总量迅速增加，SO2和氮氧化物污染呈加重趋势，这已对人民群众身体健康和社会经济可持续发展构成严重的威胁，引起各国政府的高度重视。大气环境保护问题越来越受到气象和环境保护工作者关注，成为当前亟待解决的环境问题之一。近年来，国内关于城市空气质量特征及其气象条件的研究取得了一系列的成果。有研究指出，在污染源变化相对稳定的情况下，空气质量主要取决于大气的扩散能力，特别是与天气形势密切相关；也有一些研究者通过分析城市空气质量特征，建立预报预测模型。笔者在此分析了2013年株洲市空气污染的时间变化特征及其与气象条件的关系，揭示污染物的时间变化特征及污染物输送规律，为城市大气环境规划和环境治理提供科学依据。

1资料与方法

以株洲市为研究区域，株洲市环境空气质量为研究对象，选取2013年大气污染物（O3、SO2、PM10、PM2.5、NO2和CO）的逐时监测资料、同时段的气象观测资料等。空气质量数据来源于株洲市环境监测站提供的7个监测点（大京风景区、株冶医院、市监测站、火车站、天台山庄、市四中、云田中学）2013年逐时污染物的浓度资料。采用环境空气质量指数（AQI）评价株洲市的环境空气质量等级，其中这7个监测点分别代表农村地区、一般工业区、商业交通居民混合区、文化区等。气象资料来源于株洲市国家基准气候站逐时数据，株洲市国家基准气候站位于株洲市荷塘铺朝阳山山顶，周围地理环境为郊外。

2结果与分析

2.1株洲市环境空气质量特征

2.1.1污染物浓度及环境空气质量的逐月变化。

从图1可以看出，2013年株洲6种污染物浓度的逐月变化趋势非常明显，O3最大浓度出现在10月（120 μg/m3）、9月次之（105 μg/m3），4～10月O3浓度明显大于其余月份，这可能与4～10月气温高于其余月份有关；SO2最大浓度出现在1月（78 μg/m3）、12月次之（75 μg/m3）；CO最大浓度出现在1月（23 mg/m3）、2和4月次之（1.7 mg/m3）；PM10、PM2.5和NO2浓度的逐月变化非常类似，NO2最大浓度出现在12月（68 μg/m3）、10月次之（54 μg/m3），PM10最大浓度出现在12月（162 μg/m3）、10月次之（146 μg/m3），PM2.5最大浓度出现在1月（143 μg/m3）、12月次之（133 μg/m3）。

由此可见，除O3污染物外，其余污染物较大浓度值主要出现在冬季，夏半年（4～9月）污染物浓度明显小于冬半年（1～3、10～12月）。造成这种季节差异的原因可能是由于冬半年污染物扩散条件较差，经常出现逆温层不利于污染物的扩散；另外冬半年降水较少、强度较小，对污染物的冲刷作用不大；还有冬半年处于取暖期，污染物排放增加。

利用环境空气质量指数（AQI）对2013年株洲市逐月的空气质量进行统计，从图2可以看出，空气质量为优天数在6～9月较多，空气质量为良的天数在4～9月较多，其中6月全月空气质量均为优或良、7、8月仅1 d未达到优或良；1、10～12月大部分天数空气质量较差，其中1月有15 d达到重度及以上污染，10、12月有8 d达到重度及以上污染。

2.1.2空气质量综合指数AQI逐日的变化。2013年株洲市逐日AQI的时间变化（图3）表明，总的看来夏半年（4～9月）AQI小于冬半年（1～3、10～12月）；1月AQI最大，达186，7月AQI最小，为39。即冬半年空气质量明显较夏半年差，7月空气质量最好，1月空气质量最差。2013年株洲市六级空气质量（AQI>300）仅发生2 d，分别为10月30日和11月23日；五级空气质量（201≤AQI<300）主要发生在1月上旬末至下旬初、10月下旬初至下旬末、12月上旬中等时段；四级空气质量（151≤AQI<200）主要发生在1月下旬初至下旬末、12月下旬等时段；三级空气质量（101≤AQI<150）主要发生在2月上旬前半段、2月中旬前半段、3月上旬中至中旬中、3月底至4月初、4月中旬、5月中旬末至上旬初、10月上旬初至中旬末、11月中旬中至下旬初等时段；其余时段均为一级和二级空气质量。

2013年株洲市空气质量有158 d达到优和良，占全年的56.3%；80 d达到轻度污染，占全年的21.7%；45 d达到中度污染，占全年的12.2%；34 d达到重度污染，占全年的9.2%；仅2 d达到严重污染。首要污染物为PM2.5，其次为PM10。

2.1.3污染物浓度的逐时变化。

从图4可以看出，2013年株洲6种污染物浓度的日变化趋势非常明显，O3浓度的日变化呈单峰型，为67（08：00、09：00）～96（16：00、17：00）μg/m3，12：00～20：00 O3浓度明显大于其余时段，这与12：00～20：00气温高于其余时段有关；SO2浓度的日变化呈双峰型，在正午前后有一个主峰，在21：00前后有一个次峰，SO2的浓度为43（05：00～08：00）～49（12：00、14：00）μg/m3，12：00～20：00 O3浓度明显大于其余时段，这与12：00～20：00气温高于其余时段有关；CO、PM10、NO2和PM2.5浓度的逐日变化非常类似，均为白天浓度小于夜晚，下午为一日中浓度最低时段，其中CO的浓度为1.14（16：00）～1.39（22：00）mg/m3、PM10的浓度为89（18：00）～105（24：00）μg/m3、NO2的浓度为32（16：00）～46（21：00）μg/m3、PM2.5的浓度为63（16：00、17：00）～75（21：00～24：00）μg/m3。

43卷29期吴 萍等2013年株洲市环境空气质量变化特征及其与气象条件的关系

2.2气象条件对株洲空气质量状况的影响

2.2.1污染趋势分析。分别对2013年株洲市逐日AQI与逐日风速、降水量和能见度进行相关分析，结果发现均呈反相关关系，相关系数分别为-0.47、-0.23、-0.57，均通过001显著性检验。

风向影响大气污染物的输送扩散方向，风速影响大气污染物的输送扩散速率和范围，为了综合考虑风向和风速2个因子对污染物扩散的影响，在此定义一个无量纲系统即污染系数来表征对污染物变化趋势，污染系数表达式为：污染系数=风向频率/平均风速。根据株洲国家基准气候站的有关资料，计算了株洲市区近地面层各方位的污染系数。从株洲市区污染系数玫瑰图（图5）可以直观地看出株洲污染源排放的污染物对周围地区的影响趋势，2013年污染源排放的污染物对株洲市SE、SSE、S和SSW方向的影响趋势较大，污染物排放对其余方向的影响趋势较小；春季污染源排放的污染物对株洲市NW、NNW、SE和SSW方向的影响趋势较大，污染物排放对其余方向影响趋势较小；夏季污染源排放的污染物对株洲市NW和NNW方向的影响趋势较大，污染物排放对其余方向影响趋势较小；秋季污染源排放的污染物对株洲市SE、SSE、S和SSW方向的影响趋势较大；其余地区影响趋势较小；冬季污染源排放的污染物对株洲市SE、SSE、和S方向的影响趋势较大，污染物排放对其余方向的影响趋势较小。

2.2.2混合层和逆温出现概率。

株洲市区逐时混合层高度和逆温出现概率的变化（图6）表明，每天的01：00～08：00和20：00～24：00株洲市区出现逆温的概率较大，

逆温概率为93.2%（20：00）～100%（04：00、05：00、07：00），且该时段混合层高度在110（05：00）～256（03：00）m，混合层高度较低，厚度较薄，不利于污染物的扩散，对应时段污染物浓度较高；而09：00～19：00出现逆温的概率非常小，且该时段混合层高度较高，表明污染物可以被稀释的最大大气容量越大，污染物在垂直方向稀释、扩散的范围越广，对应时段污染物浓度相对较低。

2013年株洲市区逆温出现概率和AQI的逐月变化（表1）表明，3～9月逆温出现概率较小，其余月份逆温出现概率较大；4～9月AQI较小，空气质量较高，其余月份AQI较大，空气质量较上述月份差。对比株洲市空气质量指数（AQI）发现，混合层高度与AQI有较好的相关性（图7），两者的相关性达0.87，1～3、10～12月混合层高度小，AQI大，空气质量较低；4～9月混合层高度大，AQI小，空气质量较高。

3结论

（1）2013年株洲市首要污染物为PM2.5，其次为PM10，全

年有158 d空气质量达到优、良。其中5～9月空气质量较

好，空气质量为优、良的天数较多；1、10～12月大部分天数空气质量较差，空气质量为中度、重度、严重污染的天数较多。

（2）总的看来，夏半年AQI小于冬半年，除O3污染物外，

其余污染物较大浓度值主要出现在冬季，夏半年污染物浓度明显小于冬半年。

（3）2013年株洲6种污染物浓度的日变化趋势非常明显，除O3污染物外，其余污染物均为白天浓度小于夜晚，下午为一日中浓度最低时段。

（4）分析2013年AQI与气象条件的关系发现，逐日风速、降水量、能见度与AQI均呈反相关关系，即风速越大越有利于污染物的扩散、降水对污染物有冲刷作用、能见度越高扩散条件越好。混合层高度越高、逆温出现概率越小，污染物被稀释、扩散的范围越广，对应污染物浓度越低，空气质量较好。

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