上海气象因素对PM2.5等大气污染物浓度的影响

汤羹+马宪国

摘要：统计了上海市2013年6月至2014年5月PM2.5、NO2、SO2月平均质量浓度和气象条件，分析了气温、风向、风力、降水量、湿度与污染物月平均质量浓度的相关性.结果发现：气温与污染物质量浓度呈负相关性；夏季的主导风向有利于污染物扩散和稀释，而冬季的主导风向则可引起污染物聚集；风力的增强有利于污染物扩散；降水是颗粒污染物沉降的方法之一，但在不产生降水的情况下湿度增大会造成二次气溶胶的生成，使得污染物质量浓度增加.

关键词：气象因素； PM2.5； NO2； SO2

中图分类号： TK 01 文献标志码： A

Abstract：Monthly average concentration of PM2.5，SO2，and NO2 and meteorological conditions in Shanghai from June 2013 to May 2014 was summarized.Correlation between monthly average concentration of air pollutants and temperature，win direction，wind power，rainfall，and humidity was analyzed.The negative correlation between temperature and concentration of air pollutants was found.The predominant wind direction in summer was helpful to the diffusion and dilution of air pollutants，while the predominant wind direction in winter would cause the accumulation of air pollutants.However，the enhanced wind power favored the diffusion of air pollutants.Rainfall was one method to cause the precipitation of particles in air pollutants.The increasing of humidity without rainfall could result in the formation of secondary aerosol and thus the growing of air pollutant concentration.

Keywords：meteorological condition； PM2.5； NO2； SO2

近年来，多次席卷全国多地的持续雾霾天气引起了人们的高度关注，雾霾天气已严重影响了人们的生活环境.上海市能源消费量居全国榜首，高密度的能源消费导致上海市大气污染问题越来越严重[1-2].而细颗粒物PM2.5长期悬浮于空气中，是形成雾霾天气的主要原因.

由于上海市采取了一系列工业生产清洁排放措施，在PM2.5的本地排放源中，流动源已取代工业生产及燃煤成为占比最高的污染物来源.因此，上海市PM2.5等大气污染物的防治重点在于控制流动源排放和周边区域输送.大气污染物流动源排放和区域间传输都与气象因素相关.而上海是沿海城市，地处长江中下游平原，天气条件复杂多变，四季气候特征明显，气象因素是影响大气中PM2.5、NO2、SO2等污染物质量浓度的重要因素之一.

1 数据分析

Ye等[3]认为上海PM2.5的质量浓度变化存在季节性特征.上海空气质量指数（AQI）和主要污染物月平均质量浓度变化如图1所示.由图可知，上海AQI指数和污染物质量浓度具有正相关性.PM2.5、NO2、SO2质量浓度变化与AQI变化趋势相似，夏季和春季偏高，秋季会有所下降，冬季会达到峰值.而臭氧8 h质量浓度在冬季会有所下降，因此冬季导致AQI大幅度上升的主要污染物是PM2.5.上海市2013年12月遭遇最严重雾霾“袭击”，12月6日污染物质量浓度达到600 μg·m-3以上，局部至700 μg·m-3以上.此次污染过程主要受到弱冷高压控制的小风静稳天气影响，气象条件不利于污染物的扩散，导致空气污染物持续累积.因此，气象因素是影响污大气染物质量浓度的重要因素之一.

本文分析了2013年6月至2014年5月上海气象因素（气温、湿度、风力、风向等）对PM2.5、SO2、NO2质量浓度的影响，探索气象因素与污染物质量浓度的关系.

2 气象条件对污染物浓度影响

2.1 气温

上海市气温季节性变化明显，习惯上四季按照春季为3、4、5月，夏季为6、7、8月，秋季为9、10、11月，冬季为12、1、2月划分.图2给出了上海各月份PM2.5、NO2、SO2月平均质量浓度与温度的关系.可以看出，污染物质量浓度随气温变化明显，且与温度呈负相关性.PM2.5、SO2、NO2月平均质量浓度均随气温的升高而降低，在夏季达到谷值；随气温的降低而升高，在冬季达到峰值.随着温度逐渐升高，混合层会不断提升，使大气在竖直方向上更容易扩散.若混合层高度越高，稀释地表污染物所需的空气量越大，导致PM2.5质量浓度降低[4]；若气温降低，随寒潮带来逆温现象，一般逆温现象都会引致地面风力减弱，空气中的污染物聚集，PM2.5不易扩散.另一方面，温度的升高会导致NO2、SO2、挥发性有机物（VOC）和O3等氧化剂的光化学反应更易发生，产生PM2.5的二次颗粒物.因此气温因素对PM2.5质量浓度的影响是多向的.

2.2 风向和风力

上海时常会出现这样的现象，地面风向为偏西风时往往伴随着高浓度污染物的出现[5].由图1可知，上海市污染物质量浓度在冬、春季高，在夏、秋季相对较低，而上海在我国东南沿海，属亚热带季风气候，夏季的主导风向是东向风[6]，冬季的主导风向是西北季风[7].图3为PM2.5、NO2、SO2月平均质量浓度与季节性主导风向（偏西风和偏东风）频率的关系.由图3可知，PM2.5、NO2、SO2与偏西风有较好的正相关性，各种污染物的质量浓度峰值皆出现在11、12、1月，同样偏西风也在冬季高频出现，说明冬季不利于污染物扩散.PM2.5等污染物质量浓度与偏东风有较好的负相关性.上海是海滨城市，夏、秋季盛行偏东季风，当偏东季风频率升高时，相应污染物质量浓度会有所下降，说明在夏、秋季海面来的偏东季风带来干净空气，有利于污染物的扩散和稀释.

2013年12月上海遭遇严重雾霾，12月6日的PM2.5质量浓度甚至达到了461 μg·m-3，NO2、SO2质量浓度分别达到128、67μg·m-3，AQI达到461，污染等级已是严重污染.随后的几天风力增强，PM2.5、NO2、SO2质量浓度都有所下降.当风力增强时，会使大气中对流作用加强，污染物受到扩散稀释，质量浓度减小；当风力较小时，对流扩散作用减弱，容易造成PM2.5近地层堆积，质量浓度较高.风力被证实对PM2.5等细小悬浮颗粒物的清除起到重要作用.Hien等[8]发现，风力对颗粒物质量浓度减少有积极的影响.上海市在夏、秋季多遭遇台风影响，常伴有大风天气，因此污染物质量浓度在夏、秋季相对较低.

2.3 降水量和湿度

上海具有明显的季风性气候特征，夏季多风多雨水，常受到台风影响也是其特征之一.上海2013年汛期是6～9月，6月7日进入梅雨季节，6月30日出梅，整个汛期总雨量达到470.7 mm.图4为污染物月平均质量浓度与月平均降水量的关系.PM2.5作为细小颗粒，湿沉降是其主要的清除方式.当降水量增大时，PM2.5质量浓度会降低.冬季气候干燥，降雨量少，PM2.5质量浓度升高.而在夏、秋季SO2和NO2质量浓度与降水量变化并没有明显的相关性，是因为上海夏季湿度大、气温高，形成多雨闷热潮湿的梅雨天气.虽然SO2和NO2的可溶性成分会溶解在大气水汽中，但夏季白天气温较高，大气中的光化学反应异常活跃，生成了更多以细颗粒为主的二次气溶胶.所以，当空气湿度很大却又不能够形成降雨天气时，会造成污染物集聚，污染物质量浓度反而会有所升高.

3 结 论

通过对2013年6月至2014年5月上海空气质量、气象变化的统计分析，可得到如下结论：

（1） 2013年6月至2014年5月，上海AQI平均值为90.84，空气质量为二级.PM2.5平均质量浓度为59 μg·m-3，超过PM2.5二级标准（35 μg·m-3）的年平均限值，NO2和SO2年平均质量浓度分别为43.58、21.5 μg·m-3，一年内优良天数达标率为69.86%.上海大气污染物质量浓度变化有明显的季节性，呈现出冬、春季高，夏、秋季低的规律，说明各种气象条件对PM2.5质量浓度都有不同程度的影响.

（2） 上海环境气温与污染物质量浓度存在良好的负相关性，污染物质量浓度分别在夏季和冬季达到谷值和峰值.说明温度高有利于污染物的扩散和稀释，而温度低则有利于污染物聚集.然而，高温可能会使形成PM2.5二次颗粒的光化学反应活跃.因此，气温对污染物质量浓度的影响是多向的.

（3） 上海是季风性气候，夏季主导东向风，冬季主导西北风.东向风是海上来风，有利于污染物的扩散和稀释，而西北向风可能会造成区域污染物的传输，导致污染物质量浓度升高.在风向变化不大的情况下，风力的增强会造成空气对流加剧，有利于降低污染物质量浓度.

（4） 降雨是PM2.5颗粒湿沉降的方法之一，上海夏、秋季是汛期，且多受台风影响，降雨量增多，污染物质量浓度降低.冬、春季天气干燥，降雨量较少，使得污染物质量浓度相对较高.另一方面，降水带来的湿度增加有利于NO2和SO2在大气中的化学反应，生成二次气溶胶，因此湿度对污染物质量浓度的影响复杂.

参考文献：

[1] 梅志农.上海地区开发风力发电的必要性[J].能源研究与信息，2007，23（1）：52-57.

[2] 郑明，马宪国.上海能源消耗与PM2.5排放量分析[J].能源研究与信息，2015，31（1）：1-3.

[3] YE B M，JI X L，YANG H Z，et al.Concentration and chemical composition of PM2.5 in Shanghai for a 1year period[J].Atmospheric Environment，2003，37（4）：499-510.

[4] 石灵芝.城市大气颗粒物（PM10）源解析与浓度预测及气象因素影响研究[D].长沙：中南大学，2011.

[5] 阴俊，谈建国.上海地区地面风向对空气污染物浓度的影响[J].气象科技，2003，31（6）：366-369.

[6] 伏晴艳.上海市空气污染排放清单及大气中高浓度细颗粒物的形成机制[D].上海：复旦大学，2009.

[7] 奚兴悦.基于PM2.5排放源的上海能源消费结构优化[D].上海：上海理工大学，2014.

[8] HIEN P D，BAC V T，THAM H C，et al.Influence of meteorological conditions on PM2.5 and PM2.5-10 concentrations during the monsoon season in Hanoi，Vietnam[J].Atmospheric Environment，2002，36（21）：3473-3484.