合作市大气中PM10浓度变化特征与气象要素的相关性分析

马 慧，李生彬，赵文元，赵明虎，薛禅生

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘南州环境监测站，甘肃 合作 747000；3.合作市环保局，甘肃 合作 747000)

1 引言

合作市位于甘肃省西南部，处于青藏高原和黄土高原过渡地带，平均海拔为3000 m。主城区四面环山，为南北走向的狭窄盆地，草原面积广阔，为全国“五大牧区”之一，是典型的高原大陆性季节气候。由于合作市经济结构简单，工业化程度较低，市区空气质量一直处于优良状况。但随着城市的快速发展及气候条件的不断变化，合作市环境空气质量已呈逐年下降的趋势[1，2]，冬季供暖期历时7个月，期间大气颗粒物污染尤其严重，属于煤烟型污染城市。

2 合作市供暖期PM10质量浓度与气象因子关系

2.1 资料来源

由于甘南州环境监测站于2015年执行GB3095-2012环境空气质量标准[5]，故本文只采用2015、2016的监测数据，其中气象参数来源于合作市气象局，供暖期PM10监测数据来源于甘南州合作市城区大气在线自动监测站点。由于合作市区周围植被覆盖率高，城市规模小且以旅游业为主，夏季空气质量较好，故本文只分析冬季采暖期的大气环境质量。

表1 合作市供暖期空气质量状况月均值 μg/m3

2.2 风速对PM10质量浓度的影响

污染物在大气中的扩散取决于3个因素，而其中风起到了主导作用，风速对大气污染物的水平输送与扩散影响较大[6](图1、图2)。

图1 2015年风速与PM10质量浓度月变化关系

图2 2016年风速与PM10质量浓度月变化关系

合作市冬季平均风速仅为0.46 m/s，长期处于静风天气，风速与PM10质量浓度相关性不显著，导致PM10难以扩散，故合作市冬季风速对颗粒物扩散作用不明显。2017年1月28、29日的PM10质量浓度高达393 μg/m3，这是由于28日为农历春节，烟花爆竹的燃放使当天的PM10质量浓度剧增。2、3月份出现了沙尘天气，风速为1.6 m/s，破坏近地层大气稳定性，但是增加了外来的沙尘颗粒，所以PM10质量浓度相对较高。

2.3 气温对PM10质量浓度的影响

从图3、4的变化曲线中可以看出，气温与PM10浓度为显著负相关关系，相关系数为0.89。由于合作市冬季太阳辐射较弱温度较低，近地面层对流越小，特别在早晚气温较低的情况下更易形成逆温层，不利于颗粒物的垂直运动扩散。早晨太阳辐射强破坏了城市上空的逆温层，温度上升，使近地面对流旺盛，有利于大气颗粒物的稀释扩散[7]。

图3 2015年气温与PM10质量浓度月变化关系

2.4 气压对PM10质量浓度的影响

气压与PM10质量浓度呈正相关关系，其相关系数为 0.71。从图5、6中可看出气压与PM10质量浓度变化规律基本相同。在低压系统控制下，内部气流垂直上升运动频繁，风速较大，有利于颗粒物稀释和扩散；而当高压系统控制时，内部的气流下沉，容易造成大气颗粒物的沉积，导致大气污染物浓度升高[8,9]，合作市冬季受高原大陆系统影响，冬季平均气温为-0.27 ℃，在高压系统控制下不利于合作市大气颗粒物的稀释。

图4 2016年气温与PM10质量浓度月变化关系

图5 2015年气压与PM10质量浓度月变化关系

图6 2016年气压与PM10质量浓度月变化关系

2.5 相对湿度对PM10质量浓度的影响

相对湿度与PM10质量浓度有显著负相关的关系，相关系数为0.87。相对湿度增加时，大气中的水汽含量升高，可使悬浮颗粒物沉降到地面，降低PM10在空气中的浓度(图7、图8)。

2.6 降水量对PM10质量浓度的影响

从图9、图10可以看出，降水量与PM10质量浓度具有负相关的关系，相关系数为0.76。由于降水可以冲刷带走空气中的颗粒物，降低PM10质量浓度，由于监测期间正值北方生物质燃烧的时期，大气颗粒物很可能由其周边有大量生物质燃烧[10,11]，而合作市冬季月降水量最高仅为6.1 mm，故合作市冬季降水量较小不利于大气中颗粒物的沉降稀释。

图7 2015年相对湿度与PM10质量浓度月变化关系

图9 2015年降水量与PM10质量浓度月变化关系

图8 2016年相对湿度与PM10质量浓度月变化关系

图10 2016年降水量与PM10质量浓度月变化关系

3 结论

(1)本文分析了PM10质量浓度与风速、气温、气压、相对湿度、降水量的相关性，由于甘南州合作市常年处于静风天气，风速对颗粒物浓度变化影响不明显，其他气象因素对大气颗粒物浓度变化都具有显著影响。除气压与PM10质量浓度呈正相关外，其他气象要素都表现为负相关。

(2)合作市供暖燃煤产生的大气颗粒物对冬季大气颗粒物污染贡献较大。合作市冬季供暖初始期和供暖结束期，由于部分居民小煤炉还未进行供暖或已停止供暖，表现在PM10质量浓度曲线上，具有两头低，中间高的特征。

(3)气象要素对大气颗粒物污染的影响是通过多种气象要素相互配合、相互作用、综合反应来产生作用，由于合作市冬季风速低、降水量少、气温低等气象因素和峡谷地形导致颗粒物聚积，故合作市冬季综合气象条件不利于大气颗粒物稀释扩散。