大气颗粒物浓度变化特征及其与气象因子的关系研究

付敏 蔡磊 陈裕 陈进

摘 要：利用马鞍山市2017年5个大气气溶胶监测资料和气象站常规气象资料，通过数理统计分析，研究该地区大气颗粒物浓度变化特征。结果表明：2017年马鞍山市PM2.5、PM10浓度年均值分别为55.0和91.3μg/m3；月变化上，PM2.5、PM10颗粒物浓度，全年变化大体相似，夏季最低，冬季最高，春季较高；1—8月逐月下降，8—12月浓度逐渐升高；日变化上，两种颗粒物浓度变化呈明显的双峰特征，9时达到最高，16时达到最低，夜间颗粒物浓度也处于较高水平；气象因子对颗粒物浓度的影响显著，风和降水对大气颗粒物的扩散和稀释有着十分重要的作用，大气颗粒物浓度与风速和降水呈显著负相关。

关键词：大气颗粒物；气象因子；变化特征

中图分类号 X513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）18-0119-03

PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称细颗粒物；PM10是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，也称可吸入颗粒物[1]。2016年安徽省16个地市空气质量中，日超标颗粒物主要为PM2.5、PM10和臭氧[2]。马鞍山市位于安徽东部、长江下游，近年来，随着经济社会的高速发展，能源、交通（特别是城市汽车尾气）规模的扩大、城市人口的膨胀、大型工业开发区的建设，影响了城市空气环境质量，以细颗粒物、可吸入颗粒物等为主要颗粒物的大气环境污染问题日趋严重，逐渐成为了制约经济社会发展、影响群众身体健康、危害交通安全的突出问题。对1个城市而言，在大气污染源变化相对稳定的情况下，大气颗粒物浓度变化情况主要是受气象因素影响[3-5]，国内许多学者都开展了大气颗粒物特征分布与气象因素变化关系的研究[6-9]。例如，焦利民等[10]利用武汉市2013年全年10个监测点PM2.5监测数据，采用数理统计方法和GIS空间分析方法分析武汉市时间变化特征和空间分布特征。结果显示：武汉市夏季PM2.5污染轻微，冬季污染最严重。城区内部PM2.5污染空间差异明显，工业区和人口集中区表现为区域污染高值中心，城市绿地或公园以及大型水域周边表现为低值中心。刘婷等[11]利用2012年3月20—24日的激光雷达回波数据和气溶胶数浓度数据，分析了测点近地面及其上空的气溶胶时空分布特征，研究了风向、风速、相对湿度对近地面气溶胶分布的影响.结果表明：风速增大，有利于气溶胶垂直输送和扩散，导致气溶胶数浓度减小，相对湿度较小时，其与气溶胶数浓度呈正相关。魏玉香等[12]利用南京市大气监测资料，分析了南京市大气中PM10变化趋势及月季规律，评价了南京市空气质量状况，结果表明：PM10颗粒物质量浓度以夏季最低。进一步研究不同气象条件下颗粒物质量浓度发现，颗粒物质量浓度与风速反相关，且东南风时浓度最高；降水对颗粒物有清除作用；雾、霾天气下污染加剧。

本文基于2017年马鞍山市气象观测资料和空气质量监测数据，统计分析马鞍山市大气中PM2.5、PM10颗粒物变化规律，探讨气象因素对颗粒物质量浓度的影响，分析风、降水与PM2.5、PM10浓度的关系，旨在更深入地了解和掌握马鞍山市空气环境质量状况，从而为改善马鞍山市空气环境质量和对空气污染预报预警等提供科学依据。

1 资料与方法

常规气象数据来源于安徽省马鞍山市国家基本气象站，主要包括风、降水，均为逐小时数据。PM2.5和PM10資料来源于马鞍山市环保局5个气溶胶浓度监测国控站，分别是马钢动力厂、慈湖二小、湖东路四小、市教育基地、天平服装，监测点空间分布如图1所示，主要集中在主城区。本研究从安徽省环境保护厅环境空气质量实时发布系统获取马鞍山市2017年1月1日至2017年12月31日全年5个PM2.5和PM10监测点实时监测数据。

由图2可知，就全年来看，12月份城区PM2.5、PM10浓度最高，分别为88.0μg/m3和131.1μg/m3；8月份PM2.5、PM10浓度最低，分别为34.1和60.6μg/m3；PM2.5、PM10最高月浓度分别是最低月浓度2.6倍和2.2倍。PM2.5、PM10浓度，全年变化大体相似，1—8月逐月下降；8—12月，浓度逐渐升高；10—12月份浓度陡升。PM2.5、PM10浓度除夏季较低外，其他季节浓度均超过全国平均水平。主要原因是夏季大气对流发展强烈，易于颗粒物的扩散[16]；夏季多降雨过程[17]，对颗粒物起冲刷作用；夏季燃煤少，污染源少；而冬季天气干燥，降水偏少，不利于颗粒物沉降。PM2.5、PM10颗粒物浓度以冬季和春季为最高，初春刮风时容易将裸露的地面尘土和微尘卷起，多扬沙、浮尘天气[17]，颗粒物质量浓度值处于较高的水平。

2.2 日变化特征 依次计算城区5个监测点每天同一小时PM2.5、PM10监测数据的平均值，得到城区PM2.5、PM10浓度日变化曲线图（图3）。由图3可见，PM2.5浓度和PM10浓度日变化趋势呈明显的双峰特征。

每日6时后，PM2.5、PM10浓度逐渐上升，至上午9时达到日间峰值。日出后，随着人们外出活动高峰到来，各种污染排放开始累积，因此颗粒物浓度也随之升高，并在上午外出高峰后达到小高峰。接着，2种颗粒物浓度逐渐下降，至下午16时达到1天中最低，中午时分，气温逐渐升高，局部温差增大，空气对流增强，使得颗粒物浓度随之降低。此后，2种颗粒物浓度再次回升，至夜间23时达到夜间峰值；再后，2种颗粒物浓度有所降低但基本稳定在较高水平。

整体而言，夜间浓度高于日间浓度，但变化幅度小于日间。这是因为白天随着太阳辐射增强，空气温度逐渐升高，有利于空气对流扩散，浓度水平相对较低；而夜间地表温度降低且产生逆温，颗粒物被压缩，不利于扩散，污染更加严重。

3 影响大气颗粒物浓度的气象因子

气象因子对颗粒物的扩散和稀释作用已得到普遍认同[18-20]，因此，在颗粒物浓度一定的条件下，气象因子的选择对研究其与颗粒物浓度的关系至关重要。其中风和降水等气象条件对于PM2.5和PM10。的污染程度有着很重要的影响。

3.1 风对大气颗粒物浓度的影响 风对大气颗粒物的输送扩散有着十分重要的作用。风对大气颗粒物起整体输送作用，同时也对大气颗粒物有冲淡稀释作用。选取2017年马鞍山基本气象站逐日24个时次的风速平均值为日均风速。从表2可见，随着风速的增大，PM2.5、PM10浓度值均呈现单调递减趋势，说明风有利于颗粒物的扩散，风速越大，单位时间颗粒物被输送或稀释作用越强，单位体积空气中颗粒物的含量就越低。

3.2 降水对大气颗粒物浓度的影响 马鞍山的降水量季节分布不均匀，2017年降水量以夏季最多，为558.2mm；冬季最少，为122.7mm；春、秋季分别为249.5、192.3mm。1960—2017年马鞍山降雨量平均资料也显示，夏季占年总量的45.6%，春季占25.7%，秋季占17.2%，冬季占11.5%。即夏季对颗粒物湿沉降作用明显，空气相对清洁，而秋冬季颗粒物有更长的时间积蓄，污染较重。其次，在不同季节，降水天气下的环境空气颗粒物浓度都会降低。由于降水的清洁作用，使得降水日的颗粒物浓度始终低于非降水日（表3）。

4 结论

（1）2017年马鞍山市PM2.5、PM10污染较为严重，除夏季外，大多超标。PM2.5、PM10浓度年均值分别为55.0μg/m3和91.3μg/m3，比全国年平均值高27.9%和21.7%。

（2）PM2.5、PM10浓度在季节变化上，夏季最低，冬季最高，春季较高。月季最高PM2.5、PM10浓度分别为88.0μg/m3和131.1μg/m3，最低PM2.5、PM10浓度分别为34.1和60.6μg/m3。最高月分别是最低月的2.6倍和2.2倍。

（3）1日中，PM2.5浓度和PM10浓度日变化趋势呈明显的双峰特征。上午9时和夜间23时达到最高，下午16时达到1d中的最低值。整体而言，夜间浓度高于日间浓度，但变化幅度小于日间。

（4）风和降水对大气颗粒物的扩散和稀释有着十分重要的作用。大气颗粒物浓度与风速和降水呈显著负相关，在不同季节，风速越大、降水越多，对大气颗粒物的输送和稀释作用越强。

参考文献

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（责编：张宏民）