开远市颗粒物浓度变化与气象条件的关系探讨

(开远市生态环境执法监测站,云南 开远 661600)

由于人类的生产活动、城市化和工业化的迅速增加，环境中的悬浮颗粒物质(颗粒物)浓度不断增加，导致城市面临严重的空气质量问题，危害人类健康。近几年，常住人口的不断增加，能源消耗的持续加大，机动车数量和行驶里程的增加，给开远的环境质量和生态环境带来了巨大的压力。对开远市环境空气状况进行监测有着重要的意义。本文基于2010—2018年空气自动监测数据和气象数据，对开远地区空气颗粒物污染和气象条件关系进行研究。

1 研究内容

(1)利用开远市2010年1月1日—2018年12月31日的市政府站点和自来水公司站点的小时监测数据，分析开远地区空气颗粒物质量浓度的日、月和季节变化规律；通过监测点污染物质量浓度的差异，分析其空间分布。

(2)利用开远地区2010—2018年空气颗粒物的实测日均值、对应降雨时间和湿度的分析资料，分析气象要素和空气颗粒物之间的关系及季节性变化。

2 颗粒物与气象条件的关系

2.1颗粒物质量浓度日变化

开远市政府站点的颗粒物质量浓度的日变化呈“双峰型”；总体表现为城区颗粒物浓度日变化趋势比郊区剧烈，浓度比郊区高。这是因为当温度升高时，空气垂直对流加强，促进颗粒物质随空气运动向上输送，地面浓度降低；反之，颗粒物浓度增加。城区下垫面基本为水泥和柏油路面，具有极好的导热率和极小的热容量，其热效应要比植被下面是土壤的郊区变化大，在一天之内不同时间段受到的太阳辐射不同，温度上升和下降的幅度不同，加上城区人口多、车流量大，污染物排放严重，引起城区地面颗粒物浓度曲线的上下变化。而郊区由于植被覆盖率高，污染物排放少，浓度变化要平缓一些。

因夜间地面辐射降温，形成稳定的边界层，污染物难以扩散出去，故整个夜间的颗粒物浓度下降不多。到日出前后，随着边界层高度的缓慢抬升，以及前期污染物的沉降和扩散，在凌晨2∶00左右形成一个弱的谷值，降低到一天中最小值。其主要原因是空气中颗粒比重比空气大，不易在空中长久停留，加上夜间空气趋于稳定，更利于其沉降。随后由于早高峰期机动车排放迅速增加，颗粒物上升并在9∶00左右形成弱的峰值。上午的峰值是由于上下班高峰期机动车排放量增加，经过由排放源到颗粒物的转化过程，在上午10∶00前后达到峰值。其后，气温逐步升高，稳定的边界层被破坏，形成对流边界层，污染物的扩散增强，颗粒物质量浓度逐渐下降。随着下午下班，机动车活动开始，颗粒物浓度再次迅速上升，并在傍晚20∶00左右形成一个峰值，直到第二天凌晨。图1是2016年某天的颗粒物浓度值曲线，具有一定的代表性。

不同季节颗粒物浓度日变化也有所不同，开远颗粒物质量浓度的季节性日变化如下：春季(3—5月)和冬季(12月—次年2月)颗粒物浓度日变化波动较大，夏季(6—8月)和秋季(9—11月)平缓。主要是因为夏秋季节多雨水，空气易被冲刷，同时边界层高，对流强烈，污染物得以清除，尤其在早晚机动车排放高峰期阶段，因此，变化曲线较为平缓。

从监测数据可看出，夏季、秋季的曲线变化趋于一致，但冬季的曲线变化在上午10∶00左右最高。主要是因为上午为机动车活动高峰期易将市区内道路灰尘和工业粉尘等粗粒子携卷到空中，污染物排放严重，其中的大直径颗粒物也被排放到空中，所以导致春季中午达到较高的浓度。冬季颗粒物浓度表现为上午高于下午，而其他季节浓度日变化曲线为对称分布，这是由于原本冬季污染源排放高，再加上温度低，湿度小，逆温层厚，使得污染物浓度从晚上就开始持续积累，一直延续到中午，直到下午，温度升高，逆温层被破坏，才使得污染物得到扩散。

2.2 颗粒物浓度比值在季节性上的变化

开远市内监测点的比值各季节有所不同。夏季比值最低，冬季比值最高，这是因为：夏季雨水对细粒子的冲刷贡献要比粗粒子大，同时由于夏季也存在着二次转化形成，而冬季采暖，大量煤炭燃烧释放，加上空气流通不畅，逆温层稳定，污染物堆积，使得比值偏高。其次是春秋季，春季风大使得大量粗粒子进入开远市区，浓度增大，相对比值降低；秋季，空气粒子光化学转化和吸湿增长，使得浓度也增加。

从开远市监测点和浓度关于季节性的变化可以看出，各颗粒物浓度呈明显的季节性变化，浓度值冬季最高，其次是春季，然后是秋季，夏季最低。颗粒物较大的季节性差异主要在于，夏季较高的相对湿度和温度使得颗粒物二次转化和吸湿增长，加上日照强烈，气体污染物在紫外线照射下很容易发生化学反应转化成二次粒子，使得夏季浓度异常升高。秋季，在空气氧化性条件下，易发生光化学烟雾，气态粒子也会发生二次转化，使低层颗粒物浓度增加。

2.3 气象要素与颗粒物的季节性相关分析

开远市气象要素对污染物质量浓度有显著的影响。当地面受低压控制时，低层气旋，四周空气流向中心，高层为反气旋，气团由中心向四周辐散，从而在垂直方向上，形成由下而上的垂直输送，利于污染物随空气向上扩散，使近地面颗粒物浓度下降；相反，若地面受高压控制，中心部位出现下沉气流，抑制污染物向上扩散，污染物积累，颗粒物浓度增加。风速增大，会加快颗粒物的扩散和迁移，同时不同季节的主导风向会带来清洁程度不同的干湿空气，对颗粒物浓度的变化产生较大影响。

由于污染物是在干空气状态下测得的实测资料，所以与相对湿度直接相关性不大。相对湿度与其他要素呈弱的相关性，说明其与其他要素之间的影响不大。温度与气压存在负相关，与边界层高度正相关，说明当温度升高时，会影响气压降低，边界层升高；当温度降低时，气压升高，边界层降低，与现实情况一致。温度与风速有弱的相关系数，说明二者之间无太大影响。风速与边界层高度呈正相关，当边界层升高时，空气对流活动加强，从而使风速增大。气压与边界层高度呈负相关，这可能是因为：当边界层升高时，空气向上扩散，致使单位气柱内空气重量减少，地面气压下降。

春季，气压、边界层高度和风速呈负相关，与温度呈正相关。温度和气压呈显著负相关。主要是因为开远春季冷、暖空气活动频繁，常有气旋与冷气，易形成地面高、低压交替和控制，形成不同的天气形势，造成污染物浓度的变化。冷空气过境前受高压支配，污染物来源主要受本地区排放影响。冷气过境后，高压减弱，地面转为低压控制，气温上升，同时受冷空气后大风天气影响，大量地面扬尘和沙尘随空气向下游输送，从沿途灰尘带来沙尘粒子向开远城区输送, 使得开远市空气颗粒物质量浓度升高很快。随着冷空气离开开远，气压逐渐升高，当地面受高压控制时，近地面层处于稳定状态，温度下降，边界层高度下降，空气垂直扩散能力减弱，同时风力减少，污染物很难迁移、扩散。在这种天气背景下风速对粗粒子质量浓度的影响要比细粒子显著。当风速增加时，有效地破坏了稳定的天气系统，粗粒子输送、迁移和沉降的效果要比细粒子显著，所以风速对浓度的影响要大，相关性更好。

夏季是个高温高湿的季节，在充足的降雨量下，污染物得到冲刷和沉降；同时边界层在夏季上升，空气层结不稳定，垂直对流活动强，利于污染物随空气层扩散。当风速增加时，也利于污染物的扩散。

夏季和秋季高湿度条件下, 风速增大、 粗粒子吸湿后的输送、迁移和沉降的效果要比细粒子显著,其质量浓度下降更快；而风速小，相对湿度大时,粗粒子比细粒子更容易持续积累,使其质量浓度上升更快。

冬季气象因素对粗粒子质量浓度的影响要比细粒子的影响明显。这是因为，冬季一旦发生相对湿度增大、风速减小和逆温层加厚等不利气象条件，粗细粒子都会发生持续累积，质量浓度均升高。当气象条件转好，利于颗粒物沉降或扩散时，粗粒子比细粒子更易去除，其输送迁移和沉降的效果均好于细粒子，因此质量浓度下降程度比细粒子的显著，所以粗粒子质量浓度对相应温湿度的响应较好。

3 结论

3.1 颗粒物质量浓度日变化时空分布特征

开远市颗粒物浓度的日变化空间分布差异大，东城区颗粒物变化趋势平缓；西城区浓度高，变化较为剧烈。

晚上颗粒物浓度大于白天。白天受温度影响，在上午10∶00左右形成峰值。上午随着早高峰期机动车排放的增加，颗粒物浓度会迅速上升。受盆地山谷环流影响，在夜间颗粒物浓度会呈下降趋势，在傍晚20∶00左右形成第二个次峰值呈现“双峰型”。

开远市颗粒物浓度日变化具有明显的季节性分布。总体表现为春季和冬季(12月—次年3月)颗粒物浓度日变化波动较大，夏季和秋季较为平缓(5—10月)。

3.2 颗粒物质量浓度空间分布特征

颗粒物存在显著的空间差异，低值分布在东城区，高值分布在西城区。

3.3 颗粒物浓度值在季节上的分布特征

开远市颗粒物浓度值季节性变化显著。夏季浓度值最低，秋季其次，春季高，冬季浓度值最高。

3.4 气象要素与颗粒物相关性的季节分析

气象要素与颗粒物的相关性在各季节有显著差异。春冬季节，只与温度呈正相关，但是冬季的相关性比春季好。相比与风速的相关性，风速对颗粒物的影响要大得多。夏季，颗粒物质量浓度与边界层高度和风速、湿度有显著负相关性(就是指刮风时空气流动，空气湿润时空气质量会好些)。秋季，颗粒物质量浓度与气压、边界层高度和风速、湿度呈显著负相关。

气象要素对不同颗粒物影响程度也不同。夏季、秋季，气象要素的相关性比较好；春季、冬季由于下雾湿度高，会产生全年颗粒物浓度最高值。6年来，年度颗粒物最大值基本都是下雾天气时出现的，由于水气像降落伞一样把空气中的颗粒物悬浮固定在空中不沉降，造成下雾时空气污染比不下雾时高很多，所以冬季下雾时最好减少外出活动时间。而下雨时相当于大自然做了一次大型空气净化，雨水会把空气洗刷干净，下雨时空气质量会好很多。