丹东市大气颗粒物质量浓度变化特征及其与气象要素的关系

范佳文，谭丽静，王文武，樊希彬，单璐璐，马云龙

(1.丹东市人工影响天气办公室，辽宁丹东 118000；2.丹东市气象局，辽宁丹东 118000)

随着大气污染防治工作的推进，我国大气颗粒物污染问题有所减轻，但大气颗粒物污染依旧影响着绝大多数城市，对人民的身体健康和日常生活造成一定影响[1-2]。近年来关于大气颗粒物的研究主要集中在京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等经济发达地区[3-5]，而辽宁地区大气颗粒物的研究则多集中于以重工业为主的辽宁中部城市群[6-8]。丹东市位于辽宁省东南部，是著名的旅游城市，良好的空气质量对发展旅游业十分重要。少数学者[9-11]对丹东大气颗粒物污染的特征、来源和危害，与能见度的关系等方面进行了一定研究，但研究资料有限，缺乏年际变化特征分析。此外，有不少研究对大气颗粒物质量浓度与气象要素的关系进行了一定的探讨[8，12-14]，但针对丹东地区的相关研究仍处于空白。本文通过分析丹东市大气颗粒物质量浓度的时间变化特征及其与气象要素的关系，为今后丹东市持续改善空气质量提供一定理论依据。

1 资料与方法

所使用的气象资料为2008—2017年逐日地面气象观测资料，来自丹东国家基本气象站；所使用的2008—2017年大气颗粒物质量浓度资料来自丹东中韩沙尘暴监测站，观测仪器为GRIMM180颗粒物监测仪，原始数据资料为5 min间隔的PM10、PM2.5、PM1质量浓度观测数据，原始数据资料经过筛选，去除仪器异常或检修造成的异常或不可用的部分数据，剩余数据资料通过算术平均转换为日均值数据，以供进一步统计分析。

大气颗粒物质量浓度限值的分级标准参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[15]，具体见表1。

根据东北气候特征，定义春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月；汛期为6—9月，非汛期为10月—次年5月；供暖期为11月—次年3月，非供暖期为4—10月。

表1 大气颗粒物质量浓度限值

2 大气颗粒物质量浓度时间变化特征

2.1 年际变化

由图1可得，2008—2017年丹东市大气颗粒物质量浓度年际变化具有一定的波动性，PM10质量浓度最高值出现在2009年，为88.4 μg/m3，PM2.5和PM1质量浓度最高值均出现在2015年，分别为60.4、54.4 μg/m3；PM10质量浓度次高值出现在2015年，PM2.5和PM1次高值出现在2009年；PM10、PM2.5、PM1质量浓度最低值均出现在2017年，分别为52.4、33.3、29.7 μg/m3。2008—2017年PM2.5与PM10质量浓度比值(以下简写为PM2.5/PM10)的平均值为67.1%，说明丹东市大气颗粒物中细颗粒物比例较大；PM2.5/PM10最高值、最低值分别出现在2008、2010年，分别为74.9%、53.1%。此外，2015—2017年大气颗粒物质量浓度持续降低，PM2.5/PM10也同步降低，与2015年相比，2017年PM10、PM2.5、PM1质量浓度分别下降了33.0、27.1、24.7 μg/m3，降幅分别为38.6%、44.9%、45.4%。

图1 2008—2017年丹东市大气颗粒物质量浓度年际变化

根据表1中年均质量浓度限值，2009、2010、2013、2015年PM10年均质量浓度超标，其余年份均达到二级标准；2017年PM2.5年均质量浓度达到二级标准，其余年份均超标。2015—2017年丹东市大气颗粒物年均质量浓度达标情况逐年改善。

由表2可得出， 2008—2017年PM10、PM2.5达到一级标准平均日数分别为117、128 d，除2008、2014年外，其余年份PM10达到一级标准日数均少于PM2.5。2015年PM10、PM2.5达到一级标准日数最少，分别为47、57 d，2009年、2013年较少，且这3年PM2.5超标日数最多。2015—2017年PM10、PM2.5达到一级标准日数持续增加，2017年达到最大值，分别为192、215 d，且相比2015年，PM10、PM2.5达到一级标准日数分别增加了145、158 d，增幅分别为309%、277%。

从达标率(指达到二级标准及以上的日数占全年统计日数的比率)来看，2008—2017年PM10、PM2.5平均达标率分别为96.5%、 88%，除2010年外，其余年份PM10达标率均高于PM2.5。PM10达标率最高、最低年份分别是2008年和2010年，PM2.5达标率最高、最低年份分别是2017年和2015年。2015—2017年PM10、PM2.5达标率均呈上升趋势。

综上所述，2009、2013、2015年丹东市大气颗粒物污染情况较为严重，2015—2017年污染状况持续改善，其主要原因在于，自2015年起丹东市政府逐步加强大气环境整治力度，实施燃煤锅炉淘汰、加强重点工业源监管、加强秸秆禁烧管控、机动车污染防控等多项举措。此外，2008—2017年丹东市PM10质量浓度与PM2.5相比，总体上达标情况更好，但达到一级标准日数略少。

2.2 月、季变化

由图2、图3(第23页)可见：丹东市大气颗粒物质量浓度具有明显的月和季节变化特征。大气颗粒物质量浓度1月和12月最高，7月最低；冬季最高，夏季最低，春季和秋季基本持平；非汛期显著高于汛期；供暖期显著高于非供暖期。另外，PM2.5/PM10也具有一定的季节特征，主要表现为夏季最高，春季最低，汛期显著高于非汛期。上述特征的主要原因可能是汛期(含夏季)降水多，对大气颗粒物尤其是粗颗粒物有较好地清除作用，而供暖期(含冬季)煤炭消耗量增加，排放的烟尘等污染物直接导致大气颗粒物浓度整体显著增加[16]。

表2 2008—2017年丹东市大气颗粒物质量浓度达标情况

图2 2008—2017年丹东市大气颗粒物平均质量浓度月变化

由表3可得，全年各月PM10、PM2.5达到一级标准日数总体先升后降，最多均在7月，分别为177、165 d，最少均在1月，分别为50、55 d；PM10、PM2.5达到二级标准日数总体先降后升，最多分别出现在1月和12月，为227、173 d，最少均在7月，分别为67、74 d；PM10、PM2.5超标日数最多分别在1月和12月，为24、78 d，PM10超标日数最少在6、7月，均为0 d，PM2.5超标日数最少、次少分别出现在6、7月。上述分析进一步说明丹东市大气颗粒物质量浓度总体状况7月最优，12月—次年1月最差。

3 非汛期大气颗粒物质量浓度超标与达标时期的气象条件对比

从表3可以看出PM10、PM2.5超标日主要集中在非汛期，考虑到汛期超标日数较少，统计意义不大，故仅将非汛期内大气颗粒物质量浓度超标时期气象条件与达标时期的同类气象条件进行对比。由表4可得，非汛期PM10超标日与达标日相比，日均气温降低了3 ℃，日均降水量减少了0.5 mm，地面10 m日均风速减小了0.3 m/s，日均最小水平能见度减小了2 268 m；非汛期PM2.5超标日与达标日相比，日均气温降低了2.8 ℃，日均相对湿度增加了9.7%，日均降水量减少了1.0 mm，日均风速减小了0.9 m/s，日均最小水平能见度减小了3 988 m。分析表明，非汛期大气颗粒物超标日与达标日相比，日均气温和最小水平能见度明显偏低，日均降水量偏少、风速偏小。这是因为：气温偏低时，气层相对稳定，不利于颗粒物的稀释扩散，导致颗粒物积累质量浓度上升而超标；降水偏少，其对颗粒物的清除作用降低；风是大气污染物扩散的主要动力，风速偏小时，同样不利于颗粒物扩散；而超标日颗粒物质量浓度较高，其产生的消光效应加剧，导致能见度偏低。此外，非汛期PM2.5超标日与达标日相比，相对湿度明显偏高，这是由于相对湿度高时，空气中水汽充足，水汽易吸附细颗粒物从而导致其质量浓度升高。

图3 丹东市大气颗粒物四季(a)、特定时期(b)质量浓度对比及不同时期PM2.5/PM10(c)变化特征

表3 2008—2017年丹东市逐月大气颗粒物质量浓度达标情况

表4 2008—2017年丹东市非汛期大气颗粒物质量浓度超标与达标时期气象要素日均统计值

4 大气颗粒物质量浓度与气象要素的相关性分析

由表5可知，非汛期PM2.5、PM1质量浓度与相对湿度呈显著正相关，相关系数分别为0.267，0.297；与风速呈显著负相关，相关系数分别为-0.409，-0.436。非汛期气温、相对湿度、降水、风速与PM2.5、PM1质量浓度的相关性均明显好于PM10。表明非汛期气温、相对湿度、降水、风速对细颗粒物质量浓度影响更显著，且粒径越小越显著。其中相对湿度、风速对细颗粒物质量浓度影响尤为显著，反映出非汛期内与气温相关的动力扩散作用和降水的清除作用对颗粒物质量浓度影响较小，而空气中水汽对颗粒物的吸附作用和风的扩散作用对颗粒物尤其是细颗粒物质量浓度影响较大。

表5 丹东市不同时期大气颗粒物质量浓度与气象要素的相关系数

注：**为通过α=0.01的显著性检验(双尾)；*为通过α=0.05显著性检验(双尾)。

汛期PM2.5、PM1质量浓度与风速呈显著负相关，相关性明显好于PM10，说明汛期风速对细颗粒物质量浓度影响更显著。汛期PM10质量浓度与降水量的负相关性好于PM2.5、PM1，说明汛期降水对粗颗粒物的清除作用更强，也进一步解释了汛期PM2.5/PM10高于非汛期的特征。

从四季来看，春季、秋季大气颗粒物质量浓度与气温、降水量、风速均呈不同程度负相关，其中PM2.5、PM1质量浓度与风速的相关性最为显著，相关系数春季分别为-0.315，-0.357，秋季分别为-0.338，-0.333，说明春、秋两季风的扩散作用对细颗粒物质量浓度影响十分显著。冬季大气颗粒物质量浓度与相对湿度呈显著正相关，与风速呈显著负相关，其中PM2.5、PM1质量浓度与相对湿度(相关系数分别为0.464、0.503)、风速(相关系数分别为-0.523、-0.572)的相关性最好，说明冬季与气温相关的动力扩散作用和降水的清除作用对颗粒物质量浓度影响较小，而空气中水汽对颗粒物的吸附作用和风的扩散作用对颗粒物尤其是细颗粒物质量浓度影响较大。此外，春季PM10质量浓度与降水量的相关性小于PM2.5，说明春季降水对PM2.5的清除作用强于PM10，夏季则相反，这也进一步解释了PM2.5/PM10春季低、夏季高的特征。

5 结论

(1) 2008—2017年丹东市大气颗粒物质量浓度年际变化具有一定的波动性，2009、2013、2015年丹东市大气颗粒物污染情况较为严重，2015—2017年丹东市大气颗粒物污染状况持续改善；PM10质量浓度与PM2.5相比，总体上达标情况更好，但达到一级标准日数略少。

(2)丹东市大气颗粒物质量浓度具有明显的月和季节变化特征，1月和12月最高，7月最低；冬季最高，夏季最低；非汛期显著高于汛期；供暖期显著高于非供暖期。另外，PM2.5/PM10也具有一定的季节特征，主要表现为夏季最高、春季最低，汛期显著高于非汛期。

(3)非汛期PM10、PM2.5超标日与达标日相比，气象条件有一定差异，主要表现为气温和能见度偏低，降水偏少，风速偏小。

(4)非汛期PM2.5、PM1质量浓度与相对湿度呈显著正相关，与风速呈显著负相关，且气温、相对湿度、降水、风速与PM2.5、PM1质量浓度的相关性均明显好于PM10；汛期PM2.5、PM1质量浓度与风速呈显著负相关。春、秋、冬季PM2.5、PM1质量浓度与风速的负相关性最显著，此外冬季PM2.5、PM1质量浓度与相对湿度的正相关性也十分显著。