影响污染物浓度的气象条件

董群，肖王星，俞科爱*，张晶晶

(1.北仑区气象局，浙江 宁波 315826； 2.宁波市气象台，浙江 宁波 315000)

随着社会经济的快速发展，空气质量问题日益严重，空气污染问题已呈现出明显的区域化特征，经济发展、地形地貌、气候条件对城市空气质量产生重要的影响[1-2]。

北仑区位于浙江省东部的宁波市境东部。作为一个临港大工业基地，北仑区集中了包括北仑电厂、宁波钢铁厂、台塑化工、吉利汽车、申洲织造公司等在内的众多大型企业，这些大型企业对北仑的环境空气影响究竟如何已经成为北仑区政府和老百姓关注的焦点，是北仑区进一步打造适合移居城市的必要参数之一，更是招商引资所必须要控制的重要因素[3-6]。同时，北仑区农业经济发展也是极为重要，其中柴桥街道更有“杜鹃之乡”的美誉。大气污染对农业生态环境的影响和危害需要特别关注，更是已成为工业“三废”之首。各种形式的大气污染达到一定程度时，会直接影响农作物、果树、蔬菜、饲料作物、绿化作物的正常生长，畜禽因摄入含污染物过多的饲料后致病或死亡，导致农业生产的经济损失。大气污染物进入农业环境后，不仅直接影响农业生产，而且进入农用水域、土壤的污染物又间接危害植物、动物及微生物的生长[7-8]。因此，有必要对PM2.5、NO2、SO2等污染物进行分析研究。

本文通过深入分析2015—2018年度北仑区域内的区环保大楼环境空气自动站的监测数据，对北仑区的环境空气质量特征进行了系统的研究，且将其与宁波市的环境空气质量特征进行了对比分析，并对影响其浓度的气象条件进行分析，以更好地把握其发展趋势，为治理环境、推动农业提出合理化的参考和建议。

1 材料与方法

1.1 材料

研究所用的环境数据为2015—2018年宁波市8个国标站的逐时PM2.5、NO2、SO2浓度数据，其中，用北仑区环保大楼的环境监测数据来分析北仑区的污染物浓度特征。研究所用的2015—2018年的温度、相对湿度、风向风速等气象数据均来自己质控过的北仑国家一般气象站、鄞州国家一般气象站和镇海国家一般气象站数据库，数据为逐小时观测数据。

1.2 方法

本文主要的计算方法为算术平均数，又称均值，是统计学中最基本、最常用的一种指标，主要适用于数值型数据。

2 结果与分析

2.1 北仑区空气质量

由图1可知，2015—2018年北仑区SO2、NO2、PM2.5浓度整体呈下降趋势，但波动较大，年平均浓度分别为12.8、42.4、36.3 μg·m-3。污染物浓度具有明显时间变化特征，夏季最低，秋季略高，春冬季最高。就平均值而言，1月的SO2浓度最高，为17.0 μg·m-3；8月最低，为8.4 μg·m-3。12月NO2和PM2.5浓度达到最高，分别为59.0、55.9 μg·m-3；8月降至最低，分别为22.3、22.9 μg·m-3。3类污染物浓度日变化各不相同，其中NO2变幅明显大于PM2.5，具体为SO2单峰单谷型，先升后降，峰值出现在中午12：00，谷值在24：00；NO2和PM2.5为双峰双谷型，峰值出现在9：00—11：00、20：00—22：00，谷值在3：00—5：00、16：00。

图1 2015—2018年北仑区三类污染物浓度年、季、日的变化趋势

2.2 与宁波市区污染物浓度对比

北仑区与宁波市三类污染物浓度基本呈相同变化特征，即年变化呈整体下降的趋势是一致的，但北仑区波动略大，SO2、NO2比宁波市偏高0.3、3.0 μg·m-3，PM2.5比宁波市偏低5.1 μg·m-3。季节变化趋势对比(图2)表明，两地均表现为夏秋季浓度较低、春冬季较高，但北仑区SO2、NO2浓度偏高主要出现在上半年，尤其是春季。宁波市区PM2.5浓度偏高则在秋冬季，12月最高。两地的三类污染物浓度日变化基本一致。

图2 2015—2018年北仑区与宁波市三类污染物浓度差值的月分布

2.3 气象条件对污染物浓度的影响

在一个地区排放源相对稳定的情况下，气象条件对环境空气质量状况起主导作用[9-11]。如图1、3所示，北仑区温度季节分布与三类污染物分布正好相反，即夏季温度最高时三类污染物含量最低，秋季增加，春天的含量继续增高，而冬天温度最低时其含量最高。一日中的温度最低值出现在5：00，最高值出现在13：00，可见SO2浓度分布与温度分布略接近，而NO2和PM2.5的浓度分布与温度分布略相反。SO2浓度日变化趋势与相对湿度几乎相反，即浓度高(低)值时，湿度较低(高)；NO2和PM2.5浓度则与相对湿度几乎一致，浓度最低值出现的时刻也是相对湿度较低。风速具有白天大、夜间小的较明显日变化特征，即早上5：00风速最小，随后逐渐增大，至14：00达到最大，随后风速又逐渐减小。由此可见，SO2浓度变化趋势与风速变化一致，NO2和PM2.5则相反。

图3 2015—2018年北仑区温度、相对湿度、风速的日变化

以易出现污染天气的冬季为例，小时整点AQI>150、AQI≤50分别代表污染空气和清洁空气。由图4可见，污染空气的风向主要来自第四象限，其中，西北偏西风、西风频率最高，占污染空气41.9%，此两类风向的平均AQI为203；清洁空气的风向离散性比较大，特别是第一、二象限风向明显增多。

图4 2015—2018年北仑清洁空气(左)与污染空气(右)的风频、风速、AQI

北仑以南的海上来风能明显改善北仑区空气质量。值得关注的是，东北偏北风向虽然频率不高，仅2.4%，但这类风向的AQI有时是最大，平均达210，有时却是AQI最小，仅28，需要进一步分析研究。

运用徐大海、俎铁林等[12]提出的含静风效应的污染系数α计算方法，即：

α=16fi/ui+4f0/3。

其中，fi为各风向出现频率、f0为静风频率、ui为各风向的平均风速。

由图5可见，NNE和NE方位的大气污染系数最小为0.42，SSE方位的最大为1.08，四方位滑动累积最小值所在方位是最小污染方位，说明原点的源对此方位内污染最轻，最小污染方位下风方位为最轻污染范围。

图5 北仑区大气污染系数的风向

统计表明，北仑区四方位滑动累积最小方位是NNW～NE，累积值为1.8，最大值的方位是SSE～SW，累积值为3.52，即来自西南偏南方位的风向对北仑区大气污染最小，偏北到东北方位污染最大。

3 小结

北仑区PM2.5、NO2、SO2浓度呈逐年下降趋势，环境状况日益改善。污染物浓度具有较明显的时间特征。一是夏季较低，秋季次之，冬春季较高的季节特征。其中1、12月最高，7、8月最低。二是具有不同日变化特征。SO2最高值出现中午12：00，最低在半夜；NO2最高值出现在夜里至次日早上，最低在15：00—16：00；PM2.5最高值出现在8：00—9：00，最低在16：00。北仑区PM2.5浓度较宁波市偏低，但NO2、SO2浓度则偏高，特别是北仑区春季SO2浓度高于冬季，且较明显高于宁波市。

气温、风速的日变化趋势与SO2比较一致、与NO2和PM2.5相反；相对湿度与NO2和PM2.5比较一致、与SO2相反。北仑区四方位污染系数滑动累积最小值所在象限是西北偏北-东北方位，最大则是东南偏南-西南方位，即西南偏南方位的风向对北仑区大气污染最小，偏北到东北方位的风向污染最大。冬季小时AQI>150的最多风向是西北偏西风和西风，清洁空气的风向离散性比较大；值得关注的是，同级别风速的东北偏北风虽然出现次数极少，但这类风向控制下的空气质量有时污染最严重，平均AQI高达210，有时却最洁净，平均AQI仅28，需要进一步分析研究。

根据大气环境承载力，合理规划工业园区，加快产业结构调整，加强重点污染源监控；根据大气污染时间分布及地域分布，合理布置农业品种以及防御措施，提高作物生长质量，保证农业经济有序发展。