洛阳城区PM10、PM2.5质量浓度时空变化特征及其与气象因子的关系

赵佳伦，周士锋，雷雅凯，冯 艳，刘艺平，孔德政

（1.河南农业大学林学院，郑州 450002；2.河南农业职业学院，郑州 451450）

由于城市化进程的扩大、社会经济的快速发展、煤炭资源的消耗量增加，致使空气中颗粒物含量不断增加，大气环境质量明显下降，雾霾天气越来越频繁［1］。引起灰霾天气的主要因素之一就是大气颗粒物，对人类健康危害极大［2］，特别是对心血管系统和呼吸系统有极大危害［3-5］，因此引起世界各国政府和卫生机构的重视［6］。大气颗粒物作为空气中重要组成部分，对云雾降水、大气能见度、太阳辐射、光能吸收等大气物理化学过程有着直接和间接影响，最终导致全球气候发生变化［7］。因此，在生态学、环境科学和大气科学研究领域中，研究和评价大气颗粒物的时空变化特征、分析其污染源已成为热点问题之一。

中国环境监测总站全国城市空气质量实施发布平台发布的数据显示，河南省一直是全国大气污染最严重的地区之一［8］。洛阳市是中部地区重要的工业城市，有着雄厚的工业基础和科技实力，在各方面实力不断增强的同时也导致大气污染问题［9］。因此，开展洛阳市大气颗粒物特征研究具有十分重要的意义。近年来，对洛阳市大气颗粒物的相关研究较少，仅单一分析其颗粒物浓度的分布特征，未与气象因素结合研究［10］。本研究通过探讨洛阳市不同监测站点PM2.5和PM10质量浓度的时空分布特征，分析洛阳市大气颗粒物污染状况及其与气象条件的关系，为进一步分析洛阳市大气污染防治和大气颗粒物的来源提供参考资料。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

洛阳市位于河南省的西部，地处33°35'—35°05'N，111°08'—112°59'E，总面积约15 208 km2，其中，市区面积约803 km2。洛阳市位于南部暖温带与亚热带北部的过渡地带，地理条件十分优越，气候类型以亚热带、温带季风气候为主，年平均降水量较少，且主要集中在夏季，倾向率为-13.733 mm/10年，降水量呈明显的减少趋势，总体上降水量呈西多东少、南多北少的分布特征。境内的山脉由西南向东北延伸，且均为秦岭山脉，地形复杂多样，西部地势高，东部地势低。同时，由于洛阳市三面环山，有高达30%的静风频率，地形和气候的特点使得环境空气中的大气污染物不易扩散。随着城市的快速发展，冶金、施工、燃煤、化工、交通、机械制造等方面造成的环境污染越来越严重［10］。

1.2 数据来源

选取洛阳市城区7个国控监测点位的PM10、PM2.5的监测数据为研究对象，研究时间段为2017—2019年，PM10、PM2.5及气象数据来源于空气质量历史数据查询网。洛阳市城区的7 个国控监测点位分别为洛阳市中信小学、中共洛阳市委党校、洛阳市监测站、洛阳市豫西宾馆、河南林业职业学院、洛阳市开发区管委会和洛阳市委新办公区，监测点位的分布情况［11］见图1。选取的气象因素有温度、相对湿度、风速风向。

图1 洛阳市自动空气监测站位置分布

1.3 数据处理

该研究使用的洛阳市区ρ（PM2.5）、ρ（PM10）日平均数据，即市区各监测站ρ（PM2.5）、ρ（PM10）24 h 数据的算数平均值，根据ρ（PM2.5）、ρ（PM10）日平均数据计算出月平均数据，根据月平均数据计算出季平均数据和年平均数据。其中，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月，气象数据按同样的方法获取日平均数据。运用Ex⁃cel 软件对PM2.5、PM10浓度的时间变化特征（包含月、季、年变化特征）进行分析，空间分布特征运用Arc⁃GIS 中反距离加权插值法进行分析［12］。分别运用SPSS 22.0、Excel、Origin 9.0 等 软 件 对 气 象 数 据 与PM2.5、PM10浓度的关系进行整理及线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 2017—2019年洛阳市城区大气颗粒物污染天数

2017—2019年洛阳市城区污染级别天数分布情况如图2 至图4 所示。2017—2019年参与研究的数据总量为1 095 d，其中超过污染标准的天数共537 d，占总有效天数的49.04%。2017年1月洛阳市城区共有5 d 处于严重污染状态，2018年的污染总天数最低，比2017年减少41 d，2019年的污染总天数比2017年减少10 d，2019年污染总天数较2018年多31 d。

从图2 至图4 可以看出，2017、2018、2019年优良天数分别占全年有效天数的46.30%、57.54%、49.04%，中轻度污染天数分别占全年有效天数的45.48%、35.34%、42.47%，重度及以上污染天数分别占全年有效天数的8.22%、7.12%、8.49%。随着年际变化，优良天数占比有所增长，其中，2018年优良天数占比最高，2019年次之，2017年最低。在2017年和2018年优良天气出现次数最高的月份均为10月，而2019年优良天气出现次数最高的月份为3月，2018年重度及以上污染天数最低，2019年重度及以上污染天数最高，且主要发生在1、2、11、12月的供暖期。轻度和中度污染出现的天数占比低于优良天数的比例，高于重度以上的高污染天气，整体年际变化不明显。近几年洛阳市城区的整体空气质量情况在2018年有明显的改善，2019年相比2018年空气质量有所下降，但相较于2017年空气质量有所改善。

图2 2017年洛阳市城区污染级别天数分布

图3 2018年洛阳市城区污染级别天数分布

图4 2019年洛阳市城区污染级别天数分布

2.2 洛阳市城区大气细颗粒物的时间变化特征

2.2.1月变化特征 受气象条件、污染排放等多重因素影响，不同月份、不同季节大气颗粒物浓度存在明显差异。2017—2019年洛阳市城区PM2.5、PM10质量浓度月均值变化见图5、图6。由图5、图6 可以看出，洛阳市城区大气颗粒物质量浓度月差异较明显，2017—2019年PM10、PM2.5月平均浓度变化均呈U 形分布，中间低两头高。高浓度污染主要集中在11月至次年2月，空气质量为优良的天气主要出现在6—9月。其中，在1月PM10和PM2.5的浓度达到全年月平均浓度的最高值，之后2—6月，月均质量浓度逐渐下降，6—9月达到最低值，10月两者质量浓度又开始呈上升趋势。

图5 2017—2019年PM2.5质量浓度月均值变化特征

图6 2017—2019年PM10质量浓度月均值变化特征

2.2.2 季变化特征 2017—2019年洛阳市城区PM2.5、PM10质量浓度季节变化见图7、图8。研究结果（图7、图8）表明，不同季节的PM2.5、PM10质量浓度变化均显示冬季＞春季＞秋季＞夏季。由于采暖期主要集中在冬季，燃烧煤和燃油的增加导致了煤粉尘和二氧化硫排放量上升；同时，洛阳市冬季降水少、气温低、日照时间短，受冷空气的影响易产生辐射逆温或低空逆温，极不利于空气中污染物扩散；此外，随着城市建设的快速发展，地面摩擦系数增大，近地表污染物的水平稀释速度缓慢，在市区内容易形成连续的高浓度污染，因此，洛阳市城区冬季大气颗粒物污染状况最严重。春季多风，植被处在生长期，地表覆盖较低，易引起扬尘，多克辛［13］研究表明春季的扬尘是对城区颗粒物浓度贡献最大的污染源，再加上春季大气层的结构较稳定，使得颗粒物不容易扩散，从而导致春季洛阳市城区大气中颗粒物浓度较高。秋季随着秸秆禁燃的强制管控，大气颗粒物浓度逐年下降，但随着11月中旬开始进入供暖期，污染物开始增加；此外，入秋后，天气潮湿，风速小，近地表气压逐渐升高，大气层结构趋于稳定，导致颗粒物长期积累且难以扩散，最终导致更严重的污染天气［14］。夏季降雨频繁，空气流动性强，城区主要街道辅助洒水降尘，有效减少粉尘污染，因而洛阳市城区空气质量多为轻度污染。

图7 2017—2019年PM2.5质量浓度季节分布

图8 2017—2019年PM10质量浓度季节分布

2.2.3年际变化特征 2017—2019年洛阳市城区大气颗粒物年均质量浓度见表1。由表1 可知，洛阳市城区2017、2018、2019年大气颗粒物日均质量浓度超过国家GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准限值所占百分比表现为PM10分别超标25%、20%、23%，PM2.5分别超标32%、24%、27%。相比之下，2018年 的PM10、PM2.5年 均 浓 度 低 于2017年 和2019年，2019年PM10、PM2.5年均 浓度 低于2017年。2017—2018年空气质量状况有明显的改善，但2018—2019年空气质量状况有所下降，可能是由于2019年秋、冬季受厄尔尼诺气候影响，北方地区高温少雨，冷空气活动较弱，大气污染扩散条件整体偏差，对空气质量影响达60%。从2019年秋、冬季几次重污染过程来看，冷空气弱且路径偏北，多数携污染团在太行山北麓沿华北地形大槽南下到达洛阳市，加之洛阳市污染物“易聚难散”的特点，进一步加剧了空气质量的恶化。3 个年度的PM10和PM2.5浓度标准差普遍较大，表明大气颗粒物的日均浓度波动较大，而PM10和PM2.5浓度最高值均出现在2017年，且较往年明显增加，主要原因为2017年1月有5 d 均处于严重污染状态，且发生3 次持续3～5 d 的重度污染过程，由此可见，极端天气条件对颗粒物污染的影响较大。

表1 洛阳市城区2017—2019年大气颗粒物年均质量浓度

2.3 洛阳市城区大气细颗粒物空间变化特征

根据洛阳市各国控站点的大气颗粒物监测数据，分析了洛阳市大气颗粒物的空间变化特征，其中由于市监测站的数据缺失，因此只对其他6 个监测站数据进行分析。

从图9 可以看出，PM2.5浓度整体呈冬季高、夏季低的特点。春季PM2.5浓度由西向北逐渐递减，西工区和涧西区的PM2.5浓度略高于其他区域；夏季PM2.5浓度由南向北逐渐递减，洛龙区PM2.5浓度最高；秋、冬季节由北向南逐渐递减，秋季西工区、涧西区和老城区PM2.5浓度较高，冬季老城区和瀍河回族区PM2.5浓度较高。

图9 PM2.5质量浓度季节空间变化特征

从图10 可以看出，PM10浓度的季节性变化夏季由西向北逐渐递减，西工区和涧西区的PM10浓度较高，其他季节基本与PM2.5浓度变化类似，同样呈冬季高、夏季低的趋势。从整体分布可以看出，西工区和涧西区的空气质量较差，其原因可能是涧西区工业化较重，大部分厂区都集中在涧西区，且西工区和涧西区相较其他区人数较多，大部分人口集中于此，因此，该区域的空气质量较差。呈现冬季偏高夏季偏低的趋势可能是由于冬季的污染物排放与静稳天气的相互作用，洛阳市冬季开始供暖，增加了大气中细颗粒物的浓度，此外，由于冬季风速低且降水少，大气层结构趋于稳定，从而使得静稳天气增多而湿沉降减少，导致不利于大气颗粒物的扩散［15］。

图10 PM10质量浓度季节性空间变化特征

2.4 气象因子对PM2.5与PM10浓度的影响

颗粒物的污染程度与温度、相对湿度、风速等气象因子有着密切的关系，在排放相对稳定的情况下，天气条件决定空气中PM10、PM2.5的扩散、稀释和去除过程，因此，可通过研究气象因子对PM10和PM2.5污染的影响，为治理空气污染提供相应的参考资料［14］。高温会增加PM10和PM2.5等颗粒物的浓度，是由于光化学反应会产生二次粒子，从而导致其浓度升高［14］。强风可以通过稀释、扩散和水平输送来降低大气颗粒物浓度［16］。相对湿度可以通过水分吸收的增长促进核膜态粒子转化为积聚模态，从而导致大气颗粒物不断累积［17］。

2.4.1 温度 洛阳市2017—2019年PM2.5和PM10质量浓度数据与气温的线性回归（图11、图12）显示，PM2.5的质量浓度与温度之间呈显著负相关（P<0.01），决定系数R2为0.230 5，PM10的质量浓度与温度呈显著负相关（P<0.01），决定系数为0.198 7。原因是当温度较低时，供暖增加导致细颗粒物增加，再加上降水减少、风速降低以及大气层结构的稳定，使空气颗粒物不容易扩散，最终促进形成细颗粒物；当温度较高时，在地面温度高于高空温度的情况下，地面的空气容易上升，污染物容易被带到高空分散，从而使得空气颗粒物浓度降低。

图11 2017—2019年PM2.5日均质量浓度与日均气温的线性关系

图12 2017—2019年PM10日均质量浓度与日均气温的线性关系

2.4.2 相对湿度 对2017—2019年洛阳市的日均相对湿度与PM2.5和PM10日均浓度线性回归分析结果（图13、图14）表明，相对湿度与PM2.5呈显著正相关（P=0.001<0.01），决定系数为0.010 1；与PM10呈显著负相关（P<0.01），决定系数为0.012 3。与马格等［18］得到的相对湿度与PM10呈负相关，与PM2.5呈正相关的结论一致。分析发现，随着相对湿度的增加，在相对湿度为60%～70%时，PM2.5的质量浓度出现最大值。这说明在一定湿度范围内，相对湿度越高，空气颗粒物越容易形成，特别是在高温、高湿的天气条件下，细颗粒物质量浓度更容易增加［19］。而PM10的质量浓度与相对湿度呈负相关，这是由于相对湿度的增大使颗粒物发生湿沉降，进而降低了空气中PM10的质量浓度，这与蒋婷梅等［20］得出的相对湿度与PM10质量浓度的关系结论相似。

图13 2017—2019年PM2.5日均质量浓度与日均相对湿度的线性关系

图14 2017—2019年PM10日均质量浓度与日均相对湿度的线性关系

2.4.3 风向与风速 选取2019年3月至2020年2月的风速与风向数据，利用矢量平均法［21］计算当日平均风向，得到各季节的风向频率玫瑰图（图15）。由图15 可知，研究期间风向以东北风、东北偏北风、西南风、西北风为主。其中春季风速大于2 m/s 的天数占春季总天数的48%，夏季风速大于2 m/s 的天数占夏季总天数的35%，秋季风力大于2 m/s 的天数占秋季总天数的40%，冬季风力大于2 m/s 的天数占冬季总天数的51%。

图15 不同季节的风向频率玫瑰图

为了得到不同风向颗粒物的平均浓度，排除降雨天气时段，对风速为1～2 级时的风向和PM2.5、PM10质量浓度进行统计，结果如表2 所示。由表2 可知，当风向为南风、东南偏南风、西南偏南风、西南偏西风时，PM2.5、PM10质量浓度较小，但当风向为北风、东北偏北风时，PM2.5、PM10质量浓度却较大。这与洛阳市的地势有关，其城区为平原地带，较为平缓，西部紧邻新安县，新安县地形复杂多样，地势较高；南邻伊川县，其地处豫西低山丘陵区，周围群山环绕；东邻偃师市，其南部和北部高，中部低，地势主要可分为坡地、平原、山地、丘陵4 种类型；北邻孟津县，其地形西部高东部低，中部高，南北部低，形如鱼脊，东部南北两侧为洛河黄河阶地，较为平坦。总体来看，洛阳市城区西、南部较高，东、北部较低，基本为平原，所以从西、南方向吹来的空气相对较为干净，空气颗粒物的浓度也较低。

表2 洛阳市城区2017—2019年大气颗粒物年均质量浓度 （单位：μg/m3）

3 小结

1）2017—2019年洛阳市城区环境空气污染总体状况变化趋势存在差异，2018年污染总天数最低，较2017年减少41 d，2019年污染总天数比2017年减少10 d，3年间空气污染天数总体呈先减少再增加的趋势，且3年间49%的天数处于颗粒物污染状态。2017、2018、2019年优良天数分别占全年总有效天数的46.30%、57.54%、49.04%，3年间优良天数占比呈先增加后减少的趋势。近几年洛阳市城区的整体空气质量情况在2018年有明显的改善，相比而言，2019年空气质量有所下降，但相较于2017年空气质量仍有所改善。

2）PM10和PM2.5质量浓度月平均值变化基本一致，浓度变化均呈U 形分布。PM10和PM2.5质量浓度变化具有明显的季节性特征，夏季其质量浓度较低，空气质量较好，春、秋季略高于夏季，冬季最高，空气质量较差。2017、2018、2019年PM2.5、PM10不同日均质量浓度超过国家GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准限值所占百分比显示，PM10分别超标25%、20%、23%；PM2.5分别超标32%、24%、27%。2019年空气质量状况有所下降，可能由于2019年秋、冬季受厄尔尼诺气候影响，北方地区高温少雨，冷空气活动较弱，大气污染扩散条件整体偏差，影响了空气质量。

3）PM10、PM2.5与温度呈显著负相关；PM2.5与相对湿度呈正相关，在相对湿度为60%～70%时，PM2.5的浓度出现最大值，PM10与其呈负相关；降水可有效降低PM10、PM2.5污染；PM2.5、PM10的质量浓度在风向为西南偏西风、西南偏南风、东南偏南风、南风时较小，可能由于洛阳市地势的原因，其西、南部较高，东、北部较低，基本为平原，所以从西、南方向吹来的空气相对较为干净，空气颗粒物的浓度也较低。