李昌龍 王靜怡 高媛媛

(徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站， 江蘇 徐州 221002)

徐州市區(qū)PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)性分析
——以2015年冬為例

李昌龍 王靜怡 高媛媛

(徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站， 江蘇 徐州 221002)

以2015年12月—2016年2月徐州空氣監(jiān)測站PM2.5、常規(guī)氣象儀以及激光雷達(dá)的觀測資料，探討徐州市城區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度變化特征以及冬季PM2.5濃度與風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣邊界層高度等氣象要素的相關(guān)性。結(jié)果表明，觀測期內(nèi)徐州市區(qū)PM2.5濃度超過GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級濃度限值共有56天，平均濃度超標(biāo)0.52倍；PM2.5濃度呈明顯的日變化特征；偏北風(fēng)時，PM2.5濃度較高，冷空氣過程中，PM2.5濃度先升高后下降；PM2.5濃度與濕度呈正相關(guān)性，濕度為70%～80%時PM2.5濃度最高；與大氣邊界層厚度呈負(fù)相關(guān)性。

PM2.5；風(fēng)速；風(fēng)向；濕度；大氣邊界層；激光雷達(dá)

徐州市為內(nèi)陸資源型工業(yè)城市，以能源和資源消耗型為主，煤炭、電力、冶金、焦化、建材、重工業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)為經(jīng)濟(jì)支柱，用煤量大，工業(yè)污染物排放量較多；另外，徐州市地處北方地區(qū)，每年冬季進(jìn)入采暖期，燃煤量增加，加重了城市空氣質(zhì)量的污染程度。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，徐州市區(qū)環(huán)境空氣污染特征以煤煙型為主，顆粒物(PM10和PM2.5)是影響環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物[1]。日常觀測中發(fā)現(xiàn)，一個城市大氣污染源的排放量在一段時間內(nèi)是相對穩(wěn)定的，大氣污染物濃度的時空分布在一定程度上主要取決于大氣擴(kuò)散條件。不同的大氣擴(kuò)散條件，可以使空氣污染物的濃度相差幾倍、甚至幾十倍[2]。潘本鋒等[3]曾指出降水、降雪和大風(fēng)等天氣有利于大氣中PM2.5的去除。徐州地處暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季太陽輻射強(qiáng)度高，風(fēng)速較大，降水較多等均有利于污染物的稀釋、擴(kuò)散和清除；但是，冬季多靜穩(wěn)天氣，大氣擴(kuò)散條件較差，降水較少不利于污染物的清除；且徐州冬季進(jìn)入取暖季后燃煤量增加，各污染物排放量較大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示徐州市區(qū)冬季PM2.5污染明顯加重。本文以2015年12月—2016年2月連續(xù)3個自然月徐州市環(huán)境監(jiān)測中心自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)監(jiān)測儀的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣邊界層高等氣象因素對徐州市冬季城市大氣中PM2.5濃度的影響。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

徐州位于江蘇省西北部，地處蘇、魯、豫、皖四省交界，東經(jīng)116°22′～118°40′、北緯33°43′～34°58′之間，土地總面積11258km2。位居中緯度地區(qū)，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，既受東南季風(fēng)影響，又受西北季風(fēng)控制，四季分明，光照充足，冬夏季長，春秋季短，夏季高溫多雨，冬季寒潮頻襲。屬于黃淮平原，地勢低平，系黃河和淮河的直支流長期合力沖擊而成，地形由平原和山丘崗地兩部分組成，丘陵崗地約占10%，平原占90%，潮土類為本區(qū)沖積平原的主要土類，占全市土壤總面積的79.5%[4]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

徐州市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量由黃河新村等7個環(huán)境空氣質(zhì)量評價城市點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，點(diǎn)位分布見圖1。(圖中監(jiān)測站點(diǎn)分別為：1黃河新村，2淮塔，3鼓樓區(qū)政府，4桃園路，5農(nóng)科院，6新城區(qū)，7銅山區(qū)招生辦)。各監(jiān)測站點(diǎn)按照《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 664—2013)的要求開展SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.56種污染物的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)在徐州市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)發(fā)布平臺(http://218.3.235.59:8023/)逐時對公眾發(fā)布。

圖1 徐州市區(qū)環(huán)境空氣自動監(jiān)測點(diǎn)位分布示意圖

根據(jù)徐州市城市特有的地理條件、氣象條件等，選取黃河新村監(jiān)測子站的日常監(jiān)測數(shù)據(jù)探討氣象因素與PM2.5濃度的關(guān)系。該點(diǎn)位于徐州市主城區(qū)，具體位置在泉山區(qū)黃河南路60號(經(jīng)度：117°9′57″，緯度：34°16′24″)，代表居民區(qū)，屬環(huán)境功能區(qū)的二類區(qū)。

1.3 監(jiān)測儀器

地面氣象要素觀測采用荷蘭VAISALA 公司生產(chǎn)的六參數(shù) WXT520 氣象儀；PM2.5采用美國Thermo Fisher 公司生產(chǎn)的5030-SHARP型監(jiān)測儀，量程0～1000 μg/m3，最低檢測限0.5μg/m3(1小時分辨率)，流量1m3/h(16.7 L/min)，小時精度(<80μg/m3為時±2μg/m3，>80μg/m3時為±5μg/m3)；各個參數(shù)均采用24 小時連續(xù)采樣分析，采樣高度12m。

激光雷達(dá)監(jiān)測儀采用中科光電AGHJ-I-LIDAR激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有高空和低空兩個接收器。高空接收器的有效測量范圍為0.3～30 km；低空接收器的有效測量范圍為0.1～3km，垂直空間分辨率為15 m。高空接收器接收雷達(dá)原始回波信號和校正回波信號，根據(jù)PBR回波廓線強(qiáng)度對應(yīng)其相應(yīng)高度的大氣氣溶膠濃度梯度的變化確定大氣邊界層高度。激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)定脈沖數(shù)為2 000，每5 min采集一次數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)每小時進(jìn)行統(tǒng)計，確保與黃河新村空氣自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)的匹配。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5濃度的變化特征

2.1.1 PM2.5濃度的月變化

將2015年12月-2016年2月徐州市環(huán)境空氣自動監(jiān)測網(wǎng)中黃河新村等7個監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5濃度日均值進(jìn)行平均計算，得到徐州市城區(qū)PM2.5月均濃度。圖2為監(jiān)測期內(nèi)徐州市區(qū)PM2.5濃度日均值變化。從圖2可以看出，2015年冬季徐州市城區(qū)PM2.5有效監(jiān)測天數(shù)90天，平均濃度89 μg / m3；超過環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)中規(guī)定的日均濃度二級濃度限值(75 μg/m3)的天數(shù)共有56天，超標(biāo)占比62.2%，平均濃度114.4 μg/m3，超標(biāo)0.52倍；其中有8天空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染，PM2.5濃度明顯較高。這主要是兩方面原因造成的：(1)冬季太陽輻射強(qiáng)度較弱，多靜穩(wěn)天氣，風(fēng)速較小，且夜間容易出現(xiàn)逆溫等均不利于污染物的稀釋、擴(kuò)散和清除；(2)徐州冬季進(jìn)入取暖季后燃煤量增加，各污染物排放量較大。

圖2 2015年12月-2016年2月徐州市PM2.5濃度變化

1.2.2 PM2.5濃度的日變化

圖3為選取黃河新村站點(diǎn)2015年12月和2016年1月、2月某監(jiān)測日PM2.5濃度小時變化。從圖3可以看出，徐州市城區(qū)PM2.5濃度呈明顯的日變化特征，夜間PM2.5濃度逐漸升高，在09時左右達(dá)到最高值；之后隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，大氣擴(kuò)散條件增強(qiáng)，PM2.5濃度逐漸下降；18時左右，隨著太陽輻射強(qiáng)度降低，大氣擴(kuò)散條件減弱，污染物逐漸積累，PM2.5濃度再次逐漸升高。

圖3 PM2.5濃度的日變化

2.2 PM2.5濃度與氣象要素的相關(guān)性

2.2.1 風(fēng)向和風(fēng)速對PM2.5濃度的影響

風(fēng)速的大小反映大氣水平運(yùn)動的程度，它直接決定大氣稀釋擴(kuò)散能力的大小。風(fēng)速小，不利于污染物向遠(yuǎn)方擴(kuò)散，污染物容易累積；風(fēng)速大，有利于污染物的稀釋、擴(kuò)散和清除[5]。

圖4 風(fēng)速和風(fēng)向與PM2.5濃度分布

利用2015年12月-2016年2月份的近地面常規(guī)氣象數(shù)據(jù)配以相應(yīng)時段黃河新村監(jiān)測站點(diǎn)的常規(guī)污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制近地面風(fēng)向、風(fēng)速與PM2.5濃度的分布圖。從圖4可以看出，2015年徐州市冬季以西北風(fēng)為主；風(fēng)向為偏北風(fēng)時，PM2.5濃度較高；風(fēng)向為偏南風(fēng)時，PM2.5濃度明顯較低。當(dāng)風(fēng)速< 4 m/s時，徐州市區(qū)PM2.5濃度容易超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中二級濃度標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg/m3)；當(dāng)風(fēng)速> 4 m/s時，風(fēng)向為偏北風(fēng)時，仍出現(xiàn)PM2.5濃度>75 μg/m3，甚至超過150 μg/m3的情況。

2016年1月17日和22日為徐州市兩次典型的區(qū)域污染物輸送造成的空氣重污染過程(圖5)。從圖5可以看出，2016年1月17日00-07時，風(fēng)速< 1.0m/s，大氣擴(kuò)散條件較差，黃河新村監(jiān)測子站點(diǎn)PM2.5濃度由72 μg/m3逐漸升至145 μg/m3；08時風(fēng)速突然增大到5 m/s左右，PM2.5濃度迅速升至256 μg/m3，9時達(dá)到283 μg/m3；之后，隨著風(fēng)速維持在3 m/s左右，PM2.5濃度逐漸下降，23時降至70 μg/m3。1月22日00-14時，徐州市區(qū)近地面風(fēng)速< 1.2m/s，黃河新村監(jiān)測子站點(diǎn)PM2.5濃度為45～80 μg/m3；15時風(fēng)速突然增至4.5 m/s左右，PM2.5濃度從49 μg/m3升至170 μg/m3，最高達(dá)234 μg/m3；之后，隨著風(fēng)速維持在3.5 m/s左右，PM2.5濃度逐漸下降，23時降至34 μg/m3。

圖5 PM2.5濃度與風(fēng)速的變化

兩次污染過程中，PM2.5濃度均先升高又逐漸下降，這主要是因為：徐州市以能源和資源消耗型為主，煤炭、電力、冶金、焦化、建材等企業(yè)大多分布在徐州城區(qū)北部，工業(yè)污染物排放較多；另外，徐州北部的棗莊、濟(jì)寧，西部的淮北等城市均是燃煤能源大市，污染物排放量較大；當(dāng)出現(xiàn)冷空氣時，以偏北風(fēng)為主，并且風(fēng)力較大，該地區(qū)的污染物容易傳輸?shù)叫熘菔袇^(qū)，與本地積累的污染物進(jìn)行疊加，導(dǎo)致PM2.5濃度升高，甚至在短時間內(nèi)迅速升高，空氣質(zhì)量達(dá)到嚴(yán)重污染；隨著冷空氣經(jīng)過徐州，污染氣團(tuán)逐漸疏散，徐州城區(qū)PM2.5濃度下降至低濃度值。

2.2.2 濕度對PM2.5濃度的影響

將2015年12月—2016年2月份黃河新村監(jiān)測站的常規(guī)氣象與PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(圖6)，由于強(qiáng)降水對大氣中的顆粒物有明顯的清除作用，已剔除監(jiān)測期間降雨和降雪時PM2.5的監(jiān)測結(jié)果。從圖6可以看出，濕度﹤80% 時， PM2.5濃度隨濕度的增加而逐漸增大，相對濕度為70%～80%時PM2.5濃度最大，兩者呈明顯的正相關(guān)性。這可能是因為空氣中相對濕度較大時，細(xì)小顆粒物容易凝結(jié)，促進(jìn)二次顆粒物的生成[6]；也可能是因為空氣中的相對濕度較大時，氣態(tài)SO2和NO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和硝酸鹽，并與大氣中的堿性氣體發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)二次顆粒物的生成，造成PM2.5濃度逐漸升高并趨于穩(wěn)定。濕度﹥80%時，PM2.5濃度有所下降，可能是因為細(xì)顆粒物吸濕長大后出現(xiàn)濕沉降。

圖6 PM2.5質(zhì)量濃度與濕度的變化

2.2.3 大氣邊界層高度對PM2.5濃度的影響

大氣邊界層通常是指受地面直接影響，是人類活動和各項生態(tài)環(huán)境過程發(fā)生和發(fā)展的主要?dú)鈱?。大氣邊界層中的空氣由于受地面摩擦或熱力作用的影響，在某個高度的穩(wěn)定層下會出現(xiàn)顯著的垂直混合，其厚度就是混合層厚度，混合層高度反映大氣邊界層穩(wěn)定度[7]。張婉春等[8]利用梯度法對激光雷達(dá)距離校正回波信號進(jìn)行處理，得到了2013年1月北京地區(qū)的大氣邊界層高度；王珍珠等[9]利用激光雷達(dá)觀測發(fā)現(xiàn)北京城區(qū)夏季大氣邊界層有明顯的日變化特征。

圖7為2016年2月某監(jiān)測日利用激光雷達(dá)回波信號繪制的大氣邊界層高度與近地面顆粒物濃度日變化圖。從圖7可以看出：(1)監(jiān)測期間，徐州市城區(qū)大氣邊界層高度存在著比較明顯的日變化特征，夜間徐州市區(qū)大氣邊界層高度較低，平均高度在1.2 km左右；隨著太陽輻射增強(qiáng)，地面溫度升高，11時起大氣邊界層高度逐漸增加，16時左右出現(xiàn)最大值；之后，隨著太陽輻射強(qiáng)度下降，近地面溫度降低，大氣邊界層高度逐漸降低；白天大氣邊界層平均高度在2.0 km左右。(2)夜間大氣邊界層高度較低，PM2.5濃度逐漸升高，09時左右達(dá)到最高值；隨著大氣邊界層高度逐漸增加，大氣湍流作用增強(qiáng)，污染物在水平和和垂直方向上的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，PM2.5濃度逐漸降低；18時起，隨著太陽輻射強(qiáng)度下降，近地面氣溫降低，大氣邊界層高度下降，污染物的擴(kuò)散能力減弱，PM2.5質(zhì)量濃度再次逐漸升高?？傊?，大氣邊界層高度對PM2.5濃度的變化具有重要作用，兩者呈負(fù)相關(guān)性。

圖7 PM2.5質(zhì)量濃度和大氣邊界高度的日變化

3 結(jié)論

(1)2015年冬季，徐州市區(qū)PM2.5濃度超過環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)中的二級濃度限值有56天，超標(biāo)占比62.2%；平均濃度114.4 μg/m3，超標(biāo)0.52倍。PM2.5濃度呈明顯的日變化特征，PM2.5濃度在夜間逐漸升高，09時左右達(dá)到最高值；隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，PM2.5濃度逐漸下降，18時以后再次逐漸升高。

(2)徐州市冬季，風(fēng)向為偏北風(fēng)時，PM2.5濃度較高；風(fēng)向為偏南風(fēng)時，PM2.5濃度明顯較低。風(fēng)速<4 m/s 時，徐州市區(qū)PM2.5濃度容易超過75 μg/m3；受冷空氣影響，外地污染物輸入與本地積累的污染物疊加，PM2.5濃度會在短時間內(nèi)迅速升高，隨著冷空氣過境，PM2.5濃度逐漸下降至低值。

(3)徐州市冬季，空氣中的相對濕度<80%時，PM2.5濃度隨著濕度增加而增大，兩者呈正相關(guān)性；濕度為71%～80%時PM2.5濃度最大；當(dāng)濕度>80%時，可能由于濕沉降造成PM2.5濃度有所下降。

(4)冬季徐州市城區(qū)大氣邊界層高度存在著明顯的日變化特征，夜間大氣邊界層高度較低，平均高度在1.2 km左右；白天大氣邊界層高度增加，平均高度在2.0 km左右，16時前后大氣邊界層高度最大。PM2.5濃度與大氣邊界層厚度呈負(fù)相關(guān)性，大氣邊界層高度越大，越有利于污染物在水平和垂直方向上的稀釋和擴(kuò)散，PM2.5濃度越低。

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Correlation between PM2.5concentration and meteorological elements in Xuzhou City in winter of 2015

Li Changlong, Wang Jingyi, Gao Yuanyuan

(Xuzhou Environment Monitoring Center Station，Xuzhou 221002，China)

Based on the monitored PM2.5, and observation data from conventional meteorological instruments and laser radar in December 2015 - February 2016, the mass concentration variation of PM2.5in urban area of Xuzhou was discussed, and the correlation between concentration of PM2.5in winter and meteorological factors (wind direction, wind speed, humidity, atmospheric boundary layer height and etc) was explored. The results showed that there were 56 days when PM2.5concentration in the Xuzhou urban area exceeded the standard limit of class 2 of Ambient Air Quality Standards (GB3095-2012), the average concentration of PM2.5exceeded the standard limit by 0.52 times and showed obvious diurnal variation. Upon the northerly wind, the PM2.5concentration was in high. In the process of cold air, the concentration of PM2.5increased first and then decreased. The concentration of PM2.5was positively correlated with humidity and reached the highest at 70%-80% humidity, and negatively correlated with the thickness of atmospheric boundary layer.

PM2.5; wind speed; wind direction; humidity; atmospheric boundary layer; laser radar

2016-12-31;2017-02-17修回

李昌龍(1984-)，男，山東泰安人，碩士研究生，中級工程師，從事大氣環(huán)境監(jiān)測與分析工作。E-mail: changlong7@163.com

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