淄博市環境空氣質量特征及與氣象條件的關系

方 斌，劉厚鳳

(山東師范大學 地理與環境學院，山東 濟南 250014)

1 引言

環境空氣作為人們賴以生存的必要條件之一，其重要性不言而喻。我國當前的大中型城市人口較多，由大量的資源消耗引發的環境污染越來越嚴重，有研究表明，空氣污染已經成為了重要的致癌原因之一[1]，因此，對城市大氣環境質量的研究也已經越來越成為當前研究的主要課題[2]。相關研究表明，氣象條件與城市空氣質量有著密切的聯系[3,4]，研究兩者的變化規律及典型重污染時間段內的氣象特點，有利于更加深入地理解兩者之間的關系[5]，并為以后的空氣質量預報提供更好的參照。

淄博位于中國華東地區，是山東重要的陶瓷、建材、化工中心，煤炭資源較豐富，環境空氣質量較差，是山東省空氣污染較為嚴重的地區之一。本文利用2013～2015年淄博市的空氣質量資料和同期的氣象資料，探討了淄博市近3年的空氣質量變化特點及氣象條件對其的影響，以期為城市大氣環境的規劃和預防治理提供一定的科學依據。

2 空氣質量特征分析

2.1 年際變化特征

圖1 2013～2015年淄博市空氣質量年際變化特征

從圖1可以看出，近3年以來，淄博市空氣質量等級以三級為主，占統計天數的42.8%，二級次之，占35.53%，天數最少的是一級天數，不到占統計總天數的1%，由此可以看出淄博的空氣優良天數占比較低，空氣質量整體較差。從AQI的年際變化來看，2014年淄博空氣質量最差，AQI均值為134；2013年最好，AQI平均值為113。

從首要污染物來看，淄博市近3年空氣質量首要污染物以PM2.5為主，占非一級空氣質量的62%，其次是PM10，其他污染物成為首要污染物的天數較少，這表明淄博市顆粒物的污染是最為嚴重的。2015年淄博市PM2.5為首要污染物的天數為205 d，PM10為首要污染物的天數為149 d，兩者占非一級空氣質量天數的98%以上，顆粒物的主要來源包括揚塵風沙，機動車的尾氣排放以及工廠企業的煙囪排放等[7]，淄博是山東省老的工業城市之一，這可能是導致其顆粒物污染最為嚴重的原因之一[8]。

2.2 時空變化特征

從表1和圖2可以看出，淄博市各污染物月均值呈現較好的規律，PM10最大濃度出現在12月份，PM2.5和SO2最大濃度出現在1月份，各污染物最小濃度基本出現在6、7、8月份，臭氧濃度6月份最高，12月份最低。11月至次年3月為淄博的采暖季，采暖期污染物排放增加[9]。

表1 淄博各污染物月均濃度 μg/m3

圖2 各污染物月均變化

從表2可以看出，淄博市高青、桓臺和沂源3縣空氣質量較好，各項污染物濃度均低于其他區縣，空氣質量較差的區縣為張店、淄川和周村。

表2 淄博市各區縣污染物年均濃度

3 空氣質量與氣象條件的關系

3.1 AQI與地面常規氣象因素的相關性分析

(1)降水。一般來講，大氣中的氣態污染物較易溶于水，因此，降水能夠有效的清除大氣中的各類污染物，對于抑制揚塵和凈化空氣具有一定的作用，對于顆粒物的清楚作用更是尤為明顯[10]，表3是不同降水日AQI 和PM2.5的相關統計。

表3 降水、AQI和PM2.5的相關關系

從表3可以看出，降水對空氣質量的影響是即時且強烈的，降水量越大，AQI的值越低，PM2.5的濃度更低，使大氣能見度改善[11]，空氣質量優良的概率也有了較大提高。由此可見，降水對淄博市空氣質量的改善具有十分重要的作用[12]。

(2)風速。通常來講，風速與污染物的濃度成反比，即風速越大，污染物濃度越低。這是因為風能夠稀釋大氣中的污染物，并且隨著距離的增加，風對污染物稀釋的作用更為顯著，風速較少甚至是靜風的時候，污染物不容易擴散[13]。有研究表明， 當風速較小時，比較容易出現重污染天氣，當風速較大(大于6 m/s)時，污染物的稀釋和擴撒較為強烈，即使是污染物較多時空氣質量也有可能較好[14,15]。

(3)氣溫。氣溫對空氣質量有顯著的影響，溫度的高低一定程度上決定了大氣污染的程度，這是因為低溫時對流較差，更容易出現逆溫層，污染物難以稀釋，導致濃度的積累，而溫度高時，對流較強，有利于污染物的擴散[16]。

從表4可以看出，溫度大于20 ℃時，平均AQI 最高，空氣質量優良率為44%，溫度為0 ℃以下時，平均AQI 最低，空氣質量優良率也是最低。由此可以看出，氣溫對空氣質量有顯著的影響。

表4 氣溫對空氣質量的影響

利用SPSS軟件，通過對2013～2015年淄博市的平均AQI和同期的氣象要素相關分析，得出它們的Pearson相關系數如表5。

表5 淄博市AQI與氣象因素的相關系數

注：*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關，**在 0.01 水平(雙側)上顯著相關

從表5得出，從日相關關系來看，淄博市AQI 與降水量成負相關關系，其在夏季關系更為顯著；與氣溫除在秋季外成正相關關系；與相對濕度在春夏季負相關，秋冬季正相關，但秋季未通過顯著性檢驗；與風速除夏季外均成負相關關系；與氣壓的相關系數只在冬季成負相關并通過了顯著性檢驗。從月相關關系來看，AQI與風速、相對濕度未通過顯著性檢驗，與降水、氣溫、濕度均成負相關，與氣壓成正相關關系[17]。

3.2 較高污染指數的天氣形勢分析

為了更好地了解城市空氣質量與氣象條件之間的關系，選取了2015年12月17～27日的典型重污染過程，其中最高AQI達到487，在空氣質量級別中為六級，該時段內的污染物濃度及基本氣象條件見表6。

表6 12月17日～12月27日AQI指數與氣象條件

該時段為全年污染最嚴重的時段，整個重污染過程從12月19日持續到25日，且其中12月24日的PM2.5、PM10濃度分別為402 μg/m3和μg/m3，AQI達到全年最大的487。從氣象條件變化來看，發生重污染過程時的濕度明顯較大，風速明顯較??；連續幾日的較大濕度和較小風速是形成顆粒物重污染的原因之一，從溫廓線來看，12月19日之前，在150～250 m高度處始終存在逆溫層，其厚度變化程度不大；20日8時，逆溫層短暫消失，在20時再次出現在100～150 m高度處，且持續到22日8時；逆溫層再出現時厚度并不大，但發生逆溫的高度變低，使得近地面的污染物不易擴散。24日20時，逆溫再次出現，且持續到26日8時，期間逆溫層厚度一直較大且發生逆溫的高度較低，從而使得污染十分嚴重[18]。

圖3、圖4為污染最嚴重的12月24日淄博地表風場和地面氣壓場圖，從上圖可以看出，24日山東上空環流較為平直，基本處于偏西氣流的控制之下，受來自內陸冷空氣影響，風速較小，加上淄博地面氣壓基本處于等壓場中，污染物難以擴散[19,20]。24日之后，風速變大，地面氣壓變小，對污染物的擴散起到了一定的作用。

4 結論

(1)淄博市近3年空氣質量較差，空氣質量等級以三級出現的天數最多，2015年相對于2014年空氣質量有所改善。淄博市空氣質量首要污染物以PM2.5為主，其次為PM10。

圖3 2015年12月24日淄博地面風場

圖4 2015年12月24日地面氣壓場

(2)淄博市空氣質量有明顯的時間特征，AQI夏季月份最低，除O3外，其他污染物的濃度大部分也是6、7、8月最低，冬季污染物濃度較高。各區縣中，張店區、淄川區和周村區空氣質量最差，高青縣、沂源縣和桓臺縣空氣質量較好。

(3)氣象條件如降水、溫度、風速、氣壓對空氣質量都有影響，AQI與各氣象要素的月相關系數較高。

(4)淄博市典型的重污染過程是污染源和氣象條件共同作用的結果，污染最嚴重的時刻對應典型的不利天氣形勢，改善空氣質量不僅要考慮污染源因素，也要考慮氣象條件的影響。

[1]周淑貞, 束 炯. 城市氣候學[M]. 北京: 氣象出版社, 1994.

[2]劉 燚. 京津冀地區空氣質量狀況及其與氣象條件的關系[D]. 長沙：湖南師范大學, 2010.

[3]徐曉峰, 段欲曉. 北京地區PM10與氣象條件分析[C]. 城市氣象服務科學討論會, 2001.

[4]張裕芬, 朱 坦, 馮銀廠, 等. 氣象因素對環境空氣質量達標的影響分析[J]. 城市環境與城市生態, 2006(4):33～36.

[5]Lei X E H Z W Z. Physieal,Chemical,Biologieal Proeesses and Mathematical Model on Air Pollution[M]. Bejing: China Meteorological Press, 1998.

[6]尹振東. 氣象條件對可吸入顆粒物濃度的影響[J]. 環境科學與管理, 2005(3):46～47.

[7]邊志明, 葉 萍, 王信梧. 淄博市空氣污染物變化及其與氣象條件的關系[J]. 中國環境管理干部學院學報, 2012(4):64～66.

[8]Cao Y Z, Wang S, Gan Z, et al. Chemical characteristics of wet precipitation at an urban site of Guangzhou, South China[J]. Atmospheric Research, 2009,94(3):462～469.

[9]鄭美琴. 日照市區環境空氣污染與氣象條件關系的研究[D]. 青島：中國海洋大學, 2004.

[10]余錫剛, 吳 建, 酈 穎, 等. 灰霾天氣與大氣顆粒物的相關性研究綜述[J]. 環境污染與防治, 2010(2):86～88.

[11]郭 雪. 太原市環境空氣質量與氣象條件關系的研究[D]. 蘭州：蘭州大學, 2015.

[12]朱 焱, 楊金彪, 朱蓮芳, 等. 蘇州市能見度與影響因子關系研究[J]. 氣象科學, 2011(5):626～631.

[13]楊義彬. 成都市大氣污染及氣象條件影響分析[J]. 四川氣象, 2004(3):40～43.

[14]Kim K H. The effeets of wind sPeed on the relative relationshiPs between different sized一fraetions of airborne Particles[J]. Chemosphere, 2005,59(7):929～937.

[15]馮宏芳, 隋 平, 邱麗葭. 福州市污染物濃度時空分布及影響因子分析[J]. 氣象科技, 2003(6):356～360.

[16]邱粲, 曹 潔, 王 靜, 等. 濟南市空氣質量狀況與氣象條件關系分析[J]. 中國環境監測, 2014(1):53～59.

[17]曲曉黎, 付桂琴, 賈俊妹, 等. 2005—2009年石家莊市空氣質量分布特征及其與氣象條件的關系[J]. 氣象與環境學報, 2011(3):29～32.

[18]鐘幼軍, 國世友. 哈爾濱冬季重污染日氣象特征[J]. 氣象與環境學報, 2013(1):23～27.

[19]朱 敏, 王體健, 盧兆民. 一次持續空氣污染過程的氣象條件分析[J]. 氣象科學, 2008(6):673～677.