武汉2018～2019年P...变化特征及气象因素影响分析_方莎莎.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：方莎莎（），女，工程师，硕士，主要从事大气气溶胶及云降水物理研究。武汉武汉 年年 浓度变化特征及气象因素影响分析浓度变化特征及气象因素影响分析方莎莎，廖可文，刘火胜，段佳鹏，赵辛慈（武汉农业气象试验站，湖北 武汉 ；武汉国家基本气象站，湖北 武汉 ；武汉市公共气象服务中心，湖北 武汉 ；武汉市环境监测中心，湖北 武汉 ）摘要：利用 年武汉站 浓度数据，研究了 浓度变化规律，结合地面气象及探空观测资料，分析了气象条件对 浓度的影响。结果表明：武汉 浓度有明显日、月和季变化特征，日变化呈“两峰一谷”型，峰值在分别在：和：，谷值在：，季变化呈“冬春秋夏”特征，月最高，月最低；浓度与气温、风速呈显著负相关（，），与气压呈显著正相关（），与相对湿度呈负相关（），且不同湿度区间对 浓度影响不同；近地层偏北风、边界层东北风及其临近风向对应 浓度高值，随风速增大 浓度总体呈减小趋势，边界层风有利于污染物扩散；降水对 清除量与降水强度及 初始浓度有关，小雨、中雨、大雨的平均清除率分别为、和 ，初始浓度较大时降水清除作用更显著。关键词：浓度；气象因素；风向；风速；降水中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：，：，：，；（），（），（），（），；，DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.046方莎莎，等：武汉 年 浓度变化特征及气象因素影响分析环境与安全 ：；引言 也称细颗粒物，是反映空气质量的重要指标。随着中国工业化、城市化的迅猛发展，由细颗粒物增多引起的雾霾、光化学烟雾等空气污染问题日益突出，导致大气能见度降低、日照减少，影响成云降雨过程及气候变化，并严重危害人体健康，引起了社会各界的广泛关注。近年来，围绕 浓度的时空变化，、影响因素、化学成分 及输送特征，等涌现了大量研究。这些研究表明，浓度不仅与复合排放源有直接联系，还与季节、地形、粒子特性、气象条件等密切相关，。在大气中停留时间长、输送距离远，当污染源排放一定时，气象条件是影响污染物累积、扩散和清除的主导因素，。高嵩等研究发现，浓度与气温、风速、相对湿度呈负相关，高湿环境有利于 湿清除。付佳琴等 研究发现，大气混合层高度与 浓度呈负相关，地面风与边界层风对污染物的影响明显不同。岳岩裕等 研究发现，浓度下降多发生在中等强度冷锋和强冷锋过程，冷空气和降水共同作用下湿清除效果显著。栾天等研究表明，降水强度越大，对 浓度清除效率越高，且中雨、大雨时 浓度对降水持续时间和风速大小不敏感。此外，吴健等 研究指出降水对颗粒物的清除作用还与降水前空气质量有关。可见，气象要素对颗粒物浓度的影响十分复杂。武汉地处江汉平原东部、长江中游，属亚热带季风性湿润气候。作为华中最大城市和最大工商业中心，近年经济发展迅速，正面临严峻大气污染问题。现有武汉地区颗粒物研究多集中于时空分布、源解析、天气系统影响分析，等方面，而对颗粒物与气象因素的影响研究较少。本文利用 年武 汉 观 象 台 浓 度 及 气 象 观 测 数 据，研 究 浓度的变化特征和规律，分析 与气象因子的关系，并重点分析风向、风速及降水对 浓度的影响，旨在为大气污染预报预警及 区域大气污染防治提供参考。观测地点及资料观测地点位于武汉国家基本气象观测站（，海拔 ），该站位于武汉市东西湖区慈惠农场，周边主要为种植区及分散民房，南距汉江约 ，西南方 外是蔡甸城区。本文使用的资料包括：逐小时 质量浓度资料，采用德国 公司的 环境颗粒物监测仪进行采集；逐小时地面气象观测资料，采用 型自动气象站观测，包括气温、相对湿度、风向、风速、降水量等要素；：和：（北京时）探空资料，包括温度、露点、相对湿度、风向、风速等要素。资料时间跨度均为 年月日 年 月 日，四季按春季（月份）、夏季（月份）、秋季（月份）、冬季（月份、月份、月份）划分。浓度变化特征 月、季变化特征图是武汉 年月至 年 月 浓度的月、季变化，可以看出，月均 浓度月份最 高，月 份 最 低，分 别 为 和 ，月份比月份高倍左右。总体来看，浓 度 冬 季 最 高，夏 季 最 低，春 夏 秋 冬 四 季 平 均 浓 度 依 次 为 、和 ，呈现“冬春秋夏”的季节变化特征，这与污染较严重的上海、广州、绵阳等地 及较清洁的昆明 地区研究结果一致。图武汉站 年 浓度月均变化相比南京、上海等大城市，武汉冬季 浓度更高。可能有以下原因：为迎接军运会，武汉大力开展基础设施建设和改造工程，产生大量建筑扬尘，另有统计显示，武汉机动车保有量已突破 万辆，工业排放、机动车排放、建筑施工扬尘等是主要本地污染源；武汉冬季多逆温，年武汉冬季逆温出现频率高达 ，逆温出现频率高、强度大、持续时间长，一次、二次污染物共同累积导致 浓度持续高值；观象台位于慈惠农场，临近武汉绕城高速，是附近多个物流中心必经之路，车辆排放也贡献了部分。从年变化来看，年有个月 月均值低于 年，这与武汉筹备 年军运会前实施“拥 年 月绿 色 科 技（）第 期抱蓝天”计划及 对 大 气 污 染 排 放 的 严 格 管 控 密 切相关。日变化特征由武汉不同季节 质量浓度日变化（图）可看出，春、秋、冬三季 浓度呈“两峰一谷”型日变化，这与南京、杭州、合肥等典型南方城市相似，分别在：和：左右达峰值，：左右 浓度最低，：间波动较小；夏季 日变化呈“单峰单谷”型，峰值和谷值分别在：和：，其余时刻 浓度较平稳。清晨人类活动和早高 峰 机 动 车 排 放 了 大 量 细 颗 粒 物，：开 始 浓度逐渐升高，：左右出现第一个小高峰，随着太阳辐射和湍流运动增强，：后 浓度开始降低，至：达谷值；下午随着太阳辐射减弱，大气层结趋于稳定，受晚高峰排放和附近城区夜生活影响，污染物逐渐累积，尤其秋、冬季夜间逆温层覆盖抑制了污染物垂直扩散，导致 浓度在：达全天最高。气象条件对 浓度的影响 温度、湿度对 浓度的影响表为武汉 浓度与各气象因子的相关系数。从中可以看出，不同季节 浓度与气象因子相关性不同。春、秋季 浓度与温度呈显著负相关，冬季二者呈显著正相关，夏季相关性不明显。可图武汉站不同季节 质量浓度日变化能是因为武汉属亚热带季风气候，雨热同期，夏季高相对湿度通常伴随降水天气，浓度降低受降水湿清除作用明显，而对气温变化不敏感。浓度与气压总体呈正相关（相关系数 ）。当近地面受低压控制时，四周空气辐合上升，污染物向上扩散稀释；相反，当地面受高压控制时，四周空气辐散下沉，不利于污染扩散，浓度升高。浓 度 与 相 对 湿 度 总 体 呈 负 相 关（），这可能是因为低湿环境下粒子不易吸湿增长，高湿环境有利于降水对 湿清除，春、夏季降水频繁、降雨水量大，故 浓度与相对湿度呈显著负相关。浓度与风速呈显著负相关（），这与以往许多研究结果一致，。表武汉站 浓度与气象因子的相关系数季节样本数气温气压相对湿度风速春 夏 秋 冬 年 注：表示在 水平上显著相关，表示在 水平上显著相关。风向风速对 浓度的影响因近地层风受下垫面影响较大，为进一步分析风对 浓 度 的 影 响，选 取 武 汉 边 界 层 高 度（）风资料与近地层风资料分别进行分析。武汉春、夏两季盛行偏北风和偏南风，秋、冬季以偏北风主导，个季节各风向上 浓度分布如图所示。近地层不同风向下 浓度变化显示，春季 浓度在偏北风及 方向浓度较高（）；夏季武汉主要受亚热带季风及较清洁的温带海洋气团影响，来自北方的污染输送较少，且夏季湍流活动强，降水充沛，浓度在各风向上均较低；秋、冬季最高风频依次为、和，在、和静风时污染最严重，秋、冬季气温较低，大气层结稳定，污染物易累积，加上偏北风对上游污染物的输送因此易导致持续污染天气。各风向的 浓度分布显示，春、夏季风向在 之间 浓度较高，秋、冬季高空风向在 之间 浓度较高，尤其是 、个风向主导时出现严重污染概率较大。表给出了近地层不同风向下的 平均质量浓度，可以看出，春、夏、秋三季静风条件下 浓度高于其他风向下的 浓度，冬季各风向的 浓度均高于其他季节，其中 和 方向 浓度高于静风，此方向是蔡甸城区，有齐联、泰佛、博奇等工业园，说明 浓度受附近居民活动及工业区排放等影响较大。方莎莎，等：武汉 年 浓度变化特征及气象因素影响分析环境与安全图武汉站地面和 各风向上 浓度分布玫瑰为研究风速对 浓度的影响，分别用线性拟合和二次多项式拟合小时 浓度与风速关系（图），相关系数分别为 和 （有效样本数 ），二 次 多 项 式 拟 合 效 果 更 好。拟 合 线 上 浓度最小值对应风速为，当风速 时，浓度随风速增大呈减小趋势，风速 时，浓度有微弱回升。一方面，近地层较大风速易引起地面扬尘污染，另一方面，较大风速对外地污染物的输送也会导致 浓度升高。而边界层风随风速增大呈先升后降趋势（图），风速阈值为，的边界层风有利于污染物扩散。表武汉站地面不同风向下 平均质量浓度季节 春 夏 秋 冬 降水对 浓度的影响研究表明，降水对污染大气有清除和冲刷作用，可有效降低大气颗粒物浓度，。受降水量、降水时长、降水形式及其他气象条件影响，降水对大气颗粒物的清除作用也不尽相同，。为研究不同降水强度对 浓度的影响，将 年降水量小时数据与 浓度一一对应，图是小时降水量与 浓度的关系，可以看出，且较小的降水量（）对应较高的 浓度，降水量较大（）时 浓度较低，说明降水对 有一定清除削 年 月绿 色 科 技（）第 期图武汉站近地层风速和高空风速与 浓度的关系减作用。按照降水量等级国家标准（）将 降水量划分为小雨（）、中雨（）、大雨及以上（）个等级。定义 降 水 对 的 清 除 量 为 降 水 前 的 浓 度 减 去 降 水 后 的 浓 度，清 除 率（）为清除量与初始 浓度的比值。经统计，两年间不同强度降水的有正有负，为负值的原因可能是降雨引起的颗粒物吸湿增长作用强于降水的清除和冲刷作用，造成降水后颗粒物浓度不减反增。总体来看，降水强度越大，对 的清除作用越明显（图），小雨、中雨、大雨的分别为、和 ，这与栾天等的研究结果相似。图武汉站 年小时降水量与 浓度的关系降水前颗粒物本底浓度也是影响 的因素之一。将降水前 浓度分为、和 种情况，种情况下降水的平均分别为 、和 （图），说明降水前空气质量较差时，降水对 的清除作用比空气质量较好时更显著。图武汉站不同强度降水对 浓度的影响图武汉站不同污染条件下降水对 浓度的影响 结论（）年武汉站 浓度具有明显的日、月和季节变化特征。浓度日变化呈“两峰一谷”型，峰值在分别在：和 ：左右，谷值在：左右。浓度总体呈“冬春秋夏”的季 变 化 特 征，月 最 高，月 最 低，分 别 为 和 。工业、机动车、居民方莎莎，等：武汉 年 浓度变化特征及气象因素影响分析环境与安全生活等人类活动排放及气象条件影响是导致 浓度变化的主因。（）不同季节下不同气象条件对 浓度影响不同。全年来看，浓度与气温、风速呈显著负相关（，），与气压呈显著正相关（），与相对湿度呈负相关（），且不同湿度区间对 浓度影响不同。（）近地层风向、风速对污染物的输送和扩散影响明显。浓度高值多出现在近地层正北风及其临近风向，随风速增大 浓度呈减小趋势，当风速 时，浓度有微弱回升。边界层风为东北风 及 其 临 近 风 向 主 导 时 出 现 污 染 概 率 较 大，的边界层风有利于污染物扩散。（）降水对 有湿清除作用。清除量与降水强度及 初始浓度有关。小雨、中雨、大雨的平均清除率分别为、和 。污染条件下降水对 的清除作用比清洁条件下更显著。参考文献：中华人民共和国生态环境部 年中国生态环境状况公报北京：中华人民共和国生态环境部，林冲 浅析 的影响因素及对环境的危害和防治对策 资源节约与环保，（）孙志豪，崔燕平 对人体健康影响研究概述环境科技，（）肖悦，田永中，许文轩，等 中国城市大气污染特征及社会经济影响分析生态环境学报 ，（）：高嵩，田蓉，郭彬，等长三角典型城市 浓度变化特征及与气 象 要 素 的 关 系 科 学 技 术 与 工 程 ，（）：赵妤希，陈义珍，杨欣，等北京市中心城区 长期变化趋势和特征生态环