贵阳市近2013-2022年PM（2.5）高浓度日气象条件统计分析.pdf

分析了贵阳市2013-2022年全市颗粒物日均浓度，筛选PM2.5日均浓度67 g/m3（AQI90）日的气象要素进行统计分析，总结了PM2.5浓度出现高值的气象条件特征，为PM2.5高浓度过程的预警预报提供技术参考。关键词 PM2.5；高浓度日；气象条件；预报；统计分析中图分类号：X513 文献标识码：B 文章编号：20953305(2023)070216-03PM2.5是 指 空 气 动 力 学 中，粒 径2.5 g的颗粒物，也被称为可入肺颗粒物。大量研究表明，PM2.5具备一定的毒性，高浓度甚至会引起人类呼吸道疾病发生1-2，也是引发雾霾天气的重要原因3，对社会经济、生态环境、人类健康均有重要影响4。近十年来，我国先后实施了 大气污染防治行动计划(“大气十条”)和 打赢蓝天保卫战三年行动计划(“蓝天保卫战”)，以PM2.5作为大气污染防治工作的重点和核心约束性指标，环境空气质量得到了较大 改善。众多学者对典型的PM2.5污染过程气象条件展开大量研究工作5-8，也有统计分析长时间序列污染物浓度和气象要素特征研究9-10。大量研究表明，在污染源排放变化不大的情况下，气象条件对PM2.5浓度有显著影响11-14。贵阳市自2013年正式对PM2.5进行监测和治理以来，大气污染的治理水平不断提高。吴战平等15-16从天气形势和气象要素对典型污染过程进行了综合分析，尚媛媛等17利用5年较大时间分辨率的PM2.5和气象数据，探讨了大气污染物浓度变化与影响气象因子的关联性。在贵阳市大气污染系统治理十年的基础上，目前尚未针对贵阳市长时间序列PM2.5高浓度的天气形势和气象要素共性特征进行研究。环境空气质量标准(GB 30952012)定义PM2.5日均浓度高于75 g/m3为污染日，本研究为贵阳取10%的缓冲余量，定义当天PM2.5日均浓度参考文献67 g/m3（AQI90）为贵阳市PM2.5高浓度日。总结近20132022年贵阳市PM2.5高浓度日对应的天气形势和气象要素（温度、风速、相对湿度等）特征，结合典型案例，分析气象要素对PM2.5浓度变化趋势的特征，以期提高对PM2.5高浓度过程的预警预报准确率，为大气污染防治管控提供参考。1 材料与方法1.1 数据来源研究使用的气象要素包括风速、温度、相对湿度、降水量等，来自中国气象数据网（http:/ 资料与方法利用近10年（2013年1月1日2022 年12月31日）的污染物浓度监测数据，按照贵阳市PM2.5高浓度日的定义进行筛选，找出对应日期的气象资料进Statistical Analysis of Daily Meteorological Conditions of High PM2.5 Concentration in Guiyang City from 2013 to 2023Wang Qin et al(Guiyang Environmental Information Center,Guiyang,Guizhou 550000)Abstract Analyzed the average daily concentration of particulate matter in Guiyang City from 2013 to 2022,and selected the meteorological elements with the average daily concentration of PM2.5 67 g/m3(AQI90)days for statistical analysis,summarizes the characteristics of meteorological conditions for the occurrence of high PM2.5 concentration,and provides technical reference for the early warning and prediction of the process of high PM2.5 concentration.Key words PM2.5;High concentration day;Meteorological conditions;Forecast;Statistical analysis基金项目 2020年贵阳市科协软科学研究课题资助项目(2020.04.08）。作者简介 王琴（1988），女，中级工程师，主要从事空气质量预测预报、大气环境质量分析工作。收稿日期 2023-05-06217农业灾害研究 2023,13(7)行分析整理，结合天气形势和气象要素特征，分析其对PM2.5浓度的影响，利用Origin等软件对获取的数据资料做相应分析，初步揭示贵阳市出现PM2.5高浓度日的气象特征。2 结果与讨论2.1近十年贵阳市PM2.5高值日气象条件统计2.1.1天气类型统计20132022年贵阳市PM2.5高浓度日的天气类型，占比较高的前3种天气类型分别为Ld2南部静止锋型（52.9%）、Gt西藏高压类（27.3%）、Nd热低压类（7.4%），共计占高浓度日天气类型的90%。这3种天气形势都易出现晴好天气，当晴好过程持续时间较长时，易造成辐射逆温或低空逆温等不利的“静稳”天气出现，大气污染物难以扩散，导致浓度累积升高而出现污染。2.1.2 温度据统计，20132022年贵阳市PM2.5高浓度日平均温度为9.9，最高温度和最低温度差的平均值为7.8，85%以上高浓度日会出现逆温天气。将高浓度日平均温度（T）和最低、最高温度差（t）按D参考文献5.0、5.0 D10.0、10.0 D15.0、15.0 20.0 进行划分统计，高浓度日平均温度和最高、最低温差都是在510 时出现频率最高（大于1/3），平均温度主要集中在15 以下，最低、最高温差主要集中在10 以下。通常情况下，温度越高，空气垂直对流越强，越有利于污染物的扩散。但在冬季，当白天温度较高、早晚温差大时，易形成辐射逆温，导致污染物累积，第二天白天垂直有效扩散时间短、作用弱，扩散量小于累积量时，连续数日污染物累积升高易造成污染。2.1.3 风速通常来说，风速越大，污染物水平扩散能力越强，反之亦然。统计20132022年贵阳市PM2.5高浓度日平均风速特征发现，小于2.0 m/s的天数 有138 d，2.02.5 m/s的有84 d，2.53.0 m/s 有48 d，大于3 m/s的有27 d。统计结果表明，风速越小，出现PM2.5高浓度日的概率越大，这也与众多研究成果结论一致。贵阳市年平均风速为2.2 m/s，近10年高浓度日风速大于2.2 m/s的天数有124 d，说明颗粒物浓度与风速大小并不完全呈线性相关。相关研究表明18-19，当风速较大时，水平方向空气流动加速，远距离传输污染物量增加，在合适的条件下发生沉降和二次转化，导致本地PM2.5浓度升高，预报PM2.5浓度变化，在评估扩散条件的同时，要考虑周边污染物传输影响。2.1.4相对湿度相对湿度对颗粒物理化结构的影响是最为复杂的20。本研究将高浓度日相对湿度按RH60%、60%80%进 行统计（表1）。RH60%的天数比例为 13.7%，RH80%的天数比例为34.6%，60%RH80%的天数比例为51.7%，这与赵子菁21一定湿度范围内（60%80%）二次颗粒物生成作用较强的结论一致，但与朱敏等22-23认为大气相对湿度较小的情况下，容易形成污染的结论不一致。PM2.5中的水溶性二次粒子的潮解点RH大概在70%80%附近24，而60%RH80%恰好提供了吸湿性粒子潮解所需的湿度条件，PM2.5中硝酸盐、硫酸盐和铵盐等二次组分易吸收水汽后改变物理化学性质，造成其吸湿增长粒径增大，同时，气溶胶中的水溶性有机物（WSOC）具有较强的极性和吸水性，可与其他物质结合生成凝结核。此外，高湿也利于气态污染物向细颗粒物的二次转化生成。表1 PM2.5高浓度日相对湿度统计相对湿度天数/d 占比/%RH60%4113.760%80%10334.62.2 典型污染过程案例分析本研究对2021年1月1017日贵阳 市1次PM2.5典型污染过程进行分析。如图1所示，在整个污染过程中，PM10、SO2、NO2、O3、CO等5项污染物浓度变化趋势与PM2.5一致，过程可分为累积（1013日）污染（1415日）消散（1617日）3个阶段。2.2.1天气形势分析此次污染过程天气形势属于统计中出现频率最高的Ld2南部静止锋型，出现在冷锋南下2次过程中的晴好天气，此段晴好天气维持5 d，其中轻度污染2 d。在污染过程中，贵阳市高空500 hPa环流形势为两槽一脊型，700 hPa风场以西南风为主，850 hPa为暖脊后控制，地面处于均压场控制，天气形势持续静稳、中低层存在逆温，这种不利于污染物扩散的高、低空天气形势配合抑制了污染物的扩散，为污染天气的形成提供了有利条件。2.2.2 气象要素分析对1316日PM2.5 浓度与温度、风速风向、相对湿度和降水等气象要素变化进行逐时分析（图2）。污染物积累阶段：13日夜间至14日凌晨，风向由南转北，温度快速下降，相对湿度迅速上升，在弱风条件下，PM2.5浓度急速增大，14日凌晨01:00达到91 g/m3，PM2.5浓度在此阶段累积；夜间人为活动源排放减少，PM2.5浓度略有下降，07:00随着人为活动源排放增加、太阳辐射增强逆温层增厚，PM2.5浓度进一步上升，到11:00浓度达最高，106 g/m3；午时温度升高，逆温逐渐减弱，垂直对流增强，PM2.5浓度逐渐下降至当日谷值（54 g/m3）；随夜间温度降低、相对湿度增大，逆温增强，PM2.5浓度再次上升，至15日00:00:00达峰值109 g/m3。14日全天PM2.5浓度均值达85 g/m3，发生轻度污染，当日早晚风速明显减弱，相对湿度整体偏高，昼夜温差加大，导致PM2.5累积时段加长、程度加深形成污染。高浓度维持阶段：15日PM2.5浓度日变化规律与14日完全相同，但风速进一步减弱，最低相对湿度高于前一日，不利气象条件导致PM2.5污染持续加深；16日凌晨开始受冷空气影响温度下降，07:00风向开始由南转北，相对湿度维持较高，在午后风速明显增强且有降水情况下，PM2.5浓度仍持续较高。污染消散阶段：16日午后，在相对湿度突然增大并出现降水时段，PM2.5浓度不降反升，持续数小时强风、降水、降温后，PM2.5浓度开始明显持续 下降。质量浓度/（g/m3）图1 2021年1月1017日6项污染物浓度变化218Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.7数值数值图2 2021年1月1316日PM2.5浓度与气象要素逐时变化3 结论（1）贵阳市PM2.5高浓度日主要气象特征。天气过程：主要是南部静止锋型、西藏高压类和热低压类3种类型，当出现晴好天气且持续时间较长时，易造成辐射逆温或低空逆温等不利的“静稳”天气条件。温度：平均温度和最低、最高温差都是在510 出现频率最高（大于1/3），平均温度主要集中在15 以下，最低、最高温差主要集中在10 以下。风速：风速小于2.0 m/s时，出现PM2.5高浓度日的概率较大，风速越小，出现PM2.5高浓度的概率越大，但风速大也可能导致远距离传输污染物量增加，增加量大于扩散量，污染物浓度反而上升。相对湿度：60RH80%时出现高浓度日比例达51.7%，在晴日高温相对湿度仍维持较高时，颗粒物浓度不易扩散。（2）结合典型污染过程分析，当气温相对升高，早晚温差较大时会形成逆温层，不利于污染物垂直扩散；相对湿度较高，有利于二次粒子转化，颗粒物吸湿性增长；弱风条件下，不利于污染物的水平传输扩散。同时存在高温、弱风、高湿的气象条件下，极易导致局地颗粒物累积达污染水平。（3）在预报空气质量时，需综合评估天气形势、风速、温度、相对湿度、周边区域污染水平等要素。在冬季出现短暂或持续温度回升天气时，要重点关注PM2.5浓度变化，当温度超过10、早晚温差10 左右、风速小于2.0 m/s、相对湿度在60%80%且无降水时，细颗粒物浓度累积上升，连续数日极易达污染水平。在天气转型出现降温降雨等有力的扩散条件时，还要考虑PM2.5浓度变化的滞后性。参考文献1 沙英琥,翟畅.长春市PM2.5污染特征及影响因素分析J.皮革制作与环保科技,2022,3(12):120-121,134.2 杨红,谢海燕,鲍昱璇,等.阿克苏市春季PM10和PM2.5输送路径及潜在源分析J.四川环境,2022,41(3):71-78.3 张哲,乔利平,周敏,等.环境空气PM2.5化学组分监测数据审核指标的建立:以长三角地区为例J.环境科学,2020,41(11):4786-4802.4 Gao X,Li W D.A graph-based LSTM model for PM2.5 forecastingJ.Atmospheric Pollution Research,2021,12(9):101150.doi.org/10.1016/j.apr.2021.101150.5 崔萌,安兴琴,范广洲,等.北京一次重污染过程的天气成因及来源分析J.中国环境科学,2018,38(10):3628-3638.6 贾秋刚,张艳杰.石家庄市一次重污染过程气象条件分析J.环境监控与预警,2020,12(6):22-26.7 封彩云,余莲,季承荔,等.成都一次持续性污染天气过程的气象条件分析J.高原山地气象研究,2019,39(4):59-66.8 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