沈阳市2019 年PM2.5 与PM10 浓度变化特征研究
2021-04-24李思慧吕程熙薛洁晓布乃顺
刘 枫 李思慧 吕程熙 薛洁晓 布乃顺
（辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳110036）
近年来，随着经济快速发展以及工业化和城镇化水平不断提高，大气污染问题日益突出[1]。目前国内大部分城市的灰霾天气是由颗粒物污染造成的，PM2.5和PM10是导致大气污染的首要污染物，对空气质量、经济发展以及人体健康造成影响[2]。根据《2019 年中国生态环境状况公报》显示，全国有47.2%的城市PM2.5年均浓度和32.0%的城市PM10年均浓度超过二级标准。可见，城市的大气环境治理仍面临着巨大的挑战，研究PM2.5和PM10的变化特征和影响因素对于改善城市空气质量具有重要意义。
人类活动与气象条件共同作用影响大气污染[3-4]。先前的研究分析了颗粒污染物和气象因素之间的相关性，研究表明气象条件可以在很大程度上影响污染物的扩散、稀释和积累[5]。逆温、静风、日照强烈、湿度较小的天气条件不利于颗粒物的扩散和去除。而这些研究主要集中在京津冀、长三角、珠三角等地区[3,6,7]。东北地区快速的经济发展和城市化伴随大量的能源消耗，导致严重的大气环境问题[8]。沈阳是东北地区高速发展的重要工业城市，由于人为活动和工业排放以及不利天气的影响，近年来频繁出现灰霾天气[9]。根据《2019 年沈阳市环境质量公报》，2019 年沈阳市空气质量超标天数为81 天，其中首要污染物为PM2.5的天数占54.3%，PM10占6.2%；PM2.5和PM10的年均浓度分别达到43μg/m3和77μg/m3，分别超过国家环境空气质量二级标准0.2 倍和0.1 倍。因此，研究沈阳地区的颗粒物污染物的时间变化与气象条件的关系有助于制定当地有效的控制措施。
本文以沈阳市2019 年的地面监测数据为基础，分析了PM2.5和PM10的浓度变化特征及其与气象条件的相关性，为进一步加强沈阳市大气污染治理、改善其空气质量提供理论参考。
1 区域概况与数据来源
1.1 区域概况
沈阳（41.77°N，123.50°E）位于东北南部，是东北政治、经济和文化中心[4]，属于温带半湿润大陆性气候，年均气温6.2～9.7℃，降水集中在夏季，温差较大，地势由东北向西南倾斜。
1.2 数据来源
本研究统计了2019 年中国环境检测总站（http：//www.cnemc.cn）发布的沈阳市PM2.5和PM10逐时浓度数据。从国家气象信息中心（http://data.cma.cn/site/index.html）获得各气象因子的数据。
2 结果与讨论
2.1 PM2.5 和PM10 季节变化特征分析
图1 2019 年沈阳市PM2.5 和PM10 浓度月均变化
污染物浓度的季节变化主要受排放强度和气象因素的影响[10]。冬季的燃煤取暖会增加煤粉尘、氮氧化物和硫化物的排放量[4]，秋季的生物质燃烧也不可避免的加重了PM2.5和PM10的污染。由表1 看出秋冬季温度低，冷空气活动容易造成逆温，不利于大气扩散[11]。还有降水量少、风速小等特点也使PM2.5和PM10浓度上升。夏季较高的温度导致大气层结构不稳定，有利于颗粒物扩散，降水增强了对污染物的清洁和冲刷作用，并且湿度可以减少土壤粉尘排放。此外，沈阳夏季盛行东南风，清洁的海风起到一定的稀释作用[3]，这使得夏季的颗粒物浓度是四季最低值（PM2.5：23.3μg/m3；PM10：41.8μg/m3）。
表1 气象因素的月均变化
2.2 PM2.5 和PM10 浓度日变化
PM2.5和 PM10质量浓度的日变化范围分别为30.9-50.1μg/m3和66.1-90.1μg/m3，两者表现出相同的变化趋势（图2），这与人类活动和大气环境的变化都息息相关[7,11]。晚上污染物积累随着日出大气边界层高度抬升，在垂直方向上的稀释作用加强，使得污染物浓度开始逐渐下降。6:00-9:00 人类活动逐渐增加出现早高峰，交通排放出现了PM2.5和PM10的第一个峰值。9:00 之后温度逐渐上升增强了大气的湍流作用。波谷在12:00 到18:00 出现，随着下班时间的到来和夜晚边界层的下降，颗粒物又积累起来。
图2 PM2.5 和PM10 质量浓度日变化
2.3 PM2.5 和PM10 浓度与气象因子的相关性
分析颗粒物和气象变化的相关性对于预测污染物变化有重要意义。PM2.5和PM10浓度与各气象因子之间的相关性析结果如表2 所示。PM2.5和PM10浓度与温度、降水量和相对湿度呈显著负相关。大气对流需要一定的温度差，当近地面的气温较高时大气的对流作用会稀释颗粒浓度[5]。降水对大气颗粒污染物具有冲刷作用，沉降过程将颗粒物带至地面，而且降水不利于起沙与扬尘的发生[6]。海平面气压能够影响大气对流活动，下沉气流会抑制污染物的向上扩散，因此，气压与PM2.5和PM10质量浓度呈正相关。PM2.5浓度与风速呈负相关，与PM10浓度呈正相关，其相关系数值说明风速对PM2.5和PM10质量浓度影响不显著。
表2 PM2.5 和PM10 与各气象因素Pearson 相关系数
3 结论
3.1 2019 年沈阳市PM2.5和PM10月均浓度变化趋势总体呈“U”字型，一年中PM2.5和PM10浓度在8 月份最低，在1 月份最高。PM2.5和PM10浓度的季节性变化表现为冬季>春季>秋季>夏季。
3.2 PM2.5和PM10质量浓度的日变化表现出相同的变化趋势，均为白天低，晚上高。受到人为活动的影响在6:00 到9:00 呈增长趋势，然后开始下降，在16:00 达到最低值，波谷出现在12:00 到18:00。
3.3 温度、相对湿度、降雨量和气压是影响沈阳市区PM2.5和PM10的重要气象要素，风速对PM2.5和PM10浓度影响不显著。
