格尔木市气象要素对PM10污染的影响分析

2022-05-05何生录丁立善陈宏松李海凤

青海环境 2022年1期

何生录，丁立善，陈宏松，梅朵，李海凤

(1.青海省格尔木市气象局，青海格尔木 816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海西宁 810001；3.青海省黄南州气象局，青海同仁 811300)

引言

大气可吸入颗粒物，是影响全球气候变化、人体健康和大气能见度的重要污染物[1]。可吸入颗粒物(PM10)是指空气中空气动力学当量直径小于等于10 μm的颗粒物[2]，它是造成我国北方城市大气环境污染的主要污染物[3]。PM10主要来源于人类活动，如工厂、家庭、交通运输、建筑施工等产生的废气、烟尘、扬尘，以及自然起源，如火山喷发、森林火灾、海水泡沫而进入大气的火山灰、烟尘、盐粒和被风吹起的扬尘等[4]。气象条件作为影响空气质量环境重要因素之一，制约着大气污染物的稀释、扩散、输送和转化过程，进而影响着大气污染物的分布及污染物浓度[5，6]。因此，气象因子对城市大气环境质量的影响是当前空气污染气象学领域的一个重要研究课题[7，8]。

格尔木市位于青海西部、青藏高原腹地，南可通西藏，北可达甘肃河西走廊，西可去新疆，是中国西部的交通枢纽和战略要塞，属于大陆性高原气候，少雨、多风、干旱，冬季漫长寒冷，夏季凉爽短促，年平均降雨量仅为45.1 mm，蒸发量高达2 367.9 mm，日照时间长，光热资源充足。目前，关于格尔木市空气质量及其污染的研究较少，缺乏气象因子对城市空气污染状况影响的相关研究，本文根据2016—2020年格尔木市PM10质量浓度变化及同期常规气象要素资料，分析PM10质量浓度特征变化及其与常规气象要素的相互关系，以期为格尔木市空气污染状况的预报、空气质量的改善和环境污染防治提供一定的科学依据。

1 资料与方法

利用2016—2020年格尔木市环境监测站监测的PM10日平均质量浓度，同期格尔木市气象台观测的逐日地面降水量(R)、相对湿度(U)、空气温度(T)、24 h变压(△P24)及2 min风速(F)等气象要素资料。依据国家空气质量标准[2]，将PM10日平均质量浓度大于0.15 mg/m3(即超过国家二级标准)的污染日简称污染日，除去污染日的自然日称为非污染日。由于PM10质量浓度和气象条件均存在明显的季节性变化规律，因此，按3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季，采用统计学方法，建立各季节时间序列，分析研究季节性变化的不同影响和差异。

2 结果与分析

2.1 PM10质量浓度特征变化

图1给出了2016—2020年格尔木市PM10月均质量浓度变化情况，由图可以看出，PM10质量浓度最高值出现在春季，这是由于春季格尔木主要受西北气流控制，气温回升较快，风力较大(平均风速为2.9 m/s，极大风速达20.1 m/s)，降水甚少，地表逐步解冻造成异常干燥松散，抗风蚀能力很弱，并且地表缺少植被覆盖，当有大风刮过时，就会将大量表土和细沙卷入空中，造成PM10质量浓度增高。PM10质量浓度最低值出现在秋季，秋季地表有枯黄的植被覆盖，且风速较小(平均风速为2.0 m/s，极大风速为16.8 m/s)，同时有着较为强烈的大气对流运动，易于污染物在空气中扩散，故PM10质量浓度最低。格尔木市PM10月均质量浓度表现出“春峰秋谷”型的特点，这与祁栋林等[9]研究得出的格尔木降尘特征相一致。

图1 2016—2020年格尔木市PM10月均质量浓度变化

2.2 降水量与PM10的关系

通过对格尔木市2016—2020年逐日降水量(R≥0.1mm)和PM10日平均质量浓度改变量(即降水日与前一日的PM10日平均质量浓度之差)的统计，区分不同季节不同量级降水对PM10日平均质量浓度的影响可见(表1)，四季中无降水时，PM10日平均质量浓度相对前一日均有小幅增大，增幅春季>夏季>冬季>秋季，这表明无降水时PM10污染程度较前一日有所增加。有降水时，夏季和冬季PM10日平均质量浓度均比前一日有所降低，且随降水量的增加，PM10质量浓度的降幅加大；降水量在0.1～1.0 mm时，各季节PM10质量浓度较前一日下降，春、冬季下降较为明显，表明降雨对PM10污染有一定的清洗降低作用；降水量在1.0～5.0 mm时，夏、冬季PM10日平均质量浓度较前一日下降，降幅冬季大于夏季，但是春、秋季PM10日平均质量浓度反而较前一日有所增大，这可能是由于2016—2020年春、秋季1.0～5.0 mm的降水日数很少(春季9d，秋季8d)，统计值不具代表性所致。虽然降水对PM10污染有一定的清洗降低作用，但格尔木市全年降水稀少，降水净化作用不明显[10]。

表1 不同日降水量下PM10日平均质量浓度改变量 (mg/m3)

2.3 气温与PM10的关系

格尔木市气温季节性变化明显，夏季高、冬季低，春、秋季基本持平。2016—2020年春、夏、秋、冬季平均气温依次为8.1℃、18.1℃、6.1℃、-5.8℃。从格尔木市气温对PM10污染的影响可以看出(表2)，春季日平均气温在10.0℃～15.0℃之间时，出现污染日的频率较高，日平均气温在5.0℃～10.0℃之间时出现非污染日的频率较高，这表明春季日平均气温高于季平均气温时易出现PM10污染，而日平均气温在季平均气温附近波动时不易出现PM10污染。夏季日平均气温在15.0℃～20.0℃之间时，出现污染日和非污染日的频率基本相当。秋季日平均气温在5.0℃～10.0℃之间时，出现污染日的频率占污染日总数的40.8%，日平均气温在-5.0℃～5.0℃之间时，出现非污染日的频率占非污染日总数的42.5%，说明秋季日平均气温高于季平均值时易出现PM10污染，反之不易出现PM10污染。冬季日平均气温低于0.0℃时，出现PM10污染的日数占污染日总数的88.5%，日平均气温低于-5.0℃时，非污染日占到非污染日总数的67.6%，这说明冬季日平均气温在季平均值附近徘徊时容易出现PM10污染，而日平均气温低于季平均值时不易出现PM10污染。总之，春季和秋季日平均气温高于季平均气温、冬季日平均气温在季平均气温附近徘徊时，较易出现PM10污染，夏季规律不明显。

表2 2016—2020年PM10污染日和非污染日平均温度出现频率统计表 (%)

2.4 湿度与PM10的关系

将相对湿度按不同等级进行划分，分析相对湿度对PM10污染的影响可见(表3)，春季平均相对湿度为26%，相对湿度大于26%时，PM10污染日占春季污染日的55.3%，相对湿度小于26%时，非污染日占春季非污染日的67.0%；夏季平均相对湿度为38%，相对湿度小于38%时，PM10污染日和非污染日分别占到夏季各自总日数的57.4%和52.6%；秋季平均相对湿度为34%，相对湿度小于34%时，PM10污染日占秋季总污染日的85.2%，非污染日占秋季非污染日总数的54.5%；冬季平均相对湿度为36%，相对湿度小于36%时，PM10污染日和非污染日分别占到冬季各自总日数的61.5%和52.9%。总之，春季日相对湿度高于季平均相对湿度时容易出现PM10污染，夏、秋和冬季日相对湿度低于季平均相对湿度时容易出现PM10污染。

表3 2016—2020年PM10污染日和非污染日平均相对湿度出现频率统计表 (%)

2.5 24 h变压与PM10的关系

格尔木市气压特征为秋季高，春、夏、冬季基本持平。2016—2020年秋季平均气压为727.4 hPa，春、夏和冬季平均气压均为724.0 hPa。统计分析格尔木市24 h变压(△P24)对PM10污染的影响(表4)，可以得出，春季△P24为正时(△P24≥0.0hPa)，PM10污染日较多，占其污染日总数的72.7%，△P24为负时(△P24<0.0 hPa)，非污染日占其总数的59.2%；夏季△P24为正时，PM10污染日占其污染日总数的69.2%，△P24为负时，非污染日占其非污染日总数的54.5%；同样，秋季和冬季△P24为正时，污染日分别占各自污染日总数的63.0%和54.9%，△P24为负时，非污染日分别占各自非污染日总日数的50.8%、51.2%；春、夏和冬季△P24在0.0～2.5 hPa时出现污染日的频率最高，秋季△P24在2.5～5.0 hPa时出现污染日的频率最高。综上，春、夏、秋、冬四季24 h变压为正，即24 h内有冷空气侵入时，容易出现污染天气。

表4 2016—2020年PM10污染日和非污染日24h变压出现频率统计表 (%)

2.6 风速与PM10的关系

风速是影响大气扩散条件的重要因素，是大气水平扩散能力的重要指标，它决定大气稀释、扩散能力的大小，是影响空气污染的重要条件[11]。2016—2020年格尔木市春、夏季平均风速分别为2.4 m/s、2.2 m/s，秋、冬季平均风速分别为1.6 m/s、1.5 m/s，春、夏季风速大于秋、冬季。从风速对格尔木市PM10污染的影响可知(表5)，春、夏季日平均风速大于2.0 m/s时，PM10污染日分别占总日数的84.9%、78.0%，风速小于2.0 m/s时，PM10非污染日分别占各自非污染日总数的43.1%、45.3%，这表明春、夏季日平均风速大于季平均风速时，容易出现污染天气，春季出现污染天气的频次高于夏季；秋、冬季日平均风速大于1.5 m/s时，出现污染日的天数分别占各自总数的70.4%、68.6%，风速小于1.5 m/s时，PM10非污染日分别占各自非污染日总数的43.7%、47.4%，表明秋、冬季风速大于季平均风速时容易出现污染天气，秋季出现污染的频次高于冬季。总之，春、夏、秋、冬四季日平均风速大于季平均风速时，容易造成PM10污染。