许昌城区大气污染物变化特征及其影响要素研究

王 琛

（河南省许昌市气象局，河南 许昌 461000）

0 引言

随着我国经济的高速发展及城市化进程的不断推进，大气颗粒污染物已成为影响我国城市空气质量的首要因素［1］。PM2.5和PM10是我国环境空气质量标准基本污染物项目，分别指空气动力学当量直径小于等于2.5µm和10.0µm的颗粒物［2］。目前，国内外学者针对大气污染物进行了许多研究，研究内容主要包括污染物特征分析［3-4］、来源解析［5-6］、污染成因以及污染物与气象要素的关系［7-9］等方面。研究表明，不同地区的大气颗粒物污染存在显著差异，污染源和当地气象条件是影响其污染程度的重要指标。

中国环境监测总站“全国城市空气质量实施发布平台”发布的数据表明，河南省一直是全国大气污染最严重的地区之一。但近年来，大量观测及研究都集中在长三角［10-11］、珠三角［12］以及京津冀等地区［13］，也取得了许多成果，而对于许昌市这类污染较严重的非省会城市的研究较少，仅王爱琴对许昌市PM2.5污染特征进行了初步研究［14］。许昌市位于中原腹地，属暖温带季风气候，是中原经济区核心城市之一，也是全国19个“国家生态园林城市”之一。通过开展许昌市颗粒污染物变化特征及其与气象要素的相关关系研究，不仅能够为许昌市污染防治提供科学依据和数据支撑，也能为中原经济区及周边城市污染防治提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

许昌市位于中原腹地，伏牛山脉东麓，平均海拔72.8 m，属于暖温带季风性气候。平均降水量600～700 mm，多集中在夏季。按《环境空气质量监测点位布设技术规范（试行）》（HJ 664—2013）中的要求，许昌市城市建成区内设有5个监测点位，5个监测站点均为空气质量自动监测国控点。监测点位的选取均符合国家相关技术规范要求，监测数据具有良好的代表性、准确性和可比性。

1.2 数据来源

5个空气质量自动监测子站均采用美国Ther-moFisher公司生产的1405F系列仪器（微量振荡天平法）对颗粒污染物质量浓度进行监测。监测过程严格按照《环境空气质量自动监测技术规范》（HJ/T 193—2005）中的相关技术规定和质量控制要求，对仪器进行定期校准、巡检和维护保养，确保仪器运行正常。常规地面逐时气象观测数据来自许昌市气象局，包括风速风向、温度、湿度和降水等，气象数据和颗粒物原始数据均为小时平均值。

2 结果分析

2.1 PM2.5与PM10年际变化特征

从表1得出，2016—2018年PM2.5浓度年均值呈逐年下降趋势，PM10浓度年均值2017年较2016年有所下降，2018年较2017年有所回升。2016—2018年PM2.5和PM10日均浓度超标率分别为27.3%、26.6%、24.4%和26.0%、18.8%、18.3%，均呈下降趋势。PM2.5和PM10日均浓度二级达标率分别为72.6%、73.4%、75.6%和74.0%、81.2%、81.7%，均呈上升趋势。2016—2018年PM2.5日均浓度超标率均高于PM10，说明细颗粒物污染较为严重。

表1 2016—2018年PM2.5与PM10日均浓度达标率

2.2 PM2.5与PM10浓度月、季变化特征

2016—2018年PM2.5与PM10月均浓度基本呈现“V”型变化，最低值出现在7月，最高值出现在1月或12月（见图1）。PM2.5与PM10浓度1—7月整体呈下降趋势，8月以后浓度持续升高，到冬季12月或1月，PM2.5与PM10浓度达到全年最高值。PM2.5月均浓度在9月、10月有起伏变化，PM10浓度在3—5月有波动变化。

图1 PM2.5与PM10浓度月变化图

分析2016—2018年PM2.5与PM10质量浓度季节变化可得（见图2），夏季PM2.5与PM10平均浓度最低，冬季最高，PM10春季浓度高于秋季。夏季多晴热高温，大气对流运动强，夏季降水较多，这几个条件均有利于污染物的扩散和消除。冬季温度下降太阳辐射减弱，日照时间短，出现长时间的逆温可能性高，此外作为北方城市，冬季烧煤取暖，也会导致污染物浓度较高。PM10春季浓度高，可能是由于春季风速较大，气流与地面摩擦产生的沙尘颗粒、施工扬尘等含粗粒子较多而细颗粒较少［15］。

图2 PM2.5与PM10浓度季节变化图

2.3 PM2.5与PM10浓度日变化特征

PM2.5与PM10平均浓度各站点间日变化趋势基本一致（见图3）。PM2.5平均浓度日变化呈单峰单谷型，PM10平均浓度日变化呈双峰双谷型。其原因可能是夜晚累积的大气污染物难以扩散，加上出行早高峰，机动车排放的污染物逐渐增多，堆积速度大于扩散速度，导致污染物浓度在9：00到10：00左右达到了第一个峰值。之后随着温度不断升高，湍流混合逐渐加强，对流加快，污染物易于稀释和扩散，污染物浓度有所降低，污染物浓度在16：00到17：00左右下降到谷值。随后随着气温下降，湍流减弱，再加上晚高峰的到来，污染物浓度再次升高［16-17］。其中，市一中监测点由于地处市中心，靠近学校，车流量较大，故污染物浓度高于其他几个监测点。

图3 PM2.5与PM10浓度日变化图

3 气象因子对PM2.5与PM10浓度的影响

气象要素是影响大气污染物累积、扩散的重要因素［18］，通过计算许昌市PM2.5和PM10浓度与温度、降水、风速、相对湿度4个气象因素的Spearman秩相关系数，研究分析许昌市不同季节PM2.5和PM10质量浓度与气象要素的相关关系。

从表2中可以发现，PM2.5浓度在春、夏、秋季与气温呈显著负相关，随着气温的升高，大气对流作用逐渐增强，PM2.5与PM10污染物更易扩散［19］；在冬季PM2.5、PM10浓度与气温均呈显著正相关，冬季气温较低，气温降低多出现冷空气或降雪天气，有利于污染物的稀释与扩散。污染物浓度与降水量均呈现负相关，降水主要通过湿沉降来降低污染物的浓度，对比相关系数可以看出，降水对PM10污染物清除效果更好［20］。PM2.5浓度与相对湿度在春季、冬季呈显著正相关，在夏季呈显著负相关；PM10浓度和相对湿度在春、夏、秋季呈显著负相关，在冬季呈显著正相关。污染物浓度与风速在春、夏、秋、冬四季均呈显著负相关。风对颗粒物的影响主要是物理作用，风速大小影响着颗粒物的传输和扩散等［21］。

表2 不同季节PM2.5、PM10浓度与气象要素的相关性

4 结论

利用许昌市城区5个国控监测点位PM2.5、PM10的日监测数据，研究2016—2018年许昌城区大气颗粒物质量浓度变化特征及其与气象要素的关系，得出以下结论。

①2016—2018年许昌城区大气颗粒物污染情况有所好转，颗粒污染物平均浓度和超标率逐年降低。PM2.5浓度超标率高于PM10，细颗粒物污染较为严重。

②颗粒物浓度月变化趋势呈“V”型变化，1—7月下降，7—12月上升，季节变化特征为冬季浓度最高，夏季浓度最低。PM2.5平均浓度日变化呈单峰单谷型，PM10平均浓度日变化呈双峰双谷型。

③PM2.5和PM10浓度与气象要素的关系存在季节性差异。在春、夏、秋季与气温呈负相关，冬季与气温呈正相关。与降水量在春、夏、秋季呈负相关，且对PM10浓度影响更大。PM2.5浓度与相对湿度在春、冬季呈正相关；PM10浓度和相对湿度在春、夏、秋季呈负相关，在冬季呈正相关。与风速在春、夏、秋、冬四季均呈负相关，对PM2.5浓度影响更大。