淄博市环境空气质量特征及与气象条件的关系

方 斌，刘厚凤

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)

1 引言

环境空气作为人们赖以生存的必要条件之一，其重要性不言而喻。我国当前的大中型城市人口较多，由大量的资源消耗引发的环境污染越来越严重，有研究表明，空气污染已经成为了重要的致癌原因之一[1]，因此，对城市大气环境质量的研究也已经越来越成为当前研究的主要课题[2]。相关研究表明，气象条件与城市空气质量有着密切的联系[3,4]，研究两者的变化规律及典型重污染时间段内的气象特点，有利于更加深入地理解两者之间的关系[5]，并为以后的空气质量预报提供更好的参照。

淄博位于中国华东地区，是山东重要的陶瓷、建材、化工中心，煤炭资源较丰富，环境空气质量较差，是山东省空气污染较为严重的地区之一。本文利用2013～2015年淄博市的空气质量资料和同期的气象资料，探讨了淄博市近3年的空气质量变化特点及气象条件对其的影响，以期为城市大气环境的规划和预防治理提供一定的科学依据。

2 空气质量特征分析

2.1 年际变化特征

图1 2013～2015年淄博市空气质量年际变化特征

从图1可以看出，近3年以来，淄博市空气质量等级以三级为主，占统计天数的42.8%，二级次之，占35.53%，天数最少的是一级天数，不到占统计总天数的1%，由此可以看出淄博的空气优良天数占比较低，空气质量整体较差。从AQI的年际变化来看，2014年淄博空气质量最差，AQI均值为134；2013年最好，AQI平均值为113。

从首要污染物来看，淄博市近3年空气质量首要污染物以PM2.5为主，占非一级空气质量的62%，其次是PM10，其他污染物成为首要污染物的天数较少，这表明淄博市颗粒物的污染是最为严重的。2015年淄博市PM2.5为首要污染物的天数为205 d，PM10为首要污染物的天数为149 d，两者占非一级空气质量天数的98%以上，颗粒物的主要来源包括扬尘风沙，机动车的尾气排放以及工厂企业的烟囱排放等[7]，淄博是山东省老的工业城市之一，这可能是导致其颗粒物污染最为严重的原因之一[8]。

2.2 时空变化特征

从表1和图2可以看出，淄博市各污染物月均值呈现较好的规律，PM10最大浓度出现在12月份，PM2.5和SO2最大浓度出现在1月份，各污染物最小浓度基本出现在6、7、8月份，臭氧浓度6月份最高，12月份最低。11月至次年3月为淄博的采暖季，采暖期污染物排放增加[9]。

表1 淄博各污染物月均浓度 μg/m3

图2 各污染物月均变化

从表2可以看出，淄博市高青、桓台和沂源3县空气质量较好，各项污染物浓度均低于其他区县，空气质量较差的区县为张店、淄川和周村。

表2 淄博市各区县污染物年均浓度

3 空气质量与气象条件的关系

3.1 AQI与地面常规气象因素的相关性分析

(1)降水。一般来讲，大气中的气态污染物较易溶于水，因此，降水能够有效的清除大气中的各类污染物，对于抑制扬尘和净化空气具有一定的作用，对于颗粒物的清楚作用更是尤为明显[10]，表3是不同降水日AQI 和PM2.5的相关统计。

表3 降水、AQI和PM2.5的相关关系

从表3可以看出，降水对空气质量的影响是即时且强烈的，降水量越大，AQI的值越低，PM2.5的浓度更低，使大气能见度改善[11]，空气质量优良的概率也有了较大提高。由此可见，降水对淄博市空气质量的改善具有十分重要的作用[12]。

(2)风速。通常来讲，风速与污染物的浓度成反比，即风速越大，污染物浓度越低。这是因为风能够稀释大气中的污染物，并且随着距离的增加，风对污染物稀释的作用更为显著，风速较少甚至是静风的时候，污染物不容易扩散[13]。有研究表明， 当风速较小时，比较容易出现重污染天气，当风速较大(大于6 m/s)时，污染物的稀释和扩撒较为强烈，即使是污染物较多时空气质量也有可能较好[14,15]。

(3)气温。气温对空气质量有显著的影响，温度的高低一定程度上决定了大气污染的程度，这是因为低温时对流较差，更容易出现逆温层，污染物难以稀释，导致浓度的积累，而温度高时，对流较强，有利于污染物的扩散[16]。

从表4可以看出，温度大于20 ℃时，平均AQI 最高，空气质量优良率为44%，温度为0 ℃以下时，平均AQI 最低，空气质量优良率也是最低。由此可以看出，气温对空气质量有显著的影响。

表4 气温对空气质量的影响

利用SPSS软件，通过对2013～2015年淄博市的平均AQI和同期的气象要素相关分析，得出它们的Pearson相关系数如表5。

表5 淄博市AQI与气象因素的相关系数

注：*在 0.05 水平(双侧)上显著相关，**在 0.01 水平(双侧)上显著相关

从表5得出，从日相关关系来看，淄博市AQI 与降水量成负相关关系，其在夏季关系更为显著；与气温除在秋季外成正相关关系；与相对湿度在春夏季负相关，秋冬季正相关，但秋季未通过显著性检验；与风速除夏季外均成负相关关系；与气压的相关系数只在冬季成负相关并通过了显著性检验。从月相关关系来看，AQI与风速、相对湿度未通过显著性检验，与降水、气温、湿度均成负相关，与气压成正相关关系[17]。

3.2 较高污染指数的天气形势分析

为了更好地了解城市空气质量与气象条件之间的关系，选取了2015年12月17～27日的典型重污染过程，其中最高AQI达到487，在空气质量级别中为六级，该时段内的污染物浓度及基本气象条件见表6。

表6 12月17日～12月27日AQI指数与气象条件

该时段为全年污染最严重的时段，整个重污染过程从12月19日持续到25日，且其中12月24日的PM2.5、PM10浓度分别为402 μg/m3和μg/m3，AQI达到全年最大的487。从气象条件变化来看，发生重污染过程时的湿度明显较大，风速明显较小；连续几日的较大湿度和较小风速是形成颗粒物重污染的原因之一，从温廓线来看，12月19日之前，在150～250 m高度处始终存在逆温层，其厚度变化程度不大；20日8时，逆温层短暂消失，在20时再次出现在100～150 m高度处，且持续到22日8时；逆温层再出现时厚度并不大，但发生逆温的高度变低，使得近地面的污染物不易扩散。24日20时，逆温再次出现，且持续到26日8时，期间逆温层厚度一直较大且发生逆温的高度较低，从而使得污染十分严重[18]。

图3、图4为污染最严重的12月24日淄博地表风场和地面气压场图，从上图可以看出，24日山东上空环流较为平直，基本处于偏西气流的控制之下，受来自内陆冷空气影响，风速较小，加上淄博地面气压基本处于等压场中，污染物难以扩散[19,20]。24日之后，风速变大，地面气压变小，对污染物的扩散起到了一定的作用。

4 结论

(1)淄博市近3年空气质量较差，空气质量等级以三级出现的天数最多，2015年相对于2014年空气质量有所改善。淄博市空气质量首要污染物以PM2.5为主，其次为PM10。

图3 2015年12月24日淄博地面风场

图4 2015年12月24日地面气压场

(2)淄博市空气质量有明显的时间特征，AQI夏季月份最低，除O3外，其他污染物的浓度大部分也是6、7、8月最低，冬季污染物浓度较高。各区县中，张店区、淄川区和周村区空气质量最差，高青县、沂源县和桓台县空气质量较好。

(3)气象条件如降水、温度、风速、气压对空气质量都有影响，AQI与各气象要素的月相关系数较高。

(4)淄博市典型的重污染过程是污染源和气象条件共同作用的结果，污染最严重的时刻对应典型的不利天气形势，改善空气质量不仅要考虑污染源因素，也要考虑气象条件的影响。

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