韶关市PM2.5的时空分布及其与气象因子的关系

梁海发，罗莹华，冯海晴，朱迪迪，陈丽珍，韦博淇

（韶关学院 旅游与地理学院，广东 韶关512005）

在我国绿色生态文明的建设进程中，空气颗粒物污染问题是制约城市生态建设可持续发展的重要因素.PM2.5作为一个检验城市空气质量的参考指标，能够在一定程度上反应一个地区的空气颗粒物污染状况.许多学者针对PM2.5进行了大量的研究.从研究领域来看，国内针对PM2.5污染研究主要聚集在华北地区的京津冀［1-3］、长江三角洲［4］和沿海城市［5］等经济发展水平高的区域.目前，国内学者对 PM2.5 的浓度水平与来源［6］、化学成分［7］、时空分布［8-12］、影响因素［13-14］和气象条件［15-16］等方面都开展了大量系统的研究，为认识PM2.5污染提供了科学的认知.此前，对韶关市PM2.5的研究集中在分析不同粒径颗粒物的相关性方面［17］，缺乏气象因子对韶关市PM2.5时空演变影响的研究.

已有研究表明，掌握当地气象条件和其对大气污染的影响，才能整体开展防治PM2.5污染的工作［18］.因此，本研究基于韶关市区2017年5个大气监测点的PM2.5浓度数据，了解韶关市整体PM2.5浓度的时间和空间分布差异情况，掌握气象因子对PM2.5的作用关系，以期为韶关市环保部门制定相关治理PM2.5污染的法规提供参考.

1 数据来源与方法

1.1 数据来源及处理

本研究数据来源于韶关市环境监测中心.韶关市设有5个国家级的空气质量环境监测点，即曲江监测站、园林处监测站、市八中学监测站、碧湖山庄监测站和韶关学院监测站.本研究的韶关市2017年PM2.5的小时浓度数据由上述5个监测站点提供，经过数学统计分析，求出PM2.5的日、月、季和年平均浓度.

1.2 研究方法

本研究收集了韶关市各监测点24小时的PM2.5浓度和气象参数的小时平均值，利用SPSS 24软件首先对各组数据分别进行K-S（Kolmogorov-Smirnov）统计检验，结果显示各组数据都不符合正态分布，因此采用Spearman非参数分析方法，得出PM2.5与各气象因子的相关系数.数据分析采用 SPSS 24．0软件，绘制图表采用Excel 2010软件.

2 结果与分析

2.1 PM2.5浓度概况

韶关市每个监测点PM2.5的年平均浓度分别为:市八中学38.89μg/m3、碧湖山庄37.96μg/m3、园林处36.70μg/m3、韶关学院35.55μg/m3和曲江监测站42.99μg/m3，其中，韶关市PM2.5年平均值为38.41μg/m3.我国颁布的《环境空气质量标准》（GB3095─2012）［19］法规中空气质量分类等级规定，PM2.5的标准年平均浓度值为35μg/m3.由此可见，韶关市全年的PM2.5浓度都处于较高水平，超过标准限定浓度的9.74%，而PM2.5浓度最高的曲江监测站，其浓度超出标准值的22.83%.因此，韶关市整体的空气质量仍需进一步改善.

2.2 PM2.5时间分布特征

2.2.1 PM2.5浓度季变化规律

按照气象学标准划分四季，2017年韶关市四季PM2.5的浓度数据见图1.从图1可以看出，韶关市PM2.5浓度和每个监测站的 PM2.5浓度的变化一致.其中，韶关市冬季的PM2.5浓度为51.45μg/m3，远远高于其它三个季节，夏季PM2.5浓度最低，为27.31μg/m3，而春季为36.01μg/m3、秋季为38.89μg/m3，两个浓度值相差不大，处于夏季和冬季之间.

图1 每个监测站点和韶关市的PM2.5季节浓度均值

韶关市四季中PM2.5浓度变化规律为冬季浓度最高，春季和秋季的浓度居中，夏季浓度最低.韶关产生这种规律的季节变化的原因为：韶关市冬季受到蒙古-西伯利亚高压控制的影响，气流往地面下沉，导致居民日常生活和工业生产活动中排放的PM2.5污染物大量积累，另外由于降水减少和太阳照射强度减弱等条件不利于PM2.5的扩散流动，所以冬季浓度高.而春季经连绵不断的雨水冲刷和秋季风力条件较好，因而春秋两季的PM2.5污染程度相对较轻.夏季华南地区受到亚热带季风的作用，韶关市常出现降雨大风的天气，可以使PM2.5发生吸附沉降和水平扩散作用，加上夏季地面强烈暴露在阳光下，近地表水分蒸发作用强烈，垂直抬升到空气的水汽增多，因而降低了PM2.5的浓度.

2.2.2 PM2.5浓度月变化规律

韶关市PM2.5浓度月变化规律如图2所示，各监测站点和韶关市PM2.5月均浓度的高低变化走向基本相同，PM2.5月浓度以1月和12月的浓度高，而中间6月至8月浓度低，整体上呈现“V”字型的规律.

图2 各监测站点和韶关市的PM2.5月均浓度变化曲线

2.2.3 PM2.5浓度日变化规律

通过求算每个监测点PM2.5日平均浓度的方式，得出韶关市2017年PM2.5每日浓度变化情况（见图3）.韶关市PM2.5每日浓度分布呈现出连续性的脉冲状变化规律.在冬季、春季和秋季PM2.5浓度变化幅度较大，出现峰值和低谷的次数频繁，有尖峰和深谷的特征，而夏季变化幅度较小，表现出不明显的峰谷特征.整体上来看，春季和冬季的波动周期大约为一周，而夏季和秋季则以15天为一个波动周期.另外，PM2.5日平均值浓度范围是 6.99～145.84μg/m3.最高日平均浓度出现在2017年1月28日，其浓度超过标准值（75μg/m3）的94.45%，当日正值春节，燃放烟花爆竹所产生的烟雾导致空气中PM2.5浓度升高，污染加重.

图3 韶关市PM2.5每日浓度变化图

韶关市PM2.5的24时浓度变化规律大致为双尖峰单深谷的结构特征如图4所示，早上8时到9时出现一个不太明显的峰值，第二个峰值出现在夜间的19时到21时，而下午的14时至16时出现坡谷.产生这种结构特征的原因可能是：人们早上集中乘车、开车上班出行，汽车的尾气排放增多，PM2.5浓度缓慢升高，因此会出现峰值.随后，空气流动作用增强，PM2.5浓度在下午的15时左右回落到最低值.傍晚，下班交通量增大以及生活油烟增多，使得PM2.5浓度在夜晚20时达到一天当中的最高峰.从总体上来看，白天的PM2.5浓度值低于夜晚的PM2.5浓度值.这是由于早上开始地面受阳光照射作用后升温，水蒸气增多稀释PM2.5，因而白天的PM2.5浓度相对较低；而夜晚温度降低，大气由于云层的逆辐射起保温作用，不利于PM2.5扩散，所以夜晚的PM2.5浓度处于较高水平.

图4 韶关市PM2.5的24时浓度变化图

2.3 PM2.5空间分布特征

韶关市PM2.5浓度在同一季节中的每个监测点的分布都不同，如图5所示.从季节来看，曲江监测站的PM2.5浓度在冬季、春季和夏季的分布最高，韶关学院监测站PM2.5浓度最低；而秋季的PM2.5浓度最高值出现在碧湖山庄、PM2.5浓度最低出现在园林处.从全年来看，年平均PM2.5浓度从低到高分别是韶关学院、园林处、碧湖山庄、市八中学和曲江监测站.在5个监测站点中，市八中学和曲江监测站的PM2.5年均浓度值明显大于韶关市年平均值.这两个监测点附近分布着韶关冶炼和韶关钢铁两类重工业，生产过程中排放的污染物较多，导致PM2.5污染较为严重.而碧湖山庄、园林处、韶关学院这3个监测点附件多分布着商业区和生活住宅区，人口集中且植被覆盖面较广，因而PM2.5污染轻微.

图5 PM2.5在不同季节和全年的空间分布特征图

2.4 韶关市PM2.5与气象因子的相关性

本研究采用SPSS 24.0软件分析了2017年韶关市PM2.5的季平均浓度、年平均浓度与气象因子的相关性，系数结果如表1所示；而计算PM2.5年平均浓度与每个监测站点的温度、湿度和风速的相关系数如表2所示.

表1 韶关市PM2.5季平均浓度、年平均浓度与气象因子的相关系数

表2 每个监测点PM2.5的年平均浓度与气象因子的相关系数

2.4.1 PM2.5与温度的关系

从全年看，韶关市PM2.5浓度和温度的相关系数为－0.705，表现为显著负相关.但春季和夏季的PM2.5浓度却和温度呈正相关作用，可能是因为春夏季阳光充足，地面温度升高会增强空气中PM2.5的作用活性.由此表明，不同季节的温度对PM2.5浓度会产生不同的影响.5个监测站的PM2.5浓度与温度都呈负相关，尤其以市八中学和曲江监测站的相关系数最高，分别为0.807和0.804.

PM2.5浓度变化整体上随着温度的升高而降低，这符合负相关作用的机理.PM2.5浓度变化会受到多重气象因子的共同作用，韶关市春夏季存在有高温多雨的条件，虽然高温使PM2.5活性增强，但由于空气中水汽含量增加使PM2.5得到稀释作用，所以春夏季的PM2.5浓度不高，而秋冬季温度低和降水少等不利条件，引起PM2.5污染物的大范围积累.

2.4.2 PM2.5与湿度的关系

根据表1和表2的相关系数，韶关市全年PM2.5浓度和湿度呈负相关，但没有通过0.01和0.05级别的显著性，说明两者相关性不强.其中，PM2.5浓度和湿度变化的方向大致相反，表明湿度增大，PM2.5浓度就会随之减小.这与韶关市夏季降水多有关，雨水的冲刷作用能够带走部分污染物，因而PM2.5浓度降低；在冬季，降水少空气干燥，因而对PM2.5的扩散作用相对较小，浓度维持在较高水平.

2.4.3 PM2.5与风速的关系

韶关市PM2．5浓度和风速呈显著负相关，其中对降低碧湖山庄和园林处的PM2.5浓度作用尤为明显.韶关市不同季节所存在的风场不同，夏季风向主要为西南和东南风向，冬季风向主要为东北风向.韶关市全年的风速集中为一级风和二级风，且大部分覆盖在秋季和冬季，风速级别偏小不利于大气中的PM2.5扩散.当风速为三级时，PM2.5浓度在6月处于最低点.它表明风速越高，PM2.5扩散得越快，浓度越低.

3 结论与建议

3.1 结论

韶关市2017年的PM2.5年平均浓度为38.41μg/m3，总体上属于轻度污染，空气质量仍需进一步改善.从时间尺度分布规律来看，韶关市四季中PM2.5浓度变化规律为冬季浓度最高，春季和秋季的浓度居中，夏季浓度最低.月浓度以1月和12月的浓度高，而中间6月至8月浓度低，整体上呈现“V”字型的规律.PM2.5每日浓度分布呈现出连续性的脉冲状变化规律，此外白天的PM2.5浓度值低于夜晚的PM2.5浓度值，表现为双尖峰单深谷的结构分布特征.在空间分布差异上看，PM2.5浓度的空间分布梯度规律从高到低排列为，曲江监测站、市八中、碧湖山庄、园林处和韶关学院.PM2.5浓度变化会受多重气象因子共同作用，结合韶关市PM2.5浓度和气象因子的相关系数得出，全年的PM2.5浓度与温度、湿度和风速呈负相关，相关系数分别为-0.705、-0.38和-0.634，其中温度和风速都通过0.05级别显著性相关，说明温度和风速对降低PM2.5浓度有着不可或缺的影响.

3.2 建议

根据韶关市的PM2.5分布差异，需要制定针对性强，可操作性好的措施，以改善韶关的空气质量.在全市各大中小学等场合普及推广PM2.5污染的相关知识，提高全民对空气污染现状的认识；全面推进绿化工程的建设，积极推动旅游产业的发展，排查污染重工业企业的废弃排放并使其得到整改落实.本研究的篇幅仅为1年，且监测站点集中在韶关市区附近，监测范围并未完全覆盖到其它的偏远地区，监测数据含有不可避免的误差，对综合认识韶关市大气PM2.5污染分布规律有一定的影响.