环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (1): 34-41  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.25

引用本文  

杨雪玲, 王颖, 李博, 等. 河谷地形气象要素对污染物浓度的影响[J]. 环境科学研究, 2018, 31(1): 34-41.
YANG Xueling, WANG Ying, LI Bo, et al. Influence of Meteorological Elements on Pollutant Concentration in River Valley Terrain[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(1): 34-41.

基金项目

国家自然科学基金项目(41205077)
Supported by National Nature Science Foundation of China (No.41205077)

责任作者

王颖(1975-), 女, 吉林四平人, 副教授, 博士, 主要从事大气边界层和空气污染模拟研究, yingwang@lzu.edu.cn

作者简介

杨雪玲(1990-), 女, 陕西宝鸡人, yangxl11@lzu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-05-25
修订日期:2017-08-17
河谷地形气象要素对污染物浓度的影响
杨雪玲1 , 王颖1,2 , 李博1 , 张稼轩1 , 赖锡柳1,3     
1. 兰州大学大气科学学院, 甘肃 兰州 73000;
2. 兰州大学半干旱气候变化教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000;
3. 柳州市气象局, 广西 柳州 545001
摘要:气象条件对环境空气质量影响的研究是科学制订大气环境污染防控方案、及时发布重污染天气应急预警的基础.利用兰州市西固区环境空气质量监测点2015年主要污染物小时浓度监测值,分析了污染物浓度的季节性变化和日变化特征,结合同期观测的气温、风速、相对湿度和降水量等气象资料,探讨了气象要素对污染物浓度变化的影响.结果表明:①除O3外,其他污染物质量浓度呈"冬高夏低""早晚高下午低"的变化特点,这与表征污染物扩散能力的边界层参数变化特征一致. ②ρ(O3)春季为71.42 μg/m3,夏季为62.74 μg/m3,春季高于夏季的主要原因是春季O3的前体物NOx质量浓度高于夏季且春季扩散条件弱于夏季. ③除O3外,其他污染物质量浓度与气温、风速呈负相关. ④当相对湿度 < 40%时,污染物质量浓度与相对湿度呈正相关;当相对湿度>80%时,污染物质量浓度与相对湿度呈负相关;降雨对不同污染物的清除效果不同.研究显示,河谷地形气温和风速是影响污染物扩散的重要气象因子.
关键词西固区    大气污染物    质量浓度分布    气象要素    
Influence of Meteorological Elements on Pollutant Concentration in River Valley Terrain
YANG Xueling1 , WANG Ying1,2 , LI Bo1 , ZHANG Jiaxuan1 , LAI Xiliu1,3     
1. Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
2. Key Laboratory of Semi-Arid Climate Change, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
3. Liuzhou Meteorogical Butean, Liuzhou 545001, China
Abstract: The effect of meteorological elements on ambient air pollutants concentrations play a crucial role in planning air pollution control strategies, and preventing or responding quickly to air quality deterioration. One-year series of hourly average air pollutant concentration observations at a monitoring stations located in Xigu District of Lanzhou City, was analyzed to gain seasonal and diurnal variation of pollutant concentrations. Furthermore, meteorological factors, such as wind speed, temperature, relative humidity, and precipitation at the same station, are employed to evaluate the relationship of meteorological elements and pollutant concentration. The result shows: (1) Except ρ(O3), other pollutants demonstrate the features of 'higher concentration in winter than in summer' and 'higher concentration in the morning and in the evening than in the afternoon', which is consistent with seasonal and diurnal variation of boundary layer parameters indicating the pollutant diffusion capacity. (2) Ozone concentration is 71.42 μg/m3 in spring and 62.74 μg/m3 in summer, ozone's precursor (NOx) concentration is higher and diffusion condition is disadvantage in spring than in summer which leads to O3 higher concentration in spring. (3) Except ρ(O3), the other pollutants were negatively correlated to air temperature and wind speed. (4) When the relative humidity < 40%, the pollutant concentration positively correlated to the relative humidity, while the pollutant mass concentration was negatively correlated to the relative humidity when the relative humidity > 80%, Rainfall shows different removal depends on the type of pollution.
Keywords: Xigu District    air pollutants    concentration distribution    meteorological elements    

近年来,随着经济的快速发展和城市化进程的加快,越来越多的污染物排放到大气环境中,污染物之间源和汇的相互交错、污染转化过程的耦合作用和环境影响的协同效应使得大气氧化性增强、大气能见度显著下降,环境污染问题变得复杂[1-3],导致我国以PM2.5和O3为特征的区域复合型空气污染问题日益严峻[4-5].

区域污染物排放量和大气扩散条件是影响城市空气质量的重要因子[6],在区域污染物排放量一定的条件下,城区空气质量的优劣取决于大气扩散的能力.大气扩散条件由风向、风速、温度、相对湿度等气象因子决定.为研究城市空气质量变化的污染气象成因,许多学者针对不同城市的大气污染问题开展了大量研究.屠月青等[7]研究表明,PM10是影响哈密市空气质量的主要因子,气温日较差、日净地表辐射越大、能见度越好,越有利于污染物的扩散和稀释,空气质量就越好.徐鹏等[8]研究表明,重庆市北培区ρ(O3)与气温和风速呈显著或极显著正相关,与相对湿度呈极显著负相关; 而ρ(NOx)分布与各气象要素的关系与ρ(O3)正好相反; ρ(PM2.5)与气温和风速呈负相关,与相对湿度呈正相关; ρ(SO2)与气温、风速和相对湿度的相关性在不同的季节表现不同.黄菊梅等[9]研究表明,岳阳市区各种污染物浓度与平均气温、相对湿度、降水量呈显著负相关,部分污染物浓度与风速显著负相关.陈雷华等[10]研究表明,不同季节与ρ(PM10)呈显著线性相关的气象因子不同,其中降水量与ρ(PM10)在各个季节均呈显著负相关; 气温与ρ(PM10)在夏季呈显著正相关,在春季和秋季呈显著负相关; 相对湿度与ρ(PM10)在冬季呈显著正相关,在其他季节呈显著负相关; 风速与ρ(PM10)呈显著负相关,是影响秋季和冬季污染物输送迁移的主要因素之一.其他研究小组对国内不同地区污染气象成因进行了大量的研究[11-15].上述研究表明,不同地区气象要素对污染物浓度分布的影响程度不同,研究不同地区大气污染气象成因对该地区污染的治理有重要的意义.

兰州市西固区位于兰州市西郊,南北两山对峙并向黄河谷地倾斜,形成西南及南部高、东北低的盆地地形.西固区是中国西部最大的石油化工基地,是兰州市主要工业污染源聚集区,其SO2和NO2排放量分别占兰州市污染物排放总量的41%和53%[16],污染物排放呈现以高架源为主、排放强度高的特点.污染物排放量大及独特地形形成的不利扩散条件使西固区的大气污染一直比较严重.很多学者利用污染物浓度的日均值和观测的气象资料进行统计分析,研究了兰州市总体环境质量与气象因子间的相关关系,探讨了河谷地形复杂下垫面的气象因子对污染物扩散的影响[17-20].变量相关分析因子选择过程中各因子之间为独立变量时分析结果最客观.当变量之间存在某种相关关系时,会使得某些自变量对因变量影响的显著性被隐藏起来,片面地加强某些变量的影响程度,致使主要因素的贡献率产生变化,严重地影响分析结果的客观性[21-23],各变量因子间的独立性直接影响相关分析结果.无论是污染物浓度还是气象因子,都具有明显的日变化特征[25-26],1 h内的气象场可以看作是定常的,利用气象要素的小时值做相关分析更合理[24];另一方面,下垫面为复杂地形时,选取与环境空气质量监测点具有一定距离的单点气象资料的代表性不强.因此,对同一地点监测的污染物逐时浓度和观测的气象因子的小时值进行统计分析,可以更合理的表征复杂地区污染物分布特征,揭示复杂地形污染气象成因.

该研究利用兰州市西固区兰炼宾馆国控站点监测的2015年SO2、NOx、O3、CO、PM10、PM2.5小时浓度数据分析了污染物浓度的季节变化和日变化特征;结合同一站点同期观测的气温、风速、相对湿度、降水量等气象要素资料,探讨了西固区局地气象条件对污染物浓度分布的影响.进一步了解该地区的污染气象成因及大气污染物扩散规律,以期为该地区大气污染治理和区域的大气污染防控提供科学依据,为发布环境空气质量预警提供理论支持.

1 材料与方法 1.1 数据来源

污染物浓度和气象要素观测数据来源于兰州市环境空气质量国控站点兰炼宾馆的逐时监测资料.监测点(兰炼宾馆)位于兰州市西固工业集中区内,其北侧约1 km处分布有西固电厂、兰州石化的炼油厂、催化剂厂、橡胶厂和乙烯厂等,南侧为行政办公、文化教育、金融商业、居民生活混合区.兰炼宾馆监测点位与西固区主要污染源的位置关系如图 1所示.

图 1 兰炼宾馆监测点位与周边主要污染源的位置关系 Fig.1 The location of Lan Lian hotel air quality monitoring station and the primary pollution sources nearby

监测的污染物种类有SO2、NOx、O3、CO、PM10、PM2.5等6种.气象观测要素主要有气温、相对湿度、风速、降水量等.污染物浓度的监测时间和气象要素的观测时间为2015年1月1日—12月31日.

1.2 分析方法

选用统计学变量平均值(M)和相关系数(R)分析污染物浓度的分布及其与气象要素的相关性.

$ M = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{X_i}} $ (1)
$ R = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {\left[{({P_i}-\overline P )({O_i}-\overline O )} \right]} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^N {{{({P_i} - \overline P )}^2}} } \times \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^N {{{({O_i} - \overline O )}^2}} } }} $ (2)

式中,Xii时刻污染物浓度或气象要素值,N为时间序列的长度,Pii时刻的污染物浓度,P为污染物浓度的平均值,Oii时刻的气象要素值,O为气象要素平均值.

2 污染物浓度变化特征

为掌握西固区环境质量变化情况及污染物浓度分布特征,利用2015年西固区污染物的逐时监测数据,评价区域空气质量现状及变化趋势,分析污染物质量浓度的季节变化和日变化特征.

2.1 2015年西固区环境质量概况

根据监测的ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(PM10)和ρ(PM2.5)小时均值,对比GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准限值,统计了各污染物浓度的超标时间、最大值、最大超标倍数等,结果见表 1.其中,ρ(O3)日均值采用日最大8 h平均值,其他污染物浓度日均值采用24 h平均值.

表 1 污染物浓度超标情况统计 Table 1 Statistics of pollution concentrations exceeding air quality protection regulation

表 1可见,2015年兰州市西固区ρ(PM10)日均值超标时间最多,超标倍数最大,是影响区域环境质量的首要污染物;SO2和CO质量状况最好,日均浓度、年均浓度均达到GB 3095—2012二级标准限值;从不同时间分辨率来看,ρ(NOx)和ρ(O3)小时均值存在超标现象,超标时间分别为95、110 h,小时浓度最大值分别为493.25、397.54 μg/m3,最大超标倍数分别为0.97、0.99;ρ(PM10)、ρ(PM2.5)和ρ(NOx)日均值存在超标现象,超标时间分别为108、87、73 d,最大值分别为467.58、176.92、231.61 μg/m3,最大超标倍数分别为2.12、1.36、1.32;ρ(PM10)、ρ(PM2.5)和ρ(NOx)年均值均存在超标现象,最大超标倍数分别为0.79、0.67、0.42.

2.2 污染物浓度季节变化特征分析

2015年兰州市西固区ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(PM10)和ρ(PM2.5)的季节变化如图 2所示.由图 2可见,除O3外,其他污染物浓度均呈“夏低冬高”的趋势,与其他学者的研究结果[25-26]一致.冬季污染物浓度普遍较高的原因是供暖期间污染物排放量最大,由于西固区属于河谷盆地的特殊的地形,冬季逆温频发,强度大,呈多层结构的特征[27].这种逆温结构稳定,即使最底层贴地逆温被破坏,上层逆温的存在也使污染物扩散受到抑制,造成冬季污染物浓度高于其他季节.另外冬季混合层高度低,最大混合层厚度仅有716 m[28],山谷的地面气流不可能沿山坡爬升,只能在山谷中回绕,地面污染物不会通过平流或抬升方式向外输送,造成污染物的累积[29],进一步加重冬季空气污染.而夏季污染物浓度普遍较低,一方面原因是夏季辐射增强,混合层高度高,最大混合层厚度达2 074 m[28],有利于污染物扩散,另一方面是污染物排放量较冬季低.

注:ρ(CO)的取值需×100. 图 2 2015年兰州市西固区ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(PM10)和ρ(PM2.5)的季节变化 Fig.2 Seasonal variation of SO2, NOx, O3, CO, PM10 and PM2.5 concentrations in Xigu District, Lanzhou City, 2015

与其他污染物季节变化特征不同,ρ(PM10)和ρ(O3)春季较高. ρ(PM10)春季较高主要原因是春季西固区冷空气和气旋活动频繁容易产生大风天气[30],并且春季干旱少雨,持续干暧的气候致使当地土质疏松,容易被大风吹起形成沙尘天气所致;ρ(O3)高值出现在春季与O3的形成机制有关,O3是由NOx和VOCs(挥发性有机物)在紫外线作用下光化学反应生成,春、夏季光照强,O3生成效率高,O3的前体物NOx春季质量浓度高于夏季,有利于O3的生成,而且春季扩散条件弱于夏季,不利于O3扩散,导致ρ(O3)春季最高.

2.3 污染物浓度日变化特征

2015年兰州市西固区ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(PM10)和ρ(PM2.5)的日变化如图 3所示.由图 3可见,ρ(NOx)、ρ(CO)、ρ(PM10)和ρ(PM2.5)的日变化特征呈“双峰型”,ρ(SO2)在春、夏、秋季呈单峰型,冬季呈“早峰晚峰”的双峰型,ρ(O3)的日变化特征为“单峰型”.西固区污染源以高架源为主,排放高度大于100 m,而兰州地区贴地逆温的厚度在300~700 m[31],夜间排放的污染物聚积在逆温层内,垂直向扩散受到抑制,污染物地面浓度降低;日出以后地面吸收太阳短波辐射气温逐渐回升,热力湍流增强,逆温结构被破坏,这时逆温层上部积聚的污染物被热对流带到地面,发生“熏蒸”现象[32],使地面污染物浓度增加,这种“熏蒸”现象发生时段与辐射逆温层的消散过程完全一致;另一方面,随着人们生产、生活活动增多导致污染物的排放量增加,污染物浓度逐渐增大,到08:00—10:00达到峰值.随着太阳辐射增强,气温回升,大气处于不稳定状态,湍流交换和垂直扩散能力较强,污染物浓度逐渐降低,在15:00左右出现谷值.日落后,太阳辐射冷却,夜间稳定边界层高度逐渐降低,污染扩散能力削弱,污染物浓度逐渐升高,形成了夜间21:00左右的另一个峰值. ρ(O3)峰值出现在13:00左右,此时太阳辐射增强,大气氧化性增强,NOx发生光化学反应生成O3的速率增强,因此ρ(O3)较高;ρ(O3)峰值出现时刻与ρ(NOx)递减率最大时刻对应.

图 3 2015年兰州市西固区ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(O3)、ρ(CO)、ρ(PM10)和ρ(PM2.5)日变化 Fig.3 Diurnal variation of SO2, NOx, O3, CO, PM10 and PM2.5 concentrations in Xigu District, Lanzhou City, 2015

此外还可发现,冬季各污染物的小时浓度峰值出现时刻落后于其他季节1~2 h,主要原因是冬季逆温层消散时间比其他季节晚1~2 h[33-34].

3 气象要素与污染物浓度的影响分析

污染源的分布、排放情况和大气扩散能力是影响城市空气质量的重要因子.气象条件通过影响近地面大气扩散能力,进而影响近地面污染物的浓度分布.

3.1 气温、风速、相对湿度与污染物浓度相关性分析

2015年西固区污染物小时浓度值与气象要素相关系数计算结果如表 2所示.由表 2可见,气温和风速是影响污染物浓度分布的重要因素,除ρ(O3)外,各污染物浓度分布与气温、风速呈负相关,高温大风天气时污染物浓度低,随着气温的升高,风速的增大,大气湍流能力增强,边界层高度抬升,有利于污染物的扩散,污染物浓度降低. ρ(O3)与气温、风速呈正相关,气温高时太阳辐射强度较大,大气氧化性强,大气光化学反应速率增强,大气中的过氧自由基HO2、RO2引起NO转化为NO2,NO2积累光解转化为O3这一系列反应加剧,导致ρ(O3)增加;风速值与ρ(O3)成正相关,有研究表明观测到地面ρ(O3)小时峰值与地面风速峰值出现时间对应[35-37],但很少有风速增大导致ρ(O3)增大研究结论,关于风速对O3的影响机制还有待进一步研究.

表 2 各污染物小时浓度值与气象要素小时均值的相关性统计 Table 2 Correlation between hourly average pollutant concentrations and hourly average meteorological parameters

为研究相对湿度对污染物浓度分布的影响,该研究根据不同相对湿度等级对于气溶胶浓度谱分布的影响[38]将相对湿度分为3个等级,分析不同湿度等级对污染物浓度的影响.由表 2可见,当相对湿度小于40%时,除ρ(O3)外其他污染物质量浓度与相对湿度呈正相关.水汽的存在有利于污染物的生成转换,湿度增加,污染物的浓度变大;当相对湿度大于80%时,气体粒子液化成凝结核,随着水汽的增多,污染物通过碰并、吸湿、凝聚作用变大产生沉降,污染物浓度随着湿度的增大反而降低,相对湿度在40%~80%之间时,对污染物影响并不显著.

3.2 降水对污染物浓度的影响分析

为研究降水对污染物浓度的影响,对降水前后污染物浓度的变化进行统计(见表 3),降水前(后)污染物浓度用35个降水事件降水前(后)1 h的浓度均值表示.由表 3可见,降水后的污染物浓度低于降水前,说明降水对污染物有清除作用.同时发现,降水过程对污染物的清除效果不同,降水对SO2、PM10的清除作用相当,对NOx的清除作用最小.不同的降水量对污染物的清除效果不同,当降水量 < 10 mm时,降水过程对NOx清除效果显著;当降水量>10 mm时,降水过程对NOx影响不大,这与刘星等[39]研究结果一致.

表 3 降水前后污染物浓度变化规律统计 Table 3 Statistics on the change of pollutant concentrations before and after precipitation
4 结论

a) 兰州市西固区首要污染物为颗粒物.除ρ(O3)外,其他污染物质量浓度的季节变化呈“夏低冬高”的趋势,冬季污染物浓度高的原因是污染物排放量大,静稳天气形成的不利扩散条件;而夏季辐射增强,混合层高度高,有利于污染物扩散. ρ(O3)春季高于夏季,主要原因是O3的前体物NOx春季质量浓度高于夏季,有利于O3的生成,而且春季扩散条件弱于夏季,不利于O3扩散.春季沙尘天气的频发,致使ρ(PM10)高.

b) 除ρ(O3)外,其他污染物浓度的日变化趋势与表征污染物扩散能力的边界层变化特性一致,ρ(O3)峰值出现在13:00时左右,与O3的形成机理有关,中午时段大气辐射增强,污染物之间的光解反应速率加快,易生成O3.冬季污染物小时浓度峰值出现时刻落后于其他季节1~2 h,主要原因是冬季逆温层消散时间落后于其他季节.

c) 气温、风速是影响污染物浓度分布的重要因素,除ρ(O3)外,其他污染物浓度与气温、风速呈负相关.当相对湿度 < 40%时,污染物浓度与相对湿度呈正相关,水汽的存在,有助于污染物的生成转换,湿度增加,污染物的浓度增大;当相对湿度>80%时,气体粒子液化成凝结核,随着水汽的增多,污染物通过碰并、吸湿、凝聚作用变大而产生沉降,污染物浓度随着湿度的增大而减小.

d) 降水对污染物有清除作用,对各污染物的清除效果不同.后续将进一步细化研究不同降水等级对污染物浓度的清除效果.

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