1. 引言
PM2.5成分复杂,粒径较小,对人体健康,能见度以及气候变化均具有重要影响,随着城市发展PM2.5已成为北京最主要的污染物之一 [1]。PM2.5浓度除与污染源排放有关外,还与气象因素如风向、风速、温度、辐射、降水、能见度、大气层结稳定度和混合层高度等密切相关 [2]。气象因素对PM2.5的扩散、稀释和蓄积有重要作用,监测并分析气象因素与PM2.5浓度的关系,对研究当地大气污染形成的气象条件与空气污染预报有重要的意义。
近年来,研究多集中于北京城区、近郊、京津冀区域等 [3] [4] [5] [6],而对野鸭湖地区的相关研究报道较少。因此,本文选取了野鸭湖站2014~2016年PM2.5浓度和同期地面气象资料,分析PM2.5变化特征及其与气温、相对湿度、气压和风速之间的相关性,同时讨论风向对PM2.5浓度的影响,探讨影响野鸭湖地区大气PM2.5浓度的主要气象控制因素,同时为该地大气PM2.5的监测、污染预警和防治提供参考。
2. 材料与方法
延庆野鸭湖湿地生态气象观测站(115˚53'E,40˚43'N,海拔高度480 m)是北京唯一的湿地生态观测站,位于北京市延庆区西南部(见图1),距延庆城区17.4 km,距北京市区74 km,三面环山,西南临官厅水库,地势显东北高西南低的特点。
PM2.5的浓度利用美国R & P公司生产的TEOM1405D (Tapered Element Oscillating Microbalance)仪器进行观测。最终采集数据为5分钟平均浓度值,并在此基础上计算小时平均值。本文选取野鸭湖湿地生态气象站2014~2016年PM2.5浓度和同期地面气象资料,通过Pearson相关分析,研究PM2.5浓度与气象因素之间的关系。
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Figure 1. Location of monitoring station
图1. 观测站位置地图
3. 结果与分析
3.1. PM2.5污染水平
表1显示,野鸭湖站2014~2016年PM2.5年均浓度为40 μg·m−3,从24小时平均值可以看出超标率为13.2%。3年来野鸭湖站PM2.5浓度显逐年降低趋势,超标比例下降了61.6%。
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Table 1. Annual variation characteristics of PM2.5
表1. PM2.5年变化特征
注:1、根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中二级浓度限值统计超标百分率;2、达标统计中PM2.5平均浓度是指24小时平均浓度。
3.2. 季节变化特征
按照气象学上季节的划分,将1年分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)和冬季(12、1和2月)。表2为野鸭湖站气象要素季节变化情况,图2为PM2.5逐月均值对比。PM2.5浓度高值月份集中在冬季,其中2月份PM2.5达到峰值为55.30 μg·m−3。夏季PM2.5平均浓度最低为32.75 μg·m−3,这是因为夏季气温高,边界层发展较好,同时湿沉降和降水的清除,再加之地面植被覆盖,均利于PM2.5浓度的降低 [2]。但7月PM2.5月均浓度达到了39.78 μg·m−3,这是因为当气温和湿度逐渐增加时,能促使大气中的气体前体物转换成水溶性离子,加速了二次颗粒物的形成 [7],野鸭湖站夏季风速在一年中最低,气温高、湿度大利于PM2.5浓度的增加。根据气候统计,京津冀雾–霾特点为由于供暖期影响每年10月~次年3月为雾–霾集中发生的季节;第二个高峰值便是夏季7~8月 [8]。春季PM2.5浓度略高于秋季,高浓度值与春季沙尘天气频发、气候干旱有关 [9],影响北京地区的沙尘路径主要以西北路和偏北路为主 [10]。延庆区位于北京西北部,当有沙尘天气影响时会首先产生响应,且春季平均风速最大。秋季PM2.5整体水平略高于夏季,但在9月PM2.5浓度值最低为25.32 μg·m−3。
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Table 2. The comparison table of mean values of meteorological factors in different seasons
表2. 不同季节各气象要素平均值对比表
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Figure 2. Monthly variation of PM2.5 concentrations
图2. PM2.5浓度的月变化
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Figure 3. Daily variation of PM2.5 concentrations in different seasons
图3. 不同季节PM2.5浓度的日变化对比
3.3. 日变化特征
图3中各季PM2.5浓度日变化大致显双峰型分布,出峰时间及强度随着季节有所变化。冬春季为双峰型,春季上午峰值强出现在08:00时,冬季则略晚出现在10:00时。早高峰过后,随着太阳辐射的增强,大气对流层内垂直对流运动增强,利于污染物的扩散 [11]。春季PM2.5浓度在11:00~17:00时之间都处于低值水平,冬季15:00时达到一天中的最低值。下午随着太阳辐射的减弱,边界层高度逐渐降低,风速变小,致使污染物不断累积;此外,傍晚集中供暖和交通量增加,也在一定程度上加剧了PM2.5的累积,使得在01:00时又出现一个峰值,且冬季时夜间峰值高于上午峰值。夜间湿度增大使得重力沉降作用增强,加之人类活动的减少,使得PM2.5平均浓度逐渐下降,春季06:00时达到一天中的最低值,冬季则后移2小时。夏秋季上午峰值均出现在10:00时,最强峰值夏季在17:00时,秋季在20:00时出现,夏季谷值分别出现在06:00时和12:00时,秋季则略晚在07:00时和15:00时,且上午小时谷值最低。PM2.5浓度日较差春季最小、冬季最大。
3.4. 日变化相关性分析
野鸭湖站PM2.5日均浓度与相对湿度和气压呈正相关,与气温和风速呈负相关。气象参数对PM2.5的重要程度依次为:相对湿度>气温>风速>气压,见表3。研究结果显示,相对湿度对PM2.5日均浓度的影响最显著且显正相关性。相对湿度大,大气颗粒物能吸收更多的水分子,凝聚增重粒径变大,致使污染物不易扩散。PM2.5日均浓度随着温度的升高而降低,这是因为气温升高利于混合层高度的提升,使得大气在竖直方向上更易扩散,从而污染物浓度降低 [12]。
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Table 3. Pearson coefficient between PM2.5 mass concentration and meteorological factors
表3. PM2.5浓度与气象要素之间的Pearson相关系数
一般来说 [13],气压与颗粒物浓度显负相关。是由于低气压场天气形势下经常出现静风,且多有低云阻挡,间接造成空气中污染物不易垂直扩散,使得颗粒物不断累积;而高压天气颗粒物易向外和向上走向高空扩散,颗粒物浓度会降低。但是本研究发现,野鸭湖站气压与PM2.5日均浓度成正相关,该站三面环山,仅西面与官厅水库接壤,是属于相对清洁的区域,污染物主要来自于其东北部城区及乡镇 [14],这说明低气压时大气的区域输送能力较差,因此不利于该站PM2.5浓度的输送。
3.5. 季变化相关性分析
野鸭湖站四季分明,因而不同季节下气象条件对该站颗粒物浓度影响不同。分别研究各季中PM2.5浓度与气压、气温、相对湿度和风速4个气象因素的相关性。
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Table 4. Pearson coefficient between PM2.5 mass concentration and meteorological factors in different seasons
表4. 不同季节PM2.5浓度与气象要素之间的Pearson相关系数
**:在0.01水平上显著相关;*:在0.05水平上显著相关。
整体来看,冬季近地面层大气环境较稳定,PM2.5浓度与气象因素的相关性在四季中较高 [6]。表4显示,各季中PM2.5浓度与相对湿度和风速呈正相关和负相关,但气温和气压表现不同,除秋季外各季PM2.5浓度与气压显正相关,除夏季外各季PM2.5浓度与气温呈负相关。若以相关系数的大小来表征,则可以看出,春季:相对湿度>风速>气温>气压;夏季:气压>气温>相对湿度>风速;秋季:相对湿度>风速>气压>气温;冬季:相对湿度>风速>气温>气压。
在主要影响因素方面,春季、秋季和冬季影响PM2.5浓度的主要是相对湿度且呈正相关,这说明PM2.5浓度随着相对湿度的升高而上升,主要是由于空气中水汽多但是为非降水天气时,水汽可使PM2.5在空气中停留,致使污染物浓度升高;当出现降水天气时,降水将大气中的污染物夹带、溶解或冲刷下来,致使污染物浓度降低。夏季则是气压占主导因素呈正相关,野鸭湖站夏季气压最低,湿度和气温最高,风速小,如上文所述野鸭湖站本地污染物少,低气压时不利于PM2.5向该地输送。除主要影响因素外,春季、秋季和冬季均是风速对PM2.5浓度呈现较显著的负相关。这是因为风速的大小决定了对污染物冲淡稀释作用的大小。根据监测数据显示,野鸭湖站春季平均风速为1.8.0 m/s,冬季为1.77 m/s,秋季为1.35 m/s,监测站位于野鸭湖湿地公园内,高大植被较少,较大的风速有利于污染物的稀释和扩散。
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Figure 4. The wind direction frequency and PM2.5 concentrations of each wind direction in different seasons
图4. 不同季节风向频率及PM2.5浓度在各个风向上的统计对比
3.6. PM2.5浓度与风向的关系
污染物从污染源排入大气后就沿风向运动,低层大气中的风向将直接影响污染物的扩散方向,风在对污染物起到输送作用的同时还对其有扩散稀释作用 [15]。由上述分析可以发现,野鸭湖站PM2.5浓度的季节变化和日变化均受到不同程度区域输送的影响。因此,可以对PM2.5浓度与风向之间的关系进行分析,以便了解局地和区域污染物对该站输送的影响。为此,选取了各季中野鸭湖站风频和PM2.5浓度在各个风向上的统计情况进行定性分析,见图4。
从图4(a)和图4(b)可以看出,野鸭湖站盛行东北风和西南风,春季东北风与西南风势力相当,夏秋季盛行东北风,冬季偏西风占主导优势。PM2.5浓度和风向的相关关系非常明显,图3(c)和图3(d)显示22.5˚~135.0˚区域之间对应的PM2.5平均浓度为52.7 μg·m−3浓度较高,而225.0˚~270.0˚对应的PM2.5平均浓度仅为25.4 μg·m−3。不论风向随季节怎样变化,野鸭湖站东北风(45˚)和东北偏东风(67.5˚)带来的PM2.5浓度一直处于较高水平,并且在冬季达到最高PM2.5浓度为86.7 μg·m−3左右,春季和秋季次之,夏季PM2.5浓度最低但也维持在40 μg·m−3上下。西南偏西风(247.5˚)控制下PM2.5浓度在各季节中达到最低,春季表现最高也只有24.1 μg·m−3,春夏冬季则在22.0 μg·m−3左右,其中夏季最低。这说明野鸭湖地区PM2.5浓度主要受来自西东北部城区污染输送的影响,西南偏西风携带的PM2.5浓度最少。这与野鸭湖的地理位置有关,野鸭湖北靠燕山、南临太行,东南是八达岭长城,仅西面是地势平缓的官厅水库,因此当东北风和东北偏东风控制时,污染物多来源于东部城镇和乡村,而受城区远程输送翻山气流影响较少。
此外,各季静风时PM2.5平均浓度在48.0 μg·m−3左右,这说野鸭湖地区存在一定的局地排放源。通过分析得出,东北风输送是野鸭湖颗粒物污染的重要原因之一,东北气流易产生污染物累积,降低空气质量,而西南气流则为较为洁净的气团,利于清除污染物,同时观测点也受本地源影响。
4. 结论
1) 从3年(2014~2016年)统计结果来看,野鸭湖站PM2.5年均浓度为40 μg·m−3,PM2.5浓度显逐年降低趋势,超标比例下降了61.6%。PM2.5污染夏季最轻,春秋次之,冬季最重,各月中PM2.5浓度2月达到峰值为55.30 μg·m−3,9月为谷值浓度为25.32 μg·m−3。
2) 各季PM2.5浓度日变化大致显双峰型分布,各季出峰时间及强度有所不同,冬春季双峰型较为明显。最高值春季出现在08:00时,冬季为01:00时,夏季为17:00时,秋季为20:00时;最低值春夏季出现在06:00时,秋季后延1小时,冬季则出现在15:00时。
3) PM2.5日均浓度与相对湿度和气压呈正相关,与气温和风速成呈相关。气象参数对PM2.5的重要程度依次为:相对湿度>气温>风速>气压。四季中,PM2.5在夏季与气温呈正相关,秋季与气压显负相关,其余与日浓度表现一致。冬季PM2.5浓度与气象因素的相关性最高,影响程度上春季和冬季一致为:相对湿度>风速>气温>气压;夏季为:气压>气温>相对湿度>风速;秋季为:相对湿度>风速>气压>气温。
4) 野鸭湖站PM2.5浓度受本地源和外来源的共同影响,22.5˚~135.0˚区域对应的PM2.5浓度较高,而225.0˚~270.0˚对应的PM2.5平均浓度较低。不论风向随季节怎样变化,野鸭湖站东北风(45˚)和东北偏东风(67.5˚)带来的PM2.5浓度一直处于较高水平,西南偏西风(247.5˚)控制下PM2.5浓度在各季节中达到最低。
基金项目
北京市延庆区2016年优秀人才培养资助项目“2019年世园会和2022年冬奥会环境气象保障人才培养项目”;北京市气象局科技项目,项目编号BMBKJ201701015。