川南城市空气污染特征及气象影响因素分析
第36卷第1期 2021年2月
成都信息工程大学学报
JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY
Vol. 36 No. 1
Feb. 2021
文章编号：2096-1618(2021 )01~0101~09
川南城市空气污染特征及气象影响因素分析
雷雨、张小玲、杨凯晴\青泉2，康平1
(1.成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225;2.四川省气象 台/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都610072)
摘要：随着川南地区经济规模不断扩大，能源消耗量和机动车拥有量的不断增加，对空气质量的改善带来了较 大困难。以四川盆地川南城市为研究区域，利用环境空气质量监测资料和地面气象观测资
料，分析了 2015-2018
年川南城市6种污染物（PM1()、PM2.5、S02、N02、03、C0)的年、月、日变化特征以及其与气象要素的相关性，并对
主要污染物PM2.5和03在不同污染等级下的气象要素区间进行讨论。得出以下结论:2015-2018年来川南城市
PM2_5、PM,。浓度冬季>春季>秋季>夏季，日变化为“双峰双谷”型;03月变化为“倒U”型，日变化为“单峰”型;S02、
1«)2和(：0浓度冬季高于夏季，302和1^02日变化为“双峰双谷”型，C0为“单峰”型。颗粒物污染日数呈下降趋
势，其中泸州和内江PM2.5浓度均降低36.7%,PM1(I浓度分别降低32%和29. 8%，而臭氧浓度和臭氧超标日数均具
有升高趋势，其中自贡〇3-8h浓度第90百分数上升幅度最大，可达28.7%。综合气象因子分析显示：静小风、高湿、
低温、无降水等气象条件对PM2.5的扩散和清除十分不利，容易导致川南地区形成重污染天气过程；而静小风、高
温、低湿有利于〇3的生成和累积。
关键词：空气污染；特征分析；气象因子；相关性
中图分类号:X513 文献标志码：A
d o i：10. 16836/jki.jcuit.2021.01.016
〇引言
由于能源消耗、工业污染排放和机动车保有量不 断增加，城市的空气污染形势愈发严峻^ ，冬季以可 吸入颗粒物（P M1())、细颗粒物（P M2.5)为主的区域性 空气污染问题和夏季近地面高浓度臭氧（〇3)造成的 光化学污染问题日益加剧[3_5]。过去几十年中，中国 典型代表城市的A Q I整体由北向南减小且冬季北方 污染比南方严重[6]，这是由于华北地区工厂密集，排 放出大量P M2.5的前体物[7_8]，导致该地区P M2.5浓度 明显增高。严重雾霾的形成不仅与人为排放有关，还 与大气之间的相互作用密不可分[9_11]，风、温度、湿度、降水、大气稳定度和混合层厚度等气象因子对大气污 染物的输送、扩散和转变有重要作用[12]。近几年，近 地面03浓度在中国呈现出明显的上升趋势[13]，尤其 是
在经济发达、人口密集的京津冀、长三角和珠三角地 区[1^15]，03逐渐成为仅次于颗粒物的第二大空气污 染物，周学思等[16]发现，夏季〇3浓度最高且超标天数 最多，高温、低湿条件有利于〇3的形成，局地地区的大 气污染主要与本地污染源排放和污染物跨区域输送有 关，徐敬等[17]对北京夏季典型局地环流影响下的天气
收稿日期:2020~02-15
基金项目：国家自然科学基金重大资助项目（91644226)；国家重点研发计划资助项目（2018YFC0214002、2018YFC0214001)；四川省科技计划资助项目（2018JY0011、2018SZDZX0023)个例模拟结果显示：城市的下风向地区〇3浓度高于上 风向地区，具有明显的输送作用，Liao等[18]对成都市 冬季雾霾重污染时段进行了后向聚类轨迹及潜在源区 的研究，发现P M2.5的主要潜在源区位于四川盆地的东 南部及西部边缘，而川南城市位于高潜在源区内。
四川盆地位于中国西南部，由于其深山深盆的地 形和稳定的大气层结，以及逆温层的存在[19]，使得污 染物持续累积，是中国五大区域空气重污染城市之 一[2°]。与东部地区相比，有关四川盆地的重污染过程 和气象因素的研究相对较少，并局限于成都和重庆等 单一城市。川南城市（包括乐山市、内江市、泸州 市、宜宾市、自贡市5个经济区）是成渝经济区的核心 区域之一，经济总量和汽车保有量约占四川省的1/5 (经国家统计局审定，2017年四川省实现地区生产总 值36980. 2亿元，其中，
川南城市约为7595亿元；根 据各市环境统计数据,2017年四川全省汽车保有量约 为992万辆，其中川南城市约达160万辆），是仅次 于成都城市的全省第二大城市，经济基础好，城市 发展快。
因此，以川南城市作为研究区域，利用环境监测 数据和常规气象观测资料，对2015-2018年川南城市 污染物的时间、空间分布特征展开分析，结合地形、风场、温度、相对湿度、气压、降水等气象条件深入分析 川南城市大气污染物特征及其与各气象因子的相关
102成都信息工程大学学报第36卷
E 32018 年
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性，归纳总结不同污染等级下的气象要素区间，以期为 川南地区重污染天气预警与环保部门本地防控提供科 学的依据和参考。
1数据与地理概况
污染资料为全国空气质量环境监测平台实时发布
的6种污染物（卩1^。、？\125、302、如2、03、(：0浓度逐 小时资料；气象资料为M I C A P S 常规观测资料（温度、 相对湿度、降水、风速、风向）；时间范围为2015年1月 1日至2018年12月31日，地理范围为川南城市 (乐山、自贡、宜宾、内江、泸州）。
为保证研究结果的准确性，根据《环境空气质量 标准（G B  3095-2012)》u u 针对数据有效性的要求
对 原始数据进行质量控制，同时将由于不可抗（停电、仪 器校准）因素出现的缺测情况剔除（剔除数据占总数 据的5.4%)，从而得到较为可靠的数据。季节划分采 用气象意义上的定义:3-5月为春季、6-8月为夏季, 9-11月为秋季、12-次年2月为冬季。按照《环境空气 质量指数（A Q I )技术规定（试行）（Hj  633 -2012)》[22] 将污染物浓度划分为6个级别（优、良、轻度污染、中 度污染、重度污染、严重污染）。
2 2015-2018年川南城市污染物浓
度基本特征分析
2.1污染物浓度的分布特征
通过统计2015-2018年川南5个城市P M 1Q 、P M 2 5、
S 02、N 02、C 0污染物和03日最大8h 滑动平均的第90 百分位数（以下简称为03-8 h )的年均浓度值（图1)，可
知在2015-2018年P M I ()的年均浓度最大值分布于自贡， 最大可达107 pg /m 3，最小浓度在宜宾为51(xg /m 3，仅
2018年宜宾、泸州、内江P M W 浓度年均值达到国家《环 境空气质量标准》对环境空气的质量要求（以下简称 “达标”）。与P M 1Q 类似,2015-2018 年P M 25的浓度年平 均的最大值均分布在自贡，最大为，最小浓度 可达到38 |xg /m 3,2015-2018年内5个城市P M 2 5浓度年 均值均未达标。但从时间序列来看,2015-2018年川南 各城市的P M 1()和？\125年均浓度均呈现出明显的下降 趋势，峰值也逐年降低，说明在大气污染防治过程中，颗 粒物污染状况得到显著改善。2015-2018年川南5个城 市中S 02浓度年均值的最大值为24 pg /m 3，最小值为 7 Ag /m 3,S 02浓度年均值均达标。2015-2018年0,-8 h 的第90百分数的最大值为丨82 ng /m 3，最小值为 127 |xg /m 3。2015-2018 年 5 个城市的 N 02 和 C O  浓度 年均值变化比较平稳，波动不明显。
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图1
2015-2018年川南5个城市的6种污染物浓度特
征
第1期雷雨，等：川南城市空气污染特征及气象影响因素分析103
统计发现,2018年与2015年相比，颗粒物的污染状 况得到了显著的改善，但自贡、宜宾的03污染物以及 N02浓度整体呈现上升趋势，其中泸州和内江市P M,5浓度均降低了36.7%，P M,。浓度分别降低了 32%和 29.8%，颗粒物防治工作效果显著；而自贡0,-8 h浓度 第90百分数上升幅度最大，可达28.7%，宜宾市03-8h 浓度第90百分位数上升了 18%，N02上升了20.7%。
随着大气污染防治行动计划的纵向推进，川南5 个城市空气质量整体得到显著改善。图2是按照不同 污染物等级统计的5个城市每年污染物超标日数之 和，川南地区5个城市2015-2018年P M I C1污染天数分 别为202、205，其中2017年1月28日（春节）乐山 P M,。达到严重污染，最大浓度为ATlpg/m35污染 天数分别为460、510、413、261天，其中2015年1月26 -27日泸州连续两日达到严重污染，最大浓度为253pg/m3, 2016年2月8日（春节）乐山、泸州、自贡、内江的P M25达到严重污染等级，自贡最为严重，浓度 达到316 (j i g/m^O n年1月28日（春节）乐山、自贡、宜宾P M25浓度均达到严重污染等级，乐山最为严重，浓度可达365 j x g/m3;03污染天数分别为44、80、123、146天，2017年7月14日内江市03-8h浓度达到重度 污染的级别，最大浓度为282 j j i g/m3,2018年5月14 日宜
溯怎么读
宾市03-8h浓度达到重度污染的级别，浓度达到 269 |xg/m3。总体趋势是？肘,。、？1\125为污染物统计的 污染天数均呈现出明显的降低趋备，但是以03为污染 物统计的污染天数却逐年增加。
污染物
图2 2015-2018年川南地区5个城市污染天数统计
2.2污染物浓度的时间特征
2.2.1 逐日变化特征
对川南城市2015-2018年A Q I指数、P M25、P M1()和0,-8 h浓度逐日变化分析可得,P M，5和P M1()诂度与 A Q I指数逐日变化趋势保持高度一致，说明颗粒物是 影响川南地区空气质量的主要污染物。从污染严重程 度来看,P M25和P M,。冬季最重，为明显的峰值区，其次 为春季，夏季和秋季颗粒物浓度明显小于其他季节，0，浓度夏季高冬季低，与颗粒物的季节变化特征相皮。从线性趋势分析，2015-2018年川南城市AQI 指数和？^125、？\1,()呈现出降低趋势，说明近几年的大 气污染防治工作对降低颗粒物的浓度取得了一定的效 益。2016年2月8日（春节）和201*7年1月28日（春 节）的A Q I和P M25、P M1()均出现了异常增大，是由于 除夕夜在短时间由集中燃放烟花爆竹[23]和不利于污 染物扩散稀释清除的气象条件共同影响所致。其中，对P M,#P M25影响最为显著，其次是S02，N02
和C O 受烟花爆竹燃放影响程度相对小。从污染物小时浓度数据来看，除夕夜烟花爆竹集中燃放阶段，正月初一 P M2_5和P M1()小时浓度最高可达586 t x g/m3和 690 |xg/m3，最大小时增量分别为247 (xg/m3和 350 j j i g/m3。2015-2018年除夕夜与初一期间，川南地 区由于风逢小（平均风速0.64 m/s)、气温低（平均温 度12.49 t)、相对湿度较高（平均相对湿度72.05% )和降水稀少（累计降水0.02m m)等不利的气象条件使 污染物不断累积，污染物浓度达到峰值。
2015,1/1 2015/10/1 2016/7/1 2017/4/1 2018/1/1 2018/10/1
钱折玫瑰
日期
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图3 20丨5-2018年川南城市AQI、PM2.5、PM1U、03』h逐日变化 2.2.2逐月变化特征
通过对2015-2018年川南城市6种污染浓度月 平均值的统计（图4) ^1^,()和P M，，浓度的逐月变化呈 现出“冬高夏低”的特点，冬季污染最严重，春秋季次 之，最低值分布在7月，最高值分布在1月，其中自贡 污染最严重。N O，和S02的浓度分布也有冬季高于夏 季的表现，呈现“U”型。N02浓度分布与颗粒物一致，最低值分布在7月，最高值奋布在1月。S02&度的逐 月变化在5个城市表现不一致，自贡
、宜宾、泸州、内江 的S02浓度最高值分布在1月，而乐山分布在3月，乐 山、宜宾最低值在8月，而泸州最低值在6月，自贡在 4月，内江在9月。C O和03浓度也有较明显的季节变 化特征，但C O浓度类似于颗粒浓度的变化，呈现冬季 高夏季低且全年较稳定，(V浓度呈现明显的，夏季高 冬，季低这与夏季辐射强、温度高有关。
2.2.3日变化特征
如图5所示，P M2，与P M w浓度的日变化相似，呈 现“双峰双谷”型，峰僮分别在11 :00和22:00，谷值分 别在6:00和16:00，川南城市中自贡颗粒物浓度最高，内江相对较低，但内江颗粒物的峰值和谷值出现时 间相对较早。N02和C O浓度的日变化相似，也呈现 “双峰双谷”型，峰值分别在9:00和22:00，谷值分别 在6:00和16:00,5个城市N02浓度相差不大，但C O 日变化浓度相差较明显，宜宾>乐山 > 自贡>内江>泸 州。S02浓度的日变化则呈现“单峰”型，最高值出现 在11:00，其余时段变化较小，乐山的峰值出现滞后性，在12:00左右。0，浓度的日变化为“单峰”型，谷 值和峰值分别出现在8:00和16:00左右，内江03浓
度最大。
104成都信息工程大学学报第36卷
O f t O O04:00麵）12.00
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图4 2015-2018年川南城市6种污染物月平均变化
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图5 2015-2018年川南城市6
种污染物浓度日变化
第1期雷雨，等：川南城市空气污染特征及气象影响因素分析105
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风速(m/s)
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图6 2015-2018年川南城市PM 2 5、03散点图
大气中的气溶胶颗粒由于相对湿度的增加而发生凝 结增长，使颗粒物尺度、成分和光学特性发生变化，对大 气的消光作用增强，在高湿和低温条件下形成雾霾，导致 当地能见度下降并加剧大气污染P -281。图7为川南城市 2015-2018年相对湿度与P M 2 # 03(剔除降水日）的散点 图由图7(a )可知，相对湿度与P M 25浓度呈正相关，重度 及以上污染(MSOjjug /m 3)主要发生在相对湿度为70% ~ 90% ，随着相对湿度的增大更易诱发高浓度的P M 2 5污染 事件，说明相对湿度对颗粒物的吸湿特性较明显1291。〇3 浓度与相对湿度呈明显的负相关（图7b )，轻度及以上污 染(>160^m 3)主要集中在相对湿度为55% ~70%的区 间，当相对湿度达到90%〜100%时,03浓度维持在极低 水平。研究表明，当相对湿度超过90%时,03分解速率明 显加快[30]，白天由于太阳辐射较强，促进光化学反应生成
〇3，而夜间没有太阳辐射，相对湿度大,〇3的浓度主要取 决于〇3的分解速率[31]。
一般情况下，降水能对气溶胶颗粒启动有效的清 除机制，继而改善空气质量，降水的强度直接决定对
空
气的净化作用[32]。如图8(a )所示，P M 25浓度与降水 呈现明显的负相关，且降水强度降水量越大对污染物 的清除效果越明显。夏季降水强，污染物浓度低，冬季 降水弱，污染物浓度高，这与颗粒物的季节分布特征一 致。臭氧〇3浓度在降水日和非降水日的差异很大 (图8b )，尤其是在白天，非降水日的03浓度明显大于 降水日，这是由于近地面〇3主要通过光化学反应生 成，白天太阳辐射大，而降水日多为阴天，辐射量降低。 另外，由于雨水的冲刷作用，使N O x 、V O C s 等前体物浓 度降低，导致降水日的〇3浓度低于非降水日。
3影响川南城市空气污染的气象要
素及其分布特征
研究表明，大气污染物浓度主要取决于本地排放 和区域输送，浓度的大小不仅与污染源排放相关，还受 到气象条件的制约，在一定的区域内，污染物的排放量 可以通过人为干预得到控制，此时空气质量主要受到 气象条件的支配和影响[24]。静小风、高湿、低温、无降 水、稳定层结等气象条件对P M 25的扩散和清除十分不 利，容易导致川南地区形成重污染天气过程；而静小 风、高温、低湿容易导致〇3的生成和累积。文中对 2015-2018年川南地区的？1\12 5和03与气象要素进行 相关性分析，统计分析造成P M 2 5* (V 浓度不同等级 分布的气象条件区间，总结归纳影响川南城市空气 污染特征
的气象因素特征。
3.1气象要素对川南城市P M 2>5和03浓度的相关
性分析
水平风影响着大气中污染物的输送，风向决定污
染物的扩散方向，风速决定污染物的扩散强度，风速越 大越利于大气污染物的扩散和输送。
对川南5个城市2015-2018年的逐日污染物数据 和气象数据进行相关性分析，如图6 ~9所示。由 图6(a )可知，P M 2 5浓度与风速呈负相关，风速大
P M 25浓度低，风速小P M 2 5浓度高。但由于川南地区
冬季风速基本维持在0~ 1.5 m /s 内，不利于污染物的 输送和扩散，易导致颗粒物的堆积,P M 25浓度最大可 达265 ^g /m 3。03浓度与风速的相关性较小，整体呈 正相关的关系（图6b )，但风速对03浓度的影响比较 复杂。有研究表明[23]，当风速较小时，由于臭氧不稳 定，会被光化学反应分解为氧原子和氧分子；在风速较 大时，臭氧还未能完全分解就能被监测到风速大有利 于降低N O x 、V O C s 等前体物浓度，降低光化学反应中
前体物对臭氧的消耗。也有研究指出在一定风速 情况下，〇3及其前体物会输送至下游，造成下游地区 的臭氧浓度增加。
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