呼市空气污染指数与气象要素之间的相关性

　　环境空气质量的优劣,直接影响着整个生态系统和人类的健康。环境空气质量的好坏反映了环境空气受污染的程度,它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。空气污染是一个复杂的现象,在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响,影响空气质量的主要因素有:污染物质的排放量和气象条件。在没有明显的天气系统转折变化的情况下,空气质量的变化主要取决于污染物的排放;当有大的天气变化时,则引起气象要素的一系列变化,从而引起污染物扩散条件的明显变化,导致空气质量的重大变化。本文在对呼和浩特市2000年6月至2011年3月的空气污染指数进行统计分析的基础上,探讨了空气污染指数与气象要素之间的相关性,为有效地控制污染、改善环境和城市的合理规划提供科学的依据。

　　1、 资料来源

　　呼和浩特市空气质量数据是源于中华人民共和国环境保护,而地面气象数据是源于中国气象科学数据共享服务网 ,两种资料收集的数据时段均为为2000年6月至2011年3月。空气质量数据包括:空气污染指数、首要污染物、空气质量级别、空气质量状况等数据项;地面气象资料中包括:平均风速、最大风速、相对湿度、平均温度、最高温度、最低温度、日照时数、降水量等数据项。

　　2、 空气污染指数

　　空气污染指数(Air Pollution Index,简 称API),就是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响,将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式,将空气污染程度和空气质量状况分级表征,适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。参加空气污染指数计算的污染因子为可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮。

　　中国目前采用的空气污染指数(API)分为五个等级、七个档,对应于空气质量的七个级别,指数越大,级别越高,说明污染越严重,对人体健康的影响也越明显(具体分级见表1)。

　　2.1 首要污染物

　　在空气质量日报中,三项污染指数分指数的最大值代表该区域或城市的空气污染指数(API),该指数所对应的污染物即为该区域城市的首要污染物,当污染指数API小于50时,不报告首要污染物。呼和浩特市的大气环境中,首要污染物为可吸入颗粒物(PM10)占84.86%和SO2占1.53%。

　　可吸入颗粒物是指大气中粒径小于10μm的固体颗粒。它包括一系列化学物质,两种主要成分是铅和芳香族的碳氢化合物,其对人体的危害较其它粒径的固体颗粒相对较大,SO2也是一种大气污染物。因此,对呼和浩特的首要污染物统计十分必要。

　　本文统计了十年来呼和浩特空气中各月首要污染物。其中PM10主要出现在春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)。冬季(12~2月)由于燃煤供暖,空气中的首要污染物为SO2,可见,可吸入颗粒物是造成空气污染的最主要污染物。减少可吸入颗粒物的排放,能更有效降低空气污染指数,提高空气质量。

　　

　　2.2 空气污染指数总体分布

　　不同年份城市空气质量个等级所占的天数不同,从表2可以看出每年空气质量为良所占的天数最多。其中,除2001至2003年空气质量为轻微污染所占天数超过占优的天数外,其余各年空气质量占优的天数居第二位。

　　2.3 空气污染指数的年际变化

　　随着现代化建设不断进行,呼和浩特市的工业不断发展。同时气候条件也随着不同的年份而不同。对十年来API得统计汇总最后得出该市API得年际变化规律(见图2)。由图2可看出呼和浩特市2001至2010十年来,空气污染指数呈波动式下降趋势。其中2001年达到最大值,2008和2010年达到历年最小值。可见本市空气质量有所提高,这与呼和浩特市政府贯彻实施节能减排政策,加大对辖区内燃煤锅炉、土砖窑和储煤场的控制治理力度有关。

　　2.4 空气污染指数的各月变化

　　图3的API各月变化曲线都表现出两头高中间低的情况,3月至5月(春季)和12月至2月(冬季)API均比其它两个季节高。这与采暖期的燃煤有关。

　　

　　因为,在采暖期大多城市都会启用燃煤锅炉为城市供暖。冬季燃煤量的大大增加,加重城市的空气污染状况。呼和浩特市及周边城市冬季采暖时间大都是每年11月上旬至次年4月上旬,从首要污染物统计中也发现这段时间呼和浩特市二氧化硫作为首要污染物出现的频率增高。

　　3、 气象条件对空气质量的影响

　　3.1 风速

　　风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子。污染物进入大气之后,经过混合、稀释和扩散,最终决定城市大气污染物浓度。一方面,风速越大污染物在单位时间内扩散的空间便越大,而单位体积内的污染物浓度却越小。但另一方面,风速越大,则烟羽的抬升高度越低,反而会增加污染物的地面浓度,同时风速增大还可能增加开放源源强,因此风速对污染物环境浓度具有双重影响。反之,在风速小,低 层大气 稳定度高时,则空 气污 染物浓 度增大。

　　以最大风速为自变量,空气污染指数为因变量,进行回归分析,并建立回归方程。可以看出,二者呈指数函数关系如图4所示,回归方程:y=41.01×e0.067x,r2=0.119,方差分析表中F统计值为16.136,p<0.01,表明最大风速与空气污染指数之间存在着正相关关系。但相关程度比较低,这是由于空气污染指数受多个因子的综合影响。

　　

　　呼和浩特地面流场受天气系统控制和地方性局地环流控制。在东亚季风的影响下,地面风向随季节变化明显。呼和浩特地区夏季处于东亚东南季风边缘的影响下,冬季则完全在亚洲内陆高压(蒙古高压)的控制下。当受系统型天气控制时,受锋面和气旋等天气系统影响,呼和浩特市地面流场完全由天气系统的活动状况而定。此时地面风速较大,一般在3m·S-1以上,且市内各区的风向基本一致。冬季在南下的西伯利亚冷空气影响下,呼和浩特地区盛行西北风,风速较大。当受系统型天气控制时,既有利于大气污染物的稀释和扩散,又易形成浮尘或扬沙天气,致使污染加重。在天气系统活动不明显时,呼和浩特地面流场主要受山谷风和城市热岛环流的影响,天气晴好,地面风速较小,一般小于1.5m·S-1,市内各区风向偏差较大,易产生局地环流。

　　受局地环流控制时,对大气污染物的稀释和扩散极为不利,易于污染物的累积,造成污染。

　　3.2 降水量

　

　　以降水量为自变量,空气污染指数为因变量,进行回归分析,并建立回归方程:y=85.384×e-0.004x,r2=0.251,方差分析表中F统计值为38.852,p<0.01,根据图5所示,表明降水量与空气污染指数之间呈指数函数式负相关。随着降水量的增大,空气污染指数逐渐下降。说明降水量对API指数有显著负效应作用。在降雨过程中,有些污染气体能溶解在水中或者与水起化学反应产生其他物质,颗粒物与雨滴碰撞可附着在雨滴上并随着降水带到地面,使大气中污染物浓度降低。通常,雨滴可兼并粒径大于2μm的气溶胶粒子,降雨对各污染物的影响不一,对PM10的影响最大,SO2次之,而呼和浩特市首要污染物正是PM10。所以降水对呼和浩特市污染物有较好的净化作用。降水量月变化趋势与API月变化也呈反位相关系,在6~8月,降水量大,而API较小,尤其全年最大降水量的9月,API为全年最小;而降水量较小的1~3月和10~12月,API处较高水平。

　　3.3 气温

　　以月平均气温为自变量,空气污染指数为因变量,进行回归分析,并建立回归方程:y=84.224×e-0.016x,r2=0.345,方差分析表中F统计值为62.587,p<0.01,如图6所示,表明月平均气温与空气污染指数之间呈指数函数式负相关。空气污染指数随着月平均气温的增大呈下降趋势。表明气温越高,空气质量越好。因为当近地面气温较高时,大气垂直对流作用和湍流扩散得以加强,越有利于污染物向上输送和扩散,API就降低;当受低温控制时刚好相反。

　　3.4 气压

　　以月平均气压为自变量,空气污染指数为因变量,进行回归分析,并建立回归方程:y=2.1055x-1807.65,r2=0.163,方差分析表中F统计值为23.252,p<0.01,如图6所示,表明月平均气压与空气污染指数之间呈线性相关关系。气压越高,空气污染指数越高,污染越重。在高压控制下,天气晴朗,风速小,并存在着微弱的下沉气流,阻止了空气向上的输送。尤其是冬季,呼市地区往往处在稳定的蒙古高压控制下,夜晚极易产生辐射逆温。大气非常稳定,污染物被限制在逆温层之下,无法向高空扩散,常产生较高浓度的大气污染。

　　在低压控制时,天气特点一般是云较多,常具有一定的风速,且有微弱的上升运动,大气多为中性或不稳定状态,比较有利于污染物的扩散、稀释。

　　4、 结论

　　呼和浩特市2001至2010年来空气污染指数呈波动式下降趋势,空气质量正逐步变优,优良率已达95.6%。空气污染指数与气压和最大风速呈正相关关系,并与气温和降水量呈负相关关系。

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