信阳城区颗粒物变化特征与相关气象因素研究

关键词： ；污染特征；气象要素

0 引 言

近年来，随着我国工业化与城市化进程持续加速，能源消耗量显著增加，导致大气污染物排放压力加剧，其中颗粒物（如 PM ）污染问题尤为突出。研究表明，气象要素的变化是大气污染物浓度波动的重要原因，气象条件制约着大气污染物的扩散和转化过程，从而影响污染物的浓度及分布。大气污染还与大气层结状态息息相关，由于大气的稳定程度直接影响湍流的发生、发展，进而影响污染物的扩散、累积，故决定稳定度大小的逆温层厚度、强度和大气混合层高度等因素都会给大气污染带来显著影响。一般来讲，在污染排放源较固定的情况下，颗粒物浓度处于高值，是逆温、低压、高湿、小风、稳定大气层结、低混合层厚度和弱降水等多种气象因子综合作用的结果。

吴兑等研究发现珠江 高振翔等发现江苏省 PM 和 PM₁₀ 风风向上易出现较高的 PM₁₀ 污染程度的影响机 安市 PM和 O 分别以 原等传统污染带以 研究较少。信阳地区的 上游，大别山北麓 格的要求。因此 相关气象因素研究，分析颗粒 治提供理论依据和数据支持。

1 资料与方法

颗粒物浓度数据来自于信阳市主城区四个国家环境质量监测站点，为 PM 、 PM₁₀ 逐小时浓度资料，时间段为 2020 年 -2024 年。取这四个站点 PM_2,5 、 PM₁₀ 浓度的均值来代表信阳市城区的 PM2.5、 PM₁₀ 浓度。根据《环境空气质量标准》（GB 3095-2012），信阳市区为二类区，PM2.5 日达标限值为 75μg/m³ ，年平均限值为 35μg/m3 ；PM₁₀ 日达标限值为 150μg/m³ ，年平均限值为 70μ_g/m³, 。为排除干扰，剔除沙尘天气数据。气象数据采用信阳国家基本气象站的气压、风向、风速、相对湿度、小时降水等，时间与颗粒物资料时间保持一致。

2 结果

2.1 PM2.5 与 PM10 年际变化特征

由表 1 可知，2020-2024 年信阳市 年均浓度高低高高低，分别为 40. 5μg/m³ 、39.1μg/m3、40.3μg/m3、41.3μg/m3、 37.9μg/m³ PM_2.5 3μ_g/m³ ，2024 年 PM 浓 度 最 低， 为31.9μg/m3 ；日均超标率分 年 PM_2.5 浓度最高，但与其对应的超标率 11.0% 要低于 202 尽管 2020 年超标天数多于 2023 年，但 2023 年信阳超标天数 二级达标城市的第一年，其 PM2.5 年均浓度和超标率均为近五年最 的举措有了一定成果。

PM10 年均浓度近五年均达标，呈低高低高低的态势，分别为 64.3μg/m3、 67.7μ_B/m³ 、63.9μg/m3、67.0μg/m3、62.μg/m31，其中 2021 年 PM 浓度最高，为 67. ，2024 年浓度最低，为 62. ；日均超标率 3.0%、6.8%、3.8%、7.7%、2.7%，同样 2021 年 PM₁₀ 浓度高于 2023 年，但超标率却低于 2023 年，说明2021 年信阳市超标天数里污染程度相对更重。2024 年PM10 浓度及超标率为近五年最低。

2020-2024 年信阳市 PM 日均浓度超标率高于 PM₁₀ ，说明细颗粒物污染更严重。

2.2 PM 与 PM 浓度季、月变化特征

冬季 PM2.5 浓度最高，且明显高于其他季节（图 1），夏季 PM2.5 浓度最低，春季 PM2.5 浓度高于秋季。箱线图中冬季箱体高、长、异常值多，数据离散程度大，说明冬季浓度波动范围广，污染过程多。说明冬季 PM2.5污染更严重，夏季相对清洁。

冬季PM10 浓度最高，春季次之，夏季最低。冬季箱体高、中位数大；夏季箱体矮，污染程度低。春季箱体长、异常值多，离散程度大，浓度波动大。

无论 PM2.5 还是 PM₁₀ ，冬季都是污染高峰，夏季是污染低谷。冬季多冷空气活动，盛行北风，信阳颗粒物污染程度最高，这可能与上游取暖季烧煤、逆温、静风、静稳天气等因素有关。夏季信阳颗粒物污染程度低，这是因为夏季气温高，大气层结稳定程度差，对流活动旺盛，有利于大气污染物扩散，降水丰富，有利于污染物沉降。而春季 PM₁₀ 浓度离散程度最大，这与春季多大风天气、沙尘活动频繁有关。

2020-2024 年信阳市颗粒物浓度月变化基本呈现“V”型变化，最低值基本出现在 7 月（2020 年出现在 8月），最大值均出现在 1 月， M_2,5 与 PM₁₀ 浓度 _1-7 月整体呈下降趋势，8 月以后浓度持续升高，到冬季 1 月，PM2.5 与 PM10 浓度达到全年最高值。 PM₁₀ 浓度在 2、3、4 月有起伏变化，这也与上图春季 PM₁₀ 浓度离散程度最大相对应，与春季多大风天气、沙尘活动频繁相对应。

2.3 PM_2,5 与 PM₁₀ 日变化特征

图 3 为 PM2.5 与 PM10 的日变化特征，两类颗粒物变化特征较为接近，均为双峰双谷型。PM2.5 浓度在 22 时后开始下降，早晨 6 时达到第一个谷值，7 时又升至第一个峰值，7-9 时浓度没有明显变化，10 时后开始下降，16 时达到全天的最低谷，随后一路上升至 22 时，此时是全天的 PM_2.5 浓度最高峰； PM₁₀ 变化特征类似，早晨 6时达到第一个谷值，9 时升至第一个峰值，15 时降至最低谷，22 时升至最高峰。第一个峰值发生在信阳市上班早高峰附近，短时间车辆密度大，污染排放多，导致颗粒物浓度增加；随后气温升高，太阳辐射强烈，近地层大气湍流加强，污染物扩散能力加强，颗粒物浓度降低，第二个峰值发生在晚高峰后的前半夜，气温下降，湍流活动减弱，污染物扩散能力减弱，下班晚高峰又加重了污染程度，导致颗粒物浓度峰值出现。晚上 22 时后人类活动减弱，颗粒物浓度下降。

3 颗粒物浓度与气象条件的关系

3.1 颗粒物浓度同气象要素相关性分析

本研究采用皮尔逊相关系数来分析 2020-2024 年四季 PM2.5、 PM₁₀ 同温度、海平面气压、相对湿度、小时降水、风速的关系。

由表 1 中可得，PM2.5 与温度在各个季节都呈显著负相关，温度越高，大气层结越不稳定，越容易对流，扩散条件越好， PM₁₀ 除秋季外，也与温度显著负相关； PM₁₀ 在各个季节都与海平面气压呈显著正相关，PM2.5 除夏季外，与海平面气压显著正相关，当区域受高压控制时，整层大气以下沉运动为主，气团稳定少动，不利于污染物扩散；PM2.5 在冬春季节与相对湿度呈显著正相关关系，在秋季则呈显著负相关； PM₁₀ 除春季与相对湿度正相关外，其他季节都与相对湿度呈显著负相关； PM_2.5 、 PM₁₀ 在各个季节都与降水呈负相关，除夏季外，均为显著负相关，降水降水越大，颗粒物浓度越小，降水对于颗粒物的作用主要是以沉降作用来降低污染物浓度；PM2.5、PM10 除夏季外，其他季节都与风速呈显著负相关，风对污染物的影响主要是以传输、增加扩散条件、卷起地面沙尘等。

由于信阳本地排放源较少，因此着重分析颗粒物污染概率（颗粒物小时浓度超过二级标准的发生概率）同风向风速的关系; 结果表明，当地面风向为北时，发生PM 污染的概率最大，为2.51% ；西北风次之，为2.43% ；其次是西风和东北风，而东南风发生污染概率最小；各个风向上发生污染概率较大的风速均集中在 0-2m/s 和0-4m/s 的区间，超过 6m/s 则基本没有污染事件发生；在地面盛行西风、风速小于 2m/s 的情况下，发生 PM_2,5 污染的概率最大； PM₁₀ 情况与 PM_2,5 情况完全一致。

4 结论

（1）2020-2024 年信阳市 PM 年均浓度呈高低高高低波动，2023 年浓度最高、2024 年最低，达标率 2024年最高； PM₁₀ 年均浓度均达标，呈低高低高低变化，2021 年最高、2024 年最低。整体来看， PM_2,5 日均超标率高于 PM₁₀ ，细颗粒物污染更突出。2024 年作为信阳创二级达标城市第一年，颗粒物污染程度为近五年最低。

（2）颗粒物浓度季变化情况为冬季浓度最高，夏季浓度最低，春季 PM 浓度离散程度最大，这与春季多大风天气、沙尘活动频繁有关；信阳市颗粒物浓度月变化基本呈现 ⁴∇^′′ 型变化，最低值基本出现在 7 月，最高值出现在 1 月，PM 浓度在 2、3、4 月有起伏变化，对应春季 PM₁₀ 浓度离散程度最大；颗粒物浓度日变化特征均呈现双峰双谷型，与上下班早晚高峰及气温日变化有良好的对应关系。

（3）颗粒物浓度与气象要素相关性存在季节性差异， M₂₅ 与温度在各个季节都呈显著负相关，PM 除秋季外，也与温度显著负相关；PM10 各个季节与海平面气压呈显著正相关，PM2.5 除夏季外，与海平面气压显著正相关；PM 在冬春季节与相对湿度呈显著正相关，在秋季则呈显著负相关；PM 除春季与相对湿度正相关外，其他季节都与相对湿度呈显著负相关；PM2.5、PM10 在各个季节都与降水呈负相关；PM2.5、 PM₁₀ 除夏季与风速呈弱正相关外，其他季节都与风速呈显著负相关。

（4）当地面风向为北时，发生颗粒物污染的概率最大，西北风次之，再次是西风和东北风，东南风发生污染概率最小；风速在 0-2m/s 和0-4m/s 的区间发生颗粒物污染的概率较大，超过6m/s 则基本没有污染事件发生；在地面盛行西风、风速小于2m/s 的情况下，发生颗粒物污染的概率最大。

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作者简介：张占魁（1997 年—），男，河南新乡人，助理工程师，本科学历，从事气象预报研究