城市大气污染特征及其与气象因子的关系以济南青岛市为例百.docx

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城市大气污染特征及其与气象因子的关系以济南青岛市为例百

第一作者:

廉丽姝,女,1963年生,博士,副教授,主要从事气候变化及大气环境研究。

*国家自然科学基金资助项目（No.40671176;上海市基础重点研究项目（No.08JC1408500;山东省自然科学基金资助项目（No.ZR2010DM011。

城市大气污染特征及其与气象因子的关系

*

以济南、青岛市为例

廉丽姝1高军靖2束炯3

（1.曲阜师范大学地理与旅游学院,山东曲阜273165;2.中国环境科学研究院生态环境研究所,北京100012;

3.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,气候与大气环境研究所,上海200062

摘要根据2001年1月1日至2009年12月31日济南、青岛的空气污染指数（API日报资料,运用统计分析的方法,对2市

的API月、季变化特征与年际变化趋势等进行了分析,并进一步探讨了API与各气象因子的相关关系。

研究结果表明:

（1青岛空气质量总体上优于济南;（2济南、青岛具有明显而相似的API月、季变化特征,具体表现为7、8月API最低,1、3、12月API相对最高,API季节变化特征说明2市冬季空气质量最差,其次是春季和秋季,夏季空气质量最好;（3总体来说,济南、青岛API年均值呈下降趋势,即空气质量在逐渐改善;（4不同季节影响空气质量的气象因子并不相同,其中起主要作用气象因子为气温、风速和相对湿度。

关键词大气污染特征空气污染指数气象因子

UrbanairpollutionfeatureanditsrelationshipwithmeteorologicfactorsacasestudyofJinanandQingdaoLIANLishu1,GAOJunjing2,SHUJiong3.（1.SchoolofGeographyandTourism,QufuNormalUniversity,QufuShandong273165;2.InstituteofEcology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience,Beijing100012;3.KeyLaboratoryofGeographicalInformationScience,MinistryofEducation,InstituteofClimateandAtmosphericEnvironment,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062

Abstract:

Basedonairpollutionindex（APIofJinan,Qingdaoduringtheperiodof20010101to20091231,themonthly,seasonallyvariationcharacteristicsandannualvariationtendencyofAPIinJinanandQingdaowasanalyzedbythestatisticalanalysismethod.Furthermore,thepossiblemeteorologicfactorsthataffactingAPIwerealsoanalyzed.StatisticresultsshowedthattheairqualityinQingdaowasbetterthanJinan,themounthlyandseasonalvariationofAPIinJinanandQingdaoareobviousandsimilar,andtheairqualitieswerebestinsummerandworstinwinter.Ingeneral,theAPIinthetwocitieswasdecreasingduring20012009,thatmeanstheairqualitywasimproving.Resultsalsoshowedthattheeffectofmeteorologicfactorsonairqualitywasdifferentindifferentseason.Themainmeteorologicfactorsthataffecttingairqualityweretemperature,windspeedandrelativehumidity.

Keywords:

airpollutionfeature;airpollutionindex;meteorologicfactors

大气环境直接影响着人体健康,随着我国经济的高速发展、城市化进程的不断加快,能源与交通规

模逐渐扩大,城市人口迅速膨胀,我国城市大气污染日益严重,有关城市大气污染问题越来越受到人们的重视。

宋艳玲等[1]

对20002002年北京市大气污染物SO2、NO2、PM10污染特征和同期气象资料进行分析,发现污染物浓度与气象因子之间存在明显的相关性。

刘新玲等[2]分析了20002004年山东省中西部五城市主要大气污染物SO2、PM10、NO2的季节变化特征以及年际变化趋势,探讨了大气污染物浓度的变化与地形、污染源和气象条件等因素的

密切关系。

马雁军等[3]研究了19872002年辽宁

中部城市群的大气污染物变化特征。

通过对武汉、重庆、宁波、上海等国内多个城市的大气污染问题进行对比分析[410],发现城市大气污染特征既具有一定的共性,但也存在明显的地区差异。

笔者利用20012009年济南和青岛的每日空气污染指数（API及同期气象资料,对比研究了2市API的月、季变化特征与年际变化趋势,并进一步探讨了影响API的气象因子,研究结论可为科学有效地控制和治理大气污染提供必要的理论依据。

环境污染与防治第33卷第5期2011年5月

表1空气质量分级标准

Table1ClassificationstandardofAPI

API空气质量级别空气质量状况对人体健康的影响

0~50优可正常活动

51~100良可正常活动

101~1501轻微污染长期接触,易感人群出现症状

151~2002轻度污染长期接触,健康人群出现症状

201~2501中度污染一定时间接触后,健康人群出现症状251~3002中度重污染一定时间接触后,心脏病和肺病患者症状显著加剧>300重度污染健康人群明显出现强烈症状,提前出现某些疾病

1资料来源及方法

1.1资料来源

API资料来源于环境保护部公布的重点城市空气质量日报。

API是一种向公众公布的、反映和评价空气质量状况的指标,API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,并分级表征空气质量级别、空气质量状况和对人体健康的影响。

根据中国环境监测总站2000年颁布的城市空气质量日报技术规定,根据API数值将我国城市空气质量划分为7级（见表1。

气象资料来源于中国气象科学共享数据网提供的中国地面气候资料日值数据集,包括同期济南、青岛的日平均气温、日最高气温、日最低气温、平均风速、最大风速、极大风速、日照时数、平均相对湿度、最小相对湿度、降水量。

1.2方法

采用统计法分析济南和青岛2市的API月、季变化特征和年际变化趋势,然后进一步运用SPSS软件,对API与各气象因子的相关性进行分析,通过API与各气象因子的相关系数来确定各气象因子对API变化的影响。

2API变化特征

2.1API月、季节变化特征

通过对济南、青岛20012009年的API日均值进行计算,得到2市多年API月均值,结果见图1。

由图1可见,青岛各月份的API月均值明显低于济南,说明青岛空气质量总体上优于济南。

济南、青岛7、8月API月均值最低,说明空气质量最好,1、3、12月API月均值相对较高,

空气质量最差。

图120012009年济南、青岛各月份API月均值Fig.1VariationofmonthlyaverageAPIinJinanandQingdao

根据济南、青岛的气候特征,将春季定为3~5月,夏季定为6~8月,秋季定为9~11月,冬季定为当年12月至翌年2月。

表2统计了2市20012009年中4季API的平均值及标准差。

由表2可见,济南、青岛均具有明显的API季节变化特征,冬季API平均值最高,夏季API平均值最低,这说明2市冬季空气质量最差,其次是春季和秋季,夏季空气质量最好。

这是因为济南、青岛是典型的北方城市,冬季采暖导致燃煤量增加,污染加重;另外,济南市冬季低空逆温层出现的几率偏高,对市区空气污染物的稀释和扩散产生不利的影响,也是造成其冬季空气污染严重的主要原因之一[11]。

在20012009年9个冬季中,济南就有6个冬季API在100以上,大气环境受到不同程度的污染。

春季是济南和青岛的次污染季节,主要是因为春季冷空气活跃、风速大、气温回暖、地表植被覆盖度差,容易引起沙尘天气,使API平均值增加[12,13]。

从表2还可以看出,青岛各季节的API平均值均低于济南,说明青岛各季节空气质量总体良好;济南各季节API的标准差明显大于青岛,反映了济南各季节API的波动变化大于青岛。

表2济南、青岛API季节变化

Table2SeasonalvariationofAPIinJinanandQingdao

城市

春季

平均值标准差

夏季

平均值标准差

秋季

平均值标准差

冬季

平均值标准差

济南98.3715.7781.297.4384.635.99103.6115.51青岛83.776.3461.593.4271.213.9788.724.82

廉丽姝等城市大气污染特征及其与气象因子的关系以济南、青岛市为例

表320012009年济南、青岛各级空气质量级别所占的天数及良好率分布

Table3NumberofdaysfordifferentairqualitylevelofJinanandQingdaoduring20012009

项目

各级空气质量级别所占天数/d

级

济南青岛

级

济南青岛

大于级

济南青岛

良好率/%济南青岛

20013272202901424861.1086.8520021245259279944174.2588.7720036512092751503958.9089.32200415371952941563557.3890.4420057332552981033471.7890.6820061237295295583384.1190.9620071547296286543285.2191.232008467291266713380.6090.982009766288267703280.8291.23平均值9462562831003672.7090.05

2.2API年际变化趋势

表3为20012009年济南、青岛各级空气质量级别所占的天数及良好率分布。

统计结果表明,济南平均每年处于级和级的天数为265d,一年中有100d在级以上,空气受到污染。

青岛平均每年仅有36d在级以上。

由表3可见,济南空气质量良好率最低出现在2004年,为57.38%,2007年良好率最高,为85.21%,两者相差27.83%;青岛空气质量良好率最低出现在2001年,为86.85%,最高值为2007和2009年的91.23%,两者相差仅为4.38%,说明济南空气质量年际变化比青岛大,即空气质量的波动较大,这与多方面因素有关,其中政府的环保规划起着重要作用,如在20012009年中,2003、2004年济南空气质量最差,2005年政府环保规划方案中便将大气污染防治作为重点工作来抓,采取了一系列措施如淘汰小规模燃煤锅炉、对多家重点单位实施限期治理、开展大气环境容量测算工作、强化机动车尾气污染防治的监督管理、突出扬尘控制等,因此2005年济南空气质量较2004年有了较大提高。

图2给出了20012009年济南、青岛的API年均值变化趋势。

由图2可见,在20012009年,济南API年均值为82.7~100.6,总体呈下降趋势;青岛API年均值为73.8~80.9,波动较小,总体也呈下降趋势。

3影响API的气象因子分析

城市空气质量状况受很多因素的影响,如气象条件、污染源种类、位置和排放强度、地形、政府政策等。

其中,气象条件对污染物的输送、扩散、冲刷及二次污染物的产生均有重要的影响,

同时也是变化

图2济南、青岛20012009年API年均值变化Fig.2ThevariationofannualaverageAPIinJinanandQingdaoduring20012009

最复杂、最快的影响因子,笔者利用相关分析法对API与气象因子的相关性进行了分析。

从济南、青岛气候来看,济南属于暖温带季风气候,大陆性气候特征显著。

春季风多干燥,夏季炎热多雨,秋季天高气爽,冬季干冷期长。

全年平均气温14.7,最冷月均温0.4,出现在1月;最热月均温27.5,出现在7月;年降水量672mm,集中在夏季,占全年降水的67%。

青岛地处暖温带季风区,由于濒临海洋,受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响,气候具有一定的海洋性气候的特点。

空气湿润,温度适中,四季分明。

春季气温回升缓慢,较内陆迟1个月;夏季湿热多雨,但无酷暑;秋季天高气爽,降水少;冬季风大气温低,持续时间较长,但无严寒。

全年平均气温12.7,最冷月均温-0.5,出现在1月;最热月均温25.3,出现在8月;年降水量662mm,集中在夏季,占全年降水的57%。

为确定各气象因子在不同月份、不同季节对空气质量的影响,对20012009年济南、青岛API日均值和同期气象资料运用SPSS软件进行相关分析。

API日均值与同期气象资料的日日相关分

环境污染与防治第33卷第5期2011年5月

表4济南、青岛API与各气象因子的相关系数1

Table4CorrelationcoefficientofmeteorologicfactorsandAPIinJinanandQingdao

季节城市日平均

气温

日最高

气温

日最低

气温

平均

风速

最大

风速

极大

风速

日照

时数

平均相

对湿度

最小相

对湿度

降水量

春济南0.0020.015-0.0020.107**0.0100.002-0.052-0.116**-0.102**-0.025青岛-0.050-0.014-0.078*0.0190.0400.0450.133**-0.334**-0.311**-0.081*

夏济南0.123**0.131**0.067-0.118**0.0040.018-0.053-0.119**-0.139**0.009青岛0.0600.226**-0.058-0.143**-0.125**-0.120**0.186**-0.384**-0.405**-0.032

秋济南-0.126**-0.122**-0.116**-0.138**-0.119**-0.124**-0.124**-0.0130.002-0.026青岛-0.213**-0.175**-0.234**-0.102**-0.111**-0.141**0.007-0.111**-0.187**-0.088*

冬济南0.148**0.124**0.177**-0.144**-0.132**0.006-0.208**0.224**0.213**0.068青岛0.0670.102**0.023-0.143**-0.176**-0.176**-0.023-0.006-0.061-0.102**

注:

1**表示通过0.01的显著性水平检验,*表示通过0.05的显著性水平检验。

析表明,济南API与气温、相对湿度和日照时数呈负相关,与其他气象因子的相关性未通过显著性检验;青岛的统计结果与济南相似,不同的是青岛API与日照时数呈正相关,不过相关系数较其他气象因子小,而气温、相对湿度与API的相关系数要远大于其他气象因子,故初步确定影响青岛大气污染的主要气象因子为气温和相对湿度。

为进一步确定各气象因子对大气污染季节变化的影响,统计了不同季节济南、青岛API与各气象因子的相关系数,结果如表4所示。

由表4可见,不同季节济南、青岛API与各气象因子之间的相关性是不同的,即不同季节各气象因子对空气质量变化的影响作用及大小并不相同。

济南、青岛冬季空气质量最差,尤其是济南,甚至出现某些年份冬季的空气质量级别都未达到级,处于受污染的状态。

从表4可以看出,冬季济南API与相对湿度、气温呈正相关,与日照时数、风速呈负相关（仅对通过显著性水平检验的数据进行分析,下同。

对于内陆城市济南来说,气温高,特别是最低气温高、湿度大、日照少、风速小,一般意味着其大气层结较稳定,湍流交换较弱,不利于大气污染物的扩散,使大气污染物在大气中滞留,造成大气污染。

济南冬季低空逆温层出现频率偏高,早晨出现低空逆温层的几率大于晚上,且逆温层厚度大,强度大,逆温也是造成济南冬季污染物浓度高,空气污染严重的一种气象条件。

青岛冬季API与风速存在负相关关系,通常来说风速越大越有利于空气中污染物质的稀释扩散。

青岛冬季多大风,这对空气污染起到了明显缓解作用。

对青岛低空逆温层的研究表明,青岛逆温层出现频率最高的季节虽不是在冬季（在3~6月,但冬季12月的逆温强度在全年中最大,强逆温层约占逆温层总数的10%[14]。

加上青岛冬季持续时间较长,采暖期也较长,冬季居民生活取暖是大气的主要污染源,所以青岛市冬季空气质量虽总体良好但在全年中空气质量最差。

春季济南API与相对湿度呈负相关,与平均风速呈正相关。

通常来说风速越大越有利于空气中污染物质的稀释扩散,空气质量越好,可春季济南却出现了相反的情形,这主要是由济南的特殊地形和春天的气候决定的。

济南地势南高北低,三面环山,由此引起的山风对局地环流有着重要的影响,不利于污染物的扩散,南部山区生态环境脆弱,林地植被覆盖率低,植被发育较差,北部黄河河滩泥沙土质松散,遇到大风地面易起风沙扬尘,城市下垫面土壤风沙尘和二次扬尘均是大气颗粒物的主要来源,而济南春季又多大风,降水偏少,地面干旱,当大风来临时极易出现沙尘天气。

据统计,每年3、4月是沙尘天气的多发期,另外大风还会在一定程度上降低空气湿度,使空气变得干燥,加剧了春季济南的大气污染。

春季青岛API与相对湿度呈负相关,且相关系数远大于其他气象因子,验证了空气相对湿度是影响青岛大气污染变化的主要气象因子。

有关研究表明,当空气相对湿度>90%时,雾对各种大气污染物具有明显的清除作用;当空气相对湿度<80%时,雾对各种大气污染物的污染程度有明显的加重作用;当空气相对湿度介于80%~90%时,雾对各种大气污染物的清除作用或污染加重作用各不相同[15]。

通过统计计算,青岛市春季的空气平均相对湿度为67.4%,小于80%,在这种情况下,雾会加剧空气污染。

又因青岛受海洋环境的影响,4~7月是青岛的雾季[16],多雾天气是造成其空气质量较差的主要原因之一。

夏季济南、青岛API均与相对湿度呈负相关。

在夏季,济南高温多雨,青岛虽没有酷暑,但也湿热多雨,降水多不仅会加大空气相对湿度,而且对大气污染物也会起到清除和冲刷的作用,此外,降水后地

廉丽姝等城市大气污染特征及其与气象因子的关系以济南、青岛市为例

面变得湿润,灰尘不易飘散到空气中[17]。

对照2市空气质量资料和气象资料发现,在降水较多的月份,空气质量较好。

秋季影响济南、青岛API的主要气象因子为气温与风速,API与气温和风速均呈负相关。

总而言之,不同季节影响空气质量的气象因子并不