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

1、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. 08JC 1408500 ; 山东 省 自然 科学 基 金资 助 项目 (No. ZR2010DM 011 。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 10001

2、2;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

3、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Urban air pollution feature and its relationship with meteorologic factors a case study of Jinan and Qingdao LI A N L is hu 1, GA O J unj ing 2,

4、 SH U J io ng 3. (1. S chool of Geog rap hy and T our is m, Quf u N or mal Univ er sity , Quf u Shandong 273165; 2. I nstitute of E cology , Chinese Resear ch A cademy of Envir onmental Science, Beij ing 100012; 3. K ey L abor ator y of Geogr ap hical I nf or mation Science , M inistr y of Education

5、, I ns titute of Climate and A tmos p her ic Envir onment , E ast China N ormal Univer sity , S hang hai 200062Abstract: Based on air pollution index (A PI of Jinan, Q ingdao dur ing the per iod of 2001 01 01to 2009 12 31, the mo nt hly, seaso nally var iatio n character istics and annual v ariat io

6、n tendency of A P I in Jinan and Q ingdao w as ana lyzed by the statist ical analy sis met ho d. Further more, the po ssible meteoro lo gic facto rs that affacting A PI wer e also analyzed. Statistic r esult s show ed that the air qualit y in Q ingdao was better than Jinan, t he mounthly and seasona

7、l var iatio n o f A PI in Jinan and Q ing dao are obvious and similar , and the air qualities w ere best in summer and w or st in winter. In g ener al, the A P I in the tw o cities was decreasing during 2001 2009, that means the air quality w as impro v ing. Results also show ed that the effect of m

8、eteor olog ic factor s on air quality was differ ent in different season. T he main met eo ro lo gic facto rs that affectt ing air quality w ere temperatur e, w ind speed and relativ e humidity.Keywords: air po llution feat ur e; air pollution index; meteo ro lo gic facto rs大气环境直接影响着人体健康 , 随着我国经济 的高

9、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 2000 2002年北京市大气 污染物 SO 2、 NO 2、 PM 10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 2000 2004年山东 省中西部五城市主要大气污染物 SO 2、 PM 10、 NO 2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 1987 2002年辽

10、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 4 10, 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 2001 2009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T able 1

11、Classificatio n standa rd of A PIAPI 空气质量级别 空气质量状况 对人体健康的影响050 优 可正常活动51100 良 可正常活动101150 1轻微污染 长期接触 , 易感人群出现症状151200 2轻度污染 长期接触 , 健康人群出现症状201250 1中度污染 一定时间接触后 , 健康人群出现症状 251300 2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

12、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

13、岛 2市的 A PI 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。2 API 变化特征2. 1 API 月 、 季节变化特征通过对济南、 青岛 2001 2009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、

14、 12月 API 月均值相对较高 , 空气质量最差。图 1 2001 2009年济南 、 青岛各月份 API 月均值 Fig. 1 V ariat ion of mo nthly aver age A PI in Jinan and Q ing dao根据济南、 青岛的气候特征 , 将春季定为 35月 , 夏季定为 68月 , 秋季定为 911月 , 冬季定为 当年 12月至翌 年 2月。表 2统计 了 2市 2001 2009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 A PI 季 节变化特征 , 冬季 API 平均值最高 , 夏季 API 平均 值最低

15、 , 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 2001 2009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

16、 12, 13。从表 2还可以看出 , 青岛各季节的 A PI 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T able 2 Seaso nal var iatio n of A PI in Jinan and Q ingdao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.

17、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 3 2001 2009年济南 、 青岛各级空气质 量级别所占的天数及良好率分布T able 3 N umber o f day s for differ ent air quality level of Jinan and Q ing dao dur ing 2001 2009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. 85 20021245259279

18、944174. 2588. 77 20036512092751503958. 9089. 32 200415371952941563557. 3890. 44 20057332552981033471. 7890. 68 20061237295295583384. 1190. 96 20071547296286543285. 2191. 23 2008467291266713380. 6090. 98 2009766288267703280. 8291. 23平均值 9462562831003672. 7090. 052. 2 API 年际变化趋势表 3为 2001 2009年济南、 青岛各级

19、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

20、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 2001 2009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 2001 2009年济 南、 青岛 的 API 年均值变化趋势。由图 2可见 , 在 2001

21、 2009年 , 济南 API 年均值为 82. 7100. 6, 总体呈下降趋势 ; 青岛 API 年均值为 73. 880. 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 2001 2009年 API 年均值变化 Fig. 2 T he va riation of annual averag e A PI in Jinan and Q

22、ingdao during 2001 2009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 672m m, 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

23、。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 2001 2009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

24、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 1T able 4 Co rr elatio n co eff icient of meteor olog ic facto rs and A P I in Jinan and Q ing dao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. 002 0. 107*0. 0100. 002-0. 052 -0. 116*-0. 102*-0. 025青 岛 -0.

25、 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.

26、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

27、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

28、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

29、, 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 36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 A

30、PI 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。

31、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

32、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 , 47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