长沙市秋冬季重污染日变化特征及与气象条件相关性研究

长沙市秋冬季重污染日变化特征及与气象条件相关性研究1

刘妍妍1, 2 陈阳1, 2, 3 罗岳平1, 2, 3* 田耘1, 2 张琴1, 2 易文杰1, 4 彭庆庆1, 2

（1.湖南省环境监测中心站，湖南长沙410019；2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，湖南长沙410019；3.湘潭大学化工学院，湖南湘潭411105；4.湖南省环境保护厅，湖南长沙

410019）

摘要：利用长沙市2013--2014年秋冬季PM2.5监测数据及气象资料，统计了该市在

研究时段重污染日的分布、AQI和PM2.5质量浓度的变化情况，分析了连续三天及以上重污染日对应的天气类型、气象要素特征，采用Pearson参数法研究了重污染日与各气象条件的相关性。结果表明， 2013年10月至2014年2月，长沙市的重污染日累计达到41天，占统计时段总天数的27.2%；长沙市发生重污染日的地面天气形势分为高压类和均压类两种类型，其中（弱）高压及其底（后）部占41.7%，（弱）高压（后部）转均压及均压转高压（底/前部）占37.5%，均压占20.8%；连续三天及以上重污染日的地面气象条件为小风或静风，平均风速1.7m/s，低于秋冬季平均风速2.1m/s；相对湿度平均60.8%，而秋冬季平均为66.7%。每次重污染日期间温度、气压变化不大，逆温较强；相关性分析结果表明，在重污染日，PM2.5质量浓度与温度、风速和气压负相关，相关系数分别为-0.1、-0.37、-0.26，而与湿度正相关，相关系数0.13。在长沙市，风速和湿度为重污染日的主导气象因素，较大的风力及有效降雨成为重污染日打断的主要因素。

关键词：重污染日；气象条件；变化特征；相关性

Correlation study on the variation characteristics and meteorological conditions of Changsha's heavy pollution days in autumn and winter

Liu Yanyan1,2，Chen Yang1,2,3，Luo Yueping1,2,3*，Zhang Qin1,2，Yi Wenjie1,4，Peng Qingqing1,2 （1.Hunan Environment Monitoring Centre，Changsha Hunan 410019；2.National Environmental Protection Key Laboratory of Heavy Metal Pollution Monitoring，Changsha Hunan 410019；3.Xiangtan University Chemical Engineering College，Xiangtan Hunan 411105；4.Environmental

Protection Department of Hunan，Changsha Hunan 410019 ）

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基金项目：

环保部公益性行业科研专项：典型冶金化工产业密集区长株潭城市群空气质量持续改善与综合管理技术研究,编号201509019;湖南省社科基金重大招标项目:湖南省加强大气污染治理的思路与对策研究, 项目编号14DA12; 湖南省环保科技项目：湖南省城市环境空气中PM2.5及特殊项目污染现状调查及评估研究。

*通讯作者：罗岳平（1971年生），男，从事环境监测工作，高级工程师，博士，E-mail：664364039@qq.com 作者简介：刘妍妍（1989年生），女，湖南长沙人，助理工程师，硕士，主要从事空气质量预报与预警工作。E-mail：124917785@qq.com

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Abstract: Using 2013-2014 autumn-winter monitoring and meteorological data of Changsha city, the paper counted the time distribution of the city’s heavy air pollution days and the variation of AQI and PM2.5 mass concentration of the study period, analyzed weather types and meteorological characteristics in corresponding of three consecutive heavy air pollution days or more, studied the correlation between heavy air pollution days and each meteorological conditions by using Pearson correlation method. The results showed that there were 41 serious air pollution days from October 2013 to February 2014, and heavy pollution days accounted for 27.2 percent throughout the full statistic period; Ground weather situation of the heavy pollution days were divided into two categories: categories of high-pressure class and categories of equalizing field, among them (weak) high pressure and the bottom(rear) of high pressure type accounted for 41.7%, (weak) high pressure(or the rear of high pressure) turned into equalizing field or equalizing field turned into (the bottom/front of ) high pressure accounted for 37.5%, equalizing field accounted for 20.8%; The ground meteorological conditions of three or more consecutive heavy air pollution days were light wind or static wind，the average wind speed was 1.7m/s, lower than the autumn-winter average wind speed of 2.1m/s; The average relative humility was 60.8% while the autumn-winter average was 66.7%.Temperature and pressure changed very little and with strong temperature inversion during heavy pollution days. Correlation analysis results showed that the mass concentration of PM2.5 had negative correlation with temperature, wind speed and atmospheric pressure while positive correlation with humidity in heavy pollution days, the correlation coefficient were -0.1, -0.37, -0.26 and 0.13 respectively. In Changsha, wind speed and humidity were dominant meteorological factors in heavy pollution days. Larger wind and effective rainfall become the main factors to end the heavy pollution days.

Keywords: heavy air pollution days; meteorological conditions; correlation analysis; variation characteristics

1 前言

根据中国气象局和环境保护部联合发布的《京津冀及周边地区重污染日监测预警方案（试行）》，重污染日是指AQI大于200，即空气质量达到5级（重度污染）及以上污染程度的天气。如果一个城市预测未来将出现连续三天及以上

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AQI大于200的重污染日，应启动重污染日预警。根据历史监测资料，湖南省长沙市的重污染日主要集中在秋冬季节。本研究利用该市10个国控站点的自动监测数据，对2013年10月至2014年2月间的重污染日天气进行统计，并分析其与气象条件的关系，以期为科学开展空气质量预报和制定有针对性的城市环境空气污染应急措施和防治对策提供基础依据。

2 研究方法

2.1 环境空气自动监测和气象数据的获取

长沙市在城区共布设有10个监测站点，从2013年1月1日起按新《环境空气质量标准》（GB3095-2012）开展城市环境空气质量自动监测。PM2.5自动监测仪器统一采用热电公司SHARP5030产品。对自动监测仪产生的数据，采取一点多发的方式，相关业务部门都可查阅。本研究所用数据从2013年10月到2014年2月的历史数据库中获取，数据经审核。

用于研究目的的气象数据均由湖南省气象台提供，都是已面向公众发布的历史数据。

2.2 数据统计和分析

2.2.1 AQI和PM2.5日均质量浓度的统计

统计计算长沙市10个监测站点在2013-2014年研究时段的AQI和PM2.5日均质量浓度，并绘制相应图表。 2.2.2 气象参数的统计

统计长沙市2013-2014年研究时段的气象参数（温度、风速、气压、湿度）的日均值。 2.2.3 相关性分析

采用IBM公司SPSS19.0软件，重点分析PM2.5质量浓度与各气象参数的Pearson相关性。

3 结果与分析

3.1 2013-2014年秋冬季长沙市重污染日分布

2013-2014年秋冬季，在统计的每个月里，长沙市都有重污染天气发生，主要原因是长沙市的秋冬季平均气温低，降雨量小，近地面常出现逆温层，大气扩散条件较差，易发生污染物的累积，加之北方的外来污染源输送，而出现重污染

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日。在2013年10月至2014年2月研究时段，长沙市共出现重污染天数41天。其中，1月份出现的重污染天数最多，达到13天，其次为10月和12月份，2月和11月份出现的重污染天数相对较少，详见表1。

表1 长沙市2013年10月至2014年2月出现的重污染日统计

Table 1 Statistics of heavy pollution days in Changsha from October 2013 to February 2014

长沙市秋冬季AQI大于200的天数

月份 重污染天数（比例） 10月 11月 12月 1月 2月 总计 123 10133 41（38.7%） （10.0%） （32.3%） （41.9%） （10.7%） （27.2%） 3.2 长沙市在2013-2014年秋冬季AQI和PM2.5质量浓度的变化情况

长沙市2013-2014年秋冬季AQI和PM2.5质量浓度的变化曲线如图1所示。由图1可见，2013年10月1日至2014年2月28日，AQI与PM2.5质量浓度的变化趋势基本一致，反映了秋冬季基本以PM2.5作为重污染日的首要污染物，相关性分析表明，两者显著相关，相关系数高达0.997。在研究时段，AQI的变化区间为28~370，最低值出现在2014年2月28日，PM2.5在其时的质量浓度为14μg/m3；PM2.5浓度的最高值出现在2013年11月23日，达到320μg/m3，对应的AQI值也最高，为370。

从图1还可看出，由于地面气压场的移动及演变，使PM2.5质量浓度呈现过程性及周期性特征。10月份，重污染过程以污染物连续积累为主；11月份的三次重污染和2月份的一次重污染过程发生前，AQI都在150以下，由轻度污染直接跳跃至重度污染，推测由于北方冷空气频繁南下，输入北方的重污染团所致；12月份的重污染过程则表现出频繁周期性起伏的特点，且AQI峰值均在260左右；1月份的空气质量普遍较差，AQI起点高，重污染持续时间长，过程平稳。

图1 长沙市2013-2014年秋冬季AQI和PM2.5质量浓度的变化情况

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Figure 1 The variation of AQI and PM2.5 mass concentration of Changsha in

autumn-winter of 2013-2014

3.3 长沙市连续三天及以上重污染日天气统计

2013年10月至2014年2月期间，长沙市共发生了5次三天及以上重污染日，详见表2。其中，2014年1月发生的重污染日持续时间最长，达到7天，且4天为严重污染日；2013年10月发生的两次连续重污染日均为5天；2013年12月共发生两次连续重污染日，时长分别为3天和4天。

表2 长沙市2013年10月至2014年2月出现连续三天及以上重污染日的情况统计 Table 2 Statistics of three consecutive heavy air pollution days or more in Changsha

(Oct,2013 - Feb, 2014) 时间 2013-10-21 2013-10-22 2013-10-23 2013-10-24 2013-10-25 2013-10-27 2013-10-28 2013-10-29 2013-10-30 2013-10-31 2013-12-6 2013-12-7 2013-12-8 2013-12-19 2013-12-20 2013-12-21 2013-12-22 2014-1-25 2014-1-26 2014-1-27 2014-1-28 2014-1-29 2014-1-30 2014-1-31 空气质量 指数(AQI) 231 209 247 205 204 204 233 322 314 205 223 260 262 202 231 264 217 235 313 356 321 295 286 320 首要 污染物 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 空气质量指数级别 五级 五级 五级 五级 五级 五级 五级 六级 六级 五级 五级 五级 五级 五级 五级 五级 五级 五级 六级 六级 六级 五级 五级 六级 空气质量指数类别 类别 颜色 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 严重污染 褐 严重污染 褐 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 重度污染 紫 严重污染 褐 严重污染 褐 严重污染 褐 重度污染 紫 重度污染 紫 严重污染 褐 3.4 长沙市出现连续三天及以上重污染日的气象条件

将长沙市出现连续三天及以上重污染日期间的地面及高空天气形势进行归类，结果详见表3。由表3可知，持续重污染日期间地面天气形势以弱高压后/底部和均压为主，高空以槽和偏西（西南/西北）气流控制为主。地面天气形势

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