2014—2018年济南市区大气重污染特征及气象影响因子分析*

张朝雨， 廉丽姝， 李瑞平， 冯亚洁， 谭丽荣， 程 禛

(曲阜师范大学地理与旅游学院，276826，山东省日照市)

近年来，我国消耗大量能源，导致大气污染愈加严重[1].2018年我国能源消费总量为464 000万吨标准煤，其中，煤炭和石油各占59.0 %和18.9 %[2]，全年338个地级及以上城市发生重度污染1 899天次，严重污染822天次[3].大气重污染问题已受到全社会普遍关注.关于大气重污染问题，已有学者开展了一系列研究.刘海猛,等[4]分析了京津冀城市群大气污染的时空特征，结果表明：其PM2.5浓度秋冬高、春夏低，东南高、西北低.孔君,等[5]发现若污染源无较大改变，气象因子会在很大程度上影响污染过程.目前，此类研究大多对重污染类型不加以区分.然而，气象条件复杂多样，其引发的大气重污染事件的特征和类型也不同.此外，山东省环境空气质量状况不容乐观，李名升,等[6]分析了中国PM2.5污染的空间格局，发现京津冀及其周边的山东、河南、山西是污染最重的地区.李恬等[7]指出1961—2013年，山东省的年均霾日数整体呈上升趋势，济南位居山东省霾日高发区域首位.

济南市位于山东省中西部，36°01′N～37°32′N，116°11′E～117°44′E之间(下页图1).

济南北、东、南三面环山，使盛行的E、S、ENE风受到阻挡，通风条件差，污染物不宜扩散.同时，济南人口多，2018年常住人口达746.04万人，能源消耗密集，污染物排放多且集中，一旦遇到持续性的不利天气，空气质量会迅速变差.2018年，济南市区PM2.5和PM10年均浓度分别为国家二级标准限值[8]的1.5倍和1.6倍.

本文采用空气质量指数(AQI)、污染物质量浓度以及气象要素日值数据，对2014—2018年济南市区大气重污染特征及其类型进行分析，并识别不同类型大气重污染的主要气象影响因子，为济南市区不同气象条件下的大气污染防治工作提供基础数据的支持.

1 数据来源与方法

采用全国城市空气质量实时发布平台(http:∥106.37.208.233:20035/)公布的济南市区AQI日值数据、8个国控点(图1)的PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的质量浓度日值数据以及中国气象数据网(https:∥data.cma.cn/)公布的济南市区气象要素日值数据.并对8个监测站点每日的污染物浓度进行多站点数据平均值计算，得到整个济南市区污染物浓度的均值.记录时间为2014-01-01～2018-12-31，资料具有比较好的连续性和完整性.

图1 山东省地形及济南市区空气质量监测网络

参考有关规定[9]，本研究中的“污染”指AQI在100以上的大气污染，而“重污染”专指AQI在200以上的大气污染.季节划分以3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季.

分别采用主成分分析和相关性分析计算重污染条件下各气象因子影响权重和污染物浓度与气象要素的相关系数.

参考前人的分类[1]，将济南市区发生的大气重污染事件分为积累型、沙尘型、O3光化学型以及复合型.积累型因不利大气扩散条件导致污染物积累而形成；沙尘型因沙尘天气而形成；O3光化学型因强烈的光化学反应产生大量O3而形成；复合型则由多种因素共同导致.

2 结果与分析

2.1 大气重污染特征分析

2.1.1 大气重污染整体特征

2014—2018年济南市区共出现大气污染1 047天，频率为57.3 %，期间，重污染131天，频率为7.2 %.重污染发生时，PM2.5和PM10超标(AQI分指数>100)[9]比例非常高，重污染日中浓度分别超标127天和126天；NO2超标比例较高，重污染日中浓度超标67天；而SO2、CO和O3超标比例较低，重污染日中浓度分别超标12天、7天和7天.

从季节分布来看，重污染主要发生在冬季，重污染天数占全年的67.2 %，其中，又以12月至次年1月最多(图2)；其次为秋季和春季，重污染天数分别占全年的18.3 %和11.5 %；夏季最少，仅占全年的3.1 %.但在春、夏、秋、冬四季的重污染日中，O3的超标天数分别为1天、4天、2天和0天，冬季没有发生超标，与以冬季为主的重污染季节分布规律相反.

图2 2014—2018年济南市区各月份大气重污染天数

从年际变化来看，2014—2018年重污染天数分别为35天、38天、24天、20天、14天，大致呈减少趋势；重污染次数(跨年的重污染过程计入其开始的年份)分别为24次、19次、15次、10次、5次，也呈逐年减少的趋势.

从首要污染物来看，131个重污染日中，首要污染物为PM2.5、PM10和O3的天数分别为113天、14天和4天，说明济南市区大气重污染均为颗粒物重污染和O3重污染，且PM2.5重污染最为突出，2014—2018年大气重污染日PM2.5的平均质量浓度为日均浓度国家二级标准限值[8]的2.6倍.

2.1.2 大气重污染类型特征

2013年后，济南加大扬尘源头治理和管控，对钢铁、水泥、石化等高污染行业限期治理，加快工业余热利用和燃煤锅炉达标升级，扩大清洁能源推广使用，减少了污染物的排放，济南的“蓝天保卫战”取得了显著成果.2014—2018年济南市区共出现73次大气重污染，年均14.6次，积累型、沙尘型、O3光化学型以及复合型分别为 37、3、4、29次，分别占总次数的50.7 %、4.1 %、5.5 %和39.7 %.

从各季节大气重污染事件的类型来看，秋、冬、春3季以积累型和复合型为主，偶有沙尘型重污染出现.秋季11次重污染中9次为积累型，2次为复合型；冬季43次重污染中20次为积累型，21次为复合型，2次为沙尘型；春季15次重污染中8次为积累型，6次为复合型，1次为沙尘型.济南市区夏季大气重污染的次数不多，以O3光化学型为主，研究期间夏季的4次重污染全部为O3光化学型(图3a).

图3 2014—2018年济南市区大气重污染月际变化及年际变化

从各类大气重污染事件的年际变化来看，2014—2018年济南市区大气重污染以积累型为主，积累型重污染分别出现11次、11次、9次、3次、3次，基本呈减少趋势；沙尘型重污染出现的次数不多，于2014年出现2次，于2017年出现1次；近年来，O3光化学型重污染开始显现，于2017年和2018年各出现2次；复合型重污染的次数仅次于积累型重污染，是较为主要的一种重污染类型，但这5年来呈明显减少趋势，2014—2017年分别出现11次、8次、6次、4次，2018年没有复合型重污染发生(图3b).

从各类大气重污染事件的污染物浓度来看，积累型重污染发生时，多数污染物浓度同步升高，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均浓度分别为年平均值的2.7倍、2.1倍、1.8倍、2.2倍、1.7倍和0.4倍；沙尘型重污染发生时，颗粒物浓度急剧升高，并且以粗颗粒为主，其他污染物浓度与积累型重污染发生时差异较小，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均浓度分别为年平均值的1.8倍、2.2倍、2.3倍、1.4倍、1.2倍和0.4倍；O3光化学型重污染发生时，O3浓度极高，而其他5种污染物浓度均较低，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均浓度分别为年平均值的1.0倍、1.0倍、0.6倍、1.0倍、1.1倍和2.7倍；复合型重污染发生时，多数污染物的浓度比其他3类重污染高，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均浓度分别为年平均值的2.7倍、2.2倍、2.8倍、2.1倍、1.8倍和0.5倍(表1).

表1 2014—2018年济南市区4种大气重污染类型的污染物浓度

2.2 大气重污染的气象影响因子分析

2.2.1 影响大气重污染的气象要素

大气污染会受到气象条件的影响[10]，根据前人经验[11]筛选出对大气污染影响较大的5项气象要素，分别为风速、相对湿度、气压、气温和日照时数，其年平均值分别为2.4 m/s、55.7 %、996.8 hPa、15.4 ℃和6.2 h，重污染日平均值分别为1.8 m/s、64.6 %、1 002.5 hPa、7.1 ℃和3.4 h.重污染日平均值高于年平均值的为相对湿度和气压，而风速、气温和日照时数的重污染日平均值均在年平均值以下.较小的风速和高压不利于污染物的扩散，污染物易堆积在近地面，导致大气重污染；在一定的湿度范围内，相对湿度越大越有利于形成颗粒物；重污染日平均气温低于年平均值与重污染多发生在气温较低的采暖期有关；而日照主要影响O3的形成.

利用主成分分析计算重污染条件下风速、相对湿度、气压、气温和日照时数影响权重分别为0.253、0.302、0.080、0.132、0.234，对空气质量影响最大的气象因子为相对湿度，风速和日照时数次之，气温和气压影响较小.

将2014—2018年济南市区3种首要污染物(PM2.5、PM10和O3)全年平均浓度、重污染日平均浓度及非重污染日平均浓度分别与5项气象要素的值进行相关性分析(表2)，发现污染物浓度与各气象要素的相关性存在显著差异.

表2 2014—2018年济南市区3种首要污染物浓度与气象要素的相关系数

从全年来看，PM2.5和PM10浓度均与气压正相关，与风速、气温和日照时数负相关，而二者与相对湿度的相关性相反，PM2.5浓度与其正相关，PM10浓度与其负相关.O3浓度与各项气象要素的相关性与PM2.5均相反，表明促进O3形成的气象条件与促进颗粒物形成的气象条件有较大差异，5年间，济南市区的O3光化学型重污染的发生季节与其他3类重污染不同，均发生在夏季，也印证了这一点.此外，将重污染日与非重污染日对比，就通过了相关性检验的项目来讲，重污染日和非重污染日的污染物浓度与气象因子的相关性在方向上呈一致，且重污染日的相关程度绝大部分大于非重污染日，整体上，重污染日的污染物浓度与气象因子的相关性更强.

2.2.2 不同类型大气重污染的气象条件差异

各类重污染事件发生时的气象条件各不相同，故分别对4类大气重污染事件的气象条件(图4)进行讨论.

图4 2014—2018年济南市区4种大气重污染类型的气象要素分布

积累型重污染一般在静稳天气下发生，期间，风速小(<3 m/s)(图4a)，相对湿度大(≥50 %)(图4b)，平均风速为1.5 m/s，平均相对湿度为72.6 %，分别为年平均值的0.6倍和1.3倍.此外，积累型重污染期间，气压、气温和日照时数的分布区间较广(图4c、d、e)，平均气压为1 002.7 hPa，平均气温为6.6 ℃，平均日照时数为2.6 h，分别为年平均值的1.0倍、0.4倍和0.4倍，这和积累型重污染在秋、冬、春3季都有分布有关.积累型重污染的发生还与近地层逆温有关.辐射逆温出现频率高、厚度大、强度高，会使大气变得更加稳定，限制大气污染物的稀释和扩散[12].

沙尘天气发生时，沙尘粒子剧增，致使颗粒物浓度迅速升高，极易造成沙尘型重污染，期间，风速较大(>3 m/s)(图4a)，相对湿度小(<60 %)(图4b)，平均风速为4.0 m/s，平均相对湿度为40.7 %，分别为年平均值的1.7倍和0.7倍.易导致沙尘型重污染的大风多在冬季和春季产生，故沙尘型重污染期间，气压的分布比较分散(图4c)，平均气压为1 002.4 hPa，为年平均值的1.0倍；气温和日照时数的分布也比较分散，且没有较高的值(图4d、e)，平均气温为7.7 ℃，平均日照时数为4.7 h，分别为年平均值的0.5倍和0.7倍.

O3光化学型重污染期间，气象状况相对停滞，风速较小(<2 m/s)(图4a)，相对湿度多在40%～60 %之间(图4b)，平均风速为1.7 m/s，平均相对湿度为59.3 %，分别为年平均值的0.7倍和1.1倍.其气压、气温和日照时数的分布明显异于其他3类重污染，气压值均较低，气温和日照时数的值均较高(图4c、d、e).这是因为在光照充足且高温时，汽车尾气和工业排放出的氮氧化物及挥发性有机化合物会与氧发生反应，生成大量O3[13-14]，从而造成大气重污染，而气压偏低可能与气温有关，夏季高温一般对应低气压，故而O3光化学型重污染期间，气压较低(<995 hPa)(图4c)，气温高(>25 ℃)(图4d)，日照时数多(>9 h)(图4e)，平均气压为986.2 hPa，平均气温为28.7 ℃，平均日照时数为10.7 h，分别为年平均值的1.0倍、1.9倍和1.7倍.

复合型重污染由多种因素共同影响所致，一般因污染物积累及沙尘天气共同作用而形成[15]，其气象条件不确定性较大，风速、相对湿度、气压、气温和日照时数分布区间较广(图4)，平均风速为2.2 m/s，平均相对湿度为53.6 %，平均气压为1003.6 hPa，平均气温为6.0 ℃，平均日照时数为3.9 h，分别为年平均值的0.9倍、1.0倍、1.0倍、0.4倍和0.6倍.

3 结 论

本文通过分析2014—2018年济南市区大气重污染特征及气象影响因子，得出以下结论：

(1)2014—2018年济南市区大气重污染发生较为频繁，其季节分布和年际变化特征显著.从季节分布来看，重污染主要发生在冬季，其次为秋季和春季，夏季最少.从年际变化来看，重污染天数和次数呈逐年减少趋势.此外，PM2.5是济南市区最主要的大气污染物.

(2)不同类型大气重污染的特征各有不同.2014—2018年济南市区发生的大气重污染，主要为积累型和复合型.从季节分布来看，秋、冬、春3季的大气重污染以积累型和复合型为主，有沙尘型重污染出现，但并不频繁.夏季大气重污染的次数不多，以O3光化学型为主.从年际变化来看，积累型和复合型重污染基本呈减少趋势；沙尘型重污染出现次数不多；近年来，O3光化学型重污染开始显现.此外，各类重污染发生时污染物浓度变化各不相同.

(3) 气象条件会影响环境空气质量.相对湿度和气压的重污染日平均值高于年平均值，而风速、气温和日照时数则相反.5项气象要素中，相对湿度对空气质量影响最大，风速和日照时数次之，气温和气压影响较小.污染物浓度与各气象要素的相关性存在显著差异.

(4) 各类重污染事件发生时的气象条件各不相同.积累型重污染和沙尘型重污染期间，气压、气温和日照时数的分布区间均较广，前者多发生在风速小、相对湿度大的时期，后者多发生在风速较大、相对湿度小的时期；O3光化学型重污染期间，风速较小，相对湿度较大，气压较低，气温高且日照强；复合型重污染期间，气象条件的不确定性较大.