开远市空气污染与气象条件关系及污染等级预报方法.pdf

第42 卷第5期2023年10 月大气环境开远市空气污染与气象条件关系及污染等级预报方法罗小杰，王爱玲，熊丽萍？（1.云南省红河州气象局，云南蒙自6 6 110 0；2.云南省开远市气象局，云南开远6 6 16 0 0）摘要：为探究空气污染与气象条件的关系，以及基于气象条件的空气污染等级报方法，以开远市为例，利用相关性分析、数值统计预报方法及空气污染扩散气象条件等级标准进行了分析。结果表明：（1）开远空气污染具有“冬春高夏秋低”的鲜明特点，影响污染物主要有SO2、PM i o、0 3、PM 2.5，其中0 3为首要污染物；（2）影响开远市空气质量的气象条件主要有降水、相对湿度和风向。夏季降水的湿清除作用对改善当地空气质量有重要作用，尤其是在调节降低SO2、PM 1o、CO、PM 2.5浓度中作用显著。相对湿度与空气质量呈负相关，影响开远市空气污染扩散的风向主要为南向风；（3）根据空气污染扩散气象条件等级标准建立的基于气象条件的空气污染等级预报方程，比数值统计预报方法建立的AQI逐步回归预报方程具有更好的适用性，预测AQI等级对比实测AQI预报等级正确率达7 9.4%，对开远市空气污染防治具有一定的科学指导意义。关键词：气象条件；空气质量；预报方法中图分类号:X51文献标识码：AThe Relationship between Air Pollution and Meteorological Conditionsin Kaiyuan City and the Prediction Method of Pollution LevelLUO Xiao-jie,WANG Ai-ling,XIONG Li-ping?(1.Yunnan Honghe Prefecture Meteorological Bureau,Mengzi,Yunnan 661100,China;2.Yunnan Kaiyuan Meteorological Bureau,Kaiyuan,Yunnan 661600,China)Abstract:In order to explore the relationship between air pollution and meteorological conditions,as well as the reportingmethod of air pollution level based on meteorological conditions,Kaiyuan City was taken as an example,analysis was conducted,using correlation analysis,numerical statistics and forecasting methods and the standard of Meteorological Condition level of AirPollution Difusion.The results showed that:(1)The air pollution in Kaiyuan is characterized by high in winter and spring,low in summer and autumn.The main pollutants affecting the air pollution are SO2,PMio,O,and PM2.5,of which O,is theprimary pollutant;(2)The meteorological conditions affecting the air quality of Kaiyuan City mainly include precipitation,relative humidity and wind direction.The wet removal of summer precipitation plays an important role in improving local air qual-ity,especially in regulating and reducing SO2,PMio,CO and PM2.5 concentrations.The relative humidity is negatively correlatedwith the air quality,and the wind direction that affects the air pollution diffusion in Kaiyuan City is mainly southward wind;(3)The prediction equation of air pollution level based on meteorological conditions established according to the Standard ofMeteorological Conditions for Air Pollution Diffusion is more applicable than the AQI stepwise regression prediction equationestablished by numerical statistical prediction method.The accuracy rate of the predicted AQI level compared with the measuredAQI prediction level is 79.4%,which has certain scientific significance for air pollution prevention and control in Kaiyuan City.Keywords:Meteorological conditions;air quality;prediction method四川环境SICHUAN ENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.05.009文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 5-0 0 54-0 7Vol.42,No.5October 2023引言近年来，人们越来越重视空气质量对生产生活的影响，随之而起的空气质量研究也逐渐提升到一个新的高度，国内不少气象科技人员和专家已就气收稿日期：2 0 2 2-0 8-16基金项目：云南省气象局科研项目（YZ202219)资助。作者简介：罗小杰（19 9 3），女，云南牟定县人，毕业于成都信息工程大学应用气象学专业，工程师，研究方向为气象服务与应用。5期象条件与空气质量的关系做了大量的探究。王淑云等人对沧州市城市空气质量与气象条件关系及空气质量预报系统进行研究，得出气压场较弱、风速小、总云量较多时容易造成空气污染等结论；祁栋林等人对2 0 0 1 2 0 11年西宁空气质量特征及气象条件的关系进行研究，得出对大气污染物有制约关系的主要气象因子为沙尘日数、降水量、相对湿度和气温等结论2 ；沈劲等人基于聚类与多元回归的空气质量预报模型开发研究，以广东省顺德区为例建立了空气质量统计预报模型，得出模型模拟结果与实测值具有较高的相关性，且模型普遍略为高估各项污染物浓度水平的结论3；陈梁勋等人对绵阳市大气污染天气学分型及气象条件特征分析，得出污染天气发生的主要天气系统和稳定度特征4。但对基于气象条件的空气污染等级预报方法及适用性的研究不够充分。因此，本文通过分析开远市空气质量与气象条件的关系，以及基于气象条件的数值统计预报方法和空气污染扩散等级预报方法在城市空气污染预报中的适用性，弥补开远市空气污染扩散等级预报空缺，同时也为提前防控空气污染提供科学的参考依据。1石研究数据及方法1.1石研究区概况开远市位于云南省东南部，红河州中东部，是滇南中心城市群的重要组成部分。全市国土面积1950km，总人口约32.3万人。开远市为山地高原地貌，山脉呈南北走向，东南高、西北低，最高点海拔2 7 7 5.6 m，最低海拔为9 50 m，相差高度1825.6m，立体地形特点突出。全市为典型的亚热带高原季风气候，年平均降雨量7 55.7 mm，平均气温2 0.2，年平均风速2.0 m/s，常年最多风向为S（南风）。产业结构以工业和服务业为主、农业为辅，分布有火电、化工、水泥、制糖、造纸、Tab.1 Seasonal variation of air quality in Kaiyuan city from 2017 to 2019春季级别天数(d)百分比（%）天数(d)百分比（%）天数(d)百分比（%）天数(d)优13良75轻度污染3由表1可知，开远市污染天气主要出现在春季，且春季良的天数占比较大，达8 2.4%；夏季空气质量转好，优的天数大幅增加，占比达罗小杰等：开远市空气污染与气象条件关系及污染等级预报方法酿酒、食品等工业企业。1.2数据来源本文选取2 0 17 2 0 19 年开远市环境监测站空气质量六要素（SO2、NO 2、PM i o、CO、O 3、PM2.5）、日平均AQI指数，开远国家一般气象站气温、风、降水、相对湿度等地面气象观测日值资料及2 0 18 年蒙自国家基准站7 0 0 hpa、8 50 h p a 高空日值资料进行分析，2 0 2 0 年气象及空气质量监测日值资料进行预报方法适用性检验。因开远为一般气象站，无探空观测业务，故高空气象资料选用最近的蒙自国家基准站探空数据，两地之间直线距离29km左右。1.3研究方法文中关于空气质量指数（AQI）的定义，参照环境空气质量指数（AQI）技术规定（HJ6332012)5。（1）通过相关性及概率统计，分析开远市空气质量变化特征及主要影响气象要素；（2）利用数值统计预报方法，建立基于气象条件的开远市空气质量指数AQI逐步回归运算预报方程，并进行适用性检验；（3）根据空气污染扩散气象条件等级标准（QX/T413-2018）6】，计算开远市空气污染气象指数I，反推建立开远市空气污染指数AQI的预报公式并进行适用性检验。2结果分析2.1开远市空气质量变化特征分析2.1.1空气质量指数AQI季节变化特征选取2 0 17 2 0 19 年开远市空气质量指数AQI，统计各季节各级AQI天数和所占百分比，结果见表1。其中，春季为3月1日5月31日，夏季为6月1日8 月31日，秋季为9 月1日11月30日，冬季为12 月1日2 月2 8 日。表12 0 17 2 0 19 年开远市空气质量季节变化夏季秋季14.36382.4233.3155冬季百分比（%）72.46526.4251.2172.4%。从全年来看，开远市夏季、秋季空气质量最好，优良率达9 8%以上，且优的天数占比均达70%以上；冬季空气质量略微下降，春季空气质量71.427.51.15433161.437.51.156最差，优的天数仅占14.3%。总的来说，开远市污染指数2 5月最高、6 10 月最低，呈现“冬春高夏秋低”的鲜明特点。2.1.2空气质量六要素变化特征分析选取2 0 17 2 0 19 年开远市环境监测站空气质量六要素（SO2、NO 2、PM 1o、C O、O，、PM 2.5）逐日资料，统计分析各要素逐月变化情况，如图1。从图中可知，开远市各污染物季节性变化特征明显，除0，浓度谷值出现在12 月、1月外，其余污染物浓度谷值均在6、7 月；但峰值出现的月份却存在一定差异，NO2、C O 浓度峰值出现在12 月，PM2.5、PM i o 出现在3月，0，出现在4月，SO，为多峰型，峰值出现在1、4月。120-100-80-60-40-200123456789101112时间（月）图1开远市空气质量要素逐月变化图（一氧化碳浓度扩大十倍显示）Fig.1Monthly variation of air quality factors in Kaiyuan city(arbon monoxide concentration is shown by expanding ten times)影响开远市空气质量的污染物主要有SO2、PMio、O 3、PM 2.5，其中O，为首要污染物，出现频率达59.3%，其次为PM1o，出现频率达31%。首要污染物季节变化特征明显，春、夏季节为0 3，秋、冬季节为PMio，SO，作为污染物仅在秋季出现，且次数较少，见表2。表2 2 0 17 2 0 19年开远市各季节首要污染物年均分布情况Tab.2Annual average distribution of major pollutants indifferent seasons in Kaiyuan city in 2017 2019(年/次)污染物S02季节春季夏季秋季冬季四川环境2.2气象条件对空气质量的影响分析2.2.1降水对空气质量影响的分析分析开远市2 0 17 2 0 19年平均月降水量的逐月变化，见图2，可以看出夏季是降水的高峰期，8月达到全年峰值；冬季为降水的谷值期，2 月降水量最少。这与前面分析的污染物高、低值趋势相反，且逐月降水量与SO2、NO 2、PM 1o、C O、O 3、PM2.5浓度的相关系数依次为-0.58、-0.48、-0.71、-0.7 7、-0.16、-0.6 7，与 S02、PM l o VCO、PM 2.5均呈显著负相关。由此说明开远市夏季降水的湿清除作用对改善当地空气质量有重要作用，尤其是在调节降低 SO2、PM 1o、C O、PM 2.5浓度中作用显著。200-天粒物（PMio缩赖粒物（PM2)PM1o033317416543366342卷一月降水量（mm）AQI150-值10050-012345678910 11 12时间（月）图2 2 0 17 2 0 19年开远市年平均月降水量及AQI的逐月变化Fig.2 Monthly variation of annual average monthlyprecipitation and AQI in Kaiyuan city from 2017 to 2019按照降水量等级（GB/T28592-2012)7,将2 4小时降雨量（R）分为七个等级，依次为微量降雨（R0.1mm）、小雨（0.1mmR10mm）、中雨（10 mmR25mm）、大雨（2 5mmR50mm）、暴雨（50 mmR100mm）、大暴雨（10 0 mmR250）。因开远市大暴雨天数较少，故将50 mm的均归为暴雨。分析开远市2 0 172019年不同日降雨等级对应的4种大气污染物日平均浓度值，见图3，可以看出，4种大气污染PM2.5物浓度在无降雨和微量降雨时最高，随着降雨量越18大污染物浓度呈降低趋势，PM1o和PM2.s的湿清除效应较为明显，CO清除效应不明显，SO在降水3182417量达到50 mm以上时湿清楚效应作用骤减或呈负作用。5期6050-3020100.注：0、1、2、3、4、5分别代表无降水日、微量降水、小雨、中雨、大雨、暴雨；SO2、PM i o、PM 2.5质量浓度单位为um/m,Co质量浓度为10 mg/m。图3开远市无降水日和日降水量不同等级对应的大气污染物日平均浓度Fig.3 The daily average concentration of air pollutantscorresponding to different levels of precipitation and non2.2.2相对湿度对空气质量影响的分析开远市14月相对湿度逐月降低，5月随着雨季的开始相对湿度逐渐增大，6 月大幅跃增，随后基本保持在一个较高的值（7 0%以上）。与之对应，14月空气质量逐渐变差，伴随雨季开始空气质量大幅好转，6 12 月空气质量AQI均小于等于50，达到一级空气质量水平，见图4。Tab.3Daily wind direction and corresponding AQI level distribution in Kaiyuan city from 2017 to 2019风向样本数5N(北)17NE(东北）47E(东)39ES(东南)387S(南)194SWS(西南)239W(西)72NW(西北)662.3基于气象条件的空气污染等级预报方法研究2.3.1空气污染扩散数值统计预报方法分析2 0 18 年开远市空气质量指数AQI与各气象要素日值资料的关系，通过逐步回归运算得到回归方程如下：y=125.499 0.827x1-0.629x2-4.21x3-罗小杰等：开远市空气污染与气象条件关系及污染等级预报方法口SOPMICOPM2s01precipitation days in Kaiyuan city10282222412510922415780-AQT相对湿度7060值均50-40-30-23表32 0 17 2 0 19年开远市日风向及对应AQI等级分布情况表优样本数比率（%)5960565864463162451 23456789101112时间（月）图42 0 17 2 0 19年开远市年平均月相对湿度和AQI的逐月变化Fig.4Monthly changes of annual average monthly relativehumidity and AQI in Kaiyuan city from 2017 to 20192.2.3风向对空气质量影响的分析开远市常年盛行南风，考虑风向对空气污染因子扩散的影响，分析2 0 17 2 0 19年日风向及空气质量数据见表3，可知：开远最大风速的风向集中表现为东南、南、西南风，且出现南向风时空气质量相对较差，良、轻度污染的天数较多，颗粒物（粒径小于等于10 um）为二级标准的天数占比达到7 2.1%。结合开远市工厂分布特征，因水泥厂位于城区西南方向，故南向风时空气污染防治应考虑水泥厂的影响。良样本数比率（%）7411838174415841663412552496825381.821x4+1.202x5-0.398x6+0.145x7其中y为AQI 预测值，xl为相对湿度，x2为08时7 0 0 hpa风速，x3为平均风速，x4为0 8 时温度8 50 hpa，x 5为日最高气温，x6为前一日2 0 时风速7 0 0 hpa，x 7 为前一日2 0 时8 50 hpa温度。将2 0 2 0 年112 月的气象资料带人方程进行轻度污染样本数比率（%）0012005132521100(1)58检验，预测AQI等级对比实测AQI等级正确率达到6 3.3%。从其拟合线图5可以看出，方程在预报等级为“良”的区间预测值与实测值拟合度较150-四川环境高，其次为“优”区间。由于开远市轻度污染天数较少，回归分析不具有代表性，方程预报“轻度污染”拟合度较差。一实测AQI预测AQI42卷1001V500图52 0 2 0 年1至12 月线性回归方程预测AQI与实测AQI日值变化对比图Fig.5 Comparison of daily changes of predicted AQI and measured AQIby linear regression equation from January to December 20202.3.2基于气象条件的空气污染等级预报方法选取2 0 17 2 0 19年开远国家一般气象站逐日平均气压、平均气温、日最高气温、日最低气温、相对湿度、2 0 2 0 时降水量、平均风速、最大风速风向和日照时数，与开远市逐日空气质量AQI进行相关分析，选取相关性好的气象因子。通过分析，各气象因子与空气质量AQI的相关系数如表Tab.4 Correlation calculation of air quality AQI and meteorological factors最高气温最低气温平均气温平均气压降水量相对湿度最大风速平均风速相关系数0.165*相关性注：*为在0.1水平（双侧）上显著相关；*为在0.0 5水平（双侧）上显著相关。通过相关性分析，最终选取相对湿度、降水量、日最低气温、日最高气温、7 0 0 hpa20时风速、700hpa20时温度、7 0 0 hpa20时探测高度、8 50 hpa20时探测高度10 个要素作为静稳天气指数计算因子。根据空气污染扩散气象条件等级标准（QX/T 413-2 0 18）6 ，计算得到开远市空气污染气象指数I的预报方程如下：I,+1=5.317 0.471 St+1+(1-0.471)Q,80/S/02表4空气质量AQI与气象因子相关性计算表-0.175*0.00981/9/0元日期4，从表中可知，最高气温TMAx、最低气温TMIN、平均气压P、降水量R、最大风速VMAx、平均风速V与空气质量AQI在0.1水平（双侧）上相关，但相关性小于0.2，为极弱相关；平均气温T、日照时数与空气质量AQI不相关；相对湿度U与空气质量AQI在0.1水平（双侧）上显著相关，呈负相关。日照时数0.083*-0.192*代人2 0 18 年数据计算空气污染气象指数I，对比实测空气污染指数AQI，如图6，可知开远市2018年空气污染气象指数1均小于10 0，气象条件非常有利于污染物扩散，对轻度污染天气影响的指示意义不大。但全年AQI与I的变化趋势拟合度较高，该方法计算的空气污染气象指数I对AQI的变化趋势有一定可参考性。(2)0/L/0020/8/0021/6/00-0.433*负相关90/01/0291/L1/000.178*90/21/020.140*-0.145期罗小杰等：开远市空气污染与气象条件关系及污染等级预报方法12559空气质量指数AQI空气污染气象指数I100-75502520/10/81图6 2 0 18 年计算空气污染气象指数I与实测空气污染指数AQI日值变化对比图Fig.6 Comparison of daily changes of calculated air pollution meteorological index I and measured air pollution index AQI in 2018以此公式反推得到开远市空气污染指数AQI代人2 0 2 0 年112 月气象数据进行验证，预的预报方程如下：测AQI等级对比实测AQI预报等级正确率达Q+1=0.471 (5.317 S+1+3.627-Q.)+79.4%。从其拟合线图7 可看出：在空气质量0.294+Q,(3)其中Qt+1为t+1时刻的观测大气污染物浓度，Q.为t时刻的观测大气污染物浓度，St+1为t+1时刻的静稳天气指数。150-F11/20/81-60/60/8121/t0/8120/S0/8111/90/81日期“优”等级期间，预测AQI普遍比实测AQI略高；在空气质量“良”等级，预测AQI与实测AQI接近略偏低；预测AQI与实测AQI总体变化趋势拟合度较高。预测AQI一实测AQI90/L0/81-9/L0/81L1/80/8101/60/810%/60/81F0/01/8160/L/8110/Z/8100500图72020年1 12 月线性回归方程预测AQI与实测AQI日值变化对比图Fig.7Comparison of daily changes of predicted AQI and measured AQI bylinear regression equation from January to December 2020F20/02F/0-90/元/0%F81/#/02F01/S/0ZF00/S/0%F61/9/0z日期+0/8/02FS1/6/0%FL1/01/00/603结论通过分析开远市空气质量与气象条件的关系，以及基于气象条件的数值统计预报方法和空气污染扩散等级预报方法在城市空气污染预报中的适用性，得出以下结论：（1）开远空气污染具有“冬春高夏秋低”的鲜明特点，影响污染物主要有SO2、PM 1o、0 3、PM2.5，其中0，为开远市最主要的首要污染物。首要污染物季节变化特征明显，春、夏季节为0 3，秋、冬季节为PM1o，SO，作为首要污染物仅在秋季出现，且次数较少。（2）影响开远市空气质量的气象条件主要有降水、相对湿度和风向。夏季降水的湿清除作用对改善当地空气质量有重要作用，尤其是在调节降低SO2、PM i o、C O、PM 2.s 浓度中作用显著。4种大气污染物浓度在无降雨和微量降雨时最高，随着降雨量增大污染物浓度呈降低趋势，PM1o和PM2.5的湿清除效应较为明显，CO清除效应不明显，SO2在降水量达到50 mm以上时湿清除作用骤减或呈负作用。相对湿度与空气质量呈负相关，即相对湿度越高，AQI的值越小、空气质量越好。影响开远市空气污染扩散的风向主要为南向风，出现南向风时颗粒物（粒径小于等于10 um）为二级标准的天数占比达到 7 2.1%。（3）数值统计预报方法建立的AQI逐步回归预报方程，预测AQI等级对比实测AQI等级正确率达到6 3.3%，因开远市轻度污染天数较少，不四川环境具有代表性，方程在预报“轻度污染”时拟合度较差。相比之下，根据空气污染扩散气象条件等级标准建立的基于气象条件的空气污染等级预报方程，预测AQI等级对比实测AQI预报等级正确率达7 9.4%，且呈现出空气质量在“优”等级期间，预测AQI普遍比实测AQI略高；在“良”等级，预测AQI与实测AQI接近略偏低；预测AQI与实测AQI总体变化趋势拟合度较高，具有更好的适用性，对开远市空气污染防治具有一定的科学指导意义。参考文献：【1王淑云，节江涛，熊险平，等.城市空气质量与气象条件的关系及空气质量预报系统J.气象科技，2 0 0 6，34（6）：6 8 8-692.【2 祁栋林，张加昆，李晓东，等.2 0 0 1-2 0 11年西宁市空气质量特征及其与气象条件的关系 J.气象与环境学报，2 0 14,30(2):51-59.3沈劲，钟流举，何芳芳，等.基于聚类与多元回归的空气质量预报模型开发 J.环境科学与技术,2 0 15,38（2）：6 3-6 6.4陈梁勋，杨军，欧阳欣，等.绵阳市大气污染天气学分型及气象条件特征分析 J.四川环境，2 0 19,38（4）：7 2-7 8.5 IHJ633-2012，中华人民共和国环境保护部.环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)S.6QX/T413-2018，中华人民共和国国家标准.空气污染扩散气象条件等级 S.7(CB/T28592-2012，中华人民共和国国家标准.降水量等级S.42卷