某市几种主要大气污染物浓度时间变化特征及其与气象因子的关系

5-2可以看出，2001-2011年SO2、NO2、PM10日平均浓度与同期所有高度的稳定能量均通过α=0.01的显著性检验。且三种污染物浓度与同期稳定能量之间的相关系数均从低到高逐渐减小，说明越靠近地面，污染物浓度与稳定能量之间的相关性就越高。在同一高度上，NO2日平均浓度值与同期稳定能量的相关性最高，SO2次之，PM10最小。

表5-2 2001-2011年SO2、NO2、PM10与同期低层稳定能量之间的相关系数

SO2 NO2

Ew300 Ew350 Ew400 Ew450 Ew500 Ew550 Ew600 Ew650

0.453** 0.517**

0.454** 0.516** 0.332**

0.451** 0.511** 0.328**

0.444** 0.499** 0.320**

0.443** 0.494** 0.318**

0.443** 0.491** 0.317**

0.441** 0.487** 0.318**

0.440** 0.485** 0.319**

PM10 0.336**

(续表5-2）

SO2 NO2 PM10

Ew700

0.439** 0.481** 0.317**

Ew750

0.437** 0.472** 0.310**

Ew800

0.432** 0.460** 0.301**

Ew850

0.428** 0.445** 0.293**

Ew900

0.423** 0.429** 0.284**

Ew950

0.417** 0.413** 0.275**

Ew1000

0.412** 0.400** 0.268**

注：表5-2中上标**和*分别表示通过α=0.01和0.05水平的显著性检验

5.2 逆温特征及其与污染物浓度的关系

5.2.1 月平均逆温变化

大气层结稳定度是决定大气对污染物稀释、扩散能力的一个十分重要的因

子，研究表明，大气稳定度对地面SO2浓度的影响比风速的影响更为显著，即逆温层厚度和逆温层强度直接抑制着大气污染物的扩散。因此本文利用某市榆中县探空站的2001年6月到2011年12月的探空资料，对某冬半年和冬季的低空逆温特征及其与SO2、NO2和PM10三种污染物浓度的关系进行了分析。

为了探明某市全年各月的逆温变化特征，我们对2001年6月-2011年12月全年各月低空逆温出现的频率和厚度分别进行了统计分析，在统计分析过程中，一方面将分为不包括等温和包括等温两种情况加以区分，另一方面，由于城市空气污染主要受低空逆温的影响，故将位势高度4000m以上由锋面等天气系统活动造成的逆温除外，统计结果见表5-3和表5-4。

表5-3 某市2001-2011年全年各月逆温情况统计(不包括等温）

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月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

有逆温 频率 最大厚度 平均厚度

统计天数 平均逆温强度℃/km

天数 (%) (m) (m) 257 231 237 214 173 170 164 169 172 202 268 283

279 264 299 286 269 287 275 260 253 263 294 297

92.11 87.5 79.26 74.83 64.31 59.23 59.64 65.00 67.98 76.81 91.16 95.29

1668.99 1185.00 1155.00 1245.00 1042.35 887.56 878.74 1205.00 1275.00 1275.00 1429.33 1336.96

589.35 487.32 342.49 317.55 292.91 248.39 286.90 283.04 312.39 336.10 458.54 602.17

11.93 11.27 12.00 11.70 8.07 8.57 7.80 9.39 11.04 12.08 11.71 11.26

表5-4 某市2001-2011年全年各月逆温情况统计(包括等温）

月份 有逆温 统计天数 频率 最大厚度 平均厚度 平均逆温强度℃/km

天数 (%) (m) (m) 1 269 279 96.42 1804.09 710.07 9.46 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

245 260 244 200 207 195 202 202 227 278 288

264 299 286 269 287 275 260 253 263 294 297

92.8 86.96 85.31 74.35 72.13 70.91 77.69 79.84 86.31 94.56 96.97

1402.69 1215.00 1779.61 1195.00 887.56 1185.00 1235.00 1464.95 1275.00 1764.04 1692.74 601.34 428.96 395.63 338.44 278.42 365.47 371.20 423.23 454.70 592.16 734.67 8.61 8.73 8.24 6.04 6.28 5.15 5.99 6.94 7.94 8.74 9.07

从表5-3的统计结果可以看出，在不包括等温的情况下，某市1月份逆温频率为92.11%，平均逆温厚度为589.35 m，之后逆温出现频率和平均逆温厚度均逐渐递减，在6月份达到最小值(逆温出现频率为59.23%，平均厚度为248.39m)，之后二者又逐渐增减，在12月份逆温出现频率和平均逆温厚度均达到最大值最高(逆温出现频率为95.29%，平均逆温厚度为602.17m)；这与某市2001-2012年SO2、NO2、PM10月平均浓度值年变化趋势基本一致，也与王式功等[20]对某城区冬半年逆温情况的统计结果的趋势基本一致。

从表5-4的统计结果可看出，在包括等温的情况时，逆温出现频率和厚度均有所增加，但二者的变化趋势与不包含等温时的变化趋势基本一致。而且在包含

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等温的条件下逆温层强度的变化趋势和逆温出现频率和逆温层厚度的变化趋势基本一致，即1月份逆温强度最高，达到9.46℃/km，之后逐渐减弱，在6月有个小的增强之后在7月达到最小值：5.15℃/km，之后又逐渐增强。将表5-4和表5-5的统计结果相比较，不难看出，逆温出现频率在6~9月的增加幅度均超过10%，3月和10月增幅接近10%，其中6月增幅最大为12.9%；而11~1月的增幅均小于5%，2月增幅为5.3%，12月份增加幅度最小为1.68%。这表明某冬半年出现等温的机率比夏半年出现等温的机率大，反映了某冬夏半年大气层结的变化情况。

表5-5是2001-2011年SO2、NO2、PM10与同期逆温层厚度和逆温层强度之间的相关系数(样本个数为3300个）。从表5-5中可以看出，在包含等温和不包含等温的情况下，逆温层强度和逆温层厚度与SO2、NO2、PM10日平均浓度之间均通过了置信水平为0.01的显著性检验，均呈现显著的正相关，并且三种污染物日平均浓度与逆温层厚度之间的相关性均比与逆温层强度之间的相关性高。逆温层厚度与三种污染物日平均浓度之间的相关性在不包括等温的情况下比包括等温的情况下要高，逆温层强度则正好相反。上述分析说明，逆温层厚度可以作为某市空气污染预报的重要指标之一。

表5-5 2001-2011年SO2、NO2、PM10与同期逆温厚度和逆温强度之间的相关系数

无等温 有等温

SO2 NO2 PM10

逆温厚度 逆温强度 逆温厚度 逆温强度 0.436** 0.407** 0.348**

0.128** 0.199* 0.100**

0.409** 0.386** 0.332**

0.169** 0.228** 0.121**

注 上标**和*分别表示通过α=0.01和0.05水平的显著性检验

5.3 最大混合层高度变化特征及其与污染物浓度之间的关系

最大混合层厚度反应了污染物可以被稀释的最大大气容量，它表征了污染物在铅直方向稀释、扩散的最大范围，是反应日间边界层大气特征的重要气象参数，也是空气污染潜势预报必须考虑的因素之一。本文利用王式功[21]等根据Holzworth干绝热曲线法求最大混合层厚度的基本原理，提出的“求解二元一次方程组法”、2001年6月~2011年12月某市榆中县探空站08时逐日探空资料以及榆中县气象台的逐日气象观测资料，计算了某市最大混合层高度的时间变化特征，并分析了其与SO2、NO2、PM10浓度之间的关系。

5.3.1 各月平均最大混合层厚度变化特征

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图5-1是某市2001-2011年月平均最大混合层厚度的年变化曲线。从图5-1中可以看出，最大混合层厚度整体呈倒“V”型变化趋势，从1月(858.12m)开始逐渐增大，在4月(2381.44m)达到最大值，之后又逐渐减小，在12月(814.96m)达到最小；其中4、5、6三个月最大混合层厚度均超过2200m，11、12、1三个月均小于1100m。对比图3-6、3-7不难看出，最大混合层厚度年变化曲线与SO2、NO2浓度年变化曲线的位相几乎完全相反，与PM10浓度年变化曲线也基本呈反相位变化。 300025002000m150010005000123456789101112月图5-1 某市2001-2011年月平均最大混合层厚度的年变化

表5-6是某市2001-2011年各月不同最大混合层厚度出现的百分率。将表5-6与图3-5、3-7和图5-1可以看出，SO2、NO2、PM10浓度最大达三个月是11月、12月、1月；而这三个月是一年中最大混合层厚度最小的三个月，均小于1100m；也是最大混合层厚度出现在1000m以下频率最高的三个月。

表5-6 某市2001-2011年各月不同最大混合层厚度出现百分率

月份

统计天数 <1000m

1 278

2 260

3 298

4 283 8.8

5 269

6 285

7 273

8 258

9 253

10 262

11 290

12 291

70.5 33.9 19.8 15.2 14.4 20.5 19.8 35.2 38.6 55.2 75.3

1000~2000m 28.8 55.0 48.3 32.9 29.0 29.5 35.5 45.7 48.2 48.9 43.1 24.4 >2000m

0.7

11.1 31.9 58.3 55.8 56.1 44.0 34.5 16.6 12.5

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1.7 0.3

5.3.2最大混合层厚度与污染物浓度的关系

表5-7是某市2001-2011年污染物浓度与同期最大混合层厚度的相关系数(样本个数为3300）。从表5-7中可以看出，在此期间某市SO2、NO2、PM10日平均浓度与同期最大混合层厚度之间均通过置信水平为0.01的显著性检验，均呈现显著的负相关。这一结果符合污染物浓度月变化和最大混合层厚度月变化的趋势，进一步说明了混合层厚度的确是影响城市空气污染的重要因素。

表5-7 某市2001-2011年污染物浓度与同期最大混合层厚度的相关系数

SO2 NO2 PM10 最大混合层厚度 -0.285** -0.205** -0.156** 注：表5-5中上标**和*分别表示通过α=0.01和0.05水平的显著性检验

第六章 结论

综合以上的分析，可得出下列几点结论：

(1）某市1975-2000年NOX、TSP年平均浓度值具有波动式下降趋势；1975-2012年SO2年平均浓度呈现波动下降趋势，且2001-2012年SO2年平均浓度与之前相比有了大的下降；2001-2012年NO2、PM10年平均浓度值仍然呈现波动下降趋势，其中PM10浓度下降明显，NO2浓度下降缓慢。

(2）年内变化趋势显示，SO2在1月出现峰值，NO2在12月出现峰值，PM10在11月出现峰值，说明某市主要污染物呈冬高夏季的分布形式。由于春季沙尘天气发生频繁，导致PM10在3、4月出现高浓度值，但整体而言，冬季由于燃煤排放，气象条件又不利于污染物扩散，造成冬季PM10浓度最高，春、秋季次之，夏季最小。

(3）SO2、NO2、PM10日平均浓度与同期的气温、相对湿度、风速、总云量、水平能见度均呈负相关，与同期的气压均呈正相关，均能通过置信水平为0.01的显著性检验；其中三种污染物浓度与能见度和气温的相关性均较高、与气压的相关性均最小。不同季节，这三种污染物与六种地面气象要素之间的相关性也不同，但冬季这三种污染物浓度与地面气象要素之间均能通过置信水平为0.01的显著性检验。

(4）某市月平均逆温频率和逆温层厚度年内变化均呈单周期变化趋势，12月逆温频率均最高(不包括等温为95.29%，包括等温为96.97%)，平均逆温层厚度均最大(不包括等温层为602.17m，包括等温层为734.67m)；不包括等温层的情况下5月频率最低( 59.23%)，平均逆温厚度也最小(248.39m)；包括等温的情况

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