厦门市空气质量时空分布特征及气象条件关系研究

厦门市空气质量时空分布特征及气象条件关系研究?

林长城1 王宏1 陈彬彬1 赵卫红2 洪荣林3

(1. 福建省气象科学研究所，福建 福州350001 2. 福建省环境监测中心站，福建 福州350010

3. 厦门市专业气象台，福建 厦门 350020)

摘要

本文利用2002-2006年厦门市的空气质量监测资料和气象资料，对厦门市空气质量时空分布特征、与气象条件间的关系开展分析研究，寻找影响厦门市空气质量的主要因素，为厦门市政府和相关部门制定相应治理方案提供科学的依据。

研究结果表明：（1）2002-2006年期间厦门市空气质量的首要污染物为PM10，城市空气质量的优良率平均达98%，轻微污染的出现频率低于2%。厦门市PM10和SO2的浓度年变化相对保持稳定，NO2的浓度则呈逐年增大趋势。（2）厦门市PM10、SO2和NO2浓度的月际变化趋势基本相同，浓度值从7月份起开始逐月增大，进入春季的4月份则出现下降趋势；SO2和NO2浓度月平均值均为优，PM10浓度月平均值除了6-8月份为优外，其余月份的空气质量都为良。(3) 厦门市4个监测站间的PM10、SO2和NO2浓度变化具有较一致的正相关，在一定区域范围内存在同相位变化特征，可为今后开展厦门市空气质量精细预报提供科学依据；测点位置的周边环境及污染源分布对其空气质量产生明显影响。(4) 影响厦门市的主要天气系统是大陆高压最多，占44.74%，其次是切变线、副热带高压和槽线系统，低涡系统最少，只占3.3%。7类天气系统影响厦门市时，SO2和NO2浓度平均值均达到优级标准；PM10浓度在大陆高压和暖区辐合系统控制时最高，副热带高压和低涡控制时最低。从浓度的不同等级分布上看出，副热带高压控制时PM10浓度为优的出现频率高达77%，且不会出现轻微污染现象，大陆高压和暖区辐合控制厦门市时PM10浓度为优的出现频率低于26%；暖区辐合为7类天气系统中出现轻微污染事件最多的系统，其次为槽线、低涡、大陆高压等。(5) 2002-2006年期间影响厦门市的主要风向为西南风，其次为东北风和西北风，南风出现机会最小。风向变化对厦门市SO2和NO2浓度分布并没有产生明显影响；偏南风下厦门市PM10浓度总体上比其余5个方位低，且空气质量出现优的频率高，但出现轻微污染的机会也多；北风影响下厦门市空气质量为优的机会最少，但不会有轻微污染事件发生；东北风、东风、西风和西北风影响下的空气质量基本以良为主，偶于也有轻微污染事件发生。

关键词：厦门 空气质量 气象条件

1．引言

随着城市社会经济高速发展、资源能源消耗和污染物排放总量的增长，近年来素有“海上花园”之称的厦门市空气质量呈下降趋势[1]，虽然当地政府和相关部门通过各种科学技术手段加大城市环境空气质量保护的治理力度，使得厦门市空气质量继续保持优良水平，但不可否认的是厦门市空气质量优级率已从2000年的75%下降到2005年的38%[1]，足以说明城市空气质量呈下降趋势的严峻。当前影响厦门市空气质量的首要污染物为PM10[2]，研究表明PM10细颗粒物对人体健康和城市能见度产生直接影响，加上其污染物在大气中滞留时间长，对城

?基金项目：福建省气象局2006年开放式气象科学研究基金项目资助

作者简介：林长城（1958－），福建莆田人，汉族，高级工程师，主要从事大气物理与人工影响天气研究。

市空气质量影响越趋明显，也越来越受关注[3-5]。为此，本文利用2002-2006年厦门市的空气质量监测资料和气象资料，对厦门市空气质量时空分布特征、与气象条件间的关系开展分析研究，寻找影响厦门市空气质量的主要因素，为厦门市政府和相关部门制定相应治理方案提供科学的依据。

2．资料来源与处理

空气质量资料取自厦门市环境监测站设置在鼓浪屿、大生理、湖里和洪文4个位置的PM10、SO2和NO2的污染物监测数据。厦门市每日空气质量的浓度值以上述4个监测点监测数据的算术平均值来表征。2002-2006年共获取3种污染物样本各1730个。5年中厦门市空气质量的首要污染物一直为PM10,为此本文重点对PM10的变化情况展开分析。

空气质量浓度等级划分标准参照国家环保局空气污染指数(API）的定义及分级限值。 天气系统分类以08时850hPa高空图为准，5年中影响厦门市的天气系统有副热带高压、切变线、低涡、暖区辐合、大陆高压、台风和槽线7类。根据厦门、福州、邵武、南昌、赣州、大陈、衢州、汕头、台北和花莲10个探空站850hPa的风场资料确定厦门市低层的主导风向。风向分8个方位。

3．结果与分析

3.1 厦门市空气质量年平均和年际变化结果

厦门市是个沿海海岛城市，海洋性气候十分明显。由于厦门市本岛没有大型耗能排放企业，空气质量相对洁净。近年来随着城市化规模不断扩大，城市空气质量也发生相应改变。表1为2002-2006年厦门市空气质量总体状况和年际变化的结果。

表1 2002-2006年厦门市PM10、NO2和SO2浓度年均值(mg/m3)及不同等级PM10年平均出现率(%，下同)

PM10年平均出现率

SO2年平均值NO2年平均值年份 PM10年平均值

优良轻度污染

34.1962.5 3.31 0.028 0.030

2002 0.070

36.7462.16 1.1 0.025 0.034

2003 0.068

37.1662.840 0.024 0.034

2004 0.063

2005 0.064 41.158.630.27 0.024 0.042

32.3365.48 2.19 0.028 0.049

2006 0.074

年总平均0.068 36.4262.31 1.27 0.026 0.038

由表1可见，2002-2006年期间厦门市空气质量的首要污染物PM10浓度的年平均值为0.068 mg/m3，NO2为0.038 mg/m3，SO2为0.026 mg/m3，厦门市空气质量的优良率平均达98%，轻微污染的出现频率低于2%。从各污染物浓度的年际变化上看，PM10和SO2浓度的年变化相对保持稳定，其中PM10浓度的年际平均值与其对应的浓度等级平均出现率变化趋势基本一致，而NO2的浓度则呈逐年增大趋势，这与近年城市汽车数量增多，汽车尾气排放量增大有关，应引起相关部门的高度重视。

3.2 厦门市空气质量月际变化结果

厦门市虽然是个海岛城市，但四季特征仍比较明显，四季气象条件的变化对厦门市空气质量也产生一定的影响，图1为2002-2006年厦门市PM10、SO2和NO2浓度月际变化及不同等级PM10月平均出现频率的分布结果。

图1 2002-2006年厦门市PM 10、NO 2和SO 2浓度月际变化及不同等级PM 10月平均出现频率的分布结果

由图1可见，厦门市PM 10、SO 2和NO 2浓度月际变化趋势基本相同，其中SO 2和NO 2浓度的月平均值均达到优等水平，浓度值从7月份起开始逐月增大，进入春季4月份则出现下降趋势；PM 10浓度在6-8月份的空气质量平均为优，其余月份的空气质量均为良。按不同空气质量等级的出现频率进行划分，可以看出6-8月份厦门市空气质量优级率达到60%以上，其中6月份的空气质量最好，主要是夏季厦门市盛行偏东风或偏南风，其东南方为广阔的西太平洋，海洋上空的大气污染物相对要少得多，相应地城市空气质量的优等率则高；10-4月份空气质量良级出现频率均为70%以上；5年中厦门市共出现22次轻微污染事件，其中12-4月份出现18次，主要原因是冬季厦门市盛行偏北风，位于厦门市北面的泉州市等工业城市污染物向南大范围污染扩散，加上冬季北方冷空气常常从近地面层扩散，使地面气温下降，在城市上空形成较强逆温现象，也使得厦门市局地排放的污染物和北面输送来的污染物不易对外扩散，导致厦门市空气质量下降及轻微污染事件的发生。另外4次则分别出现在6月份(1次)、9月份(1次)和10月份(2次)，其中10月份的轻微污染事件是在2003年10月27-28日两日内连续出现，轻微污染发生的前2天起厦门市处于大陆高压控制下，PM 10浓度一直维持在100 mg/m 3

以上，27-28日正位于大陆高压底部，2天之内总云量和低云量均为0，地面日平均风速低于2 m/s，出现轻雾现象，08时的能见度低于6 Km，比平常低2-3倍；从2日08时的探空资料分析表明厦门市低层均有逆温层存在，且逆温层高度在170-180 m 之间，在厦门市上空形成一个“锅盖”，因地面风速小，使得污染物形成堆积，促成当地轻微污染事件的发生，说明了厦门市的轻微污染事件往往是在特殊的气象条件下形成的。 3.3 厦门市空气质量的空间分布结果

厦门市的湖里、鼓浪屿、大生理和洪文4个空气质量监测站分别设置在厦门岛的西北，西南、偏南和中部，其中湖里站设置在交通繁忙的公路旁，鼓浪屿和大生理站靠近海边，洪文站位于中部与市区接壤，随着城市化规模的不断扩张，原来作为对照点的洪文站也成为表征厦门市区空气质量的站点。利用2002-2006年中4个监测站同步监测的PM 10、SO 2和NO 2浓度资料对各个监测站间大气污染物的相关性及分布状况进行分析，结果见表2。

0.01

0.020.030.040.050.060.070.080.0912

34

5

6

7

8

9

10

1112月份

浓度(g /m 3

)

0102030405060708090出现频率(%)

表2 2002-2006年厦门市4个监测站PM 10、NO 2和SO 2污染物间的相关分析及分布结果

PM 10 SO 2 NO 2

项 目

鼓浪屿

大生理

湖里

洪文

鼓浪屿

大生理

湖里洪文鼓浪屿

大生理

湖里

洪文鼓浪屿

1 0.940 0.900 0.761 1 0.7830.751

0.758 1 0.779 0.7610.771大生理 1 0.917 0.756 1 0.793

0.674

1 0.7620.719

湖里

1 0.785

1 0.715

1 0.791

相关 系数

洪文

1 1 1 浓度平均值 0.058 0.061 0.080 0.0730.0250.0260.0270.0240.029 0.038 0.0530.0322003-10-27日均值 0.155 0.149 0.189 0.1690.0480.0440.0360.0360.024 0.028 0.0440.0182003-10-28日均值 0.129 0.134 0.19

2 0.1670.0520.0480.0460.0360.030 0.031 0.0340.019优 46.97 43.95 27.87 33.7496.4494.2693.7395.5998.8

3 97.46 87.7096.90良 52.62 55.65 65.58 63.63 3.56

5.74

6.27

4.41

1.17

2.48 11.43

3.04出现 频率

轻微污染

0.41 0.41 3.54 2.63

0 0 0 0 0 0.06 0.87

0.06

由表2可见，厦门市4个监测站间的SO 2和NO 2浓度变化具有较一致正相关，相关系数达0.7左右； 鼓浪屿、大生理和湖里站间PM 10浓度的相关性表现更为显著，站间的相关系数都在0.9以上，而与市区接壤的洪文站相关系数则都低于0.8，说明洪文站PM 10浓度的变化与市区3个站仍有所差异，其原因是洪文站位于厦门岛中部相对僻静处，人类活动程度不如其他3个站活跃，小区域范围内的污染状况对测点的监测结果存在一定的影响。虽然厦门市各监测站所处的地理位置不同，但4个站点间PM 10、SO 2和NO 2浓度的正相关关系说明厦门市的污染物在同一区域内存在同相位变化特征，这与福州市监测的结果相似[6]

，可为今后开展厦门市空气质量精细预报提供科学依据。

从4个监测站3种污染物的平均状况来看，因厦门市本岛上没有大型耗能排污企业，岛上各个监测站的SO 2浓度分布基本一致。NO 2浓度分布则因汽车尾气排放等因素的影响出现明显差异，其中鼓浪屿因小岛上没有机动车辆及工业污染源，浓度最低，其次是洪文站和大生理站，湖里站NO 2浓度最高，主要原因是湖里站周边为工业集中区，排污影响明显，加上靠近交通主干道，车流量大，汽车尾气影响也严重[2]

。PM 10浓度则是临近海边的鼓浪屿和大生理站最低，湖里和洪文站较高，这与湖里和洪文2个站点受局地气象条件影响比靠近海边的鼓浪屿和大生理站更为明显有关，这一点可以从表2中2003年10月27-28日3种污染物的日监测结果及对应的气象条件观测事实中得以佐证。厦门市4个监测站3种污染物各个等级的出现频率统计结果表明：4个站点SO 2的等级分布基本相当；PM 10浓度等级分布以靠近海边的测点出现优的机会多于岛中部和工业区，轻微污染出现的机会则相反；NO 2浓度等级分布则是湖里站明显不同于其他3个测站，其中优级水平出现频率比其他站点偏低近10%，可见测站周边污染物的排放对各浓度等级分布的影响相当明显。 3.4 不同天气系统下厦门市空气质量的分布结果

厦门市污染源主要来自岛内工业燃料燃烧、工艺生产过程和人类生活燃料消耗的污染物排放，在一定时间内局地污染源的排放量可认为保持恒定，而每日厦门市环境空气质量的不同程度变化，归结于天气系统影响所致。因为不同天气系统控制下大气热力结构、动力结构和辐合辐散能力各不相同，势必对厦门市污染物的水平输送和垂直扩散产生一定程度的影响。表3为2002-2006年间影响厦门市的主要天气系统和对应PM 10、NO 2和SO 2浓度平均值以及PM 10不同等级出现频率的统计结果。

表3 2002-2006年不同天气系统下厦门市PM10、NO2和SO2浓度和PM10不同等级出现频率分布结果

大陆高压774 44.74 18.61 79.97 1.42 0.0800.029 0.039 切变线223 12.89 50.67 49.33 0 0.056 0.023 0.038

副热带高压212 12.25 77.36 22.64 0 0.041 0.016 0.029 槽线198 11.45 41.91 56.06 2.02 0.067 0.027 0.042

暖区辐合141 8.15 25.53 71.63 2.84 0.074 0.028 0.048 台风125 7.23 42.40 56.80 0.80 0.060 0.021 0.032 低涡57 3.3 64.91 33.33 1.75 0.049 0.020 0.033

由表3可见，在2002-2006年期间影响厦门市的天气系统当中，大陆高压影响的次数最多，占44.74%，其次是切变线、副热带高压和槽线系统，低涡系统最少，只占3.3%。7类

天气系统影响厦门市时，SO2和NO2浓度平均值均处于优级变化范围内，其中大陆高压和暖区

辐合控制时SO2浓度平均值最高，副热带高压控制时最低；NO2的浓度平均值则是暖区辐合和

槽线控制下最高，副热带高压时最低。副热带高压控制时厦门市的PM10浓度的平均值同样是

最低，这与福州市监测结果相似[7]。PM10浓度在大陆高压和暖区辐合系统控制下都会因系统

引发下沉气流加大、大气层结维持稳定，造成局地污染物扩散能力减弱，同时又有利于把上

游污染物输送至本地形成堆积，使得浓度值升高。从PM10浓度的不同等级分布上看出，副热

带高压控制时空气质量为优的出现频率高达77%，且不会出现轻微污染现象；其次是低涡和

槽线系统影响时空气质量为优的出现频率在50-65%之间，大陆高压和暖区辐合控制时空气

质量为优的出现频率低于26%，良级出现频率高达70%以上；轻微污染事件多数出现在辐合

特征较为明显的天气系统之内，如暖区辐合、槽线、低涡、大陆高压和台风，其中除暖区辐合、大陆高压系统外，轻微污染事件往往会出现在槽线、低涡系统的东南侧暖区内及台风移

出厦门市后的偏北下沉气流之中。

3.5 不同风向下厦门市空气质量的分布结果

通过风向分析可以弄清当地污染物扩散情况及外来污染源输送方向[8]。虽然厦门市四周

临海，但是除了东南方向直接面临大海外，其余各个方向的上游都有城市生活污染源和工业

污染物排放。表4为2002-2006年期间厦门市在不同风向影响下的污染物分布结果。

、NO2和SO2浓度和出现频率分布结果

表4 2002-2006年不同风向下厦门市PM10

E 99 5.72 30.30 68.69 1.01 0.070 0.025 0.035

SE 147 8.50 47.62 51.02 1.36 0.056 0.023 0.038 S 78 4.51 48.72 48.72 2.56 0.059 0.023 0.036 SW 565 32.65 45.66 52.39 1.95 0.063 0.024 0.040 W 100 5.78 32.00 67.00 1.00 0.074 0.030 0.044 NW 228 13.18 26.75 72.81 0.44 0.074 0.028 0.039

由表4可见，在2002-2006年期间影响厦门市的主要风向为西南风，占32.65%，其次为东北风和西北风，其余5个风向的出现频率都低于9%，南风出现机会最小，只有4.51%。风向变化对厦门市SO2和NO2浓度分布并没有产生明显影响，相对而言，偏西风下SO2和NO2浓度略高，有可能是受其西面相邻的漳州地区排放的SO2和NO2影响所致；偏南风下，厦门市PM10浓度总体上比其余5个方位低，空气质量为优的出现频率都在45%之上，但是出现轻微污染的机会也多。北风影响下空气质量为优的机会虽然最少，但也不会出现轻微污染，空气质量以良为主；东北风、东风、西风和西北风影响下的空气质量状况基本相同，都是以良为主，偶尔也会有轻微污染事件发生。

4．结论：

4.1 2002-2006年期间厦门市空气质量的首要污染物为PM10，城市空气质量的优良率平均达98%，轻微污染的出现频率低于2%。厦门市PM10和SO2的浓度年变化相对保持稳定，NO2的浓度则呈逐年增大趋势。

4.2 厦门市PM10、SO2和NO2浓度的月际变化趋势基本相同，浓度值从7月份起开始逐月增大，进入春季的4月份则出现下降趋势；SO2和NO2浓度月平均值均为优，PM10浓度月平均值除了6-8月份为优外，其余月份的空气质量都为良。

4.3 厦门市4个监测站间的PM10、SO2和NO2浓度变化具有较一致的正相关，在一定区域范围内存在同相位变化特征，可为今后开展厦门市空气质量精细预报提供科学依据；测点位置的周边环境及污染源分布对其空气质量产生明显影响。

4.4 影响厦门市的主要天气系统是大陆高压最多，占44.74%，其次是切变线、副热带高压和槽线系统，低涡系统最少，只占3.3%。7类天气系统影响厦门市时，SO2和NO2浓度平均值均达到优级标准；PM10浓度在大陆高压和暖区辐合系统控制时最高，副热带高压和低涡控制时最低。从浓度的不同等级分布上看出，副热带高压控制时PM10浓度为优的出现频率高达77%，且不会出现轻微污染现象，大陆高压和暖区辐合控制厦门市时PM10浓度为优的出现频率低于26%；暖区辐合为7类天气系统中出现轻微污染事件最多的系统，其次为槽线、低涡、大陆高压等。

4.5 2002-2006年期间影响厦门市的主要风向为西南风，其次为东北风和西北风，南风出现机会最小。风向变化对厦门市SO2和NO2浓度分布并没有产生明显影响；偏南风下厦门市PM10浓度总体上比其余5个方位低，且空气质量出现优的频率高，但出现轻微污染的机会也多；北风影响下厦门市空气质量为优的机会最少，但不会有轻微污染事件发生；东北风、东风、西风和西北风影响下的空气质量基本以良为主，偶于也有轻微污染事件发生。

参考文献

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