毕业设计（论文）-太原市灰霾天气与气象因素关系研究.doc

毕业论文 太原市灰霾天气与气象因素 关系研究 学生姓名 学号 学 院 专 业 指导教师 2015 年 5 月 1104014228 化工与环境学院 院 环境工程 摘要摘要 为了全面了解太原市市区大气可吸入颗粒物污染状况 本研究对太原市主 要污染源及污染污染源贡献率进行分析 同时采集 2014 年 3 月至 2015 年 2 月 太原市 PM和 PM自动监测数据 收集该时段内太原市气象数据 在此基础 105 2 上 分析太原市可吸入颗粒物的污染状况 时间分布特点 阐明气象条件对可 吸入颗粒物污染的影响 结果表明 太原市 PM和 PM质量浓度年平均值分 105 2 别为 124 8和 64 4分别是我国二级标准的 1 7 倍和 1 8 倍 颗粒物 3 mug 3 mug 污染超标 10 月份颗粒物 PM污染水平最高为国家二级标准的 2 5 倍 太原市 10 秋冬两季 PM污染程度明显高于春夏季节 夏季 PM污染程度最低 10 月 5 210 11 月以及 12 月 PM和 PM质量浓度较高 污染较为严重 6 月 7 月 8 月 105 2 和 9 月污染状况较轻 空气质量良好 2 太原市 PM PM值在 38 1 5 210 62 7 之间 均值为 49 9 说明太原市污染程度转向良好 二者之间存在明 显的正相关 相关方程 相关系数 982 362947 1 5 210 PMPM6955 0 2 R 3 太原市降雨量较少 夏季集中降雨 占全年降雨量的 59 4 气温变化规 律 夏季温度高 湿度大 降雨多 冬季寒冷 气候干燥 且有风天气较多 风速高于年平均值 4 可吸入颗粒物质量浓度与降水量成反比 降雨和降雪 均能有效地去除大气中的颗粒物 且去除效率与颗粒物浓度和降雨量相关 当 太原市风速低于 2 5m s 时 扩散稀释作用不明显 风速在 2 5m s 7m s 之间 有利于颗粒污染物的扩散和稀释 当风速大于 7m s 时反而会增大 PM的质量 10 浓度 在去除区间范围内 颗粒物浓度与风速成反比 太原市主导风向为西北 风 不利于颗粒物的稀释和扩散 在雨季 当相对湿度高于 60 时 颗粒物浓 度随着适度的增大而降低 其他季节颗粒物浓度随着湿度的增大而增大 压强 与颗粒物浓度关系成正相关 关键词关键词 太原市 PM PM气象因素 污染特征 105 2 1 绪论 绪论 1 11 1 我国空气污染现状我国空气污染现状 随着工业化和城市化的快速发展 城市大气颗粒物污染日益严重 并已成 为世界性的社会公害 使人们的生存环境以及社会的持续发展面临着巨大的挑 战 据统计 人类每年排放到大气中的颗粒物达 1 亿吨以上 二氧化硫约为 25 亿吨 氮氧化物约为 0 5 亿吨 还有很多危害人体健康的有机物和无机物 人 类赖以生存的大气环境面临着严重的污染 城市空气质量的恶化直接影响城 1 市居民的身体健康 空气中的可吸入污染物首先危害人的呼吸系统 同时引起 人的免疫系统疾病以及心血管系统 甚至带来人体遗传物质的损伤 据世界 2 卫生组织统计 目前全世界大概有 16 亿人生活在污染严重的城市里 每年有几 十万人过早死亡 几十万人由于受空气污染而患急性或慢性疾病 我国煤炭资 源丰富 储量达 8600 亿吨 位居世界第三位 我国也是煤炭燃烧大国 煤炭占 总能源结构的 75 而且燃煤方式大都采用原煤直接燃烧 燃煤产生的烟尘排 放量和均占其排放总量的 80 以上 世界银行 1997 年报告 中国对煤的依 2 SO 赖位于世界之首 在过去十年里 中国的原煤产量增加了 40 燃煤是中国颗 粒物和二氧化硫排放的直接来源 且中国大部分城市这两种污染物浓度均超过 世界卫生组织公布的健康标准的 2 5 倍 因此 我国城市空气污染类型主要 以煤烟型和沙尘型为主 主要污染物为可吸入颗粒物 PM PM和二氧化硫 5 210 大部分城市机动车尾气污染严重 氮氧化物污染负荷增加 己呈现为机动车尾 气污染与煤烟污染并重的态势 大气气溶胶污染日趋严重 由气溶胶颗粒物造 成能见度恶化事件也越来越多 灰霾天气已经成为一种常见空气环境灾害和大 气污染事件 目前 我国存在 4 个灰霾天气严重地区 长江河谷 四川盆地 3 黄淮海地区以及珠江三角洲 北京大气污染天气由 2013 年的 58 降低至 2014 年的 43 尽管污染现象有所好转 但是污染天气接近百分之五十 可见我国 当前面临的污染极为严峻我国年均霾日数 9 天 呈逐渐增加的趋势 尤其是 2004 年以来增长较快 年均值在 12 20 天 明显超过常年年平均增长天数见 图 1 图 1 1961 2012 年全国年均霾日数变化 截止到 2013 年 上海 南京 天津 北京 青岛 武汉等中国中东部城市 继续被覆盖在大范围雾霾天气之中 雾霾已经覆盖了我国将近一半的国土 陆 续有 25 个省份不同程度出现雾霾天气 104 多座城市达到重污染见图 2 图 2 中国气象台城市污染示意图 2013 全国平均雾霾天数已创下 52 年之最 由 2014 年 2 月 20 日卫星云图 显示 我国污染严重地区为东北 华南 以及中部地区 全天受大雾笼罩如图 3 图 3 中国气象局卫星遥感大雾监测示意图 中国气象局基于能见度的观测结果表明 2013 年全国平均霾日数为 35 9 天 比上年增加 18 3 天 为 1961 年以来最多 中东部地区雾和霾天气多发 华北 中南部至江南北部的大部分地区雾和霾发生范围为 50 100 天 部分地区超过 100 天 2013 年 1 月和 12 月 中国中东部地区发生了 2 次较大范围区域性灰霾 污染 两次灰霾污染过程均呈现出污染范围广 持续时间长 污染程度严重 污染物浓度累积迅速等特点 且污染过程中首要污染物均以 PM为主 其中 5 2 1 月份的灰霾污染过程接连出现 17 天 造成 74 个城市发生 677 天次的重度及 以上污染天气 其中重度污染 477 天次 严重污染 200 天次 污染较重的区域 主要为京津冀及周边地区 特别是河北南部地区 石家庄 邢台等为污染最重 城市 12 月 1 日至 9 日 中东部地区集中发生了严重的灰霾污染过程 造成 74 城市发生 271 天次的重度及以上污染天气 其中重度污染 160 天次 严重污染 111 天次 图 4 2013 年全国霾日数分布图 由此可见 近年来我国空气状况面临的问题日益严峻全国三分之二的人口 处在灰霾空气的笼罩之下 应对雾霾天气 探寻雾霾形成机理以及雾霾天气与 气象之间的关系尤为重要 1 21 2 灰霾的定义分级及成因灰霾的定义分级及成因 1 2 1 霾的定义 霾是一种天气现象 又称灰霾 烟霞 阴霾 大气棕色云 主要指大量极 微干性烟粒 尘粒以及盐粒等均匀悬浮于空中 使空气混浊 视野模糊并导致 能见度降低 当水平能见度低于 10 0 km 相对湿度小于 80 时 排除扬沙 降雨 浮尘 吹雪 雪暴 沙尘暴等恶劣天气现象造成视程障碍以外的空气普 遍混浊现象 霾使远处光亮物带黄色 红色 使黑暗物微带蓝色 2 1 2 2 霾的分级 资料表明当相对湿度小于 80 时 排除恶劣天气现象造成视程障碍以外 按能见度大小划分为四级 依次表示轻微霾 轻度霾 中度霾 重度霾 霾天 气分级标准见表 1 表 1 霾天气分级标准 级别能见度 V km 防护措施 轻微 5 0 V 10 0 适当减少户外活动 轻度 3 0 V 5 0 适当减少户外活动 停止晨练 中度 2 0 V 3 0 避免户外活动 驾驶员小心驾驶 呼吸疾病 患者减少外出 重度 V 2 0 尽量留在室内 驾驶员谨慎驾驶 呼吸疾病 患者避免外出 1 2 3 雾与霾的区别 雾是一种自然现象 是悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴的可见集 合体 霾又称灰霾 主要是人为因素造成的 是由空气中的灰尘 硫酸 硝酸 有机碳氢化合物等粒子使大气混浊的现象 视野模糊并导致能见度恶化 雾与 霾的区别见表 2 表 2 雾与霾的区别 指标 类型 雾霾 水平能见度小于一公里小于十公里 相对湿度大于 90 小于 80 厚度几十米至 200 米1 3 公里左右 边界特征边界明显 有雾区范围边界不明显 没有范围 颜色乳白色 青白色黄色 橙灰色 日变化午夜至清晨 遇强光易散 日变化特征不明显 当气团 没有大的变化持续时间较稳 定 1 2 4 霾的成因 已有的研究表明 我国如今灰霾问题的主要原因是严重的气溶胶污染 5 但气象条件对其形成 分布与维持的作用显著 一次排放的气溶胶与排放强度 关系密切 天气条件却控制着大气中多数的二次气溶胶的形成与演变及总体可 吸入颗粒物的浓度变化 污染源排放的一次污染物通过化学以及光化学反应生 成高浓度的氧化剂及细颗粒物等二次污染物 在静稳天气下细颗粒物浓度不断 增高导致大气消光不断加大和能见度快速下降 从而形成灰霾现象 在高相对 湿度的天气条件下 很多大气非均相反应加快 对灰霾的形成具有显著的促进 作用 另一方面霾形成后会使到达地面的辐射减少 大气层结稳定度增加 有 利于气溶胶不断积聚 凝结和增长 形成 恶性循环 的持续性雾霾天气 大 气污染物的源排放是形成雾霾天气的主要内因 灰霾天气形成外因之一是大气水平方向静风现象增多 近年来随着城市建 设迅速发展 大楼越建越高 阻挡和摩擦作用使风流经城区时明显减弱 水平 方向静风现象增多 不利于大气污染物扩展稀释 却容易在城区和近郊区周边 积聚 灰霾天气形成外因之二是大气垂直方向出现逆温现象 逆温层好比一个 锅盖覆盖在城市上空 这种高空气温比低空气温更高逆温现象 使得大气层低 空空气垂直运动受到限制 导致污染物难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地 面 灰霾天气形成外因之三是悬浮细颗粒物和气态污染物增加 近年来 随着 城市人口增长 工业持续发展和机动车辆猛增 使得悬浮细颗粒物 PM和气 5 2 态污染物二氧化硫 氮氧化物大量增加 PM中可溶性粒子 如硫酸盐 硝酸 5 2 盐 铵盐以及有机酸盐等 具强吸水性 它们与水蒸气结合在一起 形成灰霾天 气 让天空瞬间变得灰蒙蒙 燃煤排放废气和机动车排放尾气中二氧化硫 氮 氧化物是大气细颗粒物 PM中硫酸盐 硝酸盐前体物 二氧化硫和氮氧化物 5 2 与空气中其他污染物经过了一系列复杂化学反应形成硫酸盐 硝酸盐等二次颗 粒 由气态污染物转化成固态污染物 成为 PM主要成分 二次污染过程成 5 2 为 PM升高最主要原因 加重灰霾天气的形成与持续 5 2 1 31 3 太原市环境概况太原市环境概况 1 3 1 行政规划 1997 年 5 月 8 日 太原调整行政区划 市区分为杏花岭区 迎泽区 小店 区 尖草坪区 万柏林区和晋源区 形成了 6 区 3 县 1 市 2 个国家级开发区 2 个省级开发区的格局 全市共有 51 个街道办事处 461 个社区委员会 21 个 镇 33 个乡 1013 个村委会 1632 个自然村 辖区总面积 6988 平方千米 其 中市区面积 1460 平方公里 城区建筑面积 400 平方公里 截止到 2014 年 太 原市总人口达 429 89 万 中心城区常住人口 300 万 流动人口 100 万 人口自 然增长率 5 01 太原市土地状况如表 3 所示 表 3 太原市土地使用状况 指标面积 平方公里 占总面积 总面积 6988100 0 按地形分 平原 124017 7 丘陵 211730 3 山地 363152 0 按特征分 农用地 577882 7 耕地 117216 8 园地 1762 5 林地 276839 6 草地 166223 8 建设用地 97514 0 农镇村及工矿用地 6679 5 交通运输用地 1442 1 水域及水利设施用地 1642 3 其他用地 2353 4 1 3 2 地理位置 地形地貌 太原位于山西省境中央 太原盆地的北端 于华北地区黄河流域中部 地 处南北同蒲和石太铁路线的交汇处 地理坐标为东经 111 30 113 09 北纬 37 27 38 25 东西横距约 144 公里 南北纵约 107 公里 太原 市东 西 北三面环山 中部和南部为汾河冲击扇平原 地势低平 南宽北窄 成扇形 北高南低逐渐倾斜 呈簸箕形 地形复杂多样 以山地 丘陵为主 约占全市总面积的 4 5 平原 谷地约占 1 5 海拔最高点为 2760 米 最低 点为 760 米 平均高度 800 米 太原市城区坐落在汾河两畔海拔 780 米至 800 米的平原上 太原市由于相对高差大 自然条件变化显著 因而在不同海拔区 域和同一地区的不同高度 有着不同的生态环境 1 3 3 太原市气候特征 太原属北温带大陆性气候 夏季炎热多雨 冬季寒冷干燥 年平均气温 9 5 无霜期平均 202 天 年均降水量 456 毫米 太原由于其地形复杂多样 海拔高度差异较大 海洋性气候对境内的影响 形成了北温带大陆性气候 冬 无严寒 夏无酷署 四季分明 日照充足 昼夜温差较大 夏秋降雨集中 冬 春旱多风 年平均温度为 9 5 C 一月平均 6 4 C 七月平均 23 C 霜冻期 为十月中旬至次年四月中旬 无霜期平均 149 175 天 年均降水量 468 4 毫米 由于山地 丘陵 平原 河谷等多种地形的差异和海拔高度的悬殊 使各类地 形在气温 降水 气压 日照等气象要素方面差异明显 气候特征多样 形成 了温暖气候区 温和气候区 温凉气候区和冷凉气候区四个不同的气候区域 太原市基本气候指标如表 4 所示 表 4 太原市基本气候指标 指标单位数量 平均气温摄氏度 7 4 10 9 日照时间小时 2274 2597 无霜期天 155 192 降水量毫米 401 497 1 4 太原市污染源特征太原市污染源特征 1 4 1 太原市能源结构 太原市作为全国的重化工业基地 煤炭消耗量居全国省会城市之首 主要 能源有煤炭 电力 煤气 液化气 汽柴油等 其中煤炭消费比例占 75 80 成为太原市最主要的能源 其次是电力 消费比例为 12 一 16 且是以火电为主 这就表明 以煤炭为主的一次能源消费量占太原市整 个能源消费结构的一半以上 这样的能源消费结构是不合理的 这也是使太原 市成为典型污染城市的重要原因 据统计 全市 PM和 SO 大部分来自于煤 102 炭的直接燃烧 尤其是冬季采暖期 采暖设备比较分散 多为大型锅炉 污染 十分严重 1 4 2 太原市产业结构 太原市作为全国的能源重化工基地 高投入 高消耗 高污染和低效益曾 是太原市传统经济的突出特征 高新技术比重低 企业自主创新能力和科研水 平差 产品附加值低 单位 GDP 所耗资源高 2011 年太原市 3 大产业比例分 别为 1 6 45 6 52 8 三大产值对经济增长的贡献率分别为 O 5 52 5 47 这 种现状与 三 二 一 的产业结构不相符 不利于太原市经济的持续发展 此外 太原市工业废物的治理水平也不高 不能长期稳定达标 据 2011 年 太原市污染源普查 全市工业废气治理设施 l 200 套 其中脱硫设施仅 150 套 有的企业有脱硫设施 但 SO 处理效率较低 全市工业 SO 平均处理率为 22 49 不能长期稳定达标 超标的污染物长期排放 导致市区大气环境不能达 到国家二级标准 氮氧化物根本不做任何处理 就直接排放 虽然目前符合国 家空气质量二级标准 但如果不使用脱氮设施 进行污染物处理 氮氧化物的 持续增加将加重空气污染 1 4 3 太原市机动车增长迅速 随着经济快速发展 人均收入不断提高 太原市机动车保有量迅速增加 自 2001 年以来 太原市机动车以平均 20 以上的速度递增 由 2001 年的 28 52 万辆增至 2012 年 9 月底的 82 万辆 与此同时 太原市平均每天新增约 350 辆汽车 相比之下 太原市公交系统发展不完善 交通结构不合理 道路 面积增长缓慢 最主要的是 高架桥与地下通道稀少 行人大量的涌现在路上 导致城市交通拥堵 这样不仅浪费了资源 而且加重了大气污染 根据污染源 普查数据 2009 年全市机动车排放到大气中的污染物为 25 万 t 其中 氮氧化 物 2 8 万 t 总颗粒物 0 23 万 t 机动车尾气排放已经成为太原市空气的又一 重要污染源 将给城市带来新的污染 1 4 4 太原市空气污染物组成 大气污染颗粒物的成分复杂 来源众多 经过对太原市能源 产业 以及 TSP 的调查研究发现 太原市的颗粒污染物主要有以下几类 1 建筑水泥尘 主要是水泥生产企业有组织和无组织排放的水泥飞灰 建筑施工及生产过 程中排放的以水泥成分为主的建筑施工材料飞灰 其特点是 水泥企业的粉尘 是太原市的工业粉尘的重点排放源 太原市城区内建筑施工地较多 污染源分 散 排放点低 2 城市扬尘 由于风力或人群活动等作用 把落到城市地面上的各源类所排放的尘再次 或多次扬起扩散到空气中 形成一种混合的尘 称为城市扬尘 扬尘在颗粒物 中占有相当大的比重 是造成颗粒物污染的主要原因 我国城市尤其是大多数 的北方城市 扬尘污染都已相当严重 近年来 太原市由于道路施工 住房建 设增加很快 土方工程量很大 这些施工场地遍布太原市各地 由于施工机械 车辆引起的土壤扬尘量非常大 而控制又很困难 另外 由于太原市独特的地 形 气候的特征 导致道路扬尘逐渐成为太原市大气颗粒物的重要来源之一 3 煤烟尘 城市中的烟煤尘一般包括工业燃煤飞灰和民用燃煤飞灰 工业燃煤飞灰是 指工业锅炉 工业窑炉 电厂锅炉及其他的工业燃煤源从烟囱中排放的飞灰 太原市属工业城市 工业用煤量较大 虽然绝大部分用煤单位都采取了除尘措 施 但仍有相当大一部分煤烟尘排放到大气环境中 成为我市大气颗粒物的重 要来源 在太原市很多燃煤大户均使用高烟囱 以利于污染物的扩散 但同时 也造成燃煤 排放的颗粒物在全市范围内的影响比较严重 4 机动车尘 机动车尘是指燃汽油和柴油的机动车排放的尾气中的时飞灰 随着太原市 经济建设的发展 人民生活水平的不断提高 机动车拥有数量呈逐年递增的趋 势 机动车数量的迅速增长 在给人民生活和工作带来方便的同时 也加剧了 太原市大气颗粒物污染的态势 据统计 截止 2005 年底 太原市机动车累计数 量达 27361 l 辆 较 2000 年增加 50955 辆 增幅为 22 9 交通发达 车流 量的加大 导致机动车行驶过程中造成的颗粒物二次污染越来越严重 5 钢铁尘 钢铁行业尘的排放源主要有以下几种 烧结炉 炼焦炉 化铁炉 转炉和 电炉 轧钢加热炉等设备的有组织和无组织排放的各类飞灰 太原市钢铁尘造 成的颗粒物污染以国防工办采样点为最严重 其原因在于距该采样点附近有太 钢集团 有原料场 焦化厂 炼铁厂 炼钢厂和轧钢厂 以及机器制造 金属 加工企业 大量的钢铁尘是在生产过程中以无组织形式排放的 排放点很低 影响范围也就比较有限 6 土壤风沙尘 由于自然风力作用 把地面的土壤 沙砾扬起到空气中的尘称为土壤风沙 尘 土壤风沙尘主要来源于城市周边的裸露农田 山地 干枯的河道和城市内 部的裸露地面等 太原市属于大陆暖温带季风气候 春季温差较大 干旱多风 沙 加之由于太原市山地 丘陵 平原 河谷等多种地形差异 植被的减少 裸露地面的大量存在以及城市周围生态环境的恶化 导致太原市春季风沙频发 几乎每年都会发生严重的沙尘暴天气 加剧了太原市大气环境的颗粒物污染程 度 1 51 5 国内外研究进展国内外研究进展 发达国家对大气污染的研究比较早 同时大气污染防治体系也早于我国 英国早在 19 世纪就制定了阿尔卡利法和公共卫生 伦敦 法 并于 1956 年颁布 了专门针对大气了 清洁空气法 1970 年 1977 年和 1990 年均有重要修订 成为大气污染防治的主要法律依据 同期还制定了 机动车空气污染控制法 国家环境政策法 能源供应与环境协调法 及一系列修正案等 日本于 20 世纪 50 年代颁布了 烟尘限制法 公害对策基本法 大气污染防 治法 减少汽车氮氧化物总排放量的特殊措施法 环境基本法 等大 气污染治理的综合性法律体系 上述三国的主要地区和城市大多基于国家法规 甚至先于国家立法 制定了更严格的地方性法规条例体系 1985 年美国国家环 境保护局将原颗粒物指示物 TSP 项目修改为 PM 1997 年美国环保局又修改了 10 PM的最高限值 同时 加拿大 澳大利亚 日本也在 PM和 PM研究方 5 2105 2 面做了大量工作 我国在 2012 年的新标准才规定 PM的浓度限值 世界各国 5 2 或组织规定的颗粒物浓度限值如表 5 所示 表 5 国家 组织颗粒物浓度限值 PM 5 2 PM10 年平均24 小时平均年平均24 小时平均国家 组织 3 mug 3 mug 3 mug 3 mug WHO 准则值 10252050 WHO 过渡期目标 1 357570150 WHO 过渡期目标 2 259090100 WHO 过渡期目标 3 1537 53075 加拿大 825 澳大利亚 825 50 美国 1535 150 日本 1535 100 欧盟 25354050 中国 357570150 1 5 1PM和 PM的危害进展研究 105 2 1 对能见度影响的研究 细粒子对光的散射和吸收是导致能见度降低的主要原因 大气能见度是衡 量城市空气质量标准的重要指标 随着工业化城市建设的进行以及经济的迅速 发展 大气颗粒污染物愈发严重 导致城市能见度越来越低 通过多位学者的 研究表明细粒对大气能见度的影响远大于粗粒 而且颗粒物对大气能见度的影 响成正相关 湿度越大影响越大能见度越低 2 对人体健康的影响 生活在灰霾天气可出现憋气 咳嗽 头晕 乏力 犯困 反胃 恶心 易 怒等不良反应 灰霾天气主要成分细颗粒物 PM能直接进入人体呼吸道和肺 5 2 叶 并沉积于上 下呼吸道和肺泡中 引起鼻炎 支气管炎等病症 长期处于这 种环境还会诱发肺癌 同时 长期生活在灰霾天气下会严重影响心理健康 导 致人抑郁 精神不振 产生心理疾病 3 对农业的影响 灰霾天气会降低到达地面的太阳辐射 减少日照时数 减少日照时数就会 减少农作物的光合作用 同时附着在农作物表面的灰霾同样会影响植物的呼吸 作用和光合作用 导致农作物减产 影响农业生产的总体产值 1 61 6 论文内容及结构论文内容及结构 本研究主要包含以下内容 1 采集太原市 2014 年 3 月到 2015 年 3 月太原市各监测点 PM以及 10 PM的自动监测站数据 根据数据分析 PM以及 PM时间分布特征以及总 5 2105 2 的污染特征 2 从气象网站获取数据 包括温度 湿度 压强 风速 主导风向以及 降雨量等数据 并结合 PM和 PM的浓度分析气象因素对 PM和 PM的 105 2105 2 浓度影响 2 研究方法 研究方法 2 1 数据采集数据采集 PM和 PM的污染根本来源于污染源的排放 但其浓度变化却随着当地 105 2 气候以及气象因子的变化而变化 通过数据统计及相关性分析得知长春市 PM 的质量浓度与气温呈显著负相关 与平均气压 相对湿度和平均风速无显著 10 的相关关系 北京市 PM和 PM与各气象因素均无显著相关关系 兰州市 105 2 PM与气温和平均气压均有一定的相关关系 10 2 1 1 大气污染物资料 收集 2014 年 3 月 1 号至 2015 年 2 月 28 号太原市大气污染颗粒物 PM和 10 PM的历史数据 数据资料来源于天气网 并进行统计分析 研究太原市 PM 5 2 和 PM总体水平浓度 以及 PM和 PM的质量浓度年变化 季度变化和 105 2105 2 月变化 对太原市 PM和 PM的质量浓度变化进行规律性总结 105 2 2 1 2 气象因素资料 收集太原市 2014 年 3 月 1 号至 2015 年 2 月 28 号的气象资料 其中包括日 平均气温 日平均气压 hPa 日相对湿度 以及日平均风速 m s 和风向以及降雨量 资料来源于气象网站 2 2 相关分析相关分析 通过以上数据的统计及规律分析 分别对 PM和 PM与各气象参数之间 105 2 进行相关性分析 研究 PM和 PM与气象因素之间的关系 并采用空白对照 105 2 法 分别进行单个参数对 PM和 PM的质量浓度的影响 以研究太原市灰霾 105 2 天气与气象因素之间的关系 3 结果与讨论 结果与讨论 大气颗粒污染物的浓度是反映大气颗粒物污染水平的一个重要指标 这个 浓度通常用质量浓度来表示 即单位体积空气中颗粒物的质量 单位为 3 mug 我国新发布的 环境空气质量标准 GB3095 2012 规定 PM的一级 10 标准为日均值 年均值为 二级标准为日均值 年 3 50mug 3 40mug 3 150mug 均值为 PM的一级标准为日均值 年均值 二级 3 70mug 5 2 3 35mug 3 15mug 标准日均值为 年均值 将采集的太原市 PM和 PM质量 3 75mug 3 35mug 105 2 浓度数据与 环境空气质量标准 GB3095 2012 进行比较分析 即可得 知太原市 PM和 PM污染状况 105 2 3 1 PM和和 PM总体水平浓度总体水平浓度 105 2 将太原市 PM数据进行整理分析得出表 6 由表 6 可知 监测期间太原市 10 PM日平均浓度范围为 28 7 370 平均值为 124 8最高日 10 3 mug 3 mug 3 mug 均值为 176 8 是二级标准的 2 5 倍 年均值为 124 8为二级标准 3 mug 3 mug 的 1 7 倍 监测期间最高月份为 10 月为 176 8 同时 4 月 5 月 11 月 3 mug 12 月和 1 月均值也较高超过年均值 监测的 365 天二级达标数位 285 天 达标 率 78 从浓度均值来看 太原市 PM仍然存在较重的污染 同时 从最小 10 值到最大值的跨度变化表示 10 月以及 11 月的 PM污染存在较大波动性 6 10 月 7 月 8 月以及 9 月的污染状况最轻 表 6 太原市各月份 PM监测数据统计表 10 PM 10 3 mug 月份 最小值最大值平均值 采样天数 d 达二级标 准天数 d 达标率 2014 年 3 月 57268 597 9311445 1 2014 年 4 月 59228 6143 8301860 0 2014 年 5 月 61 2232 6132 3312270 1 2014 年 6 月 50159 794 34302996 7 2014 年 7 月 27 9189 5103 1312787 1 2014 年 8 月 38 4169 482 1312890 3 2014 年 9 月 37 6162 791 7302996 7 2014 年 10 月 28 7320 1176 8311341 9 2014 年 11 月 35 3324 4148 9301550 2014 年 12 月 49 3370148 8312064 5 2015 年 1 月 44 7249128 3312064 5 2015 年 2 月 51196 7102 9282589 2 统计 27 9370124 836526071 2 将太原市 PM数据进行整理分析如表 7 太原市 PM日平均质量浓度范围 5 25 2 为 9 5 211 2 平均值为 64 4 对比 环境质量空气标准 3 mug 3 mug 3 mug GB3095 2012 中 PM二级标准进行分析比较得知 太原市 PM污染 5 25 2 严重月份为 10 月 11 月 12 月以及 1 月 最高日均值为 211 2是标准浓 3 mug 度的 2 8 倍 年平均值为 64 4为二级标准浓度的 1 8 倍 监测的 365 天达 3 mug 标率为 71 2 从日浓度变化跨度来看 污染较为严重波动性较大的分别是 10 月 11 月 12 月以及 1 月 其他月份污染程度较轻 6 月 7 月 8 月 9 月 PM污染状况较为良好 5 2 表 7 太原市各月份 PM监测数据统计表 5 2 PM 5 2 3 mug 月份 最小值最大值平均值 采样天数 d 达二级标 准天数 d 达标率 2014 年 3 月 21 5125 161 0312374 1 2014 年 4 月 29 8126 262 5302273 3 2014 年 5 月 15 612151 0312787 0 2014 年 6 月 16 986 845 8302686 6 2014 年 7 月 12 4107 849 0312993 5 2014 年 8 月 11 9104 342 2312787 0 2014 年 9 月 15 892 647 1302893 3 2014 年 10 月 9 5211 294 9311651 6 2014 年 11 月 11 2231 391 3301446 6 2014 年 12 月 18 1255 684 8311961 2 2015 年 1 月 22 6172 983 3311238 7 2015 年 2 月 19 3152 165 0281760 7 统计 9 5211 264 436526071 2 通过对 PM以及 PM的数据统计分析 两者呈现出的污染规律较为相似 105 2 10 月 11 月以及 12 月污染状况最为糟糕 6 月 7 月 8 月以及 9 月污染状况 较轻 3 2PM和和 PM时间分布特征时间分布特征 105 2 3 2 1PM和 PM随季节的变化特征 105 2 根据太原市的规律的气候变化特征 将太原市四季划分为春季 2014 年 3 月 2014 年 5 月 夏季 2014 年 6 月 2014 年 8 月 秋季 2014 年 9 月 2014 你那 11 月 冬季 2014 年 12 月 2015 年 2 月 通过数据统计 太 原市可吸入颗粒物 PM和 PM质量浓度随四季的变化情况如图 5 所示 105 2 图 5 太原市各季节 PM和 PM均值 105 2 由图 5 可知太原市春季 秋季 冬季 PM污染较为严重 虽然均值均达到 10 国家二级标准 但是相对于夏季而言春季 秋季以及冬季的污染整体水平较高 秋季和冬季的 PM污染较为严重 均超过国家二级标准 同时 通过比较来 5 2 看 太原市 PM的污染情况要严重于 PM的污染情况 5 210 太原市的气象条件和颗粒物污染源决定了 PM和 PM质量浓度随季节变 105 2 化的规律 2014 年太原市冬季日照时间短 天气寒冷少雪 逆温天气发生频率 高 持续时间长 气象条件不利于颗粒物的扩散和清除 加上燃煤供暖增加的 额外污染源导致 PM和 PM的污染总体看来在冬季较为严重 秋季节降雨量 5 210 低 同时太原市开始集中供暖 农业燃烧物也较多 有风天气较多 虽然促进 颗粒物的扩散稀释 但同时会造成扬尘天气 因此太原市的颗粒污染情况在秋 季最为严重 太原市夏季气温高 大气对流作用加剧 利于颗粒物的稀释扩散 同时降雨量的增加有利于颗粒物的加湿沉降 加上燃煤污染减少 所以太原市 夏季颗粒污染物浓度低于其他三个季节 总体来看 太原市 PM污染高于 PM 5 2 污染 且秋冬两季最为严重 夏季污染程度最低 10 3 2 2 太原市 PM和 PM随月份的变化规律 105 2 将所调查的 PM和 PM数据月平均值整理成图 6 可以清晰的看到 PM 105 2 和 PM随月份变化的规律 5 210 图 6 PM和 PM随月份变化规律图 105 2 从图 6 可以看出从 4 月份开始到 6 月份 PM和 PM的质量浓度呈下降趋 105 2 势 6 月份到 9 月份趋于平稳 9 月份到 10 月份快速升高以后并呈逐渐下降趋 势 月份变化规律与季节变化规律基本吻合 同样随着气候气象 以及污染源 的变化而变化 同时当 PM的浓度变化时 PM的浓度也有着相似的变化 105 2 PM和 PM的质量浓度在 8 月份处于最低水平 在 10 月份处于全年的最高水 105 2 平 3 2 3 PM PM时间变化规律以及相关性分析 5 210 PM PM代表可吸入颗粒物中细粒子的含量 它可以反映颗粒物的污染 5 210 水平 颗粒物中细粒占的比值越大 污染水平越高 通常认为 PM PM比值 5 210 在 30 40 之间污染较轻 在 50 70 之间污染较重 对采集的数据进行分析整理如表 8 由表 8 可知 太原市 PM PM值在 5 210 38 1 62 7 之间 均值为 49 9 比值在 50 70 之间共 191 天 说 明太原市空气质量污染较为严重 表 8 PM PM数据 5 210 PM PM 5 210 月份 最大值最小值平均值50 70 之间 d 2014 年 3 月 66 426 742 58 2014 年 4 月 60 521 343 98 2014 年 5 月 63 918 938 14 2014 年 6 月 63 127 946 614 2014 年 7 月 58 933 246 412 2014 年 8 月 63 330 648 815 2014 年 9 月 67 234 950 918 2014 年 10 月 69 830 950 615 2014 年 11 月 72 831 757 825 2014 年 12 月 68 526 051 219 2015 年 1 月 77 142 562 729 2015 年 2 月 81 631 560 424 不同月份 PM PM值差别较大 如图 7 所示 5 月份 PM PM值最 5 2105 210 低 1 月份 PM PM值最高 5 月份太原市风速以及西北风向天气增多 风 5 210 扬起的尘土增加了空气中的 PM 对 PM的贡献不大 故 PM PM数值 105 25 210 最低 6 7 8 月份太原市进入夏季 光照强 大气中的气体组分容易发生光化学 反应 生成二次气溶胶 而二次气溶胶主要是 PM 故 PM PM的比值逐 5 25 210 渐变大 12 月至 23 月为供暖期供暖期 PM PM的值达到全年最高点 说明 5 210 燃煤对 PM的贡献较大 对 PM的贡献较小 数据进一步表明冬季太原市空 5 210 气质量最差 对人体危害最大 图 7 PM PM随月份变化图 5 210 以 PM质量浓度为横坐标 PM质量浓度为纵坐标 做 PM和 PM的 5 210105 2 相关性曲线图 如图 8 所示 PM的质量浓度随 PM质量浓度的增加而增加 105 2 两者之间有显著的正相关 相关方程 982 362947 1 5 210 PMPM6955 0 2 R 可见太原市 PM和 PM有着相同或相似的来源 105 2 图 8 PM和 PM的相关性曲线 105 2 3 33 3 采集数据期间太原市气象变化特征采集数据期间太原市气象变化特征 大气污染与气象条件密切相关 影响城市大气污染物浓度的主要原因取决 于污染源的排放量的多少 性质和排放强度 另一方面取决于当地的气象条件 气象条件对大气污染物的影响主要是扩散稀释和沉降作用 因此同一污染源在 不同气象条件下产生的污染浓度也是不同的 3 3 1 监测期间太原市气象因素数据汇总 表 9 监测期间太原市气象因素汇总 季度月份平均气温 平均相对湿 度 平均压强 hPa 平均风速 公里 小时 降雨量 2014 年 3 月 7 9034 641018 618 68 四天 19 30 春季 2014 年 4 月 13 9350 901016 608 36 六天 12 20 2014 年 5 月 18 7063 741010 5111 03 四天 40 13 2014 年 6 月 14 4649 361008 469 06 七天 64 50 2014 年 7 月 23 4563 511008 328 09 十一天 81 54 夏季 2014 年 8 月 22 0362 871011 707 29 十一天 53 34 2014 年 9 月 18 0670 731015 807 43 十天 41 08 2014 年 10 月 12 8362 841020 837 45 五天 7 93秋季 2014 年 11 月 3 7652 931023 367 33 三天 3 55 2014 年 12 月 3 7732 191026 839 45 无 2015 年 1 月 2 5139 961025 067 29 两天 2 54冬季 2015 年 2 月 0 3240 141022 149 32 三天 9 39 从统计表格分析 太原市气温规律四季分明 夏季平均气温 20 左右 春 季平均气温 13 左右 秋季平均气温为 11 左右 冬季平均气温降至零下 相 对湿度为夏季居高 冬季最低 太原市压强全年基本保持稳定 波动变化较小 全年保持在 1008 1026之间 风速在春冬两季较高 秋季基本保持hPahPa 稳定 夏季成风速降低趋势 全年降雨集中在夏季 将于天数约占全季度的三 分之一 总降雨量为 199 38 占全年降雨总量的 59 4 冬季降雨最少 春秋 两季较平均 3 3 2 监测期间太原市风向统计 图 9 监测期间太原市风向统计图 由图 9 可以看出 太原市主导风向为西北风 占全年 27 在全年有风天 气中四分之三 太原市的地形 北 西 东三面环山 太原市的风向表明 当 刮西北风时 由于东南部山地的阻挡 大气污染物不易扩散出市区 在太原市 区徘徊 加重污染 图 10 监测期间各月份西北风天数 由图 10 可以看出太原市秋冬季节西北风比较频繁 从十月开始 西北风出 现频率在 50 以上 太原市冬季 PM和 PM污染浓度均高于春夏两季 由太 105 2 原市风向统计表明 太原市 PM和 PM冬季质量浓度过高的原因与太原地区 105 2 的西北风向有直接的关系 3 4 PMPM和和 PMPM的质量浓度与各气象因素之间的相关分析的质量浓度与各气象因素之间的相关分析 105 2 气象条件对大气污染物浓度所产生的影响主要表现为对大气污染物扩散稀 释作用和沉降作用 对大气污染物的稀释有直接关系的主要为风向 风速 对 大气污染物有稀释作用的主要为降雨 温度随着高度的升高会产生逆温现象 城市建设会形成热岛效应 所以温度对 PM和 PM的质量浓度同样会产生一 105 2 定的影响 有研究表示 当空气中湿度较大时 空气中的水蒸气容易以微尘为 凝结核形成雾 致使粒子变重 沉聚在低层大气中 形成一层阻挡层阻碍空气 的扩散 导致空气中颗粒物增加 当地面受低压控制时 四周高压气团流向中 心 中心的空气便形成上升气流 使空气污染物向高空扩散 当地面受高压控 制时 会导致四周空气污染物向地面聚集 加重空气污染 所以对太原市监测 期间 PM和 PM的质量浓度与各气象因素之间进行相关分析 探明太原市灰 105 2 霾天气与气象因素之间的关系 3 4 1 降雨对 PM和 PM质量浓度的影响 105 2 2014 年 3 月至 2015 年 2 月太原市详细降雨资料如表 9 所示 据统计全年 有 66 天有降雨 其中 5 天有降雪分别是 11 月的一天 1 月的 2 天和 2 月的 2 天 其余 61 天为降雨 全年降雨量为 334 96mm 夏季降雨量最多 为 199 38mm 春季次之为 71 63mm 秋季为 52 02mm 冬季降雨量最低为 11 93mm 表 10 太原市降雨资料 季节月份降雨天数 d降雨量 mm 2014 年 3 月 419 30 2014 年 4 月 612 20 春季 2014 年 5 月 440 13 2014 年 6 月 764 50 2014 年 7 月 1181 54 夏季 2014 年 8 月 1153 34 2014 年 9 月 1041 08 2014 年 10 月 57 93 秋季 2014 年 11 月 33 55 冬季2014 年 12 月 00 2015 年 1 月 22 54 2015 年 2 月 39 39 监测期间 PM和 PM的浓度与降水量的关系如图 11 所示 太原市 7 月 105 2 份降雨量最大 PM和 PM的浓度在 8 月份最低 12 月份降雨量最低 PM 105 2 和 PM的浓度在十月份最高 整体来看 PM和 PM的质量浓度与降雨 105 2105 2 量关系成反比 11 月和 1 月 2 月降雪与降雨产生的影响相同 由于太原市降 雨较为集中 为夏季集中在 7 8 月份 所以进一步研究降雨量与颗粒物浓度的 关系分别对各个季度相对月份进行相关性分析 图 11 颗粒物浓度与降水量的关系 选取降雨量较多的 7 8 9 月份进行对照分析 得到图 12 a 12 b 和 12 c 图 12 a 2014 年 7 月颗粒物浓度与降雨量关系 图 12 b 2014 年 8 月颗粒物浓度与降雨量关系 图 12 c 2014 年 9 月颗粒物浓度与降雨量关系 由图 12 a 12 b 和 12 c 可知 降雨量对颗粒物的清除作用非 常明显 以 7 月 8 9 10 日为例 降雨前 PM和 PM的颗粒物浓度分别为 105 2 189 5和 107 8 经过 8 日 8 89mm 的降雨后 PM和 PM的浓度 3 mug 3 mug 105 2 分别降至 142 4和 84 去除效率为 25 和 23 再经过 9 日 3 mug 3 mug 29 97mm 的降雨后 PM和 PM的浓度分别降低至 27 9和 12 4 105 2 3 mug 3 mug 去除效率为 81 和 86 均达到一级标准 从 PM和 PM的去除效率可见 105 2 降雨量对颗粒物清除效果十分明显 同样 由其他月份降雨前后数据分析 得 到相同的结论 同时降雨对颗粒物的去除效率与颗粒物浓度以及降雨量的大小 相关 3 4 2 风速对 PM和 PM质量浓度的影响 105 2 有研究显示 当风速一定值是对大气颗粒物起扩散稀释作用 由于太原市 风速年变化范围较小所以我们选取春季的 4 月 夏季的 7 月 以及秋季的 10 月 和冬季的 1 月进行取值分析 来探讨太原市风速对 PM和 PM的质量浓度有 105 2 什么影响 图 13 a 太原市 2014 年 4 月风速与 PM和 PM质量浓度的关系 105 2 图 13 b 太原市 2014 年 7 月风速与 PM和 PM质量浓度的关系 105 2 图 13 c 太原市 2014 年 10 月风速与 PM和 PM质量浓度的关系 105 2 图 13 d 太原市 2015 年 1 月风速与 PM和 PM质量浓度的关系 105 2 通过研究太原市 4 个季度 4 个月份的风速与与 PM和 PM质量浓度的关 105 2 系 结果表明 当风速低于 2 5m s 时 扩散稀释作用不明显 当风速高于 2 5m s 时 颗粒物浓度才开始降低 并且在研究范围内风速越大对颗粒物的清 除效果越明显 而且通过四个月份的比较来看 风速对于 PM的清除作用明显 10 高于对 PM的作用 风速对颗粒物浓度的影响具有两面性 当风速火大是反 5 2 而会引起沙尘的污染 监测期间太原市风速最大 2014 年 5 月 25 日风速为 7 2m s 其之前 PM和 PM的质量浓度分别为 6