气象因素对南京大气污染物的影响

论文总字数：23939字

目 录

摘要： 2

Abstract: 3

绪论 4

1、材料与方法 6

2、结果与讨论 6

2.1污染物体积分数特征 6

2.1.1污染物季节变化 6

2.1.2污染物日变化 8

2.2气象因素对NO_X、O₃和CO的影响 9

2.2.1温度的影响 9

2.2.2风速的影响 10

2.2.3相对湿度的影响 12

2.2.4风向的影响 14

2.2.5气压的影响 15

2.3 NOx、O₃和CO的统计回归方程 17

3 结论 18

参考文献 19

致谢 21

气象因素对南京大气污染物的影响

张志星

，China

Abstract: Nitrogen oxides (NO_X), Ozone (O₃) and Carbon monoxide (CO) are the major 

atmospheric pollutants. In order to analyze the current situation of Atmospheric Pollution in north  suburb of Nanjing and its relationship with meteorological factors, this paper adapted analytical  method with the data of contaminant in the north suburb of Nanjing from May 2013 to May 2014  and meteorological factors (wind direction, wind speed, temperature, humidity, air pressure). And  the results are as follows: pollution in Nanjing is lighter than other countries, and in summer, the O₃ produces more easily, the volume fraction of O₃ reaching its maximum value with NO_X and CO reaching their minimum value at 15:00 pm. Pollutants have closed relationship and relatively stable correlation with meteorological elements. Temperature and wind direction are the main influence  factors. By stepwise regression analysis, the regression equation of three kinds of pollutants was  obtained, among which the regression equation of O₃ has the most fitting degree that can be used  toforecast pollution trend.

Key words: air pollution; meteorological elements; statistical analysis; correlation analysis; regression equation.

绪论

近年来，为了发展经济，城市工业化日益加重，同时车流量不断增加，大气污染物被大量排放，超出了环境的承载能力，引发大气污染。社会经济的发展依赖于环境生产力的支持，同时又对环境造成了负面影响，伴随着城市化进程的加快，城市的资源消耗量与污染物排放量均大幅增加，城市环境问题日益突出。

本文研究的氮氧化物（NO_X）主要指一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）两种大气污染物，除占比不到百分之10的天然源外，它们主要来源于汽车尾气，工厂废气等人为源。作为一次污染物，它能损伤支气管，肺等重要呼吸器官甚至引发癌变，但它与空气中其他物质反应生成的颗粒物（PM）、亚硝酸、硝酸、臭氧(O₃）等二次污染物的危害更大^[1]，酸雨酸雾，光化学污染，雾霾等重大污染现象都与其相关。

O₃是大气中最为重要的污染物之一，其具有很高的化学活性，可以参与大气光化学反应的全过程，能引发光化学烟雾、降低大气能见度，大气中的O₃体积分数过高是很严重的环境污染现象。O₃本该存在与平流层，作为吸收紫外线的保护伞对生态环境是有利的，但当其通过混合作用到达地面，或者人为制造排放，造成局地O₃体积分数过高时，就会影响空气质量和人体、动植物健康^[2]。局地O₃体积分数受排放源、前体物体积分数和比例^[3]、气象要素（风速风向、温度辐射、湿度降水和气压等）共同影响，由于不同区域这些因素特点不同，因此不同区域的O₃体积分数也有一定区别^[4]。要想对O₃体积分数的变化规律进行系统的研究，需要大规模和大量的数据支持。

一氧化碳（CO）是一种无色无味的气体，它难溶于水，在大气中比较稳定，不易与其他物质发生化学反应。在日常生活中，CO主要存在于汽车尾气、液化气废气中，吸烟也会产生少量CO。CO来源于含碳燃料的不完全燃烧，汽车发动机燃烧汽油，炼钢炼铁、采暖使用煤炭，焚烧垃圾都会导致CO的大量排放。CO的人为源很常见，所以CO是排放量最大的大气污染物。冬季北方的采暖城市会产生大量的CO，如果天气对扩散不利，如风速小，边界层薄，大气层结稳定，近地层存在逆温的情况下，就很容易时局地CO体积分数过高时^[5]。CO会与人体的血红蛋白结合，降低红细胞的运氧能力，使得人体产生头晕、头疼、疲倦等缺氧现象^[6]，严重时能造成人员死亡，空气中CO的含量对环境风险评估影响很大^[7]。此外，对流层中的CO还能影响对流层化学反应平衡，CO体积分数升高会加速大气中OH自由基的消耗，减弱大气的氧化能力，影响其它可还原物质的氧化。

由于大气污染的危害性强，成因复杂，治理难度高，有关大气污染物的形成，传输，稀释和沉降等方面的研究正日益受到关注。由于光化学反应，NO_X、O₃和CO的体积分数有一定的相关性，而气象要素对它们的形成、传输、稀释和沉降有很大的影响。国外早在1986年，Seinfield就研究了光化学烟雾^[8]。他通过分析各类大气污染物生成与相互转化关系，概括出光化学反应的化学反应方程，得到了较为完整的光化学反应机理。Nodge^[9]采用O₃等浓度曲线模式OZIPP (Ozone Isopleth Plotting Package)在一定假设条件下得到了EKMA(Emipirical Kinetic Modeling Approach)曲线。经过多年的研究完善，现已基本确定了非甲烷烃（NMHC）及NO_X作为前体物它们的体积分数以及它们的比值对O₃生成的影响，按EKMA曲线控制NMHC/NO_X的比值，能减少O₃的生成，从而降低污染。Wise等^[10]研究美国西南部的污染物，发现气象条件的变化能造成40%~70%的O₃变化和20%~50%的PM变化。Mamtimin等^[11]通过研究乌鲁木齐市2000~2006年的大气污染指标（API）的月浓度值及气象数据，探讨了城市空气污染与地面气象要素的关系。

我国研究气象条件对空气污染的影响比外国进程稍慢，在20世纪70年代才开始。主要方法是通过统计分析污染物与气象条件的相关性，结合反应原理，局地特殊情况等，研究边界层内气象要素对污染物体积分数的影响。此外，研究大气环流形势与大气污染关系也是一大热门^[12]。各气象要素如风速风向、温度、湿度和气压并不是单独作用于污染物体积分数，而是互相联系，共同影响的。近几年的研究结果表明，大气NOx和O₃的体积分数与季节具有一定的相关性，其中夏季的相关性最强，冬季其次，春秋季较弱，较为特殊的是秋季的光化学污染一方面来源于局地污染，和冬夏两季节类似，一方面来源于外来源的传输，与春季具有相同特点^[13]。赵敬国等^[14]研究兰州市的空气污染，发现兰州市空气污染不太严重，且冬季加重夏季减轻，受东北（NE）气流控制时污染物体积分数较高，西北（NW)气流有利于污染物的扩散，对应的体积分数较低，风速、相对湿度和降水等气象因素对污染物体积分数有明显影响，空气污染状况还受城市热岛效应的影响。王璟等^[15]研究2005 年11 月22 日~12 月2 日上海市的持续11 天的轻度污染的原因，发现当时的天气型对此次污染影响很大，当时上海市主要受高压脊控制，天气晴朗，气温升高，日夜温差大，地面风速很小，边界层厚度低，早晚还出现逆温现象，这种稳定的大气层结不利于大气污染物的扩散，因此造成了较长时间的轻度空气污染。在南京，邵平等^[16]于2013年5月18日至8月31日连续观测了南京北郊的O₃及其前体物NO_X、CO的体积分数，并记录了各项气象要素值，统计得到观测期间的O₃、NO_X和CO的体积分数分别为(32.01 ± 15.20) × 10^-9、(33.16 ±25.20) × 10^-9和(0.66 ±0.44) ×10^-6，发现O₃体积分数有一定超标，他们还对污染物进行了浓度频率分布得到了观测期间的 O₃、NO_X和CO 背景体积分数分别为(5.71 ±2.51)× 10^-9、(12.20 ±0.36) ×10^-9、(0.28 ± 0.01) × 10^-6。安俊琳等^[17]也系统地研究过气象因素对O₃体积分数的影响，认为气温、降水量和日照时长是影响南京大气 O₃体积分数的重要因素。南京5月份日照时数很长，降水量较低，O₃体积分数较其他月更高。总的来说，各类污染物的体积分数与同一气象要素的相关性不同，同一污染物与不同气象要素的相关性也不同，正是由于污染物与气象要素关系的复杂性，才需要大量的研究才能确定它们的关系。

南京作为全国15个经济中心城市之一，2004年其经济中心定位指数排名列中国大陆第六，仅次于京沪广深津，且第二产业即工业经济占经济比重40%以上。由于南京现今人口稠密，交通拥堵，能源消耗量大，其污染程度也日益受到重视，除部分污染物来源于周边地区如江西、湖南、安徽、浙江等地区外^[18]，本地工业区和汽车尾气是主要污染源。在本文观测点所在的南京江北工业区，就聚集了扬子石化、南钢和华能南电等化工企业，这些企业工厂的生产和储运都会产生大量大气污染物，很容易造成局地污染物体积分数过高，引发大气污染。本论文统计了2013年5月至2014年5月南京北郊的大气污染物和气象要素资料，通过相关分析得到各污染物与各气象要素的相关性，最后通过逐步回归分析得到各污染物的拟合度较高的统计方程。这对于研究气象因素与污染物的体积分数变化之间的关系，从而通过气象要素的变化分析污染物的变化趋势，提高对污染物体积分数的预报水平有着积极意义。

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