南京市空气质量现状及其与气象条件的相关分析

论文总字数：15600字

目 录

1. 引言 3

2. 资料研究及方法 4

2.1 资料概况 4

2.2 研究方法方法 4

3. 结果分析与讨论 4

3.1 AQI的时间变化 4

3.2 AQI与边界层高度的关系 11

3.3 AQI与气象因子的关系 12

4. 结论 16

参考文献 17

致谢 19

南京市空气质量现状及其与气象条件的相关分析

巫潇

，China）

Abstract: Based on the atmospheric air quality index (AQI) and the main pollutants O3, PM2.5, PM10 and other related data from January 2015 to March 2017, the variation characteristics of air pollutant concentration in Nanjing were analyzed, Humidity, air pressure, wind speed and other meteorological factors and the height of the mixed layer to study its impact on the Nanjing AQI. The results show that AQI has a significant positive correlation with air temperature and relative humidity, AQI has a significant negative correlation with air pressure, and the height of mixed layer has different relationship with AQI in different time periods. One day AQI was bimodal change, the year AQI in autumn, the lowest in winter AQI, the main pollutants in summer is O3, the main pollutants in winter is PM2.5 and PM10. According to AQI changes in the law and the influencing factors to take appropriate measures to control air pollution.

Key words：AQI Atmospheric boundary layer meteorological factors

1. 引言

21世纪，城市化进程迅速加快，成为影响当地区域，全球各个层面空气质量的重大环境因素。根据联合国近期估计，1950年的大城市数量已经从1950年的1个增加到2000年的19个，到2017年将达到23个^[1]。我国的社会与经济也在高速发展，人民生活水平的提高，人们也越来越关注自身的生活环境，大气污染形势变得很严峻，以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为代表的空气污染物不断威胁人们的身体健康。特别是2013—2014年，全国数百个城市发生了严重的空气污染，其程度发生了很大的变化^[2]。于是研究这些污染物的来源和变化情况，并采取相对应的预防与控制措施，有效降低空气污染的频次，对空气质量的改善和人们健康的保障具有现实意义^[3]。

中国开始大气污染检测的时间落后于欧美等发达国家，20世纪80年代初美国便已经开始对大气污染物质量浓度进行检测，我国于2012年颁布实施了《环境空气质量标准》^[4]等一系列相关的法律，保障了我国大气污染监测与治理。近年来，对大气污染的研究成为了热点。张宝贵等^[5]研究分析得出，秦皇岛市的城市空气污染物浓度变化与气象条件的关系。张娟等^[6] 研究了2014年成都市大气污染特征及气象因子分析。

AQI，空气质量指数（Air Quality Index）是现在常用的衡量空气质量状况的指标，根据环境空气质量标准( GB3095 － 2012) ，计入空气指数的项目为 : SO₂、NO₂、PM2.5、 PM10、 O₃ 和 CO 六项^[7]。AQI越高，代表空气污染越严重，对人体的危害越大，AQI越低，代表大气中的颗粒物越少，空气质量越好。

边界层对污染物的扩散有着重要作用，在边界层中，通过大气的湍流运动，颗粒物和气体会充分混合，最大混合高度就是边界层顶的高度，太阳辐射、天气系统和局地地形对定了最大混合高度。边界层结构对低层大气中污染物的扩散和输送骑着重要作用。在边界层中，大气的湍流作用可以使颗粒物和空气充分混合^[8]。通过分析北京市PM10质量浓度资料和观象台气象自动站资料、风廓线资料和探空资料等数据，发现在污染物源强一定的条件下，污染物的积累、稀释、扩散和清除主要取决于气象条件，PM10质量浓度与地面风速和大气边界层高度呈负相关性。

本文主要以南京市近些年的空气污染物的监测数据和统计年鉴资料为依据，对其平均浓度的时间变化特征进行分析，研究其与边界层、气象因子的关系，从而得出结论，并给出防治污染的建议。

1. 研究资料及方法

2.1、资料概况

本文采取的数据为中国环保部官网数据中心（datacenter.mep.gov.cn/ ）公布的南京市2015年1月至2017年3月的AQI逐日数据及AQI逐时数据，首要污染物类别及空气污染级别划定，此外还有应用气象学院农试站2015年7月至2016年6月的混合层高度和气象数据。南京32°03'N, 118°46'E，是江苏省会，地处长江三江洲，属亚热带季风气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，冬、夏季长，而春、秋季略短。冬季受西伯利亚冷气团影响和南下控制，夏季受副热带高压的稳定长期控制，其主导气流存在季节性变换。南京市平面位置南北长、东西窄，成正南北向；南北直线距离150公里，中部东西宽50～70公里，南北两端东西宽约30公里。南面是低山、岗地、河谷平原、滨湖平原和沿江河地等地形单元构成的地貌综合体。南京冬季无集中供暖机制，不存在季节性大量燃煤产生的粉尘污染。

2.2、研究方法

本文主要应用Excel软件及SPSS软件，通过Excel软件对AQI数值进行小时变化，日变化，月变化，季节变化，首要污染物天数占总天数之比的分析，得出AQI的时间分布情况及南京市污染现状，再通过SPSS软件进行AQI与气温、气压、相对湿度、太阳短波辐射等气象因子的日平均值、月平均值的相关性分析，得出AQI与气象因子之间的关系。

3、结果分析与讨论

3.1、AQI的时间变化

AQI是定量描述空气质量状况的无量纲指数，主要是将二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O_３)以及PM10、PM2.5等六项污染物浓度值换算成相应的指数。根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定》规定：空气污染指数划分为0-50，51-100，101-150，151-200，201-300和大于300六个级别。其中0-50一档空气质量状况为优，51-100一档空气质量状况为良，101-150一档空气质量状况为轻度污染，151-200一档空气质量状况为中度污染，201-300一档空气质量状况为重度污染，大于300则属于严重污染。优级的空气质量下不提首要污染物。空气质量指数的值在不同的区间，代表了不同的空气质量水平，AQI越大，级别越高，说明污染越严重，对人体的危害也就越大。下面从AQI的日变化、月变化和季节变化来分析南京市近年来空气质量变化特征。

利用2015年7月至2016年6月每天相同时刻的AQI求平均得到的AQI逐小时变化（见图1）。一天之中，AQI有两个低值区，分别在每天的天亮前（4—5时）和傍晚（17—19时），一天之中的高值区位于上午（10—11时），而次高值位于午夜（0时）。这是由于晚上辐射降温，近地层大气温度急剧下降，形成稳定层结，大气流动微弱，不利于悬浮在空气中的颗粒物扩散。而天亮前是一天之中气温最低的时候，此时大气层结最稳定，大气污染原较少，所以AQI达到了一天之中的低值。日出后，太阳辐射增强，对流运动逐渐加强，人类的活动开始频繁，上班高峰期汽车尾气的大量排放，导致了AQI逐渐增加。正午时AQI达到了一个高值，此时太阳辐射最强，午后，近地面空气温度继续升高，垂直向上的空气对流增强，有利于污染物的扩散，所以AQI持续下降，在16点左右达到了一天中的低值，傍晚太阳辐射减弱，气温降低，下班晚高峰汽车尾气排放量增多，AQI上升。

南京市2015年1月至2017年3月AQI月平均变化（见图2），通过图可以看出一年之中只有12月和1月的AQI超过100，空气质量属于轻度污染级别。此时的易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状，对人们健康产生一定的威胁，儿童老人及心脏病、呼吸系统疾病患者应减少长时间户外活动。此外，2015年和2016年春节均在一月，春节对中国人来说是一个特殊的节日，中国人有燃放烟花爆竹的习俗。近些年来，南京市区烟花爆竹的燃放经历了自由燃放、全面禁止、禁改限等多阶段。但不管在那一阶段，春节期间市民们燃放烟花爆竹的现象均明显高于其他时段。国内外的相关研究也表明^[10-13]，烟花爆竹的大量燃放对大气中SO_x、固体颗粒物和NO_x浓度增加有明显的的影响，使得短期内污染物浓度急剧上升，AQI急剧增加，空气质量急剧变差。

此外，2月、5月、8月、9月这四个月AQI虽然在良好级别，但也接近于100，分别为96、96、95、93。说明这四个月的空气质量整体状况并不乐观，部分时间也是处于轻度污染状态。8月份属于夏季，温度高，大气湍流运动强，且湿度大，多降水，大气环境有利于清除空气中的颗粒物。但AQI值却处于一个高值状态，通过分析8月份的主要污染物得知，8月份主要污染物为臭氧8小时。由于夏季大气中的氧含量增加，多发生雷电天气，且太阳辐射越来达到一年中最盛，导致紫外线能量最强，使得臭氧浓度相对其他季节增加，从而导致8月份的AQI较之前突然增加^[14]。7月、10月、11月三个月的月平均AQI在80以下，说明这三个月空气质量状况整体处于良好状态，有部分而且连续天数的空气质量达到优秀，这有利于人们进行户外活动。剩下3月、4月、6月则介于80到90中间，空气质量属于良好级别，此时，除少数对某些污染物异常敏感人群外可自由活动。通过月均AQI值变化情况来看，南京市近年来整体空气质量情况处于一个介于良好到轻度污染的状态，地区某些影响AQI的气象因子或者天气现象亦或者是某些社会因素出现后，空气质量会下降到污染状态，当这些影响因素消失或者影响较小时，空气质量又可以达到良好状态。一年中没有一个月月平均AQI值低于50，这说明南京市空气质量不算优秀，还需要一定措施来改善空气质量。

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