固始县气象要素与空气质量相关性分析

摘要：基于固始县主城区2023年逐日的气象要素和大气环境质量监测数据，对气象条件与空气污染指数（AQI）进行相关性研究，明确显著影响空气质量的气象要素。结果表明，空气质量与大部分气象要素之间存在着相关性。其中空气污染指数与降水、湿度的相关性尤为密切。以期本研究成果能为固始县大气污染防治行动提供技术支持。

关键词：空气污染指数；气象要素；相关性；有效降水

引言

随着工业化进程的加快和城市化进程的不断推进，空气污染问题日益成为社会各界广泛关注的焦点。固始县是河南省确定的五个加快发展的区域性中心城市和十个省直管体制改革试点县之一。空气质量问题较为突出。本研究旨在探讨固始县空气质量与当地气象要素之间的关联性，通过科学的方法分析不同气象条件下空气质量的变化规律，以期为空气污染防控工作提供有力的数据支撑和技术指导。

空气质量与大气污染物的浓度密切相关,受污染物排放强度与气象要素变化的综合影响[1-4]。由于大气污染物对人类社会具有重要的影响，因此常常受到政府、公众和科研工作者的关注。而大气污染的分析具有复杂性，使得污染事件的主要驱动因素是源排放，气象因素同样受到了广泛地讨论[5]。在污染源排放相对稳定的条件下，气象条件对空气质量变化起主导作用对空气中污染物的扩散、沉降以及转化过程具有显著影响。例如，在静稳天气条件下，污染物容易积聚形成雾霾现象；而在降水过程中，大气中的颗粒物可能会随雨水沉降到地面，从而改善空气质量。因此，深入理解气象要素与空气质量之间的相互作用机制，不仅有助于预测空气污染的发生和发展趋势，而且能够为制定有效的污染应对措施提供科学依据。

本研究通过对固始县2023年全年观测数据的统计分析，结合实际监测到的空气质量指数(AQI)数据，来评估气象要素对固始县空气质量的具体影响。研究结果将有助于政府部门和相关机构制定更加合理有效的环境保护政策，同时也能提高公众对空气质量的关注度，共同促进生态环境的可持续发展。

1. 资料说明

资料来源为2023年固始县空气质量资料和常规气象观测资料。空气质量资料来自信阳市生态环境局固始分局管辖的府前广场站点（32.17°N，115.65°E），该站位于县政府门前广场。该站使用AQI（Air Quality Index)代表空气质量指数，AQI采用的标准更为严格，发布频次也更高。考虑到资料的完整性，本研究分析2023年全年空气质量情况，且将AQI作为评价空气质量的唯一指标。根据AQI日平均值可将每日空气质量分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染6级(表1)。文中将重度污染和严重污染均归为空气重污染。气象观测资料来自固始县十三小气象观测站（32.17°N，115.63°E）,该站位于固始县第十三小学院内，直线距离约0.96km,资料包括日平均风速、日平均温度、日平均湿度、日累计降水量等常规观测项目。

表1 空气质量指数等级

2.2023年固始县城区空气质量年与季节分布特征

2023年固始县城区空气质量为优、良、轻度污染、中度污染、重污染的日数分别为101、223、29、4、8天,各占总日数的27.7%、61.1%、7.9%、1.1%、2.2%。可见，固始县总体空气质量特征以良为主，污染率（轻度污染及以上）已接近11.2%。

图1给出了2023年固始县四季各空气质量等级日数分布。分析发现，空气质量随季节变化明显，夏季(6一8月)空气质量为优的日数最多，共38天,冬季(12月一次年2月)空气污染日数最多，为21天，其中重度污染4天。综合来看，固始县城区夏季空气质量最好，秋季次之。冬、春季空气质量最差。夏季通常太阳辐射强，气温较高，大气对流活动旺盛，强对流天气多发，有利于污染物的稀释和扩散；而冬季，冷空气过境后本地由冷高压控制，往往大气层结稳定，易形成逆温层，对污染物的扩散较为不利，且随着冷高压变性减弱或移出，本地污染程度逐渐加剧。2023年轻度污染及以上的污染日均超过了年总日数的11.2%。固始作为中国天然氧吧县，2023年来空气质量已不容乐观。

图1  2023年固始县四季各空气质量等级日数分布

3 气象要素变化对空气污染的影响分析

本研究通过Pearson相关性分析，探讨了日平均气温、日平均相对湿度、日降水量、日平均风速与空气质量指数(AQI)之间的相关性。表2结果显示，AQI与气温、相对湿度、降水量、风速均呈负相关。较大的湿度、降水量和风速有助于改善空气质量，这可能与污染物的冲刷、沉降作用以及风速对污染物的扩散作用有关。然而，日平均气温与AQI之间的负相关关系较弱，其实际影响可能需进一步探究。

表2 各季节日均AQI与气象要素的相关系数

注：***、**、*分别代表1%、5%、10%的显著性水平，未标*代表相关性不明显

3.1 降水对空气质量的影响

降雨对空气质量的影响主要在于两个方面：一是云内的雨滴对污染物的吸附、吸收作用，二是云下的雨水对污染物的冲刷、洗脱等作用。众多研究表明，降雨与空气质量关系密切，雨水能够有效地吸收、淋洗空气中的各种污染物，使空气中的污染物得到自然净化，降雨过程一般会带来空气质量的好转。为充分了解降雨对空气质量的影响，本研究对降雨量、降雨历时以及有无降水与各空气污染物指数的相关关系进行了统计分析。

结合表2可知，近一年日平均AQI与日降水量呈负相关，相关系数为-0.22，四季的相关系数分别为-0.27、-0.34、-0.20、-0.21，均通过了信度为0.01的显著性检验。说明降水量越大，AQI指数越小的可能性很大，在夏季尤为明显。

通过对比在无降水、有降水、有有效降水（日累计降水量超过2毫米）时的空气质量等级，图2显示，空气质量为优或良时，无降水日205天、有降水日103天、有有效降水日64天。空气污染时，无降水日31天、有降水日10天、有有效降水日3天。无降水时空气污染概率为12.8%，有降水时为8.1%，有有效降水时为4.5%。由此可见，降雨过程可带来空气质量好转，降水对空气污染物冲刷沉降作用显著，故雨后一般空气质量较好。无雨日较雨日更易出现污染天气。因此，当降水量级增大时，空气质量的优良率显著增大，污染率则明显减小，足以证明降水对空气具有很好的净化作用。

图2 2023年固始县在有、无降水及有有效降水条件下的空气质量等级

3.2 风速与空气质量的关系

风速对污染物有扩散和稀释作用。一般风速越大，对污染物的扩散能力越强，污染物浓度越低；风速越小，污染物浓度越高，静风时污染最重。但另一方面，风速越大则烟气的抬升高度越低，反而会增加污染物的地面浓度，风速对空气质量的影响比较复杂。Banta等研究发现局地风速小于2.5m/s时高O3污染事件才会发生，局地风速大于5m/s时O3浓度均较低。

从相关性检验来看，AOI与日平均风速呈负相关,其中冬季(12-2月)相关性最好,相关系数为-0.33。秋冬季节风速对污染物影响较大，图3中给出了固始县2023年不同空气污染等级下的平均风速。空气质量为优、良、轻度、中度、重污染的平均风速的大小分别为1.17、1.11、1.07、0.80、0.74 m/s，空气污染越严重，平均风速越小。结果显示空气质量从风速越大对污染物的扩散稀释作用越显著。随着风速的增大,空气质量优良率显著增大,而污染率则明显减小。

图3 2023年固始县在有、无降水及有有效降水条件下的空气质量等级

3.3湿度与空气质量的关系

一些研究表明,一定的湿度条件更有利于大气污染物进行化学作用及吸湿增长,通过协同转化作用使一次排放的气态污染物向颗粒态的二次污染物转化,从而加剧空气污染。

图4分别给出了各空气质量等级的日平均相对湿度和不同相对湿度下各空气质量等级日数比例。分析可知,空气质量为优、良、轻度、中度、重污染日的日平均相对湿度分别为77.17%、61.75%、62.07%、69.50%、69.75%。当空气质量达到良以下时，湿度越高污染状况越差，但当空气质量为优时，湿度反而更大，湿度非常可能结合降水天气冲刷影响，污染程度反而较低。分析不同相对湿度下各空气质量级别的目数发现,相对湿度RH≤60%的日数共128天,各空气质量等级日数分别为13、96、16、1、2天,分别占总日数的10.3%、75%、12.5%、0.8%、1.5%；60%<RH≤70%的日数共86天,各空气质量等级日数分别为15、63、6、1、1天，分别占总日数的17.4%、73.2%、7.0%、1.2%、1.2%;70%<RH≤80%的日数共79天，各空气质量等级日数分别为23、49、3、1、3天，分别占总日数的 29.1%、62.0%、3.8%、1.3%、3.8%;RH>80%的日数共74天,各空气质量等级日数分别为50、17、4、1、2天,分别占总日数的67.6%、23.0%、5.4%、1.3%、2.7%。当空气达重污染时,日平均相对湿度为70%-80%的占37.5%。可见,相对较高的湿度有利于重污染的形成。

另外,结合表2可知,日平均A0I与日平均相对湿度呈负相关，相关系数为-0.23,但冬季相关性较差,未通过信度为0.01的显著性检验,无统计学意义。

图4 2023年固始县各空气质量等级的日平均相对湿度

4 总结与展望

文中利用2023年固始县空气质量数据与常规气象观测资料，统计分析了日平均AQI与各气象要素之间的关系,得到以下结论:

1.2023年固始县总体空气质量特征以良为主，污染率为11.2%，其中重污染日数共8天,夏季空气质量最好，冬季空气质量最差。

2.降雨与空气质量关系密切，近一年日平均AQI与日降水量呈负相关，相关系数为-0.22，。说明降水量越大，AQI指数越小的可能性很大，在夏季尤为明显。

通过对比在无降水、有降水、有有效降水（日累计降水量超过2毫米）时的空气质量等级，降雨过程可带来空气质量好转，降水对空气污染物冲刷沉降作用显著。无雨日较雨日更易出现污染天气。

3.风速对污染物的输送、扩散有重要影响。日平均AOI与日平均风速呈负相关,即风速越大,空气质量优良率越高,污染率越低。AOI与日平均风速呈负相关,其中冬季(12-2月)相关性最好,相关系数为-0.33。秋冬季节风速对污染物影响较大。空气质量为优、良、轻度、中度、重污染的平均风速的大小分别为1.17、1.11、1.07、0.80、0.74 m/s，空气污染越严重，平均风速越小。结果显示空气质量从风速越大对污染物的扩散稀释作用越显著。随着风速的增大,空气质量优良率显著增大,而污染率则明显减小。

4.湿度与空气质量关系则较为复杂当未形成降水时,相对较高的湿度有利于空气污染的产生。空气质量为优、良、轻度、中度、重污染日的日平均相对湿度分别为77.17%、61.75%、62.07%、69.50%、69.75%。当空气质量达到良以下时，湿度越高污染状况越差，但当空气质量为优时，湿度反而更大，湿度非常可能结合降水天气冲刷影响，污染程度反而较低。相对较高的湿度有利于重污染的形成。

另外,结合表2可知,日平均A0I与日平均相对湿度呈负相关，相关系数为-0.23。

参考文献：

[1]RUSSELL,ARMISTEAD, G, et al. Meteorological detrending of primary and secondary pollutant concentrations: Method application and evaluation using long-term (2000-2012) data in Atlanta [J].Atmospheric Environment, 2015,119, 201-210.

[2]SA E, TCHEPEL O, CARVALHO A, et al. Meteorological driven changes on air quality over Portugal: a KZ filter application [J]. Atmospheric Pollution Research, 2015, 6(6): 979-989.

[3]VENTER Z S, AUNAN K, CHOWDHURY S, et al. COVID-19 lockdowns cause global air pollution declines [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2020,117(32):18984-18990.

[4]WEHNER B, WIEDENSOHLER A. Long term measurements of submicrometer urban aerosols:statistical analysis for corelations with meteorological conditions and trace gases [J].Atmospheric Chemistry and Physics,2003,3: 867-879

[5]Rao ST, Zurbenko IG. Detecting and tracking changes in ozone   air quality [J]. Air & waste:journal of the Air& Waste ManagementAssociation, 1994,44(9):1089-1092.

作者简介：吴延康（1995.04），男，汉族，河南省信阳市潢川县人，本科，助理工程师，从事县级综合业务岗位预报测报。