娄底环境空气质量与气象条件的关系

摘要：为了解中小城市环境空气质量与气象条件之间的关系，利用娄底市城区—年的可吸入颗粒物（PM10）浓度数据和气象资料，通过分级评价的方法和基于BP神经络的污染物浓度评估模型，得到PM10浓度与气象条件有对应关系。结果表明：随着日降水量的增大，PM10浓度明显减少；风速与PM10浓度呈负相干；气象因素与PM10浓度之间呈非线性关系，大气能见度对PM10和相对湿度的变化极其敏感，随着PM10浓度的增大，大气能见度迅速下降，相对湿度越高，大气能见度则越低。

0引言

年，娄底市区环境空气质量到达优、良以上天数共d，优秀率为91.0％，可吸入颗粒物（PM10）浓度为，接近《环境空气质量标准》（GB－）一级标准，中心城区PH年均值为5.15，酸雨率为48.1%，酸雨频率比上年下落1.3个百分点。近几年来，娄底市全面推动创建全国文明城市、全国卫生城市、全国园林城市，加大环境污染整治力度，全面实行城市卫生综合整治，强化环境管理。在娄底城区范围内严格控制了对大气有污染的建设项目，对新上的建设项目，严格执行环境影响评价制度和“3同时”制度；加强了城区渣土运输管理和施工现场扬尘的管理；强化了机动车尾气检测和治理力度，使得娄底市城区环境空气质量有很大的提高，《年娄底市环境质量报告书》显示，娄底市城区环境空气质量到达国家一级标准天数为天，二级标准天数天，全年优秀率到达了91.0%。但是，城区大气主要污染物仍为可吸入颗粒物和SO2、CO2等。由于我市城区还是以燃煤型为主的能源结构，“气化率”不高，加上部份单位和餐饮企业依然使用燃煤锅炉；同时，随着城市的发展，建筑施工和渣土运输也带来扬尘污染，如果气象条件不太好，不利于大气污染物的散布和清洗，很容易造成PM10浓度增加。笔者针对大气污染中主要污染因子PM10，与气象条件之间的关系，分析了影响娄底城市环境空气质量的气象因素。

1娄底市自然地理概况

娄底地处湘中腹地，东径。45′40〞至。31′05〞，北纬27。12′31〞至28。14′27〞。地势西高东低，呈阶梯状倾斜。娄底属于亚热带季风湿润气候，四季分明，热量丰富，雨量充分。多年平均温度17.4℃，年降水量.5mm，年平均降水天数d，雨天春季多冬季少。娄底～年主要气象因素平均值见表1。

表1娄底市-年主要气象要素平均值

气象要素

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

全年

气压/hPa

平均气温℃

5.2

7.0

10.5

17.1

22.2

25.6

28.8

28.2

24.0

18.6

13.1

8.0

17.4

平均风速m/s

1.6

1.7

1.8

1.7

2.0

1.8

1.6

1.5

1.7

降水量mm

72.6

88.8

64.1

94.0

59.8

35.9

降水天数d

日照时数h

68.1

54.2

63.5

99.7

2PM10浓度与气象条件的关系

2.1降水对PM10浓度的影响

降水对城市空气中污染物状态的变化起侧重要的作用，一般情况下，降水对污染物的清除作用可以下降城市大气中污染物的浓度。当天气出现降水时，污染物浓度明显下降，随着日降水量的不同，其影响程度亦不一致。

采取分级评价的方法分析不同日降水量与PM10浓度之间的关系，结果见图1。由图1可见，日降水量越大，PM10浓度越小，日降水量大于10.0mm时，PM10日均质量浓度小于80μg/m3；日降水量大于15.0mm时，PM10日均质量浓度仅为71μg/m3。无降水时，PM10日均质量浓度高达μg/m3，超过GB-二级标准（0.15mg/m3）。

图1不同日降水量下的PM10日均质量浓度

2.2风对PM10浓度的影响

2.2.1风的散布特点

对娄底市环境空气质量影响明显的工业污染源主要集中在城北，由于娄底冬季以偏北风为主，冬季空气质量下落明显。对娄底市近三年（－年）的风向频率统计得出，娄底全年最多风向为东南偏南风（13.1%），然后是北风（10.2%）和西北偏北风（10.2%）。娄底风向日变化也较为明显，下午至上半夜风向以偏南风和偏东风为主，下半夜至上午偏东风明显减少，偏北风明显增多，主导风向为西北偏北风。风速白天明显大于夜晚，15时左右平均风速最大。

风随高度的变化明显，地面风速较小，平均不到2m/s，随高度的升高，风速迅速增加，至m高度，平均风速增至6m/s左右，而m高度以上风速则变化缓慢。

2.2.2风速的影响

风速是决定大气散布稀释能力的重要因子，污染物浓度高低与风速的大小密切相干。图2为不同风速下的PM10日均质量浓度。全样本统计时，风速与PM10日均质量浓度呈明显的负相干，随着风速的增大，PM10浓度明显减少。当风速≤1.0m/s时，PM10日均质量浓度高达μg/m3；当风速＞3.0m/s时，PM10日均质量浓度低于96μg/m3。

斟酌降水对大气的清洗作用，将无降水日的PM10与风速进行了相干分析（无降水样本统计）。结果表明，风速与PM10浓度的负相关性更加明显。无降水时，当风速≤1.0m/s时，PM10日均质量浓度高达μg/m3；当风速＞3.0m/s时，PM10日均质量浓度低于μg/m3。

图2不同风速下的PM10日均质量浓度

2.3相对湿度对PM10浓度的影响

分析表明，PM10浓度与相对湿度呈明显的负相干，相对湿度越大，PM10浓度越小。当相对湿度小于60%时，PM10日均质量浓度高达μg/m3；当相对湿度大于90%时，PM10日均质量浓度仅为96μg/m3。

3PM10与大气能见度的关系

大气污染物对气候变化也有重要的影响，主要通过两种方式影响气候：（1）通过散射和吸收太阳辐射直接影响气候；（2）以云凝结核的情势改变云的光学特性和云的散布而间接影响气候。空气质量恶化与能见度下降有一定的对应关系，但不是简单的逐一对应关系[1]。城市大气能见度除受大气污染的影响外，还与湿度、风速、风向等气象条件及雾、降水、浮尘等天气有密切关系，大气能见度高低是大中小尺度天气和大气环境共同作用的结果[2]。

3.1大气能见度变化趋势

近年来，随着大气污染的加重，城市大气能见度日趋下落。图3为新化、娄底、泠水江年以来历年平均大气能见度变化趋势。

图3娄底市—年大气能见度变化趋势图

由图3可见，随着时间的推移，各地大气能见度都有不同程度的下降。娄底市年平均大气能见度为19.1km，年平均大气能见度下降到12.8km。

3.2PM10对大气能见度的影响分析

为了进一步分析城市中大气能见度与PM10浓度的相干关系，对娄底市PM10的实测值与逐日最大大气能见度进行了比较分析，结果见图4。全样本统计时，大气能见度与PM10浓度呈负相干，PM10浓度越大，大气能见度越低。

图4PM10浓度下的日最大大气能见度

考虑到降水对大气能见度的影响，将无降水时的大气能见度与PM10浓度进行了统计分析（无降水样本统计）。结果表明，PM10浓度对大气能见度的影响在无降水情况下更加明显。当PM10日均质量浓度μg/m3时，日最大大气能见度仅为5.1km；当PM10日均质量浓度≤50μg/m3时，日最大大气能见度则高达24.0km。

3.3BP神经络评估模型分析

BP神经络是目前运用最多的一种神经络分析法，它具有实现任何复杂非线性映照的功能，它特别适合于求解内部机制复杂的问题，并具有自学习能力和概括能力。采取基于BP神经络的污染物浓度评估模型，选择模型输入因子为PM10浓度、风速、气压、平均温度、温差、相对湿度和混合层高度，模型输出因子为大气能见度。

用逐步回归分析方法对大气能见度与输入因子进行统计分析。结果表明，除温差外，其余各输入因子均对大气能见度的变化有显著影响，其影响程度从高到低顺次为PM10浓度、相对湿度、平均温度、风速、气压、混合层高度，其中PM10浓度及相对湿度的影响远高于其他输入因子，该分析结果与其他城市相类似[3]。

表2为利用BP神经络评估大气能见度的统计结果。训练样本的模型拟合相关系数高达0.，评估样本的模型拟合相关系数亦达0.。因此，用上述输入因子拟合大气能见度有较好的效果。

表2BP神经络评估大气能见度的统计结果

样本类型

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斜率