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上海市空气质量与气象条件关系分析.pdf
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上海市空气质量与气象条件关系分析#
陈斌，禇金花，王式功，尚可政**
（兰州大学大气科学学院，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，兰州 730000）
摘要：对上海市 2001—2011 年的可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)的实
测数据和气象资料进行了归纳分析和研究，得出了上海市三种污染物年际和月变化特征，并
对这种变化规律进行了详细分析，同时分析了降水、风向和风速对污染物变化的影响，研究
表明近几年上海市空气质量得到了改善，空气污染主要出现在冬春季，夏秋季空气质量相对
较好。降水和大风能有效降低污染物浓度，降雪比降雨对污染物的清除能力更大，其中中雪
的清除能力最强，偏东风更有利于降低污染物浓度。
关键词：空气质量；降水；风向；风速
中图分类号：x82
The analysis of the relationship between air quality and
meteorological condition in Shanghai
CHEN Bin, CHU Jinhua, WANG Shigong, SHANG Kezheng
(College of Atmospheric Sciences of Lanzhou University, Key Laboratory of Arid Climate
Change and Disaster Reduction of Gansu Province, LanZhou 730000)
Abstract: The measured data of PM10, SO2, NO2 and meteorological data of Shanghai from 2001
to 2011 were summarized and analyzed. The annual and monthly changing characteristics of the
three pollutants in Shanghai were addressed at the same time. The influence of precipitation, wind
direction and wind speed on the PM10, SO2, and NO2 were discussed. The results showed that the
air quality of Shanghai City have been improved in recent years, air pollution occurred mainly in
the winter and spring, relatively, air quality is more better in summer and autumn. The
concentration of PM10, SO2, and NO2 were strongly affected by precipitation and wind, the
removal capacity of snowfall on PM10, SO2, and NO2 was better than rainfall, and the moderate
snow removal ability is the strongest, the concentration of PM10, SO2, and NO2 will decrease in
the the east wind conditions.
Keywords: Air quality; Precipitation; Wind direction; Wind speed
0 引言
随着城市化进程的加快和大型工业开发区的发展,环境污染物的排放量不断增加，污染
范围不断扩大，以可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)等为主要污染物的
大气环境污染问题日趋严重、并对城市居民的健康造成巨大危害[1-2]，上海市作为全国的特
大型城市的代表，随着城市的建设和发展，城市区域不断扩大，城市气象环境也发生了巨大
变化，不利的气象条件出现的概率增多，导致上海市空气质量日益恶化[3-5]。因此，在污染
源相对稳定的情况下，本文通过不同气象条件和天气过程与污染物浓度之间的关系，了解不
同气象要素对不同污染物的影响，本研究对于改善空气质量，保护环境，提高人们的生活水
平有着重要的指导意义。
1 资料与方法
本文的空气污染资料主要是利用国家环境保护部信息中心的《中国环境保护网》
基金项目：国家公益性行业（气象）专项（GYHY201106034）、国家自然科学基金项目(41075103)和国家
科技支撑计划项目(2009BAC53B02)共同资助。
作者简介：陈斌，（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：环境气象。
通信联系人：王式功，（1955-），男，教授，主要研究方向：环境气象。 E-mail: wangsg@lzu.edu.cn
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(http://www.zhb.gov.cn/)《中国重点城市空气质量日报》，由国家环境保护部汇总全国 46 个
大中城市根据国家《环境空气质量标准》中规定的几种常见污染物例行监测的结果，评价城
市的空气质量，并以空气污染指数的形式向公众发布，包括可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫
(SO2)和二氧化氮(NO2)。选择 2001 年 1 月--2011 年 12 月空气质量监测站逐日污染物（SO2、
NO2、PM10）日平均浓度资料进行分析。对应各年逐日气象资料为兰州大学大气科学学院实
时接收的资料。
45
本文采用统计分析方法对上海市的年际及逐月变化趋势进行了分析，然后分析了污染物
浓度与各气象要素的相关性以及各气象要素对污染物浓度变化的影响。
2 上海市空气污染年际变化特征
50
2.1 上海市空气污染年际变化特征
通过对 2001 年—2011 年的上海市空气污染数据的分析，可以看出 PM10 浓度年均值总
体趋势是下降的。2002、2004、2007、2011 年的 PM10 浓度的回升是由于 2002、2004、2007、
2011 年春季中国北方多次出现强沙尘天气过程南下入侵所造成的。上海市 SO2 和 NO2 的浓
度也呈现波动下降的趋势，上海市 SO2 和 NO2 浓度的反弹是受冬季不良气象条件和局地污
染源排放量加剧所致。
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2011
年份
图 1 2001—2011 年上海市 PM10 、SO2、NO2 浓度的年际变化状况
Fig.1 The annual variation of PM10, SO2, NO2 between 2001-2011 in Shanghai
2.2 上海市空气污染月分布特征
通过对比 2001—2011 年 11 年的 PM10 、SO2、NO2 月均值可以看出，PM10 、SO2、NO2
月均值的变化基本上是呈“冬春高―夏秋低”的分布。值得一提的是 PM10 浓度在 2 月份下降
后,3-4 月份又明显升高,这与兰州等北方城市的 PM10 浓度分布一致,说明春季沙尘天气的影
响延伸到了长江和沿海一带。
因为冬春季以来自大陆偏北风为最主，空气较为污浊且干燥，所以在此期间 PM10 浓度
值出现了峰值。此外，冬季采暖使城市燃煤量增加，同时上海市所用的燃煤质量较差，燃煤
中硫的含量较高，不能充分燃烧，导致大气中 SO2 浓度的升高。同时，由于冬季气候较为
寒冷，人们习惯于开车出行，道路拥挤程度增加，NO2 的排放量有所增加，冬季不利的气象
扩散条件加剧了上海市大气中 SO2 和 NO2 的污染，因此 SO2 和 NO2 的浓度峰值也出现在冬
季。
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PM10 、SO2、NO2 浓度的最低值均出现在夏秋季节，主要原因是（1）上海市夏季大部
分由低压系统控制，气象扩散条件良好，有利于污染物的扩散稀释；（2）上海市夏秋季充
沛的降水能够有效地稀释净化空气中的各种污染物，使污染物浓度大幅度降低。（3）局地
污染源随着采暖期的结束，排放量大大降低。
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月份
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图 2 上海市 PM10、SO2、NO2 浓度的月变化状况
Fig. 2 The monthly change status of PM10, SO2, NO2 in Shanghai
3 上海市空气污染与气象条件关系
3.1 降水与 PM10、SO2 和 NO2 的关系分析
根据上海市 11 年降水量实况资料，我们分析了降水量与不同污染物浓度之间的关系，
PM10、SO2 和 NO2 的浓度均随着降水量的增加而下降，降水量对不同污染物的影响是不同
的。如图 3 所示，PM10 的浓度随着降水量的增加下降幅最大，如未降水时 PM10 的浓度为
0.6mg/m3，当降水量的增加到 50mm 时，浓度下降到 0.05 mg/m3，SO2 和 NO2 浓度也表现出
类似的下降规律，但下降幅度与 PM10 相比较小。
因此，降水对不同污染物的冲洗清除效果是不同的，降水对可吸入颗粒物的清除作用较
强，而对气态污染物 SO2 和 NO2 的清除作用较弱。同时，污染物浓度与降水量之间呈非线
性关系，随着降水量的不断增加污染物浓度并没有等于零，而且降水对空气中污染物的清除
能力存在一个极限值，超过这个值，清除作用减弱，所以大气降水是污染物去除的一个主要
原因并非唯一原因。
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图 3 降水量与 PM10 (a)、SO2 (b)和 NO2 (c)的关系
Fig. 3 The relationship between precipitation and PM10 (a),SO2 (b),NO2 (c)
95
3.1.1 连续性和间断性降水与 PM10、SO2 和 NO2 浓度变化关系
根据 2008 年 8 月年和 2009 年 7 月—8 月上海市降水量实况数据分析了连续性降水与
100
PM10 、SO2 和 NO2 浓度变化的关系，由图 4 可以看出：
（1）当降水量达到最大值时，PM10 、SO2 和 NO2 浓度并没有降到最低值，比如 2008
年 8 月 6 日降水量达到 172.6mm，但是 PM10 、SO2 和 NO2 浓度并不是最小值。
（2）连续性降水对污染物的清除能力存在一个极限，超过该极限，PM10 、SO2 和 NO2
浓度会反弹[6]，比如 2009 年 7 月 30 日尽管降雨量达到了 60.2mm，PM10 、SO2 和 NO2 浓度
也大幅度降低，但随着降雨的继续，浓度并没有持续降低，相反而是升高，2008 年 8 月 6
日的降水情况也证明了这一点。
（3）连续性降雨期间空气质量明显一直处于优良状态。连续降雨的每一天, PM10 、SO2
和 NO2 浓度值均下降，期间 NO2 和 PM10 的变化幅度比 SO2 大。
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图 4 上海市降水与 PM10 、SO2、NO2 浓度的关系(a 为 2008 年 8 月，b 为 2009 年 7-8 月)
Fig.4 The relationship between precipitation and PM10, SO2, NO2 in Shanghai(a for August 2008, b for jul-aug
2009)
（4）连续性降水对 PM10 的清除率要大于 SO2 和 NO2，因为降水对空气中的 PM10 的冲
洗作用，另一方面是因为降水后地面湿润，灰尘不易飘散到空中[7]。
（5）连续性降水过程中，PM10 、SO2 和 NO2 浓度不会因为持续的降水而不断减小，而
是随着降水量从峰值不断减小污染物浓度逐渐升高，当降水量再次升高时浓度便再次下降，
比如 2008 年 8 月 6 日—10 日，2009 年 7 月 30 日—8 月 2 日。
（6）在间断性降水天气中，当降水一旦中止，PM10 、SO2 和 NO2 浓度会有一定程度的
升高，并会高于连续性降水期间的浓度值，比如图 4（b）中 2009 年 8 月 13 日降水停止，
污染物浓度迅速升高并高出连续降水期间的浓度值，当 14 日再次出现降雨天气时，浓度值
再次大幅下降。
3.1.2 不同形态的降水与 PM10、SO2 和 NO2 浓度变化关系
在参考中国气象局关于降水量划分标准的基础上，我们根据上海市的实际情况，对该标
准进行了修订使之更符合上海市的降水实况，修改后的降水等级划分标准列于下表，然后对
不同等级不同形态的降水形式进行比较。
表 1 不同等级降水的日降水量范围
Table 1 The range of different levels of daily precipitation
等级
小雨
中雨
大雨
降雨量范围（mm）
<10.0
10.0—25.0
25—50
等级
小雪
中雪
大雪
降雪量范围（mm）
<2.5
2.5—5.0
>5
设某降水日大气污染物浓度的日均值为 Ct，其前一日的日均值为 Ct-1,则：△C=―(Ct―
Ct-1)╱Ct-1×100%，△C 表示该降水清除率，它能够反映降水对大气污染物的湿清除能力。
对同一等级所有降水日的△C，求平均就可反映出该等级降水对大气污染物的湿清除能力[8]。
将资料中降水前 1 天和当天 3 种污染物的浓度值进行降水清除率统计计算，得出以下结果：
Table 2 The clearance rate of different levels for the different forms of precipitation to PM10, SO2 and NO2
表 2 不同等级的不同形态的降水对 PM10、SO2、NO2 的清除率
PM10
SO2
NO2
小雨
0.24
0.30
0.13
小雪
0.35
0.31
0.21
中雪
0.51
0.47
0.32
大雨
0.37
0.44
0.23
大雪
0.41
0.42
0.22
中雨
0.34
0.32
0.21
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从表 2 中看出，降雨对 PM10 、SO2 和 NO2 均有清除作用[9]，但清除能力不同。小雨和
大雨对 SO2 的清除能力明显大于对 PM10 和 NO2 的清除。不同等级降水对 3 种污染物的清除
能力大小排序为大雨>中雨>小雨。
降雪对 3 种污染物也有不同程度的清除作用，小雪对 PM10 的清除效果较好，对 SO2 和
NO2 的清除效果较差[10-12]。中雪对 SO2 和 PM10 的清除作用相当，达到 47%～51%。大雪对
SO2 和 PM10 的清除效率基本相当，明显高于 NO2。所以，降雪对 3 种污染物的湿清除能力
大小排序为中雪>大雪>小雪。
对同一污染物在降雪和降雨时的清除率进行比较，发现固态形式的降水要比液态形式的
降水清除率高[13]，这主要是因为在固态降水时，降水的凝结核表面积较大，凝结核的下降
速度较慢，可以吸附更多的污染物，因此去除效率较高，而液态降水的凝结核(雨滴)表面积
较小，下降速度较快，对污染物的吸附能力较弱，因而去除效率较弱。
3.2 风与 PM10、SO2 和 NO2 的关系分析
3.2.1 风速与 PM10、SO2 和 NO2 浓度变化关系
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图 5 风速与 PM10 (a)、SO2 (b)和 NO2 (c)的关系
Fig. 5 The relationship between wind speed and PM10 (a),SO2 (b),NO2 (c)
根据上海市 11 年风速资料，我们分析了风速与不同污染物浓度之间的关系，PM10、SO2
和 NO2 的浓度均随着风速的增加而下降[14]，风速对不同污染物的影响是不同的。风速与
PM10、SO2 和 NO2 的相关系数分别为-0.29、-0.30 和-0.46，均通过了显著性因子 α=0.1 的检
验，说明风速对空气质量的改善有显著的正相关效应。风速大，大气对污染物扩散稀释能力
就强，空气质量就好，相反，风速小，大气水平输送及扩散能力也差，容易造成污染物的堆
积，空气质量就差[15-18]。
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风
图 6 风速与 PM10、SO2 和 NO2 的季节关系（a 为春季，b 为冬季）
Fig. 6 The seasonal relationship between wind speed and PM10, SO2, NO2 (a for spring, b for winter)
不同季节风速与不同污染物的关系是不同的。如图 6 所示，在冬季 PM10、SO2 和 NO2
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浓度较高，除了局地排放源的影响之外，静风、低风速等不利气象条件亦对污染物浓度的升
高有一定的贡献。春季，由于沙尘天气的影响，在大风条件的影响下，PM10 的浓度是上升
的，SO2 和 NO2 浓度是下降的。
3.2.2 风向与 PM10、SO2 和 NO2 浓度变化关系
175
下图是空气污染指数 API<50 即空气质量达到国家一级标准时的风向图，从图 7 可以看
出，在空气质量为优时的主导风向为东风和东南风，分别为 29.5%和 23.3%，其主要原因是
当地面主导风向偏东或东南时，东南风会将海上的洁净空气带到本地，对本地污染物起到稀
释的作用，因此比较不利于出现污染天气[19-22]。
W
NW
SW
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
N
S
NE
SE
E
图 7 空气质量为优时的风向图
Fig.7 The wind rose in excellent air quality
180
185
190
如图 8，选择 2009 年 10 月无雨天气条件下风向对污染物浓度的影响，本月最大风速不
超过 3.5m/s，这样就排除了降水对浓度的影响，那么我们对风向和污染物浓度进行分析，风
向和污染物 PM10、SO2 和 NO2 浓度的相关系数为 0.35、0.58 和 0.52，分别通过了 α=0.1、α=0.01
和的检验，所以风向影响比较明显，由图可以看出，如果排除风速的影响让风速保持在同一
个水平上时，当风向为东北、东、东南时，污染物浓度比较低，其中有两个波动比较大的峰
值，原因是当时的风速达到了极小值 1.75m/s，并且受市区建筑物影响，污染物不易扩散，
浓度升高。当风向成偏西风时，污染物浓度值达到了本月最大值，可见，在无雨条件下，偏
西风有利于污染物浓度的升高，偏东风不利于形成污染天气。
3
）
m
/
g
m
（
度
浓
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
降水量
PM10
SO2
NO2
NE NE NE NE E E E E E E SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE SW W
风向
4
3
2
1
0
）
s
/
m
（
速
风
图 8 2009 年 10 月上海市风向与 PM10、SO2 和 NO2 的关系
Fig. 8 The relationship between wind direction and PM10, SO2 , NO2 in October 2009 of Shanghai
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