文摘

本文每小时观测的降水,风,PM2.5和PM10浓度在秦皇岛从2016年到2018年被用来研究降水和风的影响对PM2.5和PM10浓度。结果表明,降水有一定的PM2.5和PM10,湿的清除作用和清除对可吸入颗粒物的影响大于对PM2.5。降水量高于中等降雨集中从5月到9月,和小雨在冬季增加污染物的浓度。PM2.5降水前后的变化相关的初始浓度PM2.5在降水、降水强度和降水持续时间。降水对可吸入颗粒物的清除效果密切相关的初始浓度沉淀之前PM10。PM10的初始浓度越高,去除降水量越大。中度以上污染天气主要发生在东北、西南,和西风气象条件;西风风越多,越多污染;北风和西北风对PM2.5的影响最明显的清除和Pm10;当风速增加到2米/秒,PM2.5和PM10的浓度可以减少; when the wind speed is more than 4 m/s, the concentration of PM10 increases under the south wind, southeast wind, east wind, and northeast wind.

1。介绍

工业化的快速发展,社会经济和机动车辆的不断增加,城市空气污染的问题越来越严重,已成为制约城市生态文明建设的一个重要因素(1,2]。其中,大气颗粒物是主要的污染物造成的环境问题。大气颗粒物主要包括颗粒物PM2.5(颗粒物与空气动力学直径小于或等于2.5μm)和PM10(颗粒物空气动力学直径小于或等于10μ米),过度集中的颗粒物已成为一个突出的问题在中国许多城市的空气质量3- - - - - -7]。它会降低大气的能见度,对人体造成伤害,并可能导致心肺功能障碍相关疾病(8,9]。因此,PM2.5和PM10的管理研究近年来已成为一个热点话题。此外,发现明显影响云的形成和降水通过aerosol-radiation互动或气溶胶云交互(10- - - - - -14),尽管净效应仍高度讨论(15- - - - - -17]。大气颗粒物浓度的主要影响因素包括排放源和气象因素(18- - - - - -24]。污染来源是相对稳定时,气象条件对颗粒浓度的影响起主导作用(25,26]。他们两人影响湿清除过程和干燥颗粒物的去除过程,分别,这是一个重要的过程保持平衡大气中的悬浮颗粒物源与汇和大气的自净。降水和风的去除能力是一个重要的指标的改善空气质量污染气象条件。

许多学者研究了PM2.5和PM10浓度和降水之间的关系在不同地区,发现降水对气溶胶颗粒的去除效果与降水强度有关,雨滴直径,气溶胶粒子大小。大颗粒的清除效率与雨滴直径的变化显著的改变,而小颗粒的去除系数影响较小的雨滴直径(27]。其他学者认为,降水的影响在潮湿的PM10和PM2.5是增强与总降水量的增加,平均降雨强度、降雨持续时间(28,29日]。也许多学者探讨降水云间隙的作用从大气的角度观察(30.- - - - - -32),相信对气溶胶与降水有不同的清除影响不同粒径的粒子,和湿清除沉淀对中型气溶胶的影响并不理想,但它具有明显的沉降影响气溶胶大尺寸和小尺寸气溶胶(33- - - - - -36]。可以看出,污染物的去除机理,通过降水是高度不确定的。

风也有一个重要的影响空气污染的程度。许多学者分析了风的去除能力在中国不同的城市。受到地形、地理位置和气候条件,主导风向影响粒子浓度变化很大在不同地区(37,38]。最近的研究(39]表明,风切变似乎更重要,如果不一样,比风速调节地面PM2.5浓度。秦皇岛位于东部的京津冀地区。这是低碳试点城市之一,全国十大城市生态文明在中国。空气污染不仅是由当地积累,但也主要是受到外部交通的影响。先前的研究缺乏分析和研究一系列观测数据在秦皇岛地区,和颗粒物浓度的监测结果表明,有沉淀后经常在颗粒物浓度降低。因此,有必要进行分类和分析降水和风的实际结算法律因素,通常发生在秦皇岛的天气过程,给定量指标。不利的天气条件下扩散,污染物浓度更需要的精细服务,这有利于勘探的关键气象条件预报指标。它提供了一个参考依据为进一步改善空气污染预报,预警和预防。

2。数据和方法

2.1。地面气象观测

降水数据,风向,风速每小时摘要来自在中国秦皇岛气象观测站的数据。研究周期是从2016年1月至2018年12月。所涉及的每小时降雨强度研究总降水的降水过程除以降水的持续时间。根据气象部门的分类标准,降水等级分为小雨、中雨、大雨、暴雨,暴雨倾盆,非凡的暴雨。过相应的降雨(mm) 24小时是0.1 - -9.9,10 - 24.9,25 - 49.9,50 - 99.9 100 - 249.9,大于或等于250。

2.2。环境气象信息

本文利用PM2.5和PM10浓度观测数据从2016年1月至2018年12月在1小时的时间分辨率和数据来源于环境气象数据的中国河北省气象信息共享平台。秦皇岛城市PM2.5和PM10浓度检测网站有城市监测站,北戴河环保局站,途欢站,建筑物的施工车站,雯李站,区政府山海关站,和北戴河地区委员会的干部局站,共有7城市监测站。

根据国家环境保护标准的中华人民共和国hj633 - 2012,空气质量分为优秀、良好、光污染,中度污染,严重污染,严重的污染,和图表,对应于空气中可吸入颗粒物PM10质量浓度(μg / m3),分别0-50,51 - 150,151 - 250,251 - 350,351 - 420,421 - 600年,> 600。PM2.5质量浓度(μg / m3)在空中0-35,36 - 75,76 - 115,116 - 150,151 - 250,251 - 500年,> 500。

3所示。结果和讨论

3.1。月降水的分布特征,在秦皇岛PM2.5质量浓度和PM10

为了研究之间的对应关系月降水和平均PM2.5和在中国秦皇岛城市PM10(图1)、月降水的分布特征和PM2.5和PM10(图的平均质量浓度2)从2016年1月至2018年12月在秦皇岛和降水的分布不同数量级的日子在每月进行统计分析(图3)。由于秦皇岛的地理位置,冬季较长;据当地春、夏、秋季,冬季统计,秦皇岛分为四季的春天从4月到5月,夏季从六月到八月,秋天从9月1日到11月14日,冬天从11月15日到次年3月。


图1
秦皇岛城市的位置。

图2
月降雨,PM2.5和PM10浓度在秦皇岛从2016年到2018年。

图3
直方图的总平均每月雨天在秦皇岛2016 - 2018年期间通过降水密度:光(白色空心柱),中等(蓝色列),大雨(黄色列),暴雨橙色(列),和重型暴雨(黑列)。

秦皇岛城市的三年平均降水量641.7毫米;根据秦皇岛城市气候公报,秦皇岛的年平均降水范围从1981年到2010年是452 - 753毫米,年平均降雨量在秦皇岛城市2016 - 2018是正常的。秦皇岛城市的降水有明显的月度变化特征;降水主要集中在6月、7月和8月,7月和8月包括年降水量超过200毫米,而沉淀在其他个月小于50毫米;特别是从11月到次年4月,月降水量低于10毫米。

质量PM2.5和PM10的浓度有明显季节性分布特征、浓度最低的夏天,在冬季最高,其次是春天和秋天。有一个与降水显著负相关。降水越高,PM2.5 PM10的浓度越低,这表明降水湿清除影响PM2.5和PM10。

不同数量级的降水天在秦皇岛(图的每个月3)也有明显的月变化特征,相对降水天5月至10月,减少降水天从11月到明年4月。降水天数的变化并不显著的降水月的数量。由于大雨和降水量级以上大雨从6月到8月,月降水显著增加。月度降水最多的天的小雨,小雨天的百分比在50%和100%之间,和降水从11月到次年4月都是小雨的大小。从上一部分的分析我们可以知道,从10月到次年3月,PM2.5质量浓度和PM10已开始大幅上升;3月和12月两个峰值点的浓度。相应的降水在3月和12月很小,和降水天数也非常小。从降水的角度来看,它可能与降水的减少天,降水量、降水强度。

3.2。不同震级的降水对污染物浓度的影响

为了进一步研究降水的影响不同震级的PM2.5和PM10、PM2.5质量浓度的分布特征和PM10对应不同的降水量在每个月统计研究(图4)。季节性的,PM2.5浓度的冬天在期间丝毫不见阴雨的日子里是最高的,第二个在秋季和春季,夏季最低;PM10浓度分布是在春季最高,其次是冬季和夏季最低。除了降水的影响,9月寒冷的空气开始频繁移动,风的增加,导致一个更清洁的大气,和之后的气氛越来越稳定,10月,靠近地面的温度主要是倒;气象条件不利于污染物的垂直扩散和其他因素导致PM2.5浓度的增加。然而,PM10的浓度仍然是4月和5月高,主要是由于越来越多的冷空气活动频繁在春天风相对较高;一些浮尘会增加PM10的浓度。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
每月平均PM2.5。(一)PM10。(b)质量浓度不同降水强度从2016年到2018年在秦皇岛:nonrainy(白色空心柱),小雨(蓝色列),中雨(绿色列),大雨(黄色列),暴雨橙色(列),和重型暴雨(黑列)。

从结果,PM2.5浓度高和10比2月小雨天期间丝毫不见阴雨的日子。PM2.5浓度的光雨天在其他个月低于在期间丝毫不见阴雨的日子。PM10的浓度在小雨天2月和12月高于在期间丝毫不见阴雨的日子里,虽然下雨天PM10的浓度低于在其他个月期间丝毫不见阴雨的日子。在秦皇岛,温和多雨或以上集中从5月到9月,和PM2.5浓度中雨天从6月到7月和9月,大雨天高于5月和9月期间丝毫不见阴雨的日子里。因此,小雨在春天和夏天对PM2.5具有明显的清除作用,小雨在深秋和冬季将增加PM2.5的浓度。小雨在春天,夏天,秋天PM10具有明显的清除作用。从上面的统计结果,可以看出,小雨在冬天会增加污染物的浓度,和降水对PM10浓度间隙效应大于PM2.5。

为了进一步研究不同的降水对PM2.5的影响和PM10、PM2.5的比率和PM10浓度在期间丝毫不见阴雨的日子里,下雨的日子(图分析5)。从上面的分析,可以看出,降水对PM10浓度的下降更明显,从统计图4可以看出,PM2.5和PM10浓度的比值在雨天每个月高于在期间丝毫不见阴雨的日子。PM2.5和PM10的平均比例在雨天和期间丝毫不见阴雨的日子是62%和54%,分别和雨天的比例增加了8%,这意味着降水有很强的去除污染物的动态直径2.5微米至10微米之间,这是符合于彩霞的研究的结论。


图5
PM2.5质量浓度/ PM10雨天,在合肥nonrainy天。
3.3。降水的影响,不同初始污染物浓度PM2.5和PM10

为了进一步研究降水对污染物的影响,125年的降水过程降水持续时间超过2小时在2016 - 2018年计算,和PM2.5质量浓度(图6)和PM10(图7降水测量之前和之后),不同初始污染物浓度在不同降雨强度。在图中,蓝色的散射点表示PM2.5和PM10浓度的减少,而红色散点显示PM2.5和PM10的增加。根据5散点图的分布特征5,我们分裂的PM2.5在60岁的初始浓度μg / m35毫米的降水强度/ h为三个区域范围进行分析。


图6
PM2.5质量浓度之间的关系和降水强度和初始质量浓度。

图7
PM10质量浓度之间的关系和降水强度和初始质量浓度。

从图可以看出5,我们有以下。范围1:当最初的PM2.5质量浓度超过60μg / m3和降水强度小于5毫米/小时,对PM2.5降水有明显的影响,表明当空气质量相对较差,降水将明显影响污染物。范围2:当最初的PM2.5质量浓度小于60μg / m3和降水强度小于5毫米/小时,有64例。在25例,PM2.5浓度的增加,占39.1%。范围3:当最初的PM2.5质量浓度小于60μg / m3和降水强度超过5毫米/小时,这个范围内的降水强度高。PM2.5的初始浓度越高,删除PM2.5的数量就越大。

在范围2中,降水强度小于5毫米/ h和PM2.5初始浓度小于60μg / m3雨后,PM2.5浓度增加或减少;为了进一步解释降水对PM2.5浓度的影响在这个条件下,降水强度分为小于1毫米/小时和1 - 5毫米/小时,降水前的PM2.5浓度小于35μg / m3和35-60μg / m3,降水持续时间进一步分析(图8)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
PM2.5质量浓度之间的关系变化和降雨持续时间。

当降雨强度小于1毫米/小时,PM2.5浓度增加初始浓度和降水持续时间在两个范围,表明当降雨强度小于1毫米/小时,PM2.5初始浓度小于60μg / m3降水对PM2.5的影响是高度不确定的。这应该是由于弱降水;降水污染的冲洗效果不明显,但对于空气气溶胶提供湿度条件,有利于气溶胶吸湿增长,从而增加PM2.5的浓度。当降雨强度介于1和5毫米/小时,PM2.5的初始浓度小于35μg / m3,pm2.5浓度主要是减少降水后,和一些浓度增加或保持不变;当降雨强度介于1和5毫米/小时,PM2.5的初始浓度大于35μg / m3,降水持续超过3个小时;沉淀后的PM2.5浓度显著降低。这表明在秦皇岛PM2.5浓度小于35μg / m3(即。,the air quality is excellent), the precipitation intensity is less than 5 mm/h, the PM2.5 concentration is less than 60 μg / m3,降水强度小于1毫米/小时,和PM2.5浓度往往增加雨后。

根据散点图的分布特征7,我们把100年PM10的初始浓度μg / m3和降水强度(5毫米/小时)为三个范围进行分析。从图可以看出7,我们有以下。范围1:当最初的PM10质量浓度超过100人μg / m3和降水强度小于5毫米/小时,PM10降水具有明显的清除作用,表明当空气质量相对较差,降水将污染物有明显的清除作用。范围2:当最初的PM10质量浓度小于100μg / m3和降水强度小于5毫米/小时,总共有96例。其中,PM10浓度增加后沉淀在38例,占39.6%。这表明当PM10的初始浓度很低,也就是说,在好天气,弱降水(小于2毫米/小时)有时会增加PM10的浓度。范围3:当最初的PM10质量浓度小于100μg / m3和降水强度大于5毫米/小时,这个范围内的降水强度高。最初的PM10浓度越高,间隙越大降水量PM10。

上述结果表明,降水对可吸入颗粒物的清除效果与PM10的初始浓度有很大的关系。为了进一步研究两者之间的关系(图7),最初的PM10的浓度分为四个范围:0-50μg / m3,50 - 100μg / m3,100 - 150μg / m3,150 - 500μg / m3之间的关系,研究降水和平均减少PM10浓度(图9)。当最初的PM10的浓度在50到100之间μg / m3沉淀后,PM10的浓度降低了13.6μg / m3平均。当初始浓度在100和150之间μg / m3PM10的浓度后,降雨将减少59.2μg / m3平均。当初始浓度在150 - 500之间μg / m3PM10的浓度后,降雨将减少98.0μg / m3平均。当初始浓度低于50μg / m3沉淀后,PM10的浓度将增加6.3μg / m3平均。这表明PM10的初始浓度越高,降水对可吸入颗粒物的清除效果越明显。当最初的PM10的浓度小于50μg / m3(空气质量很好),降水的清除效果与不同的强度和时间长度可吸入颗粒物还很不确定。


图9
降水的清除效果之间的关系对PM10和PM10的初始浓度。

为了进一步研究降水的清除效果可吸入颗粒物PM10的初始浓度较低,在100年μg / m3边界,PM10浓度的变化之间的关系和降水雨之前和之后的持续时间分析了不同降雨强度和初始浓度降低(图10)。当初始浓度小于100μg / m3,PM10浓度的降水与不同降雨强度和持续时间的增加在一定程度上,和浓度将反弹最当降雨强度小于1毫米/小时。当PM10的初始浓度高于100μg / m3,降水具有不同降雨强度和时间长度会减少PM10的浓度不同程度,和PM10的初始浓度越高,降水间隙越大。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
可吸入颗粒物浓度的变化之间的关系和降水的持续时间。
3.4。污染物分布和风向和风速之间的关系

为了研究污染物分布和风向和风速之间的关系,本文将风向分为8个方向,分别北风N(337.5°-22.5°),东北风NE(22.5°-67.5°),东风E(67.5°-112.5°),东南风SE(112.5°-157.5°),南风年代(157.5°-202.5°),西南风力SW(202.5°-247.5°),西风W(247.5°-292.5°),和西北风NW(292.5°-337.5°),和一个固定的速度风力小于0.4 m / S。每个季节的主要风向在秦皇岛是不一样的,所以风向和风速的概率分布在四季和污染物的分布,分别计算。

3.4.1。风向和风速分布和污染物和风向和风速之间的关系在春天秦皇岛

根据风向和风速概率分布的统计结果在秦皇岛弹簧(4)从2016年到2019年,我们可以看到(图11),在春天的主导风向是东南风(28.3%)、东风(19.26%),和东北风力(13.66%)。从图可以看出10(b)、污染天气在春天有两个峰值的风向,45°~ 125°和180°- 270°。也就是说,在春天天气污染主要发生在东北风能和东风和东南风和西风,和污染天气主要出现在以下时间微风力3风(风速小于或等于5.4 m / s);中度以上污染是罕见的,当风速大于3级。在春天,没有多少天有严重污染由于PM2.5浓度,和严重的污染主要发生的气象条件下,东南风或西风。在春天PM10浓度不高,污染的天气基本上是轻度污染和下面(图未显示)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
在秦皇岛风玫瑰图。(一)PM2.5的关系,(b)质量浓度和风速和风向在春天。
3.4.2。风的方向和速度分布和污染物之间的关系和秦皇岛在夏季风的方向和速度

根据风速的概率分布的统计结果在夏季(6)秦皇岛地区(图12),夏季主导风向是一样的,在春天,这是东南风(24.92%)、东风(16.79%),和东北风力(14.39%)。从图12 (b)可以看出,在夏天,天气中等及以上污染是越来越没有污染严重的天气。在夏天,天气污染主要发生在东北,东南风,和西南西风天气条件;最是西风的西南部天气状况,污染天气也主要发生在以下时期微风三级风(风速小于或等于5.4 m / s)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
在秦皇岛风玫瑰图。(a) PM2.5的关系,(b)质量浓度,在夏季风速和风向。
3.4.3。风的方向和速度分布和污染物和秦皇岛的风向和风速之间的关系在秋天

根据风速概率分布的统计结果秋季(9月11月1日14)(图(13日)),在秋天的主导风向是东南风(24.29%),西风(23.62%),和东北风力(16.65%)。图13 (b)表明,在秋天天气污染主要集中在200°-315°的范围;,秋天的天气污染主要发生在西南和西部风之间,和污染天气主要出现在的时期风速小于或等于4米/秒;当风速超过4 m / s,中度以上污染天气很少发生。PM2.5浓度的重污染天气在秋天比春天和夏天,主要在西南或西风气象条件。PM10浓度不高在秋天,天气是光污染或污染,这里没有污染和PM10浓度高于中等水平(图未显示)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图13
在秦皇岛风玫瑰图。(一)PM2.5的关系,(b)质量浓度和风速和风向在秋天。
3.4.4。风的方向和速度分布和污染物之间的关系和秦皇岛在冬季风的方向和速度

风速概率分布的统计结果在冬季(11月15日到第二年的3月)在图所示(14日)。可以看出,冬天是四季中污染最严重的季节。冬天是西方的主要风向(21.56%)、西南(19.48%),和东风(17.29%)。图14 (b)显示,53%的PM2.5浓度污染天气中等或以上的污染水平,冬天天气和风向的污染的范围主要集中在45°-125°和200°-315°;,东北冬天天气污染主要发生在风的东风,西南与西风。天气污染也是主要在以下期间微风3级风。中度以上污染是罕见,当风速超过5 m / s。冬天,PM2.5浓度污染更严重的天气,主要的气象条件下东北风,风,西南和西部风。图14 (c)表明,PM10的浓度在冬天也是四季中最高,和PM2.5的分布格局相似。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图14
在秦皇岛风玫瑰图。(a) PM2.5的关系,(b) PM10, (c)质量浓度和风速和风向在冬天。

从上面的分析,可以看出,中度及以上污染天气秦皇岛东北主要发生的气象条件下,风,东南风,西风。西风风越多,更严重的污染。四季的污染程度从沉重的光排序为冬季>秋季>春季>夏季;降水因素不谈,从风的角度方向;这主要是由于这样的事实,在秦皇岛地区风向向西方,这很大程度上影响污染物的浓度。在冬天,在加热期间,人为排放源增加,降水减少,主导风向是向西方,所以污染物从西部和收集运输。秋天的风向主要是西南和西部,和浓度应遵循的风向。

3.4.5。由不同的风速PM2.5和PM10

根据上面的分析,我们将风向划分为四个区间:22.5°-112.5°,112.5°-202.5°,202.5°-292.5°,和292.5°-22.5°,研究了不同风速对PM2.5的清除效果和PM10四风的方向。从图可以看出(15日)在秦皇岛,PM2.5的浓度是最高的在西部和西南地区风的风速条件下的四个风向范围。此外,当风速增加到2 - 3 m / s, PM2.5的浓度在所有三个风方向除了西风和西南风力明显减少。其中,北风和西北风最明显的清除效果,而西风和西南风力有最糟糕的清除效果。此外,随着风速的增加,PM2.5浓度增加。

(一)
(一)
(b)
(b)
图15
PM2.5。(一)PM10。(b)质量浓度变化在不同风速和风向。

图15 (b)显示了PM10浓度和风速之间的关系。四个风向范围所有继续降低风速增加到4米/秒。西北风能和北风最明显的影响的PM10浓度。与风速大于4米/秒,PM10浓度条件下的南风东南风和东风东北开始上升,这应该是由于风速的增加,导致地面灰尘,加重PM10污染。

4所示。结论

(1)降水有一定的PM2.5和PM10,湿的清除作用和清除降水对可吸入颗粒物的影响大于PM2.5的。从的角度降水大小,秦皇岛地区中雨以上降水集中从5月到9月,而小雨在冬天经常增加污染物的浓度。(2)PM2.5降水前后的变化与降水前PM2.5的初始浓度,降雨强度、降雨持续时间。当PM2.5的初始浓度小于60μg / m3和降水强度大于5毫米/小时,PM2.5的初始浓度越高,去除PM2.5的降水就越大。当最初的PM2.5浓度超过60岁μg / m3和降水强度小于5毫米/小时,沉淀后的PM2.5浓度降低。换句话说,当空气质量相对较差,降水将移除污染物;也就是说,当空气质量相对较差,降水在清除污染物将发挥作用。(3)降水对可吸入颗粒物的清除效果密切相关的初始浓度沉淀之前PM10。当初始浓度低于100μg / m3,PM10浓度增加到一定程度上在不同降雨强度和降雨持续时间、浓度和篮板最当降雨强度小于1毫米/小时;然而,当最初的PM10的浓度高于100μg / m3不同降雨强度、降水和时间使PM10浓度,后有不同程度的降低和PM10的初始浓度越高,清算降水量越大。(4)中等及以上污染天气秦皇岛东北主要发生的气象条件下,风,东南风,西风。西部的风,更严重的污染,而且,随着风速的增加,PM2.5浓度会增加。北风和西北风力对PM2.5的影响最明显的清除和Pm10。除了西部和西南地区的风,当风速增加到2米/秒,PM2.5和PM10浓度可以减少。然而,当风速大于4米/秒,PM10浓度下南、东南、东、东北风个篮板。随着风速的增加,地面粉尘产生和PM10污染加重。

数据可用性

气象和环境数据用于支持本研究的发现没有提供,因为这些数据可以下载并在河北省气象局的内部网络;不支持外部网络。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(没有。河北省气象局(41375038)和青年基金。17 ky25)。