海口市空气质量的特征及其与气象条件的关系

苏　超，田　良，2

(1.海南大学 环境与植物保护学院，海南 海口 570228；2.海南大学 旅游学院，海南 海口 570228)



海口市空气质量的特征及其与气象条件的关系

苏超1，田良1，2

(1.海南大学 环境与植物保护学院，海南 海口 570228；2.海南大学 旅游学院，海南 海口 570228)

摘要：根据海口市2013—2014年空气污染物的监测数据及气象资料，研究了该市的空气质量特征及其与气象要素的关系.结果表明：海口市空气质量优良率为95%；PM2.5，PM10，O3是该市的主要污染物，年均质量浓度分别为25.29 μg·m-3，44.48 μg·m-3，77.15 μg·m-3；该市的空气质量随季节变化的特征明显，春、夏、秋、冬四季的AQI值分别为42，35，54，65；污染物 的"周末效应"与北京、深圳等国内其他城市不同，表现为：周末浓度大于工作日浓度；旅游黄金周期间污染物均有不同程度增加；污染物日变化特征明显；SO2，PM2.5表现出一定的区域污染特征；NO2，PM10，CO和O3表现出一定的局部污染特征；降水、风速、风向、温度、湿度对空气质量的影响显著，在多数情况下AQI与降水、风速、温度、湿度等存在负相关，而与气压存在正相关；对典型污染过程的分析表明：PM2.5受扩散条件、本地排放及外地输送共同影响，O3浓度与蒸发量、相对湿度及风速等指标有明显关系.

关键词：空气质量； 空气质量指数； 气象要素； 相关分析

对于旅游城市而言，环境空气质量是经济发展的重要影响因素之一.海口市作为海南国际旅游岛的窗口城市，环境空气质量对城市形象至关重要.长久以来，海口市环境空气质量在全国重点城市中名列前茅，但近期却有被赶超的趋势，其空气质量排名已多次被丽江、厦门等城市超越，同时，海口市环境空气质量也远不如普吉岛、夏威夷等其他国际著名的旅游地，因此需要对海口市环境空气质量进行全面细致的研究.国内学者对城市环境空气质量的研究主要有城市空气质量特征、污染物浓度时空分布规律、气象影响因素及污染过程分析等，研究区域多集中在北京、沈阳、兰州、西安等污染较严重的大中城市[1-9]，而对海口市相关方面的研究却很少.符传博等在研究海口市2013年冬季的一次污染事件时发现，海口市空气污染是由本地污染源排放和珠三角地区的远距离输送共同引起，气溶胶粒子的浓度与能见度具有一定的负向关系[10]；江益等对海口市大气颗粒物的研究表明，PM10，PM2.5和PM1的浓度变化趋势基本相同，同时有明显的季节和日变化特征[11].本文利用海口市2013—2014年空气污染物的监测数据，根据空气质量指数技术规定(HJ633—2012)计算得出AQI，研究了该市的空气质量特征及其与气象要素的关系，旨在为海口市空气污染防治工作提供科学依据.

1海口市概况

海口是海南省省会，是海南省政治、经济、文化和交通中心，其地处海南岛北部，地势平缓，位于低纬度热带北缘，属于热带海洋性季风气候，全年日照时间长，年平均气温在23.8 ℃左右，年平均降水量为1 816mm，降雨日为150d左右，常年以东北风和东南风为主，年平均风速3.4m·s-1[12]；从建省至今，海口市在经济和社会发展方面取得了显著成绩，截止2014年底，全市生产总值(GDP)达1 091.7亿元，人均可支配收入为22 632元，市区建成面积超过151.60km2，常住人口达220.07万，全市机动车保有量达到55.1万辆，其中，汽车46万辆，人均拥有量超过全国平均水平[13].海口市为全国优秀的旅游城市，大型工业污染源较少，大气污染主要受交通及生活排放影响.

2数据来源与方法

2.1数据来源本文的空气污染数据为海口市5个国控监测点2013—2014年SO2，NO2，PM10，PM2.5，O3和CO的逐时监测值；气象资料取自中国气象科学数据共享服务网，采用与空气污染资料同期的地面常规观测资料.

2.2空气质量指数从2013年起，我国重点城市开始实施新的《环境空气质量标准》，空气质量常规监测增加了PM2.5，O3和CO3个项目，描述空气质量的指数由API改为AQI，因后者反映空气污染状况更加全面.空气质量指数(AQI)是一种定量描述空气质量状况的无量纲指数，它是在将几种常规空气污染物的浓度监测数据按照不同的浓度限值标准转化成空气质量分指数(IAQI)后，从中取得的最大值.目前，我国空气质量指数共分6个等级，指数越大，级别越高，空气质量越差，空气污染也越严重，危害程度也越大.

3海口市空气质量状况

3.1空气质量总体状况海口市2013—2014年AQI年平均值为49，符合国家空气质量一级标准(0～50)，属于优.AQI日均值变化范围为14～176，最小值为日均值的28.6%，最大值为日均值的3.59倍.图1为海口市2013—2014年空气质量的等级分布图，从图1中可以看出，海口市空气质量为优的天数最多，2年内共出现485天，占统计日数的66.4%，Ⅱ级天气出现较多，共207天，占统计日数的28.4%，Ⅲ级和Ⅳ级天气出现较少，分别出现34天和4天，占统计日数的4.7%和0.5%，没有AQI大于200的重度污染和严重污染天气出现.2013年和2014年海口市Ⅰ级和Ⅱ级天数之和分别达到340天和353天，优良率分别为93.2%和96.7%，表明海口市空气质量以优良为主，污染天气较少出现.

3.2首要污染物与超标污染物首要污染物是AQI大于50时IAQI最大的污染物；超标污染物则是IAQI大于100的污染物.在本次统计时段内，首要污染物和超标污染物都包括O3，PM2.5和PM10.作为首要污染物，O3出现的天数最多，共99天，占统计天数的13.6%，PM2.5和PM10分别出现92天、58天，占统计天数的12.6%、7.9%；作为超标污染物，O3共出现10天，占污染天数的26.3%，PM2.5出现30天，占污染天数的78.9%，PM10仅出现3天，占污染天数的7.9%；O3，PM2.5和PM10年平均质量浓度分别为77.15μg·m-3，25.29μg·m-3和44.48μg·m-3，其中，PM2.5和PM10分别超过国家空气质量一级标准(15μg·m-3，40μg·m-3)68.6%和11.2%.海口市空气质量主要受颗粒物特别是细颗粒物的影响，同时O3污染也应引起重视.

3.3空气质量季节变化特征从海口市2013—2014年各月不同级别空气质量的分布情况(表1)以及空气质量的季节分布(表2)可以看出，海口市空气质量具有明显的季节变化特征.冬季是该市空气质量最差的季节，污染天气比例在四季之中最多，AQI平均值最高(65)，空气质量为优的天数为67天，仅占冬季天数的37.2%，主要原因是冬季平均气温较低，降水较少，大气层结构相对稳定，容易形成不利于污染物扩散的气象条件，同时，东北风从珠三角地区带来的污染气流也会增加该市的空气污染负荷[10]；秋季空气质量较差，AQI平均值为54，空气质量为优的天数有96天(52.7%)，污染天气较冬天有所减少，从表1可以看出，秋季污染天气出现在10月份，分析其原因：一方面是国庆长假期间大量游客的到来会直接增加生活以及交通污染的排放；另一方面是从9月底开始，海口市的降水开始减少，平均气温有所降低，不利于污染物的扩散和沉降，平均风速虽然有所增大，但东北风出现的频率显著增加，而同期在华南地区却集中出现污染天气；春季和夏季空气质量较好，空气质量达标率均为100%，AQI平均值均小于50，且夏季一级天气比例高达95.7%，比春季高16.4%，这是因为海口市夏季空气对流旺盛，降雨较多，这有利于空气污染物的扩散和沉降，同时，夏季主导风向为偏南风，它所带来的清洁空气有利于污染物的稀释.总体来说，海口市空气质量夏季最好，春季、秋季次之，冬季最差.

表1　海口市各月不同空气质量级别的天数分布

表2　海口市空气质量的季节分布

3.4空气污染物“周末效应”从海口市与北京市[7]污染物日均质量浓度与年均质量浓度的距平分布(表3)可以看出，海口市污染物在工作日距平基本为负，周末距平基本为正，即污染物工作日质量浓度小于年均质量浓度，周末质量浓度大于年均质量浓度，北京市污染物在工作日距平基本为正，周末距平基本为负，与海口市相反.海口市SO2，NO2，PM10，CO，O3和PM2.5周内最高质量浓度比最低质量浓度分别高出10.6%，6.6%，8.6%，2.0%，4.3%，10.1%.除O3外，其他污染物的“周末效应”与北京、深圳、南京等国内其他城市有所不同[7,14-15]，其原因可能是海口市作为旅游城市，大型工业污染源较少，消费排放占比大，本地市民周末出行及外地游客到来在一定程度上增加了周末生活及交通污染的排放.

表3　海口市(2013—2014年)与北京市污染物周距平百分比变化　%

3.5节假日旅游活动对空气污染物的影响海口市作为旅游城市，公共假日期间客流明显增加.如2013年国庆黄金周接待游客52.51万人，日均游客接待量为全年日均值的4.3倍.本文将国庆、春节黄金周(7d)作为假日代表，将假日前后各(7d)作为非假日代表，对海口市2013—2014年春节和国庆黄金周期间与非假日期间的污染物质量浓度进行了对比与分析(表4)，由表4可见，国庆、春节黄金周期间，6种污染物的质量浓度均有不同程度的增加(春节期间NO2，CO除外)，旅游活动对城市空气质量有明显影响.

表4　国庆、春节长假与非节假日的污染物质量浓度对比　μg·m-3

注：偏差=(节假日值-非节假日值)/非节假日值×100%

3.6空气污染物日变化特征从图2(图2a为SO2，NO2，PM10，O3，和PM2.5质量浓度的日变化曲线，图2b为CO质量浓度的日变化曲线)可以看出，SO2和PM2.5的质量浓度日变化曲线较平缓；NO2与CO变化较为一致，为双峰曲线，峰值出现在7:00～9:00与18:00～21:00，这两个时段正好是人类活动相对频繁的时段，NO2与CO在达到第二个峰值后，高质量浓度一直保持到24:00左右才开始下降，这说明NO2与CO主要是受机动车排放以及餐饮、烧烤等生活排放的影响；PM10变化曲线与NO2，CO类似，但稍平缓；O3质量浓度变化呈单峰曲线，主峰谷值与NO2和CO反相，其作为NO2等的前体物，通过光化学反应生成二次污染物的特征非常明显.

3.7不同站点空气污染物质量浓度的差异海口市不同站点空气污染物的质量浓度分布如图3所示，图3反映了空气污染物存在一定的空间差异.东寨港为清洁对照点，该站点空气污染物的质量浓度较低，空气质量明显好于城区；城区四站污染物质量浓度的排序基本是龙华>秀英>海师>海大，但不同污染物的顺序稍有差别；SO2，PM2.5在各个站点的差异不大，表现出一定的区域污染特征；NO2，PM10和CO，O3有较明显的空间差异，表现出一定的局地污染特征.SO2，NO2，CO在龙华站点的污染程度最高，这是因为该监测点所处的区域为海口市的老城区，周边人口的密度大，机动车流量大，交通和生活污染源排放较大；PM10和PM2.5在秀英站的污染程度最大，这与该监测点周围存在海口港、工业园区、汽车西站、大型运输车(流量较大)以及较多的餐饮店有关；海大站与海师站周边的污染源明显少于龙华站和秀英站，污染程度较轻，但海大站的O3明显大于其他站点，这可能是由于该站点位于海甸岛，其周围有海水环绕和太阳的紫外辐射较强的缘故，清洁对照点东寨港站的前体物排放较少，但O3的质量浓度较高，其原因可能与此相似.

4空气质量与气象条件的关系

4.1降水对空气质量的影响降水能够有效溶解、冲刷大气中的污染物，降低污染物的质量浓度，从而净化空气[16-17].海口市不同降水条件下的空气质量统计结果如表5所示：无降水条件下AQI平均值为55，高于国家空气质量一级标准；降水条件下AQI平均值为40，符合国家空气质量一级标准.AQI随着降水量的增大而逐渐降低，在小雨、中雨、大雨、暴雨日AQI平均值分别为43，36，34和31，一级天气比例由73.5%升至100%.总体来说，降水量与AQI呈负相关关系，降水对空气质量有明显的改善作用.

4.2风速对空气质量的影响风速对污染物有稀释作用，在一定范围内，风速越大，其稀释能力也越强，但当风速过大时，颗粒物也可能被吹到空中而加重空气污染程度[18].海口市不同风速条件下的空气质量状况如表6所示，总体来说，AQI平均值随风速的增大而减小，但一级天气比例随风速增加而有所减少，特别是当4m·s-1≤风速<5.5m·s-1时，AQI平均值最大，为56，一级天气比例仅为44.2%.经统计，4m·s-1≤风速<5.5m·s-1的情况主要发生在冬季以及春初秋末，频率为71.2%，而在4—9月其发生频率为28.8%.这一风速条件下污染较重，说明空气污染不仅受风速这一气象条件的影响，而且也与风向、外来污染输送和本地污染源排放有关.

表5　海口市年不同降水条件下的空气质量

表6　海口市不同风速条件下的空气质量

4.3风向对空气质量的影响海口市不同风向的AQI分布如图4所示，主导风向为NE时，AQI平均值最大(64)，风向为ENE时，AQI平均值也较大；风向为WSW时，AQI平均值最小(31).总体来说，海口市在偏北风特别是东北风时AQI的平均值较高，空气质量较差，偏南风时AQI的平均值较低，空气质量较好.这是因为偏北风带来的主要是广东珠三角地区污染严重的气流，而偏南风带来的气流则相对比较清洁.

4.4温度对空气质量的影响从海口市温度与AQI的关系(表7)中可以看出，AQI随温度的升高而下降，当温度<20 ℃时，AQI平均值最高(69)，一级天气比例最小，仅为27.3%，空气质量较差.这是因为温度较低时，大气层结构比较稳定，污染物由于较差的扩散条件而处于较高的质量浓度水平，从而导致空气质量恶化；当20 ℃≤温度<25℃时，AQI平均值为53，接近国家空气质量一级标准；一级天气比例为55.0%；当温度≥25℃时，AQI降低至41，一级天气比例高达84.7%，空气质量最好，这是因为随着温度的升高，大气稳定度逐渐下降，空气对流更加频繁，从而有利于空气污染物的稀释与扩散[19]的缘故.

4.5湿度对空气质量的影响从表7可以看出，AQI随空气湿度的增加而呈下降趋势，在空气湿度小于70%时，AQI平均值为81，当空气湿度为70%～80%，AQI下降35.8%，为52，几乎达到国家空气质量的一级标准；当空气湿度大于80%时，随空气湿度的增加，AQI分别降低13.5%和10.2%，下降趋势变缓，这是因为湿度较小时，可能导致地面扬尘发生，从而致使颗粒物的质量浓度升高；而随着空气湿度的增加，不仅可以有效地减少地面的扬尘，降低颗粒物的质量浓度，而且还能改善空气质量，然而过高湿度的天气往往会伴随着降水，这会使湿度对空气污染物的削减作用不再明显.

4.6AQI与气象因素的相关性分析从海口市气象要素与空气质量指数AQI的相关性(表8)可以看出，AQI与温度、湿度在大部分情况下呈负相关，且都通过统计检验；与气压存在极显著的正相关(夏季为极显著负相关)；与降水呈负相关，但只在秋冬两季通过统计检验；与风速的相关系数只在夏季通过统计检验，其他季节的相关系数没有通过统计检验.

表7　海口市不同温度、湿度条件下的空气质量

表8　海口市气象要素与空气质量指数的相关关系

注：“*”，“**”分别为显著、极显著相关.

4.7典型污染过程及其气象因素分析2013年11月28日—2013年12月16日期间，海口市发生一次明显的颗粒物污染过程.根据符传博等利用同期气溶胶和近低层风场资料的研究，这次PM2.5污染主要受本地污染排放和珠三角地区输送排放共同影响[10].在此期间，海口市主导风向为东北风，图5为该时段PM2.5日均质量浓度与风速、相对湿度、降水量的逐日变化.由图5可见，11月28日—12月9日期间，海口市无降水，相对湿度保持在80%以下，风速较低，气象条件不利于污染物扩散，PM2.5呈上升趋势，12月10日PM2.5污染最为严重，最高质量浓度为133μg·m-3，超过国家环境空气质量二级标准77.3%，12月11日后，风速有所增加，且出现了一次明显的降水过程，PM2.5显著下降.

2014年10月1—18日海口市经历了一次O3污染过程，图6为9月26日—10月25日O3日均质量浓度、相对湿度、蒸发量及风速的逐日分布.从图6可以看出，9月26—30日，湿度较高，风速较大，蒸发量较低(反映辐射较低)，O3质量浓度较低，10月1—18日期间，海口市湿度和风速有所下降，蒸发量增加(反映辐射强度增大)，O3处于较高质量浓度水平，最高质量浓度达到180μg·m-3，超过国家环境空气质量二级标准12.5%，10月18日后，蒸发量和辐射下降，风速和湿度增加，O3质量浓度逐渐降低.O3质量浓度变化与蒸发量(辐射)、湿度和风速有明显相关关系.

5结论

(1) 海口市空气质量以优良为主，轻度和中度污染很少出现，无重度和严重污染天气出现.空气质量主要受颗粒物特别是细颗粒物的影响，O3污染也不容忽视.

(2) 海口市空气质量夏季最好，春季、秋季次之，冬季最差.污染物周末质量浓度大于工作日质量浓度，呈现与北京、深圳等城市不同的“周末效应”.污染物日变化特征明显，其中，NO2，CO与PM10变化为双峰曲线，O3呈单峰曲线变化，SO2和PM2.5变化较为平缓.春节、国庆长假期间污染物质量浓度增加明显，旅游活动对城市空气质量的影响显著.

(3) 空气污染物有明显的空间差异，SO2，PM2.5表现出一定的区域性污染特征，NO2，PM10，CO和O3表现出一定的局地污染特征.

(4) 降水、风速、风向、温度、湿度等气象要素对空气质量的影响显著，AQI与降水、风速、温度、湿度大部分情况下存在负相关，与气压存在正相关.典型污染过程的分析表明：PM2.5受扩散条件、本地排放及外地输送共同影响，O3质量浓度与间接反映辐射强度的蒸发量、相对湿度指标及风速有明显关系.

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收稿日期：2016-01-15

作者简介：苏超(1990-)，男，陕西渭南人，海南大学环境与植物保护学院，2013级硕士研究生，E-mail：370536731@qq.com. 通信作者： 田良(1963-)，男，陕西绥德人，教授，研究方向：环境规划与评价、区域旅游发展与规划，E-mail：tianliang0606@163.com.

文章编号：1004-1729(2016)02-0185-08

中图分类号：X 511

文献标志码：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0028

Relationship between the Air Quality Status of HaikouandMeteorologicalConditions

Su Chao1, Tian Liang1，2

(1.CollegeofEnvironmentandPlantProtection,HainanUniversity,Haikou570228,China；2.CollegeofTourism,HainanUniversity,Haikou570228,China)

Abstract：In the study, the monitoring data of air pollutants and meteorological data of Haikou during 2013-2014 were used to analyze the relationship between the air quality characteristics and meteorological elements. The results indicated that the excellent and good rate of the air quality of Haikou reach 95%. PM2.5, PM10, and O3 were the major pollutants with an annual average concentration of 25.29 μg·m-3, 44.48 μg·m-3, and 77.15 μg·m-3, respectively. The seasonal change characteristic of the air quality was obvious, and the AQI of spring, summer, autumn, and winter were 42, 35, 54 and 65 respectively. The concentration of pollutants at the weekend was greater than that at the working days, and the "weekend effects" was different from that of other domestic cities including Beijing and Shenzhen. Each pollutant increased in different degrees during the Tourism Golden Weeks. The daily variation characteristics of pollutants was obvious. SO2、PM2.5showed some regional pollution characteristics, while NO2、PM10、CO, and O3 showed some atmospheric pollution characteristics. The air quality was significantly influenced by precipitation, wind speed and direction, temperature and humidity. In most cases, there were negative correlations between AQI and precipitation, temperature, humidity and wind speed, whereas there was positive correlation between AQI and air pressure. The results of the typical pollution process analysis showed that PM2.5was influenced by diffusion conditions, local emissions and overseas delivery together, and there were obvious relationships between O3 concentration and evaporation, relative humidity and wind velocity, respectively.

Keywords：air quality； AQI； meteorological elements； correlation analysis