不同等级降水对廊坊市污染物浓度的影响分析

Analysis on the Effect of Different Levels of Precipitation on Pollutant Concentration in Langfang City

摘要: 利用2013~2016年廊坊市气象观测站小时降水资料、环保局空气质量监测药材公司站六类主要污染物(SO₂、NO₂、CO、O₃、PM₁₀和PM_2.5)相应浓度数据，利用数理统计方法分析了不同等级降水强度、不同降水时段、不同季节降水性质等6个方面，研究分析了降水对主要污染物浓度的影响。结果表明：1) 在不同小时降水强度下，大雨和中雨的稀释作用要优于小雨；2) 六类污染物对降水有较明显差异，PM₁₀、PM_2.5和SO₂浓度下降率最明显，达到60%，O₃的下降率最弱，对降水强度变化不敏感；3) 降雨作用优于降雪，降水对污染物浓度下降率普遍高于降雪；4) 夏季降水的稀释作用最强，其次是秋季，春季和冬季最差，这也和降水强度和降水量相关；5) 降水结束2小时污染物浓度下降率又比降水结束1小时偏高。

Abstract: Using the hourly precipitation data of the meteorological observation station in Langfang City for 2013-2016 and the corresponding concentration data of six major pollutants (SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₁₀ and PM_2.5) at the Pharmaceutical Company Station of the Environmental Protection Bureau Air Quality Monitoring Station, the effects of precipitation on the concentration of major pollutants were studied by using mathematical statistical methods, such as intensity of precipitation of different grades, different precipitation periods and nature of precipitation of different seasons. The results show that: 1) Under different precipitation intensity, the dilution of heavy rain and moderate rain is better than light rain; 2) The six types of pollutants have significant differences in precipitation, and the concentration reduction rates of PM₁₀, PM_2.5, and SO₂ are the most obvious, reaching 60%, and the rate of decline of O₃ is the weakest, and it is not sensitive to the changes in precipitation intensity; 3) The effect of rainfall is better than snowfall, and the reduction rate of pollutant concentration by precipitation is generally higher than that by snowfall; 4) Summer precipitation has the strongest dilution, followed by autumn, spring and winter, which is also related to precipitation intensity and precipitation; 5) The rate of reduction of pollutant concentration at the end of 2 hours of precipitation is higher than that at the end of 1 hour of precipitation.

1. 引言

有研究表明 [1] [2] [3] ，空气污染造成呼吸系统疾病、心脑血管疾病发病率明显升高，从而严重影响人们的身心健康和寿命；王治非等 [4] [5] 研究发现，空气污染会导致能见度低下等衍生灾害性问题，对农业、交通等行业产生的严重影响不可忽视。随着人类对健康、环境、生态意识的提高，污染问题已经成为全国乃至全球关注的热点问题之一。目前很多专家学者对气象要素及大气环流对气象污染物的影响做了深入研究：杨洋 [6] 从局地环流方面对京津冀地区大气污染影响的研究得到了京津冀区域局地环流日变化规律及影响下的大气污染物时空变化特征的初步定量分析结果，严重区域污染过程中局地环流为主要作用因子；郭立平等 [7] [8] 从大气高低空环流配置形势及风场、空气相对湿度、日降水量、气温、气压方面分析了重污染天气特征指标；花丛 [9] [10] 从边界层中的热力及动力作用，研究了逆温层及湍流交换对空气污染物的聚集和扩散的作用；张占峰 [11] [12] 等，从降水方面研究污染物的变化特征。但是由于地形、地域差异，空气重污染的大气环流和气象条件存在一定差异，为应对地域间联合开展空气重污染的预报预警业务和为当地政府、公众提供科学信息的需求，深入分析了河北廊坊2013~2016年降水强度、不同的季节，及降水过程(降水间隔 ≤ 2小时的降水定义为一次连续降水过程)结束之后1小时、2小时的污染物浓度下降率变化，用数理统计方法分析降水对污染物稀释的作用及污染物的敏感度，从而在实际工作中对空气重污染的预报预警及应对提供参考。

2. 资料来源及方法

气象资料为2013~2016年廊坊市国家气象观测站降水资料，SO₂、NO₂、CO、O₃、PM₁₀和PM_2.5六类主要污染物浓度资料为环保局空气质量监测药材公司站数据(与气象观测站相距约1.2 km，地理位置上与气象观测站更接近，资料有更好的对比分析价值)。日降水量(北京0时至次日0时小时降水量总和)和小时降水强度均参照GB/T 28592-2012日降水量标准，划分如表1。

Table 1. Standards for hourly precipitation intensity and daily precipitation intensity

表1. 小时降水强度、日降水强度标准

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)规定：空气污染指数划分为0~50为优、51~100为良、101~150为轻度污染、151~200为中度污染、201~300重度污染和大于300严重污染的六档，对应于空气质量的六个级别，指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的影响也越明显。

3. 不同等级降水对污染物浓度的影响

根据上述标准，2013~2016年出现的269个降雨日中对应空气质量分布见表2。从表中可见，小雨202天，中雨40天，大雨为18天，暴雨3天。

Table 2. Correlation between rainfall day and air quality in Langfang City 2013-2016

表2. 2013~2016年廊坊市降雨日与空气质量的对应关系

3.1. 不同等级降水强度对六类污染物浓度升降变化特征

小时降水强度对六类污染物浓度升降变化特征(图1)反应出，降水对六类污染物的浓度稀释作用有一定的差异性。就小雨、中雨和大雨的稀释作用来看，对SO₂、NO₂和CO，大雨和中雨有明显的稀释作用，相比较，大雨的稀释下降率更大，分别达到87.5%、87.5%、75%，小雨的稀释下降率较小，在46.8%~49.5%；对O₃，小雨和中雨的稀释沉降作用更大，其中小雨下降比率最大，为50.1%，大雨的稀释下降率最小，仅为25%；对PM₁₀，PM_2.5来说，中雨的稀释作用均较强，分别达到58.3%、80.6%，不过小雨对PM₁₀

Figure 1. The variation characteristics of hourly precipitation intensity to the concentration of six kinds of pollutants

图1. 小时降水强度对六类污染物浓度升降变化特征

的稀释作用仅次于中雨，下降率到达54.6%，对PM_2.5则是大雨对其有75%的稀释下降率；且从上图统计比率可以看出，只有O₃和PM₁₀有浓度升高比率大于下降比率，分别是大雨对O₃和PM₁₀，升高比率比下降比率分别高37.5%、12.5%。由于统计中暴雨次数仅有一次，故其统计结果没有较好的代表性。

3.2. 季节性降水对六类污染物浓度升降变化特征

3.2.1. 春季降水对六类污染物浓度升降变化特征

春季降水较少，小时雨量以小雨为主，统计时段内的春季小时降水次数为172次。从图2统计显示，

Figure 2. The variation characteristics of spring precipitation on the concentration of six kinds of pollutants

图2. 春季降水对六类污染物浓度升降变化特征

对PM₁₀、SO₂和O₃的稀释作用较为明显，下降比率均超过50%，其中对PM₁₀最明显比率为58.7%，SO₂和O₃下降比率分别为55.8%和53.5%；对CO、PM_2.5和NO₂的稀释作用不太显著，下降比率均低于50%，分别为41.9%、47.7%和49.4%。其中CO的浓度升高比率比下降比率高3.4%，PM_2.5的升高和下降比率相接近。

3.2.2. 夏季降水对六类污染物浓度升降变化特征

夏季是一年降水较为集中的时段，雨量较多，同时降水强度也较大。小时降水量中雨和大雨的次数也明显增多。从图3可以看出，就小雨、中雨和大雨的稀释作用来看，对SO₂小雨和中雨的稀释作用并

Figure 3. The variation characteristics of summer precipitation on the concentration of six kinds of pollutants

图3. 夏季降水对六类污染物浓度升降变化特征

不明显，下降比率均低于50%，在统计的6次大雨中，对其稀释作用达到100%；对NO₂、CO，中雨和大雨的稀释作用较为明显，中雨中两者下降比率分别为63.3%和70%，在大雨中两者的比率分别为100%和83.3%；O₃和PM₁₀与其他物质的反应有较明显的区别，在小雨和中雨中，两者下井比率均在50%以上，最大下降率值为56.7%，在大雨中，两者的下降率却只有33.3%，升高比率比起高33.4%；PM2.5对夏季降水比较敏感，下降比率在52.1%~83.3%，中雨和大雨的下降比率比小雨更高。

3.2.3. 秋季降水对六类污染物浓度升降变化特征

秋季降水中小时雨量主要为小雨(图4)。秋季雨强达到暴雨统计结果只有2次，除O₃的稀释下降比率为0，其余是下降比率为50%；对于SO₂，秋季中雨对其的稀释下降作用增强，稀释下降比率为66.7%，小雨稀释作用不明显，下降比率仅为42%；对NO₂、CO，中雨稀释作用较为明显，稀释下降比率分别为

Figure 4. The variation characteristics of autumn precipitation on the concentration of six kinds of pollutants

图4. 秋季降水对六类污染物浓度升降变化特征

83.3%和66.7%，小雨稀释下降比率低于50%；秋季降水中，对O₃的稀释作用不显著，下降比率均低于41%，中雨中下降比率只有33.3%；中雨对PM₁₀和PM_2.5的稀释作用较明显，均为66.7%，小雨对PM₁₀的稀释作用也较明显，比率为53.8%，对PM_2.5的稀释下降率为49.1%。

3.2.4. 冬季降水对六类污染物浓度升降变化特征

冬季降水较少，雨量及雨强均较小，均为小雨。图5统计结果显示，其中SO₂稀释作用最明显，下降比率为59.2%；其次是PM₁₀和PM_2.5，下降比率分别为53.9%和50%；对CO，NO₂和O₃的稀释作用不在显著，下降比率在38.2%~48.7%，其中O₃的上升比率比下降比率高1.3%。

Figure 5. The variation characteristics of winter precipitation on the concentration of six kinds of pollutants

图5. 冬季降水对六类污染物浓度升降变化特征

3.2.5. 冬季降雪对六类污染物浓度升降变化特征

统计127时次降雪对六类污染物的稀释下降情况统计(图6)发现，只有对CO有较明显的稀释作用，下降比率为53.5%高于50%，其余五类污染物下降比率均低于50%，其中SO₂和NO₂的下降比率为49.6%，接近50%；PM₁₀和PM_2.5的下降比率更低，为44.9%~47.2%，对O₃的稀释作用最差，下降比率仅为34.6%，其升高比率比下降比率高11.9%。

Figure 6. The variation characteristics of winter snowfall on the concentration of six kinds of pollutants

图6. 冬季降雪对六类污染物浓度升降变化特征

3.3. 日降水量对六类污染物浓度升降变化的影响

日降水量(北京0时至次日0时小时降水量总和)的稀释下降统计(图7)，结果显示除O₃外，其余五类污染物稀释下降比率均较大。其中下降比率最明显的依次是PM₁₀、PM_2.5和SO₂，PM₁₀和SO₂在大雨的下降比率均最大，分别为85%和70%，PM_2.5在中雨的下降比率最大为76.7%；在小雨中的下降比率最小，为68.7%、59.9%和65.9%；NO₂和CO在三类日降水中下降比率分布较为接近，下降率在56%~65%之间，两者均在大雨下降率最大分别为65%和60%，NO₂在中雨下降率最小为55.8%，CO在小雨下降率最低为54.8%；可见大雨的稀释作用最明显，稀释比率在60%~85%，中雨的稀释下降比率略高于小雨下，稀释比率在55%~76%。日暴雨数只有3次，PM₁₀、PM_2.5、NO₂和CO中下降率明显，O₃的升高比率高于下降比率。

Figure 7. The variation characteristics of diurnal precipitation on the concentration of six kinds of pollutants

图7. 日降水对六类污染物浓度升降变化特征

3.4. 降水结束1小时、2小时与降水开始时刻相比污染物变化特征

3.4.1. 降雨结束1小时与降雨开始时刻相比六类污染物变化特征

对连续降水过程结束1小时六类污染物浓度与降水开始时刻浓度进行对比(图8)，结果表明小雨、中雨和大雨稀释下降比率普遍在50%以上。其中稀释下降比率较明显前三类依然是PM₁₀、SO₂和PM_2.5，其中PM₁₀在大雨的下劲旅最明显为94.7%，在小雨下降率最低，且能达到63.9%；SO₂和PM_2.5在中雨的下降比率高于大雨和小雨，最大值分别为79.5%和69.2%，大雨稀释下降比率略低于中雨的下降比率，小雨的下降比率最小为59%左右；CO、NO₂和O₃的在中雨和大雨的稀释下降比率52%~57%，在小雨，O₃的稀释下降比率为48.1%，低于50%，CO和NO₂的下降比率在52%左右。暴雨只有4次，从比值可以发现，PM₁₀、PM_2.5和CO的稀释作用较为明显。

Figure 8. Variation of six types of contaminants in 1 hour end of rainfall compared with the beginning time of precipitation

图8. 降雨结束1小时与降水开始时刻相比六类污染物变化特征

3.4.2. 降雪结束1小时与降雨雪开始时刻相比六类污染物变化特征

小雪降水过程统计(图9)结果显示，18次小雪过程结束1小时的污染物与开始时刻的浓度差值的正负比率分析，SO₂、NO₂和PM₁₀的下降比率均为55.6%，其次是O₃，其下降比率仅为50%，CO的下降比率最低仅为22.2%。结果显示，小雪的稀释作用并不明显。中雪和大雪统计次数太少，结果没有较好的代表性。

3.4.3. 降雨结束2小时与降雨雪开始时刻相比六类污染物变化特征

对连续降水过程结束2小时六类污染物浓度与降水开始时刻浓度进行对比(图10)，结果表明小雨、中雨和大雨稀释下降比率普遍在50%以上。其中稀释下降比率较明显前三类是PM₁₀、SO₂和PM_2.5，其

Figure 9. Variation of six types of contaminants in 1 hour end of snowfall compared with the beginning time of precipitation

图9. 降雪结束1小时与降雪开始时刻相比六类污染物变化特征

Figure 10. Variation of six types of contaminants in 2 hour end of rainfall compared with the beginning time of precipitation

图10. 降雨结束2小时与降水开始时刻相比六类污染物变化特征

中PM₁₀的稀释下降比率最明显，比率在70%以上，PM₁₀和SO₂在大雨的下降率最大，分别为89.5%和73.7%，两者在中雨的下降比率只略偏低于大雨，在小雨最小分别为69.6%和57.5%；PM_2.5在中雨的下降比率最高，达到75%，小雨的稀释下降比率最小为61.8%，大雨的稀释下降比率略高于小雨6%；CO和O₃的在中雨和大雨的稀释下降比率53%~57%，在小雨的下降比率为50.7%；NO₂在中雨的稀释下降比率最高为65%，在小雨和大雨下降比率低于50%；暴雨(4次)次数较少，从比值可以发现，PM₁₀、PM_2.5和CO的稀释作用较为明显。

3.4.4. 降雨结束2小时与降雨雪开始时刻相比六类污染物变化特征

小雪过程结束2小时的污染物与开始时刻的浓度差值的下降比率分析(图11)，PM₁₀、NO₂和SO₂的稀释下降比率高于50%，PM₁₀的稀释下降比率最高为66.7%，次高值是NO₂的61.1%稀释下降比率，SO₂的下降比率为50%；O₃、CO和PM_2.5的下降比率较低，升高比率高于下降比率，且PM_2.5的下降比率仅有33.3%。中雪和大雪统计次数太少，结果没有较好的代表性。

Figure 11. Variation of six types of contaminants in 2 hour end of snowfall compared with the beginning time of precipitation

图11. 降雪结束2小时与降水开始时刻相比六类污染物变化特征

4. 结论与讨论

1) 在不同小时降水强度下，大雨和中雨的稀释作用要优于小雨。

2) 六类污染物(SO₂、NO₂、CO、O₃、PM₁₀和PM_2.5)对降水的稀释作用有较明显差异，PM₁₀、PM_2.5和SO₂浓度下降率最明显，达到60%，O₃的下降率最弱，对降水强度变化不敏感。

3) 降水形态对污染物的稀释沉降作用有差异，降雨作用优于降雪，降水使污染物浓度下降率普遍高于降雪。

4) 降水的稀释沉降作用有明显的季节性，夏季降水的稀释作用最强，其次是秋季，春季和冬季最差，这也和降水强度和降水量相关。

5) 降水结束2小时污染物浓度下降率又比降水结束1小时偏高。

基金项目

河北省气象局2017年指导性项目(201704)。

NOTES

^*通讯作者。