ChangeResearchLetters气候变化研究快报,2020,9
(3),208-215PublishedOnlineMay2020inHans.rlrl.2020.93025 ChangingCharacteristicsofPM2.5inBeijingWildDuckLakeWetlandStationandItsRelationshipwithMeteorologicalFactors JingchaoYang1,JingyiSui1,LuWang2,NanSong1,JieZhang1,YannaWang1* 1YanqingDistrictMeterorologicalService,Beijing2DaxingDistrictMeterorologicalService,Beijing Received:May8th,2020;epted:May22nd,2020;published:May29th,2020 Abstract Datecollectedfrom2014-2016wasanalyzedtostudythePM2.5concentrationandcorrelatedfactorsinWildDuckLakewetlandecologicalmeteorologicalstation.TheresultsshowedthattheaverageconcentrationofPM2.5was40μg·m−3,theexceedingrateofGradeIIairqualitystandardsdecreased61.6%overthethreeyears.TheparisonindicatedthatPM2.5pollutionwasthelowestinsummerandheavyinwinter.TheconcentrationofPM2.5wasthehighestinJanuary,thelowestinSeptember.TheaveragediurnalvariationsofPM2.5showtwopeaks,whilethecharacteristicoftwopeakswasmoresignificantinspringandwinter.ThedailyconcentrationofPM2.5hadapositivecorrelationwithrelativehumidityandairpressure,negativecorrelationwithtemperatureandwindspeed.ThehumiditywassignificantfactorforPM2.5.ThePM2.5concentrationwasdifferentcorrelationwithmeteorologicalfactorsineveryseason.Insummer,PM2.5hadapositivecorrelationwithtemperature,meanwhile,theairpressurewasthedominantfactor.TheairpressurehadanegativecorrelationwithPM2.5inautumn.TheremainingcharacteristicsintheseasonswereconsistentwithdailyconcentrationsofPM2.5.ThePM2.5inWildDuckbinedimpactbylocalpollutionandexternalpollution.Whenthestationcontrolledbynortheasterandeast-northeastcancausemorePM2.5umulation,however,thewest-southwesthasexactlytheopposite. Keywords WildDuckLakeWetlandStation,PM2.5,MeteorologicalFactors,Correlation 北京野鸭湖湿地观测站PM2.5变化特征及其与气象因素的关系 杨静超
1，隋婧怡
1，王璐
2，宋楠
1，张杰
1，王燕娜1* *通讯作者。
文章引用:杨静超,隋婧怡,王璐,宋楠,张杰,王燕娜.北京野鸭湖湿地观测站PM2.5变化特征及其与气象因素的关系[J].气候变化研究快报,2020,9
(3):208-215.DOI:rl.2020.93025 1北京市延庆区气象局，北京2北京市大兴区气象局，北京 收稿日期：2020年5月8日；录用日期：2020年5月22日；发布日期：2020年5月29日 杨静超等 摘要 利用北京野鸭湖湿地观测站2014~2016年PM2.5和同期气象观测资料，分析野鸭湖地区PM2.5的变化特征及气象影响因素。
研究结果表明：野鸭湖观测站PM2.5年平均浓度为40μg·m−3，3年来超标比例下降61.6%。
PM2.5污染夏季最轻，春秋次之，冬季最重，各月中PM2.5浓度2月份达到峰值，9月最低。
各季PM2.5日变化大致为双峰型，春冬季更为明显。
PM2.5日均浓度与相对湿度和气压呈正相关，与气温和风速呈负相关，其中与相对湿度相关性最高；各季略有差别，PM2.5在夏季与气温呈正相关且气压为主导因素，秋季PM2.5与气压显负相关，其余与日浓度表现一致。
野鸭湖地区PM2.5浓度受本地源和外来源的共同影响，东北风和东北偏东风易造成PM2.5积累，西南偏西风控制下PM2.5浓度在各季节中达到最低。
关键词 野鸭湖湿地观测站，PM2.5，气象因素，相关性 Copyright©2020byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0)./licenses/by/4.0/ Openess
1.引言 PM2.5成分复杂，粒径较小，对人体健康，能见度以及气候变化均具有重要影响，随着城市发展PM2.5已成为北京最主要的污染物之一[1]。
PM2.5浓度除与污染源排放有关外，还与气象因素如风向、风速、温度、辐射、降水、能见度、大气层结稳定度和混合层高度等密切相关[2]。
气象因素对PM2.5的扩散、稀释和蓄积有重要作用，监测并分析气象因素与PM2.5浓度的关系，对研究当地大气污染形成的气象条件与空气污染预报有重要的意义。
近年来，研究多集中于北京城区、近郊、京津冀区域等[3][4][5][6]，而对野鸭湖地区的相关研究报道较少。
因此，本文选取了野鸭湖站2014~2016年PM2.5浓度和同期地面气象资料，分析PM2.5变化特征及其与气温、相对湿度、气压和风速之间的相关性，同时讨论风向对PM2.5浓度的影响，探讨影响野鸭湖地区大气PM2.5浓度的主要气象控制因素，同时为该地大气PM2.5的监测、污染预警和防治提供参考。

2.材料与方法 延庆野鸭湖湿地生态气象观测站(115˚53'E，40˚43'
N，海拔高度480m)是北京唯一的湿地生态观测站，位于北京市延庆区西南部(见图1)，距延庆城区17.4km，距北京市区74km，三面环山，西南临官厅水库，地势显东北高西南低的特点。
PM2.5的浓度利用美国R&P公司生产的TEOM1405D(TaperedElementOscillatingMicrobalance)仪器进行观测。
最终采集数据为5分钟平均浓度值，并在此基础上计算小时平均值。
本文选取野鸭湖湿地生 DOI:rl.2020.93025 209 气候变化研究快报 杨静超等 态气象站2014~2016年PM2.5浓度和同期地面气象资料，通过Pearson相关分析，研究PM2.5浓度与气象因素之间的关系。
Figure1.Locationofmonitoringstation图
1.观测站位置地图
3.结果与分析 3.1.PM2.5污染水平 表1显示，野鸭湖站2014~2016年PM2.5年均浓度为40μg·m−
3，从24小时平均值可以看出超标率为13.2%。
3年来野鸭湖站PM2.5浓度显逐年降低趋势，超标比例下降了61.6%。
Table1.AnnualvariationcharacteristicsofPM2.5表
1.PM2.5年变化特征 年份201420152016平均 年平均浓度/μg·m-349.738.132.140.0 达到一级标准天数所占比例/%46.661.064.157.2 达到二级标准天数所占比例/%34.425.728.629.6 超标比例/%19.013.37.313.2 注：
1、根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中二级浓度限值统计超标百分率；
2、达标统计中PM2.5平均浓度是指24小时平均浓度。
3.2.季节变化特征 按照气象学上季节的划分，将1年分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)和冬季(12、1和2月)。
表2为野鸭湖站气象要素季节变化情况，图2为PM2.5逐月均值对比。
PM2.5浓度高值月份集中在冬季，其中2月份PM2.5达到峰值为55.30μg·m−
3。
夏季PM2.5平均浓度最低为32.75μg·m−
3，这是因为夏季气温高，边界层发展较好，同时湿沉降和降水的清除，再加之地面植被覆盖，均利于PM2.5浓度的降低[2]。
但7月PM2.5月均浓度达到了39.78μg·m−
3，这是因为当气温和湿度逐渐增加时，能促使大气中的气体前体物转换成水溶性离子，加速了二次颗粒物的形成[7]，野鸭湖站夏季风速在一年中最低，气温高、湿度大利于PM2.5浓度的增加。
根据气候统计，京津冀雾–霾特点为由于供暖期影响每年10月~次年3月为雾–霾集中发生的季节；第二个高峰值便是夏季7~8月[8]。
春季PM2.5浓度略高于秋季，高浓度值与春季沙尘天气频发、气候干旱有关[9]，影响北京地区的沙尘路径主要以西北路和偏北路为主[10]。
延庆区位于北京西北部，当有沙尘天气影响时会首先产生响应，且春季平均风速最大。
秋季PM2.5整体水平略高于夏季，但在9月PM2.5浓度值最低为25.32μg·m−
3。
DOI:rl.2020.93025 210 气候变化研究快报 Table2.parisontableofmeanvaluesofmeteorologicalfactorsindifferentseasons表
2.不同季节各气象要素平均值对比表 季节 气温(℃) 相对湿度(%) 气压(hpa) 风速(m/s) 春 11.18 45.15 958.51 1.80 夏 22.14 72.27 952.38 1.27 秋 9.31 70.73 963.46 1.35 冬 −4.88 51.15 968.28 1.77 杨静超
等 PM2.5/(g·m-3)36.9032.7536.1550.55 Figure2.MonthlyvariationofPM2.5concentrations图
2.PM2.5浓度的月变化 Figure3.DailyvariationofPM2.5concentrationsindifferentseasons图
3.不同季节PM2.5浓度的日变化对比 DOI:rl.2020.93025 211 气候变化研究快报 杨静超等 3.3.日变化特征 图3中各季PM2.5浓度日变化大致显双峰型分布，出峰时间及强度随着季节有所变化。
冬春季为双峰型，春季上午峰值强出现在08:00时，冬季则略晚出现在10:00时。
早高峰过后，随着太阳辐射的增强，大气对流层内垂直对流运动增强，利于污染物的扩散[11]。
春季PM2.5浓度在11:00~17:00时之间都处于低值水平，冬季15:00时达到一天中的最低值。
下午随着太阳辐射的减弱，边界层高度逐渐降低，风速变小，致使污染物不断累积；此外，傍晚集中供暖和交通量增加，也在一定程度上加剧了PM2.5的累积，使得在01:00时又出现一个峰值，且冬季时夜间峰值高于上午峰值。
夜间湿度增大使得重力沉降作用增强，加之人类活动的减少，使得PM2.5平均浓度逐渐下降，春季06:00时达到一天中的最低值，冬季则后移2小时。
夏秋季上午峰值均出现在10:00时，最强峰值夏季在17:00时，秋季在20:00时出现，夏季谷值分别出现在06:00时和12:00时，秋季则略晚在07:00时和15:00时，且上午小时谷值最低。
PM2.5浓度日较差春季最小、冬季最大。
3.4.日变化相关性分析 野鸭湖站PM2.5日均浓度与相对湿度和气压呈正相关，与气温和风速呈负相关。
气象参数对PM2.5的重要程度依次为：相对湿度>气温>风速>气压，见表
3。
研究结果显示，相对湿度对PM2.5日均浓度的影响最显著且显正相关性。
相对湿度大，大气颗粒物能吸收更多的水分子，凝聚增重粒径变大，致使污染 物不易扩散。
PM2.5日均浓度随着温度的升高而降低，这是因为气温升高利于混合层高度的提升，使得大气在竖直方向上更易扩散，从而污染物浓度降低[12]。
Table3.PearsoncoefficientbetweenPM2.5massconcentrationandmeteorologicalfactors表
3.PM2.5浓度与气象要素之间的Pearson相关系数 日均浓度PM2.5 气温−0.088** 相对湿度0.176** 气压0.010** 风速−0.049** 一般来说[13]，气压与颗粒物浓度显负相关。
是由于低气压场天气形势下经常出现静风，且多有低云阻挡，间接造成空气中污染物不易垂直扩散，使得颗粒物不断累积；而高压天气颗粒物易向外和向上走向高空扩散，颗粒物浓度会降低。
但是本研究发现，野鸭湖站气压与PM2.5日均浓度成正相关，该站三面环山，仅西面与官厅水库接壤，是属于相对清洁的区域，污染物主要来自于其东北部城区及乡镇[14]，这说明低气压时大气的区域输送能力较差，因此不利于该站PM2.5浓度的输送。
3.5.季变化相关性分析 野鸭湖站四季分明，因而不同季节下气象条件对该站颗粒物浓度影响不同。
分别研究各季中PM2.5浓度与气压、气温、相对湿度和风速4个气象因素的相关性。
Table4.PearsoncoefficientbetweenPM2.5massconcentrationandmeteorologicalfactorsindifferentseasons表
4.不同季节PM2.5浓度与气象要素之间的Pearson相关系数 各季平均浓度 气温 PM2.5-春季PM2.5-夏季PM2.5-秋季PM2.5-冬季 −0.035**0.162**−0.018−0.204** **：在0.01水平上显著相关；*：在0.05水平上显著相关。
相对湿度0.249**0.077**0.155**0.396** 气压0.0440.180**−0.039**0.078** 风速−0.112**−0.021−0.092**−0.231** DOI:rl.2020.93025 212 气候变化研究快报 杨静超等 整体来看，冬季近地面层大气环境较稳定，PM2.5浓度与气象因素的相关性在四季中较高[6]。
表4显示，各季中PM2.5浓度与相对湿度和风速呈正相关和负相关，但气温和气压表现不同，除秋季外各季PM2.5浓度与气压显正相关，除夏季外各季PM2.5浓度与气温呈负相关。
若以相关系数的大小来表征，则可以看出，春季：相对湿度>风速>气温>气压；夏季：气压>气温>相对湿度>风速；秋季：相对湿度>风速>气压>气温；冬季：相对湿度>风速>气温>气压。
在主要影响因素方面，春季、秋季和冬季影响PM2.5浓度的主要是相对湿度且呈正相关，这说明PM2.5浓度随着相对湿度的升高而上升，主要是由于空气中水汽多但是为非降水天气时，水汽可使PM2.5在空气中停留，致使污染物浓度升高；当出现降水天气时，降水将大气中的污染物夹带、溶解或冲刷下来，致使污染物浓度降低。
夏季则是气压占主导因素呈正相关，野鸭湖站夏季气压最低，湿度和气温最高，风速小，如上文所述野鸭湖站本地污染物少，低气压时不利于PM2.5向该地输送。
除主要影响因素外，春季、秋季和冬季均是风速对PM2.5浓度呈现较显著的负相关。
这是因为风速的大小决定了对污染物冲淡稀释作用的大小。
根据监测数据显示，野鸭湖站春季平均风速为1.8.0m/s，冬季为1.77m/s，秋季为1.35m/s，监测站位于野鸭湖湿地公园内，高大植被较少，较大的风速有利于污染物的稀释和扩散。
Figure4.ThewinddirectionfrequencyandPM2.5concentrationsofeachwinddirectionindifferentseasons图
4.不同季节风向频率及PM2.5浓度在各个风向上的统计对比 DOI:rl.2020.93025 213 气候变化研究快报 杨静超等 3.6.PM2.5浓度与风向的关系 污染物从污染源排入大气后就沿风向运动，低层大气中的风向将直接影响污染物的扩散方向，风在对污染物起到输送作用的同时还对其有扩散稀释作用[15]。
由上述分析可以发现，野鸭湖站PM2.5浓度的季节变化和日变化均受到不同程度区域输送的影响。
因此，可以对PM2.5浓度与风向之间的关系进行分析，以便了解局地和区域污染物对该站输送的影响。
为此，选取了各季中野鸭湖站风频和PM2.5浓度在各个风向上的统计情况进行定性分析，见图
4。
从图4(a)和图4(b)可以看出，野鸭湖站盛行东北风和西南风，春季东北风与西南风势力相当，夏秋季盛行东北风，冬季偏西风占主导优势。
PM2.5浓度和风向的相关关系非常明显，图3(c)和图3(d)显示22.5˚~135.0˚区域之间对应的PM2.5平均浓度为52.7μg·m−3浓度较高，而225.0˚~270.0˚对应的PM2.5平均浓度仅为25.4μg·m−
3。
不论风向随季节怎样变化，野鸭湖站东北风(45˚)和东北偏东风(67.5˚)带来的PM2.5浓度一直处于较高水平，并且在冬季达到最高PM2.5浓度为86.7μg·m−3左右，春季和秋季次之，夏季PM2.5浓度最低但也维持在40μg·m−3上下。
西南偏西风(247.5˚)控制下PM2.5浓度在各季节中达到最低，春季表现最高也只有24.1μg·m−
3，春夏冬季则在22.0μg·m−3左右，其中夏季最低。
这说明野鸭湖地区PM2.5浓度主要受来自西东北部城区污染输送的影响，西南偏西风携带的PM2.5浓度最少。
这与野鸭湖的地理位置有关，野鸭湖北靠燕山、南临太行，东南是八达岭长城，仅西面是地势平缓的官厅水库，因此当东北风和东北偏东风控制时，污染物多来源于东部城镇和乡村，而受城区远程输送翻山气流影响较少。
此外，各季静风时PM2.5平均浓度在48.0μg·m−3左右，这说野鸭湖地区存在一定的局地排放源。
通过分析得出，东北风输送是野鸭湖颗粒物污染的重要原因之
一，东北气流易产生污染物累积，降低空气质量，而西南气流则为较为洁净的气团，利于清除污染物，同时观测点也受本地源影响。

4.结论 1)从3年(2014~2016年)统计结果来看，野鸭湖站PM2.5年均浓度为40μg·m−
3，PM2.5浓度显逐年降低趋势，超标比例下降了61.6%。
PM2.5污染夏季最轻，春秋次之，冬季最重，各月中PM2.5浓度2月达到峰值为55.30μg·m−3，9月为谷值浓度为25.32μg·m−
3。
2)各季PM2.5浓度日变化大致显双峰型分布，各季出峰时间及强度有所不同，冬春季双峰型较为明显。
最高值春季出现在08:00时，冬季为01:00时，夏季为17:00时，秋季为20:00时；最低值春夏季出现在06:00时，秋季后延1小时，冬季则出现在15:00时。
3)PM2.5日均浓度与相对湿度和气压呈正相关，与气温和风速成呈相关。
气象参数对PM2.5的重要程度依次为：相对湿度>气温>风速>气压。
四季中，PM2.5在夏季与气温呈正相关，秋季与气压显负相关，其余与日浓度表现一致。
冬季PM2.5浓度与气象因素的相关性最高，影响程度上春季和冬季一致为：相对湿度>风速>气温>气压；夏季为：气压>气温>相对湿度>风速；秋季为：相对湿度>风速>气压>气温。
4)野鸭湖站PM2.5浓度受本地源和外来源的共同影响，22.5˚~135.0˚区域对应的PM2.5浓度较高，而225.0˚~270.0˚对应的PM2.5平均浓度较低。
不论风向随季节怎样变化，野鸭湖站东北风(45˚)和东北偏东风(67.5˚)带来的PM2.5浓度一直处于较高水平，西南偏西风(247.5˚)控制下PM2.5浓度在各季节中达到最低。
基金项目 北京市延庆区2016年优秀人才培养资助项目“2019年世园会和2022年冬奥会环境气象保障人才培养项目”；北京市气象局科技项目，项目编号BMBKJ201701015。
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