“十一五”時(shí)期烏魯木齊市大氣污染特征及影響因素分析

李 軍，呂愛華，李建剛

烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測中心站，新疆 烏魯木齊 830001

由于工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口數(shù)量顯著增長，能源消費(fèi)迅速增加，大氣污染已成為影響中國城市環(huán)境質(zhì)量、居民健康和可持續(xù)發(fā)展的重要問題。“十一五”期間，2010年全國SO2排放量比 2005 年下降 14.29%［1］，SO2和PM10濃度持續(xù)下降，但O3和細(xì)粒子(PM2.5)污染問題日益突出，部分地區(qū)大氣污染呈現(xiàn)由單一的煤煙型污染向復(fù)合型大氣污染轉(zhuǎn)型［2-3］。2010年113個(gè)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市中空氣質(zhì)量未達(dá)標(biāo)(達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)和劣于三級標(biāo)準(zhǔn))城市占26.5%［1］。

烏魯木齊市位于歐亞大陸腹地，城市周邊東、西、南三面環(huán)山，北部是沖積平原，地形呈喇叭口形，地勢東南高，西北低。城市氣候?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂颍瑫円箿夭畲?，寒暑變化劇烈，全年降水主要集中?—9月［4］。冬季常出現(xiàn)靜風(fēng)、穩(wěn)定高壓、大霧、逆溫等天氣現(xiàn)象［5-6］。特殊的地形和氣象條件對于污染物擴(kuò)散、傳輸、沉降和去除非常不利，對冬季重污染天氣形成有重要影響。2004年1月1—11日連續(xù)11 d空氣質(zhì)量維持在4級或5級，出現(xiàn)中、重度污染［7］。2007 年［8］、2009 年［9］冬 季 PM2.5濃 度 分 別 為0.187、0.233 mg/m3，遠(yuǎn)高于西安、蘭州等西北城市冬季濃度水平［10-11］。機(jī)動(dòng)車排放和采暖燃煤產(chǎn)生的黑碳是烏魯木齊市冬季顆粒物重要組成部分，對PM2.5的貢獻(xiàn)可達(dá)8.2%。冬季PM10峰值往往對應(yīng)近地面風(fēng)場風(fēng)向轉(zhuǎn)變和低風(fēng)速情況［12］。以原煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和長達(dá)半年的采暖期，致使冬季PM10、SO2和NO2等主要污染物濃度遠(yuǎn)大于夏季［13］。

“十一五”時(shí)期烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)社會平穩(wěn)較快發(fā)展，2010年國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、建成區(qū)面積、機(jī)動(dòng)車保有量比2006年分別增加95.8%、45.4%和78.7%，萬元GDP能耗下降9.57%［14］。在此背景下，烏魯木齊市大氣污染狀況出現(xiàn)了哪些變化，大氣污染治理與污染物減排對空氣質(zhì)量有何影響，這些問題的科學(xué)回答將為今后烏魯木齊市的大氣污染治理工作提供重要借鑒和參考。筆者分析了“十一五”期間(2006—2010年)烏魯木齊市大氣污染變化特征，從源排放和氣象條件兩方面深入討論空氣質(zhì)量變化的原因，對2006—2010年的大氣污染治理措施實(shí)施效果進(jìn)行了評估。

1 數(shù)據(jù)來源和方法

1.1 主要空氣污染物自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

選取烏魯木齊市3個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，從北向南依次為鐵路局(城北)、監(jiān)測站(城中)和收費(fèi)所(城南)，3個(gè)站點(diǎn)之間相距大約7 km(圖1)。

1.2 氣象觀測與經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)

烏魯木齊市2006—2010年地面氣象日值數(shù)據(jù)從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載，具體氣象要素包括平均本站氣壓、日最高本站氣壓、日最低本站氣壓、平均風(fēng)速、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對濕度、日降水量和日照時(shí)數(shù)等。

能源消費(fèi)、機(jī)動(dòng)車數(shù)量、工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從烏魯木齊市統(tǒng)計(jì)年鑒［14］獲得。

圖1 烏魯木齊市空氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

污染物濃度時(shí)間變化趨勢采用Daniel趨勢檢驗(yàn)方法［15］。對不同污染物濃度年際間波動(dòng)(離散系數(shù)，Cv)差異顯著性的檢驗(yàn)利用非參數(shù)的Siegel-Turkey秩離散性檢驗(yàn)［16］完成。

采暖季為每年的1月1日—4月15日、10月15日—12月31日，非采暖季為每年的4月16日—10月14日。大氣污染物濃度超標(biāo)情況比對參照《國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)［17］。

統(tǒng)計(jì)分析采用Excel2007軟件和Origin8.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要大氣污染物濃度時(shí)間變化特征

2.1.1 SO2、PM10、NO2濃度變化趨勢

“十五”與“十一五”時(shí)期烏魯木齊市主要空氣污染物的濃度變化趨勢及其比較結(jié)果如圖2所示。

圖2 “十五”與“十一五”時(shí)期烏魯木齊市主要空氣污染物濃度變化比較

與“十五”比較，“十一五”時(shí)期 PM10和 SO2年均濃度分別下降1.7%和10.3%，采暖季下降尤為明顯，分別達(dá)到2.2%和21.9%，而非采暖季PM10和SO2濃度均值都與“十五”同期相當(dāng)。出現(xiàn)這一變化的最重要原因是“十一五”時(shí)期烏魯木齊市全面實(shí)施和完成了SO2減排工程，減排的主要對象是電力生產(chǎn)、集中供熱企業(yè)和分散燃煤鍋爐，并推廣使用清潔能源供熱，有效減少了燃煤污染物排放量。

“十一五”時(shí)期NO2年均濃度比“十五”時(shí)期升高8.9%，與PM10和SO2降低的趨勢相反，非采暖季較“十五”時(shí)期增幅最大，達(dá)到11.7%，采暖季增幅為7.5%。NO2的濃度不降反升的原因與2006—2010年機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加以及燃煤設(shè)施(特別是電力行業(yè))尚未啟動(dòng)脫氮治理有關(guān)。“十一五”時(shí)期烏魯木齊共新增機(jī)動(dòng)車16.7萬余輛，2010年機(jī)動(dòng)車保有量是2005年的2.1倍。新增燃煤發(fā)電總量268×104kw/h，是“十五”發(fā)電總量的 1.66 倍［14］。

2.1.2 SO2、PM10、NO2年均濃度變化

“十一五”時(shí)期，烏魯木齊市主要空氣污染物濃度的年均變化情況如圖3所示。

圖3 “十一五”期間烏魯木齊市主要空氣污染物濃度變化

SO2是形成酸雨和PM2.5的重要一次污染物，主要來源于燃煤排放。由于煤燃燒產(chǎn)生的SO2要遠(yuǎn)高于其他燃料［18］，通過對單一的燃煤源進(jìn)行重點(diǎn)治理，城市SO2濃度明顯下降［19］。由圖3可以看出，“十一五”時(shí)期烏魯木齊市大氣中SO2濃度呈下降趨勢，2010年SO2年均濃度較2006年低21.2%，但2006—2010年的SO2年均濃度仍超過《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)二級標(biāo)準(zhǔn)(0.06 mg/m)的0.47～0.88倍，大于同期PM10的超標(biāo)倍數(shù)，說明烏魯木齊市大氣污染屬于典型的煤煙型污染。

對SO2、PM10、NO2等污染物濃度年際間波動(dòng)情況進(jìn)行非參數(shù)的Siegel-Turkey秩離散性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2006—2010年間SO2的Cv值為0.11，年際間波動(dòng)明顯大于 PM10(Cv為0.053，P＜0.01)和NO2(Cv為0.025，P＜0.05)。在同一時(shí)期的氣象條件下，SO2和PM10濃度年際間波動(dòng)的顯著差異可能說明這2種污染物的排放強(qiáng)度發(fā)生了重要變化，造成年際間濃度水平波動(dòng)差異。“十一五”期間，SO2排放量有明顯降低，減排量大于6×104t，但脫硫工程投用時(shí)間存在年度差異;PM10由于來源廣泛，治理連續(xù)，其排放量變化相對平緩。

城市大氣環(huán)境中PM10主要來自化石燃料燃燒、機(jī)動(dòng)車排放、工業(yè)活動(dòng)、建筑施工、道路揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵、生物質(zhì)燃燒及二次氣溶膠粒子等［20-21］。2006—2010年 PM10濃度呈下降趨勢，2010年濃度比2006年下降12.5%，年際間波動(dòng)明顯小于SO2。5年間PM10年均濃度為0.133～0.152 mg/m3，超過二級標(biāo)準(zhǔn)(0.10 mg/m3)33%～52%，也明顯高于全國大部分重點(diǎn)城市2006、2007年的濃度水平［22］，是影響烏魯木齊市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物。

城市中火力發(fā)電、汽車尾氣等排放源對NO2濃度有很大貢獻(xiàn)，使得中心城區(qū)NO2濃度顯著高于郊區(qū)［23-24］?！笆晃濉睍r(shí)期NO2年均濃度有升高趨勢，2010年NO2濃度比2006年增加4.7%，但年際間變化較小，Cv為0.025。2006—2010年NO2年均濃度比二級標(biāo)準(zhǔn)(0.08 mg/m3)低20% ～15%，是唯一達(dá)標(biāo)的主要空氣污染物。

2.1.3 SO2、PM10、NO2濃度季節(jié)變化

“十一五”時(shí)期烏魯木齊市主要空氣污染物濃度季節(jié)變化趨勢如表1和圖4所示。

表1 “十一五”期間烏魯木齊市主要空氣污染物濃度變化趨勢(秩相關(guān)系數(shù))

圖4 采暖季與非采暖季空氣污染物濃度

“十一五”時(shí)期SO2濃度在采暖季和非采暖季均呈下降趨勢，這與“十一五”時(shí)期實(shí)施SO2減排密切相關(guān)。2006—2010年采暖季SO2濃度在0.150～0.195 mg/m3，超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)1.5～2.3倍;非采暖季 SO2濃度均達(dá)標(biāo)，為0.021～0.031 mg/m3。采暖燃煤的大量消費(fèi)是造成烏魯木齊市采暖季高濃度SO2出現(xiàn)的重要原因，也突顯了冬季特殊氣象條件下的煤煙型大氣污染特征。

“十一五”時(shí)期PM10濃度在采暖季下降顯著(P＜0.05)，濃度為0.167～0.232 mg/m3，超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)67% ～132%。采暖季PM10的主要來源為煤煙塵、二次轉(zhuǎn)化形成粒子［9］，此外，揚(yáng)塵和機(jī)動(dòng)車尾氣排放也有貢獻(xiàn)?！笆晃濉逼陂g，烏魯木齊市通過逐年消減分散燃煤排放源，實(shí)施煙塵治理，提高燃煤使用效率，調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等綜合措施，降低了采暖季燃煤煙塵排放強(qiáng)度;同時(shí)SO2大幅減排，減少了二次粒子硫酸鹽形成的前體物來源，燃煤對PM10濃度的貢獻(xiàn)率被進(jìn)一步降低。非采暖季PM10濃度為0.063～0.098 mg/m3，雖未超標(biāo)但逐年呈升高趨勢，且逐漸接近二級標(biāo)準(zhǔn)。在非采暖季，PM10主要來自揚(yáng)塵、建筑水泥塵、燃煤塵、機(jī)動(dòng)車尾氣等。2006—2010年建成區(qū)面積、城市基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)動(dòng)車數(shù)量等迅速增加［14］，致使非采暖季大氣中顆粒物人為排放源逐年增多。非采暖季PM10濃度逐年升高的趨勢與SO2相反，但與 NO2一致，且非采暖季 PM10與NO2顯著相關(guān)(秩相關(guān)系數(shù)為0.975，P＜0.01)，也說明了機(jī)動(dòng)車尾氣是非采暖季PM10重要來源之一。

各年采暖季 NO2濃度為 0.075～0.085 mg/m3，其中2007、2009年超標(biāo);各年非采暖季濃度都滿足國家二級標(biāo)準(zhǔn)要求。2006—2010年采暖季與非采暖季NO2濃度都有逐年升高趨勢，其中2010年非采暖季濃度較2006年同期升高10%，明顯大于年均濃度和采暖季濃度升幅，說明2006—2010年NO2濃度的升高受非采暖季影響更突出。燃煤是采暖季NO2濃度高于非采暖季的重要因素，但NO2采暖季與非采暖季濃度比值明顯低于SO2、PM10。一方面說明除燃煤源外，機(jī)動(dòng)車排放是烏魯木齊市NO2的重要來源;另一方面表明，冬季采暖季氣象條件與非采暖季相比，并不利于NO轉(zhuǎn)化生成NO2。盡管反應(yīng)物NO濃度增加明顯，但冬季大氣輻射減弱，低紫外輻射強(qiáng)度下光化學(xué)反應(yīng)速率較低，從而降低了NO向NO2轉(zhuǎn)化［25-26］。

2.2 氣象條件對大氣污染變化的影響

采暖季是烏魯木齊市一年中大氣污染最為嚴(yán)重、空氣質(zhì)量最差的時(shí)段，重點(diǎn)分析2006—2010年采暖季氣象條件特征以及相應(yīng)氣象背景下污染物濃度響應(yīng)和變化。

2.2.1 氣象條件變化特征

2006—2010年采暖季烏魯木齊市氣象條件變化特征如圖5所示。

風(fēng)是邊界層內(nèi)影響污染物擴(kuò)散的重要?jiǎng)恿σ蜃樱瑢Υ髿馕廴疚锏乃较♂尯洼斔推鹬饕饔茫?7］。由圖 5可見，2006—2010年采暖季中，2007、2008、2010年平均風(fēng)速較大，為 1.95～1.97 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差 0.70 ～0.80 m/s;2006、2009 年風(fēng)速最低，波動(dòng)較小，平均風(fēng)速分別為1.84、1.89 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.57、0.68 m/s。各年采暖季風(fēng)速頻率分布顯示，2009年出現(xiàn)靜風(fēng)(≤0.5 m/s)和小風(fēng)［28］(0.5 ～1.5 m/s)的頻率最高，達(dá)到30.6%，有56 d，其余年份為42～45 d。

烏魯木齊冬季逆溫多發(fā)，平均月發(fā)生頻率達(dá)到92%，地面常有穩(wěn)定積雪，雪面蒸發(fā)及降雪天氣提供了充足的水汽，良好的濕度條件也有利于大霧天氣形成［29-30］。由圖 5可見，2006、2009 年采暖季平均相對濕度為2006—2010年最高，分別是71.2%和69.4%。日平均濕度超過80%的天數(shù)分別有 55、59 d，而 2007、2008、2010 年采暖季分別是 44、35、43 d。2006—2010年采暖季高濕度天數(shù)的年際分布與低風(fēng)速日相似。大霧是采暖季重污染天氣形成的重要因素之一［5］，全年大霧主要出現(xiàn)在冬季采暖季(11月—次年3月)，占全年總大霧天數(shù)的98%［30］。在烏魯木齊冬季低風(fēng)速、高濕度、多逆溫和大霧的天氣條件下，大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，限制了混合層的發(fā)展，非常不利于污染物的垂直擴(kuò)散和水平輸送，易造成污染物積聚。

降水是大氣污染物(顆粒物或氣體)去除及沉降的重要機(jī)制［31］。烏魯木齊采暖季的降水主要以降雪形式發(fā)生，也有降雨存在。研究表明降雨及小量以上的降雪對烏魯木齊主要大氣污染物均有濕清除作用［5，32］。由圖 5 可見，2006—2010年各年采暖季總降水量為71.3～173.20 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為42.0 mm，降水年際間分布極為不均，對同時(shí)期污染物的濕沉降去除影響較為明顯。其中2006、2009年采暖季降水量及降水天數(shù)(日降水量≥0.3 mm)都較為接近，分別為 127.5、132.8 mm和39、36 d。2010年為 2006—2010年采暖季降水量最大，降水天數(shù)最多的年份(達(dá)到44 d)，2007、2008年降水量和降水天數(shù)相當(dāng)，為5年中最小。

冷空氣入侵是烏魯木齊冬季常見的天氣現(xiàn)象，最強(qiáng)的冷空氣活動(dòng)是寒潮天氣，伴隨劇烈降溫和大風(fēng)，有時(shí)伴有雨、雪，對污染物擴(kuò)散、沉降極為有利。2006—2010年間采暖季平均溫度最低值出現(xiàn)在2010年，為－4.36℃，寒潮天氣有5次;平均溫度最高年份是2007年，為－2.01℃，發(fā)生了3次寒潮天氣。2006、2009年采暖季氣溫均值較為接近，分別是－2.88和－2.86℃，標(biāo)準(zhǔn)差為8.91、8.97℃，都有2次寒潮天氣過程，且中等強(qiáng)度以上冷空氣活動(dòng)頻率也相近。

2.2.2 污染物濃度變化原因

2006—2010年采暖季氣象條件差異較明顯。2010年風(fēng)速、降水、冷空氣等氣象條件最有利于污染物擴(kuò)散和沉降，而2006、2009年采暖季多出現(xiàn)低風(fēng)速、高濕度、低空逆溫的穩(wěn)定天氣，易造成污染物在近地層積聚。進(jìn)一步比較2006、2009年采暖季氣象條件發(fā)現(xiàn)，相對濕度、降水量、氣溫、冷空氣活動(dòng)等氣象因素均值水平較為接近并且頻率分布相似，同時(shí)在風(fēng)速均值水平相當(dāng)?shù)那闆r下，2009年靜風(fēng)和小風(fēng)天數(shù)比2006年還多14 d，更不利于污染物擴(kuò)散。在此氣象背景下，2009年采暖季SO2和PM10濃度卻比2006年同期分別下降18.5%和12.9%，說明SO2減排和燃煤煙塵治理作用較大，氣象條件的影響相對較小。與此相反，2009年采暖季NO2濃度較2006年升高9%，主要與機(jī)動(dòng)車保有量快速增加、燃煤電廠氮氧化物治理滯后等因素有關(guān)，且從另一角度說明SO2和PM10濃度的下降受氣象因素作用較小。

圖5 2006—2010年采暖季烏魯木齊市風(fēng)速、降水、相對濕度變化

3 結(jié)論

1)“十一五”時(shí)期PM10和SO2年均濃度分別比“十五”時(shí)期下降1.67%和10.3%，采暖季下降尤為明顯，分別達(dá)到2.2%和21.9%，而非采暖季濃度與“十五”同期相當(dāng)。NO2年均濃度比“十五”時(shí)期升高8.9%，變化趨勢與PM10和SO2相反，非采暖季增幅最大，達(dá)到11.7%，而采暖季為7.5%。

2)“十一五”時(shí)期PM10、SO2年均濃度整體呈下降趨勢，PM10濃度 2010年較 2006年降低12.5%;SO2濃度下降21.2%;NO2濃度有升高趨勢，2010年濃度較2006年增加4.7%。非采暖季PM10、SO2和NO2濃度均達(dá)標(biāo)，空氣質(zhì)量良好，但PM10和NO2濃度有升高趨勢;采暖季SO2超標(biāo)1.5～2.3倍，PM10超標(biāo)0.67～1.3倍，空氣污染嚴(yán)重，煤煙型污染特征典型，但SO2和PM10超標(biāo)倍數(shù)在逐年減小。

3)“十一五”期間污染源管控(特別是減排工程實(shí)施)是SO2和 PM10濃度下降的主要原因，而氣象條件對此影響相對較小。NO2濃度升高主要與機(jī)動(dòng)車保有量逐年增加和氮氧化物治理啟動(dòng)滯后有關(guān)，應(yīng)強(qiáng)化相關(guān)環(huán)境管理工作。

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