喀什市大氣顆粒物污染特征與影響因素分析

張凱歡 謝海燕* 李新琪

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830000；2. 新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，新疆烏魯木齊 830000）

1 引言

霧霾、沙塵等天氣的出現(xiàn)，給人們的正常生活生產(chǎn)帶來了一定的影響［1］，特別是京津冀等發(fā)達(dá)地區(qū)及西北沙漠緣區(qū)［2-3］。顆粒物的大量增加不但會(huì)使大氣能見度降低，影響交通安全，還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，主要表現(xiàn)為心腦血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及心理健康問題等［4-5］。目前，針對(duì)大氣顆粒物（PM2.5，PM10）污染的研究主要集中在對(duì)中部及沿海等人口密集地區(qū)顆粒物的化學(xué)成分、污染趨勢(shì)等方面［6-8］，且對(duì)于西北干旱區(qū)和半干旱區(qū)的研究也多集中在大范圍內(nèi)沙塵氣溶膠的傳輸上，而對(duì)城區(qū)內(nèi)大氣顆粒物的污染及其影響的研究則相對(duì)較少［9-10］。因此，從關(guān)注大氣污染治理、沙塵天氣預(yù)防等角度，開展喀什市大氣顆粒物污染特征研究顯得尤為必要。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（http：//106.37.208.233：20035/）公布的2015—2019 年喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)24 h 逐時(shí)數(shù)據(jù)，地面氣象數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓、能見度）來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次研究利用Origin 軟件對(duì)大氣顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行作圖分析，利用SPSS 軟件對(duì)大氣顆粒物及影響因素的相關(guān)性和回歸性進(jìn)行分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣顆粒物變化特征分析

3.1.1 顆粒物年均變化特征

喀什市PM2.5，PM10年均質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)如圖1 所示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，2015—2019 年5 年內(nèi)喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5，PM10年均質(zhì)量濃度均高于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（PM2.5：35 μg/m3；PM10：70 μg/m3）［11］，PM2.5，PM10為大氣首要污染物。5 年內(nèi)PM10年均質(zhì)量濃度變化較大，整體呈“M”狀，出現(xiàn)了2 次峰值，分別在2016 年和2018年，濃度對(duì)應(yīng)為291 μg/m3和327 μg/m3，高于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值4.2 倍和4.7 倍。這主要是受到沙塵天氣的影響，位于我國(guó)西北地區(qū)的喀什植被稀少，氣候干燥少雨，地表疏松，沙塵天氣極易發(fā)生，沙塵天氣發(fā)生時(shí)大氣顆粒物濃度顯著升高［12］。

圖1 2015—2019 年喀什市PM10 和PM2.5 年均濃度達(dá)標(biāo)情況

圖2 為2015—2019 年喀什市大氣顆粒物污染情況統(tǒng)計(jì)。

圖2 2015—2019 年喀什市大氣污染情況統(tǒng)計(jì)

近幾年P(guān)M10的超標(biāo)率變化趨勢(shì)與PM10年均污染值變化相同，均在50%以上且在2016 年及2018年處于較高值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016 年和2018 年喀什市污染天數(shù)的占比均大于其余年份，分別達(dá)到78.63%和76.71%。尤其是吾辦監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在2016 年P(guān)M10年均質(zhì)量濃度超過300 μg/m3，這主要是因?yàn)槭艿降乩砦恢玫挠绊?，受到大氣污染時(shí)人口較多的市區(qū)內(nèi)顆粒物受到建筑物及植物的阻擋容易滯留不易擴(kuò)散，導(dǎo)致大氣顆粒物污染程度大于其余兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)?？κ彩薪? 年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度變化整體呈下降趨勢(shì)，2016 年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度為129 μg/m3，是5 年內(nèi)的峰值，高出國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值4.2 倍。自2016年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度整體呈下降趨勢(shì)，在2019 年下降到85.0 μg/m3，相較2016 年峰值下降了34.1%。其中，吾辦近5 年P(guān)M10質(zhì)量濃度有所下降。

3.1.2 顆粒物月均變化特征

圖3 為2015—2019 年喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM10和PM2.5的月均質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)。

圖3 喀什市PM10 和PM2.5 質(zhì)量濃度月變化

喀什地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，城市空氣質(zhì)量的變化極易受到沙塵的影響，因此顆粒物濃度的變化存在著明顯的季節(jié)特征。由圖3 可知，喀什3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣顆粒物的月變化特征大致相同，呈“U”型，PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度均在3 月達(dá)到了全年的峰值487 μg/m3和176 μg/m3，自3 月起顆粒物質(zhì)量濃度逐漸下降，在6 月達(dá)到最低值，直到9 月顆粒物質(zhì)量濃度一直持續(xù)在一個(gè)較低的水平。9 月之后顆粒物質(zhì)量濃度開始回升，在次年的2 月達(dá)到又一峰值。這主要是因?yàn)榇杭荆?—5 月）空氣質(zhì)量受到自然源的影響，喀什主要受到沙塵天氣的影響，顆粒物質(zhì)量濃度會(huì)大幅度升高；到了夏季（6—8 月）能源消耗較少，人為污染排放較少，空氣質(zhì)量受到自然氣候的影響，大氣條件活躍，對(duì)大氣中的顆粒物具有一定的稀釋作用；到了秋冬季節(jié)（9—11 月、12 月—次年2 月）空氣質(zhì)量主要受到人為源的影響，喀什處于采暖季，燃煤量增加且多處于靜風(fēng)逆溫天氣，使得顆粒物質(zhì)量濃度回升到較高的水平。

3.1.3 顆粒物季節(jié)變化特征

圖4 為喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不同季節(jié)顆粒物超標(biāo)率情況。

圖4 喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不同季節(jié)顆粒物超標(biāo)率

由圖4 可知，喀什市在春季和冬季顆粒物污染最為嚴(yán)重，夏季為全年空氣質(zhì)量較好的時(shí)段。從空間上來看，相較于巡警大隊(duì)和市環(huán)境監(jiān)測(cè)站站點(diǎn)，位于喀什市中心的吾辦污染最為嚴(yán)重，這主要是因?yàn)槭袇^(qū)人口多且聚集，逆溫，顆粒物不易擴(kuò)散。

3.1.4 顆粒物日均變化特征

2015—2019 年喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5和PM10日均濃度變化曲線見圖5。

圖5 2015—2019 年喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站總PM2.5，PM10 日均濃度達(dá)標(biāo)情況

2015—2019 年喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)顆粒物濃度超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 2015—2019 年喀什市3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)顆粒物日均濃度超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)分析

總體來看，PM2.5超標(biāo)率為吾辦＞巡警大隊(duì)＞市環(huán)境監(jiān)測(cè)站；PM10超標(biāo)率為吾辦＞市環(huán)境監(jiān)測(cè)站＞巡警大隊(duì)。污染最為嚴(yán)重的是吾辦監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，市環(huán)境監(jiān)測(cè)站與巡警大隊(duì)的污染水平大致相同。從空間層面上來看，針對(duì)PM10的污染特征，吾辦監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于喀什市區(qū)，人口眾多，人類活動(dòng)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)車源較多，受到人為源的影響較大，且受到周圍建筑的影響，氣流活動(dòng)較少，極易造成大多數(shù)顆粒物的聚集沉淀，污染最為嚴(yán)重。市環(huán)境監(jiān)測(cè)站位于喀什南部，靠近塔克拉瑪干沙漠，受到沙塵天氣的影響，表現(xiàn)出以PM10污染為主，而居于喀什北部的巡警大隊(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)受到的影響相對(duì)較小。針對(duì)PM2.5的污染特征，位于喀什北部的巡警大隊(duì)位于工業(yè)區(qū)，主要受到化工廠污染氣體排放的影響，表現(xiàn)出以PM2.5污染為主。

3.1.5 典型時(shí)期顆粒物變化特征

基于前面對(duì)顆粒物季節(jié)分布規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)春季因受到沙塵天氣的影響污染極為嚴(yán)重，圖6 選取了近幾年來市區(qū)站點(diǎn)發(fā)生典型沙塵天氣時(shí)顆粒物的變化規(guī)律。沙塵起止時(shí)間判定方法參考《受沙塵天氣過程影響城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)補(bǔ)充規(guī)定》［13］。以PM10濃度和PM2.5/PM10比值來判斷該地區(qū)是否受到沙塵污染影響，將PM10日均濃度＞150 μg/m3，且PM2.5/PM10比值≤0.30 認(rèn)定為春季有沙塵日［14-15］。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沙塵天氣發(fā)生的時(shí)段多為中午或傍晚，主要是因?yàn)槭艿疆?dāng)?shù)貧夂虻挠绊?，隨著氣溫的下降，產(chǎn)生空氣對(duì)流，容易帶起地面沙塵顆粒物。且沙塵天氣發(fā)生時(shí)，顆粒物質(zhì)量濃度陡增，PM2.5/PM10值下降。由此可見，沙塵天氣是PM10的主要貢獻(xiàn)源。如2015 年4 月29 日喀什市發(fā)生的沙塵天氣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，顆粒物濃度上升快，在短時(shí)間內(nèi)PM10濃度由1 027 μg/m3升到了10 000 μg/m3，上升了約9.7 倍。沙塵天氣于29 日08：00 發(fā)生，12：00 濃度達(dá)到頂峰后，在29 日19：00 開始緩慢下降，直至5 月1 日05：00 沙塵天氣結(jié)束，顆粒物質(zhì)量濃度回歸到之前水平。發(fā)生沙塵天氣時(shí)PM2.5/PM10的比值在0.075 1～0.297 6 之間浮動(dòng)，相較于沙塵天氣發(fā)生時(shí)PM10的污染，PM2.5污染受到沙塵天氣的影響較小。

圖6 喀什市典型沙塵天氣顆粒物質(zhì)量濃度

3.2 大氣顆粒物質(zhì)量濃度之間線性回歸分析

大氣顆粒物的污染程度受到研究區(qū)域地理位置、氣象條件、人類活動(dòng)等諸多因素的影響，但通過研究不同粒徑顆粒物的污染特征對(duì)研究顆粒物的來源具有一定的指導(dǎo)意義。PM2.5/PM10比值經(jīng)常被用來作為判定大氣顆粒物中PM2.5對(duì)PM10貢獻(xiàn)程度的重要指標(biāo)［16］。圖7 為喀什市每月內(nèi)PM2.5/PM10比值變化。由圖7 可見，喀什市PM2.5/PM10比值在不同的月份差異較大，且在0.26～0.57 之間變化，平均值為0.37。徐敬等通過對(duì)國(guó)外幾個(gè)大型城市關(guān)于顆粒物的報(bào)道總結(jié)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大氣污染較輕的城市PM2.5/PM10的比值一般為0.3～0.5，空氣污染較重的城市其比值可達(dá)到0.5～0.7 之間［17］。因此，喀什市屬于污染較重的城市，尤其在4 月和12 月比值處于兩個(gè)極端。4 月是喀什的春季，地表土質(zhì)疏松，氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，受到沙塵天氣的影響主要以PM10污染為主；12月是喀什的冬季，屬于采暖季，受到集中采暖的影響，主要以PM2.5污染為主；在6—9 月比值處于0.3左右，污染較輕。

圖7 喀什市PM2.5/PM10 比值逐月變化

表2 以PM2.5濃度為自變量x，PM10濃度為因變量y，做出顆粒物不同季節(jié)的擬合曲線，進(jìn)一步探究顆粒物之間的相關(guān)性。由各曲線的精確度R2可以發(fā)現(xiàn)，春季擬合度最好的是冪函數(shù)（R2＝0.885），夏季擬合度最好的是線性函數(shù)（R2＝0.930），秋季擬合度最好的是冪函數(shù)（R2＝0.818），冬季擬合度最好的是二次函數(shù)（R2＝0.685）。從全年來看，顆粒物擬合度最好的是二次函數(shù)（R2＝0.813）?？傊?，能夠較好地?cái)M合出顆粒物之間關(guān)系的函數(shù)依次是：二次函數(shù)＞線性函數(shù)＞冪函數(shù)＞指數(shù)函數(shù)＞對(duì)數(shù)函數(shù)。從季節(jié)的角度來看，夏季顆粒物的擬合度最高，主要是受到極端天氣及人為源影響較少。

表2 PM2.5 和PM10 質(zhì)量濃度之間線性回歸分析

3.3 PM2.5 和PM10 質(zhì)量濃度與氣象因素的相關(guān)性分 析

由以上對(duì)不同時(shí)段喀什大氣顆粒物分布特征的分析，可以發(fā)現(xiàn)天氣過程對(duì)大氣顆粒物質(zhì)量濃度的變化有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。因此利用近幾年顆粒物與氣象因子數(shù)據(jù)，通過PERASON 相關(guān)系數(shù)分析顆粒物與氣象因素的相關(guān)性，見表3。

表3 各季節(jié)PM2.5 和PM10 質(zhì)量濃度與氣象因素相關(guān)性

從表3 中可以看出，PM2.5與氣象因子之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，最容易受到氣象因素的影響。從全年來看，PM2.5與氣溫、風(fēng)速、能見度呈負(fù)相關(guān)，與濕度、氣壓呈正相關(guān)。PM10與最低溫度及濕度無(wú)明顯的關(guān)聯(lián)，與最高溫度、風(fēng)速、能見度呈負(fù)相關(guān)，與氣壓呈正相關(guān)。

氣溫的變化很大程度上影響著大氣顆粒物的擴(kuò)散能力，在春秋季節(jié)氣溫較低會(huì)導(dǎo)致逆溫層加厚不利于顆粒物的擴(kuò)散［18］，而在夏季氣溫較高時(shí)光照較強(qiáng)，容易發(fā)生劇烈的光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生大量的二次污染物，導(dǎo)致大氣中的顆粒物濃度增加。由于喀什進(jìn)入冬季后會(huì)進(jìn)行采暖，導(dǎo)致大氣中的顆粒物增多。

喀什氣候干燥，常年少雨，不同季節(jié)濕度也有一定的差異。春秋季濕度大，濕度越大PM2.5污染越嚴(yán)重。夏季氣流活動(dòng)頻繁易產(chǎn)生陰雨天，從而對(duì)PM10起到一定的沖刷作用，但受到降雨量的限制，降雨對(duì)大氣顆粒物的清潔作用并不十分明顯。冬季處在采暖季且又常降雪，因此大氣中濕度的大小由霧霾程度及降雪量共同決定，表現(xiàn)出對(duì)PM10有一定的清潔作用而對(duì)PM2.5無(wú)明顯作用。

從全年來看，風(fēng)速與顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)（－0.199，－0.092），風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)會(huì)帶動(dòng)大氣顆粒物的運(yùn)動(dòng)，風(fēng)速較大時(shí)對(duì)大氣顆粒物起到一定的稀釋作用，顆粒物濃度降低。冬季風(fēng)速的大小對(duì)顆粒物的質(zhì)量濃度影響并不明顯，這主要是因?yàn)槎咎幱诓膳?，大氣顆粒物污染較為嚴(yán)重，且風(fēng)速較小，對(duì)大氣顆粒物的稀釋作用較小。

當(dāng)一個(gè)區(qū)域長(zhǎng)期保持著低氣壓時(shí)會(huì)使大氣產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，利于顆粒物的擴(kuò)散。若長(zhǎng)期保持較高的氣壓時(shí)大氣運(yùn)動(dòng)較少，大氣環(huán)境保持穩(wěn)定，顆粒物容易聚集。從整體來看，該研究區(qū)的PM2.5，PM10與氣壓（0.177，0.086）呈顯著正相關(guān)。從季節(jié)層面來講，春秋季氣溫較低，氣流向下運(yùn)動(dòng)，氣壓升高，顆粒物聚集不散，而夏季與冬季大氣顆粒物濃度易受到光照、溫度、人為源等多因素影響，與氣壓的相關(guān)系數(shù)無(wú)意義。

研究發(fā)現(xiàn)，大氣中高質(zhì)量濃度的顆粒物和污染氣體通過散射與吸收消光作用而使能見度降低［19］。顆粒物粒徑越小，對(duì)能見度的影響越大［20］。與前人研究相似，該研究區(qū)域顆粒物與能見度均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。圖8 為顆粒物濃度與能見度的散點(diǎn)圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒物質(zhì)量濃度逐漸增大時(shí)能見度會(huì)隨之降低。做出顆粒物與能見度的擬合曲線發(fā)現(xiàn)，能見度與PM2.5的擬合曲線最為吻合。

圖8 PM10 與PM2.5 質(zhì)量濃度與能見度散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

（1）喀什市2015—2019 年3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM2.5和PM10年均質(zhì)量濃度均高于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。時(shí)間尺度上，PM2.5質(zhì)量濃度在12 月至次年5 月的值較高，PM10的高濃度期出現(xiàn)在2—5 月；季節(jié)上表現(xiàn)為春季和冬季顆粒物污染最為嚴(yán)重，夏季最輕，主要受沙塵及供暖的影響較大?？臻g尺度上，位于城區(qū)的吾辦監(jiān)測(cè)站點(diǎn)污染最為嚴(yán)重，市環(huán)境監(jiān)測(cè)站站點(diǎn)以PM10污染為主，巡警大隊(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)以PM2.5污染為主。

（2）喀什市沙塵天氣多發(fā)生在春季，發(fā)生沙塵天氣時(shí)大氣顆粒物質(zhì)量濃度出現(xiàn)陡增、PM2.5/PM10比值下降。沙塵天氣是喀什市PM10的主要來源。

（3）不同季節(jié)PM2.5與PM10質(zhì)量濃度之間的擬合度不盡相同，春季擬合度最好的是冪函數(shù)，夏季擬合度最好的是線性函數(shù)，秋季擬合度最好的是冪函數(shù)，冬季擬合度最好的是二次函數(shù)，最能擬合出顆粒物之間關(guān)系的依次是：二次函數(shù)＞線性函數(shù)＞冪函數(shù)＞指數(shù)函數(shù)＞對(duì)數(shù)函數(shù)。

（4）不同季節(jié)PM2.5和PM10之間的相關(guān)性存在一定的差異，在夏季（0.964）相關(guān)性最高。全年來看，PM2.5與氣象因子之間相關(guān)性最強(qiáng)，與濕度、氣壓呈正相關(guān)，與氣溫、風(fēng)速、能見度呈負(fù)相關(guān)，在季節(jié)模式下，該相關(guān)性強(qiáng)度存在一定的差異，冬季受到較多人為因素的影響，PM2.5與氣象因子之間存在較弱的相關(guān)性。