昌吉市大氣污染物濃度變化特征及氣象影響因素分析

姜 峰，阿帕爾·肉孜，方 雯，葉爾克江·霍依哈孜

（新疆昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100）

大氣環(huán)境與人類健康密切相關(guān)，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)能力的不斷提升，社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，能源與交通規(guī)模逐漸擴(kuò)大，城市人口膨脹迅速，城市風(fēng)速減小，夜間逆溫增強，污染物擴(kuò)散范圍變小，致使城市空氣污染問題日益嚴(yán)重，城市空氣污染問題越來越受到人們的重視［1，2］。空氣污染狀況與氣象要素之間關(guān)系密切，大氣環(huán)境污染影響氣象要素，氣象要素同樣也影響大氣環(huán)境污染。在污染源排放污染物相對平衡的情況下城市污染氣象條件決定了大氣對污染物的輸送和擴(kuò)散能力。在不同的氣象條件下，同一污染源排放造成的大氣污染濃度相差較大，大氣對污染物的擴(kuò)散稀釋能力隨著氣象條件的不同而變化［3］。學(xué)者們對大氣污染變化及其與氣象要素之間的關(guān)系進(jìn)行了深入的探討與研究［1-12］，均表明氣象要素變化直接影響著空氣質(zhì)量的狀況。隨著昌吉市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源與交通規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)化、機(jī)動化、城市化進(jìn)程的不斷加快，昌吉市的空氣質(zhì)量受到來自本地排放和區(qū)域輸送的雙重影響，致使空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，對生態(tài)環(huán)境、氣候和居民健康產(chǎn)生不利影響。鮮見昌吉市大氣污染物濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)的時間長序列與氣象要素相關(guān)性分析方面的研究，因此，本研究對昌吉市大氣污染物的濃度、空氣質(zhì)量與氣象因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，探討氣象因素對污染的影響，旨在為政府決策部門科學(xué)有效地防治大氣污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌吉市位于天山北麓、亞歐大陸腹地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處東經(jīng)86°24′—87°37′，北緯43°06′—45°20′。東鄰烏魯木齊市，西毗呼圖壁縣，南與新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡稱新疆）巴音郭楞蒙古自治州和靜縣相接，北與新疆塔城地區(qū)和布克賽爾縣、阿勒泰地區(qū)福?？h接壤。南北長248 km，東西寬26～43 km，全市總面積為7 971.29 km2（含兵團(tuán)），有8 鎮(zhèn)2 鄉(xiāng)6 街道，轄區(qū)內(nèi)有1 個國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)和1 個國家級農(nóng)業(yè)科技園區(qū)。境內(nèi)有新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)六師師部及所轄101 團(tuán)、103 團(tuán)、軍戶農(nóng)場、共青團(tuán)農(nóng)場和中央、自治區(qū)、自治州駐市單位150 多個。昌吉市是昌吉回族自治州首府所在地，是自治區(qū)首府烏魯木齊市的衛(wèi)星城。

昌吉市年平均氣溫為8.0 ℃，年平均降水量為202.2 mm，年平均蒸發(fā)量為1 756.8 mm，年日照時數(shù)為2 701.8 h，年平均相對濕度為61%，年平均風(fēng)速為1.8 m/s，年最多風(fēng)向為西南風(fēng)（不含靜風(fēng)），年平均氣壓為959.7 hPa。

1.2 資料來源

污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于昌吉市環(huán)境監(jiān)測站提供的2015—2021 年逐日二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧日最大8 h 平均質(zhì)量濃度（O3-8 h）、顆粒物（PM2.5、PM10）濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（Air quality index，AQI）等環(huán)境監(jiān)測資料；同期氣象資料來源于昌吉市國家基本氣象站常規(guī)逐日觀測資料。

1.3 研究方法

采用Origin、SPSS、Excel 等軟件，運用統(tǒng)計學(xué)方法，采用一元線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)（趨勢系數(shù)）和氣候傾向率［13-21］對污染物濃度和氣象要素進(jìn)行傾向率和趨勢變化的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物變化特征

通過對昌吉市2015—2021年逐日平均污染物濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）變化特征分析發(fā)現(xiàn)，各污染物濃度和AQI 均呈明顯的年變化周期特征，也呈一定的季節(jié)性變化特征，每年冬季出現(xiàn)峰值，夏季出現(xiàn)谷值，空氣質(zhì)量呈夏季最優(yōu)，冬季最差特征（圖1）。從各季度變化特征來看，除O3-8 h 外其他各污染物濃度和AQI 的變化趨勢從高到低依次為冬季、秋季、春季、夏季，冬季的平均值是夏季的2～5 倍；從各月份來看，1 月最高，6 月最低（圖2a）。O3-8 h 濃度變化趨勢與其他污染物濃度和AQI 變化趨勢相反，呈冬季最低，夏季最高特征，變化趨勢從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季，夏季平均值是冬季的2 倍左右；從各月份來看，12 月最低，7 月最高（圖2a）。

圖1 2015—2021 年昌吉市空氣污染物濃度和氣象要素的逐日平均值變化趨勢

圖2 2015—2021 年昌吉市空氣污染物濃度和AQI平均值逐月和逐年變化

從7 年的逐年變化趨勢來看（圖2b），O3-8 h、AQI、PM2.5總體呈增加趨勢，其中，O3-8 h 的上升速度最快，以每年3.957 3 μg/m3的速率上升并通過顯著性檢驗（P＜0.05）；AQI 以每年1.576 9 的速率上升，PM2.5以每年0.203 8 μg/m3的速率上升，二者均未通過顯著性檢驗。NO2、CO、SO2、PM10呈逐年減少趨勢，每年減少速率分別為1.689 3、0.068 3、1.059 6、2.074 3 μg/m3，其中NO2的減少速率最顯著，通過了0.05 水平上的顯著性檢驗，其次為CO 和SO2，均通過0.1 水平上的顯著性檢驗，PM10的減少速率不顯著，未通過顯著性檢驗。

對2015—2021 年首要污染物出現(xiàn)的日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計（圖3），發(fā)現(xiàn)昌吉市天氣主要以PM10、PM2.5、O3-8 h、NO2、CO、NO2和PM10、PM2.5和PM10、PM10和O3-8 h、NO2和O3-8 h 為首要污染物，各年以PM10、PM2.5、O3-8 h 為首要污染物的天數(shù)最多，其中，2018年各首要污染物出現(xiàn)總天數(shù)最多，為328 d，次值出現(xiàn)在2015 年，為325 d；2016 年各首要污染物出現(xiàn)總天數(shù)最少，為266 d，次值為304 d，在2019 年出現(xiàn)。從各首要污染物出現(xiàn)天數(shù)來看，2015 年、2018 年以PM10為首要污染物的天數(shù)最多，分別為204、102 d，2016 年、2017 年、2019 年各年各首要污染物中以PM2.5為首要污染物的天數(shù)最多，分別為116、147、117 d，2020 年、2021 年以O(shè)3-8 h 為首要污染物的天數(shù)最多，分別為124、139 d。出現(xiàn)空氣質(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)的時候首要污染物不報，空氣質(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)的天數(shù)2016 年最多，為100 d，次值出現(xiàn)在2019年，為61 d，最少為37 d，在2018 年出現(xiàn)。從各年首要污染物出現(xiàn)日數(shù)的逐年變化情況來看，PM10、NO2為首要污染物的天數(shù)以及空氣質(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)的天數(shù)整體呈減少趨勢，其中，NO2的減少速度最快，以6.571 4 d/年的速率減少，并通過顯著性檢驗（P＜0.05），PM10和空氣質(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)的天數(shù)分別以11.643 0、2.321 4 d/年的速率減少，均未通過顯著性檢驗。PM2.5、O3-8 h為首要污染物的天數(shù)整體呈增多趨勢，其中，O3-8 h 的增加速度最快，以20.000 0 d/年的速率增加，并通過0.01 水平上的顯著性檢驗，其他增加趨勢不顯著。

圖3 2015—2021 年昌吉市首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)

2.2 污染物與氣象因子的相關(guān)性分析

通過分析昌吉市2015—2021 年逐日污染物濃度和AQI 與日平均氣溫、氣壓、風(fēng)速、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、極大風(fēng)速、極大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、平均相對濕度、降水量、日照時數(shù)之間的關(guān)系（表1），得知污染物濃度和AQI 與同期的天氣及氣象要素之間存在一定的相關(guān)性，2015—2021 年逐日SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI 與同期逐日平均氣溫、風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、降水量及日照時數(shù)均呈顯著負(fù)相關(guān)，與同期的逐日平均相對濕度、氣壓均呈顯著正相關(guān)，說明隨著溫度、風(fēng)速、降水量、日照時數(shù)的增加，相對濕度、氣壓的減少，SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI 逐漸降低。由圖2a 可知，SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI，1 月最高，1—7 月，隨溫度、日照時數(shù)、降水量、風(fēng)速的上升和相對濕度、氣壓的下降而下降，在6—7 月達(dá)最低；8—12 月，隨著溫度、日照時數(shù)、降水量、風(fēng)速的下降和相對濕度、氣壓的上升而逐漸升高，在12 月時達(dá)次高值。從各種污染物濃度與風(fēng)向的相關(guān)性來看（表1），最大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、極大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)與SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 呈正相關(guān)，與NO2呈顯著負(fù)相關(guān)、與CO 呈負(fù)相關(guān)。O3-8 h 濃度的逐日變化除降水量外，其他均與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI 逐日變化相反，1—6 月，O3-8 h 濃度隨氣溫上升而升高，7 月達(dá)最高，8—12 月氣溫稍下降后逐漸降低，12 月達(dá)最低值（圖2a）。由表1 可知，O3-8 h 濃度與平均氣溫、風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)，與氣壓、最大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、極大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、相對濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，其中，與氣壓、相對濕度、降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表1 2015—2021 年逐日污染物濃度和AQI與同期氣象要素的Pearson 相關(guān)系數(shù)

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

1）各污染物濃度和AQI 均呈明顯的年變化周期特征，也呈一定的季節(jié)性變化特征，除了O3-8 h，其他污染物濃度和AQI 每年在冬季出現(xiàn)峰值，夏季出現(xiàn)谷值，空氣質(zhì)量呈夏季最優(yōu)，冬季最差特征，變化趨勢從高到低依次為冬季、秋季、春季、夏季。O3-8 h濃度變化趨勢與其他污染物濃度、AQI 變化趨勢相反，變化趨勢從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季。逐年變化來看，O3-8 h、AQI 、PM2.5整體呈增加趨勢，NO2、CO、SO2、PM10濃度整體呈減少趨勢。

2）昌吉市主要出現(xiàn)以PM10、PM2.5、O3-8 h、NO2、CO、NO2和PM10、PM2.5和PM10、PM10和O3-8 h、NO2和O3-8 h 為首要污染物的天氣，各年以PM10、PM2.5、O3-8 h 為首要污染物的天數(shù)最多。從各首要污染物出現(xiàn)天數(shù)來看，2015 年、2018 年以PM10為首要污染物的天數(shù)最多，2016 年、2017 年、2019 年以PM2.5為首要污染物的天數(shù)最多，2020 年、2021 年以O(shè)3-8 h為首要污染物的天數(shù)最多?？諝赓|(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)的天數(shù)2016 年最多，最少值出現(xiàn)在2018 年。PM10、NO2為首要污染物的天數(shù)以及空氣質(zhì)量指數(shù)類別為優(yōu)的天數(shù)整體呈減少趨勢。PM2.5、O3-8 h、NO2和PM10為首要污染物的天數(shù)整體呈增多趨勢，其中，O3-8 h 的增加速度最快。

3）昌吉市SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI與同期逐日平均氣溫、風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、降水量及日照時數(shù)均呈顯著負(fù)相關(guān)，與同期的逐日相對濕度、氣壓呈顯著正相關(guān)。最大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、極大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)與SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 呈正相關(guān)，與NO2、CO 濃度呈負(fù)相關(guān)。O3-8 h 濃度的逐日變化除降水量外，其他與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、AQI 的逐日變化相反，O3-8 h 濃度與平均氣溫、風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)，與氣壓、最大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、極大風(fēng)速風(fēng)向度數(shù)、相對濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)，其中，與氣壓、相對濕度、降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。

3.2 討論

1）昌吉市空氣質(zhì)量呈夏季最優(yōu)，冬季最差的特點，有著明顯的季節(jié)性變化，在各類污染物中，除了O3-8 h，其他污染物濃度和AQI 冬季最高，夏季最低，主要原因可能是冬季風(fēng)速較小，靜風(fēng)出現(xiàn)頻率較高，而且氣溫較低，大氣層結(jié)穩(wěn)定，容易產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，不利于污染物的擴(kuò)散；也可能是冬季氣壓較高，受高壓控制時，近地面為低壓，氣流為下沉運動，不易形成降水，同時大氣層結(jié)較穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致污染物濃度偏高，反之夏季氣壓較低，受低壓控制時大氣呈上升運動，有利于污染物的擴(kuò)散，同時易形成降水，降水對空氣中的顆粒物和其他污染物具有沖刷作用，從而降低了空氣的污染程度，使SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、AQI 偏低。O3-8 h 濃度冬季最低，夏季最高，這可能是因為太陽輻射是O3發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的重要條件，而氣溫能夠較好地反映太陽輻射強度的變化，氣溫升高促進(jìn)了光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而使O3-8 h 濃度隨氣溫的升高而增大。大氣中的水汽可以通過影響太陽輻射來影響O3發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，在高相對濕度條件下，空氣中的水汽使太陽紫外輻射衰減，導(dǎo)致生成O3的光化學(xué)反應(yīng)減弱，從而降低O3的濃度，導(dǎo)致O3-8 h 濃度隨相對濕度的增加而降低。空氣中的相對濕度與降水量有密切關(guān)系，降雨天氣較多則相對濕度增加、日照時數(shù)減少，這很可能是SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI與氣溫、風(fēng)速、降水量、日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度、氣壓呈正相關(guān)，O3-8 h 濃度與降水量、相對濕度、氣壓呈負(fù)相關(guān)，與氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)呈正相關(guān)的原因。

2）昌吉市各污染物中SO2、PM2.5、PM10濃度與風(fēng)向度數(shù)呈正相關(guān)，表明隨著風(fēng)向度數(shù)的增加，SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 增加，說明在昌吉市刮西北、西南風(fēng)時的SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 比刮東北、東南風(fēng)時的高。NO2、CO、O3-8 h 濃度與最大風(fēng)向度數(shù)、極大風(fēng)向度數(shù)呈負(fù)相關(guān)，表明隨著風(fēng)向度數(shù)的增加，NO2、CO、O3-8 h 濃度降低，說明西北、西南風(fēng)逐漸變成東北、東南風(fēng)時NO2、CO、O3-8 h 濃度逐漸降低。風(fēng)速和風(fēng)向?qū)ξ廴疚餄舛扔幸欢ǖ挠绊懀煌娘L(fēng)速決定污染物及前體物的輸送效率或清除效率，而不同的風(fēng)向決定污染物及前體物傳輸?shù)姆较颉２形廴疚餄舛入S風(fēng)向的變化有可能與工業(yè)園區(qū)污染物的遠(yuǎn)距離輸送有關(guān)，也有可能受各季度盛行風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速和出現(xiàn)頻率的影響，將外地的污染物與前體物輸送至昌吉市，也可能是因為風(fēng)向、風(fēng)速影響區(qū)域內(nèi)局部地區(qū)產(chǎn)生的污染物與前體物的輸送和擴(kuò)散導(dǎo)致產(chǎn)生昌吉市各季度和各方位污染物濃度分布不均勻的格局。

由于昌吉市對污染物濃度的監(jiān)測工作起步較晚，監(jiān)測站點相對較少且對應(yīng)站點所匹配的氣象觀測數(shù)據(jù)不夠全面，未來還有很多工作需要完善。本研究探討了部分氣象要素與氣象污染物濃度和AQI之間的關(guān)系，受資料和研究范圍所限，其他的相關(guān)問題如研究污染源、污染排放量、周邊環(huán)境、大氣環(huán)流和氣象條件等對昌吉市空氣污染的貢獻(xiàn)，建立大氣擴(kuò)散模型，模擬環(huán)境空氣的污染情況或預(yù)測未來的環(huán)境空氣質(zhì)量等，還有待進(jìn)一步探討。