2015年喀什市大氣顆粒物的時空分布特征

羊 興,趙克明,閔 月,楊丹丹

(1.喀什地區(qū)氣象局,新疆 喀什844000;2.新疆氣象臺,新疆 烏魯木齊830002;3.上海市氣象與健康重點實驗室,上海200030)

2015年喀什市大氣顆粒物的時空分布特征

羊 興1,趙克明2,閔 月2,楊丹丹3*

(1.喀什地區(qū)氣象局,新疆 喀什844000;2.新疆氣象臺,新疆 烏魯木齊830002;3.上海市氣象與健康重點實驗室,上海200030)

依據塔克拉瑪干沙漠西側喀什市2015年3個環(huán)境監(jiān)測站、逐時的6類污染物濃度數據,分析了喀什市大氣污染物的時空分布特征.總體來看,喀什市主要以顆粒物污染為主,即PM10、PM2.5污染嚴重.從季節(jié)上來看,喀什 PM10平均濃度為春季(504.2 μg.m-3)gt;秋季(264 μg.m-3)gt;夏季(239.6 μg.m-3)gt;冬季(222.6 μg.m-3),而 PM2.5則呈現冬季(145.9 μg.m-3)gt;春季(132.2 μg.m-3)gt;秋季(118.8 μg.m-3)gt;夏季(77.6 μg.m-3),冬季 12 月 PM2.5/PM10比重達 86%,說明喀什市冬季污染主要以PM2.5為主.從日變化來看,顆粒物濃度的日變化曲線春、夏季為三峰三谷結構,秋、冬季為雙峰型,PM10、PM2.5濃度夏季全天的峰值出現在午夜時刻,而春、秋、冬三季則出現在中午13:00左右,PM10濃度最小值出現凌晨,而PM2.5濃度最小值出現傍晚前后.從空間分布來看,PM10、PM2.5濃度表現出城市北部低、南部高的特點.

喀什;顆粒物;時空分布規(guī)律

大氣污染事件,我國大部地區(qū)都有發(fā)生,尤其是21世紀初期頻發(fā)高發(fā)污染事件,已經嚴重影響人們的生活和健康.2013年1月罕見的連續(xù)高強度霾污染席卷了我國中東部地區(qū),涉及華北平原、黃淮、江淮、江漢、江南、華南北部等地區(qū),受影響面積約占國土面積的1/4,受影響人口超過6億[1].嚴重的污染事件,是自然界向人類社會敲響警鐘.為了預防和減少空氣污染,很多國內專家對城市大氣污染進行了大量研究.對2011年10月發(fā)生在北京的連續(xù)灰霾過程進行了分析,得出的結果是該月頻繁出現的鞍型場靜穩(wěn)天氣及北京周邊地區(qū)存在的基數較大的細顆粒物排放源所致[2].吳兌[3]對2009年11月發(fā)生在珠三角嚴重灰霾天氣過程分析指出,這次污染是由于經濟規(guī)模迅速擴大和城市化進程加快,大氣中細粒子氣溶膠造成能見度惡化事件.北京市在污染物源強的條件下,污染物的積累、稀釋、擴散和清除主要取決于氣象條件[4].近地面風速、溫度、濕度、氣壓和邊界層的高度等氣象條件對于可吸入顆粒物的污染程度有著很重要的影響.北京市重污染氣象要素特征主要表現為風速小、濕度大、能見度低[5].

新疆雖然地處我國西部經濟不發(fā)達地區(qū),但卻是我國空氣污染最為嚴重地區(qū)之一,尤其在南疆塔克拉瑪干沙漠西側的喀什市,地處帕米爾高原西端、西天山南麓及塔里木盆地西側,地形復雜.作為quot;一路連歐亞、五口通八國quot;的交通重鎮(zhèn)、商埠重鎮(zhèn)及中國-中亞-西亞經濟走廊的主要節(jié)點城市和中巴經濟走廊的廊橋,喀什市具有不可替代的重要戰(zhàn)略地位.由于特殊的地形[6]和氣象條件不利于大氣污染物的擴散,近幾年春季嚴重沙塵天氣導致機場停運、航班取消、高速公路封閉,已嚴重影響喀什地區(qū)的經濟發(fā)展和戰(zhàn)略部署.

近年來,國內很多專家對喀什市沙塵特征做了很多研究,但對空氣質量特征等方面的研究匱乏.主要影響喀什市的污染物有哪些?大氣污染與氣象條件的關系又是如何?特殊地形以及對污染物濃度空間分布[7]影響如何?目前研究涉及較少,尤其是6類污染物濃度的特征更是無人分析.因此從關注大氣污染治理、空氣質量預報等角度,開展喀什地區(qū)污染物特征研究顯得尤為必要.本文主要針對喀什市2015年3個環(huán)境觀測站6類污染物的時間、空間分布特征進行統計分析,為喀什市空氣質量預報提供一些參考.

1 數據與方法

2015年1月1日0:00起,喀什市環(huán)境保護局通過網絡向公眾發(fā)布全市大氣污染監(jiān)測站的6類污染物(PM10、SO2、NO2、PM2.5、CO 和 O3)的逐時監(jiān)測數據.本文使用的3個監(jiān)測站由南到北分別是市環(huán)境監(jiān)測站、巡警大隊、吾辦,具體地理信息見圖1,喀什地區(qū)主要是小手工業(yè)和種植業(yè),無大型工業(yè),在巡警大隊附近有一所中學,其東北角5 km處有一座火電廠,吾辦西北方向1 km處有一座火電廠.

統計某站或全市某種污染物日均值的前提是:該站某類污染物24 h有效監(jiān)測數據≥18個時次;對于全市某類污染物某小時的平均濃度值,則是3個子站點至少≥2個站點存在有效監(jiān)測值.依照上述規(guī)定,統計2015年1-12月期間全市6類污染物的日均值;日界的劃分方法主要采用氣象日界法,從21時到次日20時為一個24 h時間段;四季劃分則采用氣象劃分法:3-5月為春季,6-8月為夏季,9-11月為秋季,12月一次年2月為冬季;污染物四季的日變化統計,采用整個季節(jié)多日平均值.

圖1 喀什市大氣污染監(jiān)測站點分布

2 污染物特征分析

2.1 喀什市污染物濃度的總體特征

喀什市2015年的PM10濃度變化特征(表1)表現為整個春季明顯高于其它季節(jié),各季節(jié)PM10平均濃度為春季(504.2 μg.m-3)gt;秋季(264 μg.m-3)gt;夏季(239.6 μg.m-3)gt;冬季(222.6 μg.m-3),這與喀什特殊的氣候背景有關.春季PM10的平均濃度比蘭州市沙塵最嚴重月份的濃度(479 μg.m-3)還要高[8].相關研究[9]表明,喀什市風沙天氣主要集中在3-5月,風沙日數占全年的80%左右,春季冷空氣活動頻繁、風速較大,外加植被裸露、土質疏松,很容易造成嚴重的風沙天氣.秋季冷空氣活動也較頻繁,但由于植被覆蓋較好,所以風沙的嚴重程度要比春季小很多.喀什市PM2.5則呈現冬季(145.9 μg.m-3)gt;春季 (132.2 μg.m-3)gt;秋季 (118.8 μg.m-3)gt;夏季(77.6 μg.m-3),這與喀什市冬季采暖期污染排放及人為排放密切相關;SO2、CO、NO2濃度四季變化特征都表現為整個冬季明顯高于其它季節(jié).

PM10、PM2.5年平均超標天數分別為252、207 d,占全年的69%和56.7%,說明污染比較嚴重且大氣污染主要以PM10為主,但冬季PM2.5占PM10的比重達65.5%,說明喀什市冬季細顆粒污染較為嚴重,污染源排放及大氣擴散條件是形成細顆粒污染的主要原因;PM10的四季超標率秋季最高,達79.1%,但平均濃度為264 μg.m-3,主要原因是喀什市秋季多以浮塵為主;春季超標率次之,為77.2%,但濃度最高,為504.2 μg.m-3,這與喀什地區(qū)春季出現沙塵暴頻率較高有關[10];PM2.5的四季超標率冬季最高,達68.9%,平均濃度為145.9 μg.m-3,主要原因是喀什市冬季為采暖期,且以燃煤為主,秋季超標率次之,為64.8%,平均濃度為118.8 μg.m-3,夏季超標率最低,為35.9%;CO濃度超標天數占21.4%,說明喀什冬季CO污染值得關注;O3濃度則呈現夏季高于其它季節(jié)的特征,這與太陽輻射密切相關,超標天數為16 d,要引起我們的特別關注.

通過以上分析,發(fā)現喀什市主要以顆粒物污染為主,所以本文將主要以顆粒物PM10、PM2.5濃度展開分析.

表1 2015年喀什市污染物濃度四季狀況

2.2 顆粒物濃度時間變化

2.2.1 季節(jié)分布特征

圖2顯示了喀什2015年1-12月期間PM10、PM2.5的月平均濃度分布特征.可以看出,兩類污染物月均值變化都為明顯的三峰三谷結構.PM10濃度1月為一年中的第三谷值,濃度為217.5 μg.m-3,2月濃度維持,3月開始,濃度猛增,為一年中的峰值(574.6 μg.m-3),4月略有下降,但濃度依舊很高,而后逐漸下降,到6月,達到一年中的次谷值(184.5 μg.m-3),7月濃度又有所增加,為第三峰值(283.2 μg.m-3),此后濃度逐漸下降,到9月時為一年中的谷值(175.9 μg.m-3),隨后10月增加為一年中的第二峰值(359.9 μg.m-3),這與烏魯木齊月均值的分布有所不同[11],烏魯木齊為冬季最重,這主要取決于污染源的不同.從沙塵日數分布(圖3)來看,也印證了PM10濃度三峰三谷的特征,3、7、10月出現揚沙和浮塵日數對應三個峰值濃度出現的月份.春季3-5月是新疆冷空氣活動最為頻繁的季節(jié),且為農事關鍵期,地表裸露,土質松軟,喀什又鄰塔克拉瑪干沙漠,當有冷空氣來臨時,會產生翻山大風和東灌現象,沙塵較為明顯[9],所以會出現PM10濃度較高的現象;夏季為新疆的主汛期,7月強對流天氣頻發(fā),易造成喀什地區(qū)的冰雹大風等天氣[12],所以PM10濃度會有所增加;秋季冷空氣活動也較頻繁,但植被覆蓋度高,大風進入盆地后會被削弱,為顆粒物的減少做出了貢獻,所以PM10濃度沒有夏季高;冬季天氣形勢較為穩(wěn)定,無明顯沙塵天氣發(fā)生[13],所以濃度也較低.

圖2 喀什市2015年1-12月顆粒物濃度分布及粗細顆粒物比重

PM2.5濃度月均值也為三峰三谷結構,但最大濃度出現在12月(186.7 μg.m-3),其余兩個峰值與PM10濃度一致,次峰值為春季的3月,第三峰值為夏季的7月,3個谷值分別出現在6月(50.8 μg.m-3)、9月(54.7 μg.m-3)、2 月(109.8 μg.m-3).冬季 PM2.5濃度最高主要是因為喀什市冬季采暖期以燃煤為主,另冬季天氣形勢較為穩(wěn)定,以靜穩(wěn)天氣為主,擴散條件較差,所以濃度較高.

從PM2.5/PM10比重可以看出(圖2),夏半年比重基本穩(wěn)定在20%～30%,說明夏半年以粗顆粒污染為主,而從冬半年來看,11、12、1、2月比重都在50%以上,尤其從11月開始,PM2.5比重明顯上升,12月最高,比重達86%,這已經與北京的PM2.5和PM10之比(0.867)[14]相當,說明喀什市冬季污染主要以PM2.5為主,PM2.5占PM10組成中的絕大部分,起到主導作用,這與其他城市、地區(qū)相關研究報道相似,需要控制污染源,才能有效緩解空氣污染.

圖3 喀什市2015年1-12月沙塵日數

2.2.2 日變化特征

圖4為喀什市2015年PM10、PM2.5濃度四季日分布圖.從全市平均值來看,PM10日變化幅度最大的是冬季(50%)、PM2.5 為秋季(62%),PM10、PM2.5濃度的日變化曲線春、夏季為三峰三谷結構,秋、冬季為雙峰型.總體來看,PM10、PM2.5濃度夏季全天的峰值都出現在午夜時刻,而春、秋、冬季則出現在中午13:00左右.

春季(圖4)10:00之后,PM10濃度逐步增加,到中午12:00達到的第一個峰值(為611.7 μg.m-3),此后逐步下降,17:00點達到一個次低谷,18:00 PM10達到第二個峰值(538.9 μg.m-3),然后略有下降后又上升,夜間01:00達到第三個峰值(517.1 μg.m-3).傍晚04:00-10:00之間出現全天的低谷,最小值為353.4 μg.m-3(06:00),全天有10 h濃度大于日均值(474 μg.m-3),這與之前的研究略有不同[10],2000年以前,喀什市沙塵暴以20時前后居多,這與氣候變暖和城市發(fā)展關系密切.春季天氣系統的移動和發(fā)展,一是冷空氣從西天山翻山進入喀什地區(qū),造成大風天氣,這樣產生的風沙天氣以沙塵暴或揚沙為主,持續(xù)時間較短,50%以上不超過0.5 h[10],所以造成濃度日變化出現時高時低的現象,這與風速大小有關;二是冷空氣通過北疆東移,經東天山峽口地帶東灌進入南疆盆地,而后逐漸隨東風氣流進入喀什地區(qū),通過統計喀什市風速的日變化發(fā)現(圖5),喀什市凌晨風速小,午后風速大,這樣造成PM10濃度峰值出現在午后.

圖4 喀什市2015年顆粒物濃度四季日變化

夏季的PM10濃度日變化特征(圖4)與春季類似,只是峰值(271 μg.m-3)出現在01:00,04:00-10:00為一天的低值時段,PM10濃度最低值為196.2 μg.m-3(07:00).

秋季(圖4)PM10濃度13:00為全天的第一個峰值,為336.6 μg.m-3,此后逐步下降,到一天中的次谷值(197 μg.m-3),而后PM10濃度又緩慢上升,在00:00到達次峰值334.3μg.m-3,此后逐漸下降,18:00-21:00為一天的低值時段,最低值為194.5 μg.m-3(20:00).

冬季(圖4)PM10濃度13:00-14:00為全天的第一個峰值,為266 μg.m-3;此后逐步下降,在20:00-21:00到達第一個低谷;而后又緩慢上升,PM10在夜間01:00到達次峰值234.4 μg.m-3;此后逐漸下降,在06:00-10:00為一天的低值時段,PM10最小值出現在凌晨08:00,為133.5 μg.m-3.秋、冬兩季的濃度日變化與風速的日變化(圖5)相對應,下午和夜間的風速也是一天中相對較大的,風速增大對起沙比較有利,所以對應的濃度會增大.此外,還與熱力條件關系密切,午后增溫明顯,造成熱力不穩(wěn)定[9].

春、夏兩季冷空氣活動頻繁,鋒區(qū)上波動較多,這樣造成喀什地區(qū)整層大氣不穩(wěn)定,對風沙天氣影響較大,所以會出現三峰三谷結構,秋、冬兩季大氣環(huán)流相對穩(wěn)定,所以為穩(wěn)定的雙峰結構;四季表現的午后和午夜?jié)舛戎递^大的主要是由于午后對流和湍流旺盛,對起沙比較有利,冬季主要和采暖期及靜穩(wěn)天氣密切相關.

PM2.5濃度四季日變化與PM10濃度日變化基本一致,但平均濃度春、夏、秋三季與PM10相差較大,冬季相差較小,PM2.5/PM10比重較高,這與之前的分析一致,冬季喀什市主要以PM2.5為主.

2.3 顆粒物濃度空間分布特征

圖5 喀什市四季風速日變化

從喀什市2015年1-12月期間PM10、PM2.5濃度四季分布(表2)可以看出,PM10濃度總體上是城北低、東南高的特點.春季最高濃度出現在市環(huán)境監(jiān)測站(549 μg.m-3),最低值在吾辦(410 μg.m-3),夏季最高濃度出現在市環(huán)境監(jiān)測站(225 μg.m-3),最低值在吾辦(221μg.m-3),秋季最高濃度出現在吾辦(262 μg.m-3),最低值在市環(huán)境監(jiān)測站(246 μg.m-3),冬季最高濃度出現在市環(huán)境監(jiān)測站(222 μg.m-3),最低值在吾辦(156 μg.m-3);按照新標準,夏、冬兩季污染指數都介于150～250,屬于三級輕度污染;秋季污染指數250左右,屬于四級中度污染;春季污染指數基本在410以上,屬于5～6級重度到嚴重污染水平.

表2 2015年喀什市個測站顆粒物濃度四季狀況 μg.m-3

這種分布主要與沙塵天氣系統的走向和移動速度、不同地形、不同季節(jié)的天氣系統、本地污染源及海拔高度有關.塔里木盆地的東灌可以造成下游地區(qū)輻合,產生上升運動,從而造成沙塵天氣多發(fā)在塔里木盆地的西南部位;不同強度的冷空氣造成西翻和東灌大風的強度亦不一致,沙塵區(qū)的輻合點及位置也有所不同,一般春季冷空氣勢力較強,所以造成風沙天氣也較明顯[9、15],強沙塵區(qū)位置也偏南,秋季冷空氣強度次之,所以西翻和東灌的位置偏北和偏東,所以市區(qū)的北部和東部的沙塵要強一些.

PM2.5濃度四季呈現城市西北低、南部高的特點.春季最高濃度出現在市環(huán)境監(jiān)測站(149 μg.m-3),最低值在吾辦(103 μg.m-3),春季污染指數介于100～200,屬于三至四級輕度到中度污染水平;夏季最高濃度出現在南部市環(huán)境監(jiān)測站(78 μg.m-3),最低值在巡警大隊(73 μg.m-3),污染指數介于50～100,為二級良;秋季最高濃度出現在南部市環(huán)境監(jiān)測站(117 μg.m-3),最低值在吾辦(74 μg.m-3),污染級別屬于二級到四級不等;冬季最高濃度出現在南部市環(huán)境監(jiān)測站(152 μg.m-3),最低值在巡警大隊(128 μg.m-3),污染指數介于150～300,市環(huán)境監(jiān)測站為五級重度污染水平,其余兩站均達到四級中度污染水平.冬季城南濃度高主要與采暖和人口密集區(qū)密切相關.

2.4 結論

(1)喀什市 PM10、PM2.5年平均濃度為 300 μg.m-3、117 μg.m-3,超標天數分別為 252、207 d,占全年的69%和56.7%,所以空氣污染主要以顆粒物污染為主,即 PM10、PM2.5污染嚴重.

(2)從季節(jié)上來看,各季節(jié)PM10平均濃度為春季(504.2 μg.m-3)gt;秋季 (264 μg.m-3)gt;夏季(239.6 μg.m-3)gt;冬季(222.6 μg.m-3),PM2.5則呈現冬季 (145.9 μg.m-3)gt;春季 (132.2 μg.m-3)gt;秋季(118.8 μg.m-3)gt;夏季(77.6 μg.m-3).喀什市顆粒物月平均濃度呈現明顯的三峰三谷結構.PM10濃度在春季3、4月最大,而PM2.5則在冬季 12月最大.PM2.5/PM10比重12月達86%,說明喀什市冬季污染主要以PM2.5為主.

(3)從日變化來看,PM10、PM2.5濃度的日變化曲線春、夏季為三峰三谷結構,秋、冬季為雙峰型.總體來看,PM10、PM2.5濃度夏季全天的峰值都出現在午夜時刻,而春、秋、冬季則出現在13:00左右;PM10濃度春季污染最重,最高值出現在12:00(611.7 μg.m-3),最小值出現在 06:00(353.4 μg.m-3),冬季污染最輕,峰值出現在13:00-14:00,為266 μg.m-3,最小值出現在 08:00,為 133.5 μg.m-3;PM2.5濃度四季日變化與PM10濃度日變化基本一致,但平均濃度冬季最高,最高值出現在中午13:00(203 μg.m-3),最小值出現在20:00(86 μg.m-3),所以冬季主要以PM2.5污染為主.

(4)從空間分布來看,PM10、PM2.5濃度總體上是城市北部低、南部高.

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Spatial and Temporal Distribution of Atmospheric Particulates over Kashgar City in 2015

YANG Xing1,ZHAO Keming2,MIN Yue2,YANG Dandan3*
(1.Kashgar Meteorological Bureau,Kashgar 844000,China;2.Xinjiang Meteorological Observatory,Urumqi 830002,China;3.Shanghai Meteorological and Health Laboratory,Shanghai 200030,China)

Based on the air pollutant concentration data collected from 3 environmental monitoring stations in Kashgar City in 2015,spatial and temporal characteristics of atmospheric pollutants were analyzed.The results showed that the general kind of pollution was PM(particulate matter),including PM10and PM2.5pollution.PM had clearly seasonal variations,the average concentration of PM10were the highest in spring(504.2 μg.m-3),the lowest in winter(222.6 μg.m-3),and autumn(264 μg.m-3)and summer(239.6 μg.m-3)in between.The average concentration of PM2.5were the highest in winter(145.9 μg.m-3),the lowest in summer(77.6 μg.m-3),and spring(132.2 μg.m-3)and autumn(118.8 μg.m-3)in between.In addition,the PM2.5to PM10ratio was 86%in December,the result showed that the main pollution was PM2.5in winter.The daily variety indicated that the concentration of PM presented the shape ofquot;3-peak-3-valleyquot;in spring and summer,quot;doublepeakquot;in autumn and winter.The highest daily concentration of both PM10and PM2.5occurred at midnight in summer,around 13:00 in other seasons.The lowest daily concentration of PM10occurred early in the morning,however,that of PM2.5occurred in the late afternoon.From the spatial distribution,the concentration of both PM10and PM2.5was low in the north of the city,high in the southeast.

Kashgar;particulate matter;spatial and temporal distribution

X513

A

1002-0799(2017)05-0083-06

羊興,趙克明,閔月,等.2015年喀什市大氣顆粒物的時空分布特征[J].沙漠與綠洲氣象,2017,11(5):83-88.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.012

2017-05-24;

2017-06-06

上海市氣象與健康重點實驗室2015年度開放課題(QXJK201507)資助.

羊興(1981-),男,工程師,主要從事氣象服務與應用氣象工作.E-mail:85235011@qq.com

楊丹丹(1985-),女,高級工程師,主要從事環(huán)境氣象預報研究.E-mail:ydd_danfer@hotmail.com