南疆典型城市環(huán)境質(zhì)量與風(fēng)向特征分析

吳 梅，湯萬龍，何亞平

（1.新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830026；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002）

在社會(huì)文化發(fā)展的進(jìn)程中，阿克蘇、喀什、和田、克州統(tǒng)稱為南疆四地州[1]。這4個(gè)地州總面積5.9×105km2，占新疆國(guó)土面積的35.2%，具有大致相同的政治社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與民族文化背景。本文所指的南疆四市就是指的南疆四地州的中心城市：阿克蘇、喀什、和田和阿圖什市。這4個(gè)城市對(duì)南疆地區(qū)的發(fā)展有著舉足輕重的輻射與帶動(dòng)作用，特別是喀什、阿克蘇、和田三市為古絲綢之路上的三顆最耀眼的“明珠”，具有極大的開發(fā)潛力，尤其是國(guó)家正在推動(dòng)的“一帶一路”國(guó)際合作，對(duì)南疆城鎮(zhèn)化的開發(fā)建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義。

然而長(zhǎng)期以經(jīng)濟(jì)和物質(zhì)建設(shè)為基礎(chǔ)的快速城鎮(zhèn)化發(fā)展，人口與資源、環(huán)境矛盾越發(fā)凸顯。本文對(duì)這4個(gè)南疆中心城市近35 a的基礎(chǔ)氣象資料與環(huán)境質(zhì)量的特征分析，旨在科學(xué)合理地預(yù)測(cè)并確定城市的發(fā)展方向、規(guī)模和布局，在今后的城鎮(zhèn)化建設(shè)中避免產(chǎn)生潛在的城市環(huán)境問題。

1 南疆四市基本氣候特征分析

本文在新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心提供的1981—2015近35 a氣象觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，分析了南疆四市氣溫、降水、年蒸發(fā)量等氣象要素的基本特征及其對(duì)城市生態(tài)發(fā)展的影響。

受地理環(huán)境條件制約，阿克蘇市東南部伸入塔克拉瑪干沙漠，喀什、阿圖什市東臨塔克拉瑪干沙漠，和田市向北深入塔克拉瑪干大沙漠。從表1可以看出，這4個(gè)城市年降水量不足100mm，年蒸發(fā)量均超過1880 mm，年日照時(shí)數(shù)超過2600 h，全年浮塵和揚(yáng)沙頻發(fā)，都屬于生態(tài)系統(tǒng)脆弱的干旱、極度干旱區(qū)[2]。也屬于典型的“沙漠—綠洲”生態(tài)脆弱城市[3]。

表1 1981—2015年阿克蘇、喀什、和田、阿圖什市基本氣候特征

2 南疆四市環(huán)境質(zhì)量特征分析

空氣環(huán)境質(zhì)量決定著一個(gè)城市的環(huán)境質(zhì)量，探討一個(gè)城市的空氣質(zhì)量影響因素，才能有針對(duì)性的提出改善和治理措施。本文選取2016年阿克蘇、喀什、阿圖什、和田四市同期監(jiān)測(cè)的SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5污染物的日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)，參照國(guó)家2012年發(fā)布的GB3095-12《環(huán)境空氣質(zhì)量》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了南疆四市春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)這六項(xiàng)空氣污染物的超標(biāo)天數(shù)。SO2、NO2、CO、PM10、O3、PM2.5六項(xiàng)污染物日均值二級(jí)濃度限值分別?。?50 μg/m3、80 μg/m3、4 mg/m3、150 μg/m3、160 μg/m3、75 μg/m3，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

南疆四市的空氣質(zhì)量不容樂觀（表2）。2016年阿克蘇市PM10超標(biāo)天數(shù)共計(jì)210 d，PM2.5超標(biāo)天數(shù)達(dá)165 d，O3、NO2、CO超標(biāo)天數(shù)分別為48、4、3 d；阿圖什市PM10超標(biāo)天數(shù)共計(jì)153 d，PM2.5超標(biāo)天數(shù)達(dá)90 d，O3超標(biāo)天數(shù)為9 d；喀什市PM10超標(biāo)天數(shù)共計(jì)264 d，PM2.5超標(biāo)天數(shù)達(dá)222 d，CO、O3、NO2超標(biāo)天數(shù)分別為29、12、3 d；和田市PM10超標(biāo)天數(shù)共計(jì)251 d，PM2.5超標(biāo)天數(shù)達(dá)171 d，O3、SO2、CO、NO2超標(biāo)天數(shù)分別為20、3、1、1 d。空氣污染貢獻(xiàn)最大的污染物是PM10，其次是PM2.5，這是4個(gè)城市的共同特征。南疆四市降水稀少，蒸發(fā)旺盛，春夏多大風(fēng)、浮塵天氣[4-8]。年均濕度小，日照強(qiáng)烈，植被覆蓋率低，又地處沙漠邊緣區(qū)域，勢(shì)必造成空氣中污染物不能有效清除。城市供暖、機(jī)動(dòng)車尾氣排放、冬季煤堆場(chǎng)揚(yáng)塵、餐飲業(yè)油煙排放、道路揚(yáng)塵、建筑施工以及城市化與工業(yè)化進(jìn)程的加快，也是導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因。

表2 2016年阿克蘇、喀什、和田、阿圖什市空氣污染物超標(biāo)天數(shù) d

3 南疆四市城市風(fēng)向特征分析

城市風(fēng)向特征在污染物大氣稀釋擴(kuò)散過程中以及建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)、工程選址、城市功能區(qū)劃分等工作中起著決定性的作用。從表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看出南疆四市全年空氣質(zhì)量欠佳，因此本文根據(jù)南疆四市1981—2015年近35 a的風(fēng)向資料，分別分析了4個(gè)城市全年及四季的風(fēng)向特征，繪制出風(fēng)向頻率玫瑰圖和污染系數(shù)玫瑰圖，作為選擇城市工業(yè)區(qū)和生活區(qū)布局的重要依據(jù)[9-12]。

3.1 阿克蘇市城市風(fēng)向特征

從阿克蘇市的氣象統(tǒng)計(jì)資料（圖1）來看，城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)镹風(fēng)（風(fēng)向頻率10%），其次是NNW風(fēng)（9%），全年靜風(fēng)（22%）頻率很高；春、秋、冬季盛行N風(fēng)，夏季盛行NW風(fēng)；全年最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)閃SW，頻率為1%。

圖1 阿克蘇市1981—2015年全年及四季風(fēng)向頻率分布

在城市環(huán)境功能區(qū)劃分、確定大氣污染源布局時(shí)，風(fēng)向決定大氣污染物輸送方向，但是風(fēng)速?zèng)Q定了大氣污染物稀釋的程度和煙氣抬升高度。只考慮風(fēng)向的作用，根據(jù)風(fēng)向頻率分布特點(diǎn)，提出城市功能區(qū)布局方案，只能做到居民區(qū)接受污染的時(shí)間最少，卻不能保證受到的污染程度最輕。因此在考慮風(fēng)向頻率的同時(shí)，還應(yīng)考慮風(fēng)速[13]。風(fēng)速也是影響污染濃度的一個(gè)重要因素，它與濃度成反比，故引入污染系數(shù)P，某一固定源下風(fēng)向濃度與該風(fēng)向頻率f成正比，與該風(fēng)向下平均風(fēng)速u成反比，即：P=f/u。污染系數(shù)[14-16］愈小，意味著空氣污染的程度就愈輕。利用污染系數(shù)計(jì)算式結(jié)合氣象統(tǒng)計(jì)資料繪出阿克蘇市1981—2015年年均污染系數(shù)玫瑰圖（圖2）。

圖2 阿克蘇市1981—2015年全年及四季年均污染系數(shù)玫瑰圖

從圖2分析得出阿克蘇市全年N風(fēng)的污染系數(shù)最大，NNW風(fēng)的污染系數(shù)次之，WSW風(fēng)的污染系數(shù)最小，全年風(fēng)向頻率與污染系數(shù)規(guī)律特征一致，NNW-NNE方位污染較為嚴(yán)重，城市環(huán)境功能區(qū)劃分時(shí)工業(yè)區(qū)應(yīng)選在WSW方向[17-19]。

3.2 喀什市城市風(fēng)向特征

從喀什市的氣象統(tǒng)計(jì)資料（圖3）來看，城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)镹W風(fēng)（7%），其次是W、WNW、SSE風(fēng)，頻率為6%，全年靜風(fēng)（22%）頻率很高，最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镹NE、SSW，頻率為3%；城區(qū)四季都盛行NW風(fēng)，春季最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾SW（3%），夏季最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镋SE、SSW、NNE（3%），秋季最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾SW、WSW（2%），冬季最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镹、NNE（2%）。

圖3 喀什市1981—2015年全年及四季風(fēng)向頻率分布

根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料繪出喀什市1981—2015年年均污染系數(shù)玫瑰圖（圖4）。

從圖4中可以看出喀什市全年NW、SSE風(fēng)的污染系數(shù)最大，WNW風(fēng)的污染系數(shù)次之，NNE風(fēng)的污染系數(shù)最?。欢綨W風(fēng)的污染系數(shù)最大，SSE風(fēng)的污染系數(shù)次之，NNE風(fēng)的污染系數(shù)最??；春季SSE風(fēng)的污染系數(shù)最大，W、WNW風(fēng)的污染系數(shù)次之，ESE風(fēng)的污染系數(shù)最小；夏季S風(fēng)的污染系數(shù)最大，SSE風(fēng)的污染系數(shù)次之，NNE風(fēng)的污染系數(shù)最小；秋季NW風(fēng)的污染系數(shù)最大，WNW風(fēng)的污染系數(shù)次之，NNE風(fēng)的污染系數(shù)最??；綜合考慮工業(yè)區(qū)應(yīng)選在NNE方向。就目前而言，喀什城區(qū)東偏北區(qū)域分布著天山水泥廠、地區(qū)水泥廠、喀什熱電廠等多個(gè)高污染企業(yè)，疏附縣的工業(yè)園區(qū)也正處于喀什城區(qū)的西邊，工業(yè)區(qū)的布局對(duì)喀什市的空氣質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

圖4 喀什市1981—2015年全年及四季年均污染系數(shù)玫瑰圖

3.3 阿圖什市城市風(fēng)向特征

從阿圖什市的氣象統(tǒng)計(jì)資料（圖5）來看，城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)閃風(fēng)（8%），其次是E風(fēng)（7%），全年靜風(fēng)（26%）頻率很高，最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镹NW、SSE，頻率為2%；城區(qū)冬季盛行W風(fēng)（8%），最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾SE、NW、NNW風(fēng)，頻率為1%；春季盛行W風(fēng)（8%），最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镹、NNE、SSE、NNW風(fēng)，頻率為3%；夏季盛行NW風(fēng)（9%），最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镹NE、SSE風(fēng)，頻率為3%；秋季盛行W風(fēng)（9%），最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镹、NNW、SSE風(fēng)，頻率為2%。

圖5 阿圖什市1981—2015年全年及四季風(fēng)向頻率分布

根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料繪出阿圖什市1981—2015年年均污染系數(shù)玫瑰圖（圖6）。

從圖6可以看出阿圖什市全年W風(fēng)的污染系數(shù)最大，E風(fēng)的污染系數(shù)次之，NNW風(fēng)的污染系數(shù)最??；冬季W(wǎng)風(fēng)的污染系數(shù)最大，其次是WSW風(fēng)，NW風(fēng)的污染系數(shù)最小；春季和夏季E風(fēng)的污染系數(shù)最大，其次是NE風(fēng)，NNW風(fēng)的污染系數(shù)最??；秋季W(wǎng)風(fēng)的污染系數(shù)最大，其次是E風(fēng)，同樣也是NNW風(fēng)的污染系數(shù)最小。綜合考慮工業(yè)區(qū)應(yīng)選在NNW方向，其次是S方向，這與當(dāng)前阿圖什市工業(yè)園區(qū)的布局是相符合的。但是由于前期城市規(guī)劃工作缺乏宏觀統(tǒng)籌大局意識(shí)，阿圖什市工業(yè)園區(qū)在喀什市工業(yè)園區(qū)的北側(cè)，兩個(gè)工業(yè)園區(qū)只相距40 km，中間由西天山山脈相隔，盛行西北風(fēng)時(shí)，西北風(fēng)裹挾著阿圖什市工業(yè)園區(qū)的污染物翻過西天山山脈，再攜帶上喀什市工業(yè)園區(qū)的污染物隨氣流流向塔克拉瑪干沙漠后，把沙塵帶起來，污染物和沙塵隨東南風(fēng)再流向喀什市和阿圖什市，對(duì)這2個(gè)城市的空氣質(zhì)量都有很大的影響。

圖6 阿圖什市1981—2015年全年及四季年均污染系數(shù)玫瑰圖

3.4 和田市城市風(fēng)向特征

從和田市的氣象統(tǒng)計(jì)資料（圖7）來看，城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)镾W風(fēng)（10%），其次是SSW風(fēng)（9%），全年靜風(fēng)頻率達(dá)16%，最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾E、SSE，頻率為2%；城區(qū)冬季盛行W、SW風(fēng)（8%），最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾SE、SE、S風(fēng)，頻率為2%；春季盛行SW風(fēng)（10%），最小風(fēng)頻風(fēng)向?yàn)镾SE、SE風(fēng)，頻率為2%；夏季盛行SW風(fēng)（10%），秋季盛行SW、SSW風(fēng)（10%），夏秋兩季最小風(fēng)頻風(fēng)向皆為SSE、NE、NNE風(fēng)，頻率為2%。

圖7 和田市1981—2015年全年及四季風(fēng)向頻率分布

根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料繪出和田市1981—2015年年均污染系數(shù)玫瑰圖（圖8）。

圖8 和田市1981—2015年全年及四季年均污染系數(shù)玫瑰圖

分析圖8可以看出和田市全年SW風(fēng)的污染系數(shù)最大，SSW風(fēng)的污染系數(shù)次之，SSE、SE風(fēng)的污染系數(shù)最??；冬季SW風(fēng)的污染系數(shù)最大，WSW、W風(fēng)的污染系數(shù)次之，SE風(fēng)的污染系數(shù)最??；春夏兩季仍是SW風(fēng)的污染系數(shù)最大，SSW風(fēng)的污染系數(shù)次之，春季SSE風(fēng)的污染系數(shù)最小，夏季NNE風(fēng)的污染系數(shù)最小；秋季SSW風(fēng)的污染系數(shù)最大，SW風(fēng)的污染系數(shù)次之，SE風(fēng)的污染系數(shù)最??；根據(jù)和田市城區(qū)風(fēng)向頻率和污染系數(shù)特征工業(yè)區(qū)可選在SSE～SE方向，但是由于昆侖山在和田市的南面，和田市的地勢(shì)和地下水均呈現(xiàn)南高北低的走勢(shì)，綜合考慮工業(yè)區(qū)應(yīng)選在NNE方向。

4 討論

結(jié)合南疆四市1981—2015近35 a的風(fēng)向資料，對(duì)這4個(gè)城市年風(fēng)向頻率、最大及最小污染系數(shù)風(fēng)向情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表3）。

南疆四市空氣濕度小、干旱，懸浮在大氣中的細(xì)微煙、塵或者沙粒等構(gòu)成PM10、PM2.5污染物濃度居高不下，這也是4個(gè)城市全年環(huán)境空氣質(zhì)量欠佳的主要原因。要從根源上解決這個(gè)問題，只有加速城市綠地和防護(hù)林建設(shè)，提高城市綠化覆蓋率，在城市開發(fā)過程中建設(shè)多層次的綠化結(jié)構(gòu)[20]，并與綠色建筑、特色民俗建筑、城市家俱小品、綠地景觀結(jié)合形成特有的城市風(fēng)貌。

5 結(jié)論

通過對(duì)南疆四地州的中心城市：阿克蘇、喀什、和田和阿圖什市1981—2015近35 a的氣象觀測(cè)資料和2016年大氣中SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5污染物的日?qǐng)?bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

表3 1981—2015年阿克蘇、喀什、和田、阿圖什市風(fēng)場(chǎng)特征

（1）受地理環(huán)境條件制約，這4個(gè)城市年降水量不足100 mm，年蒸發(fā)量均超過1880 mm，年日照時(shí)數(shù)超過2600 h，全年沙暴、浮塵和揚(yáng)沙災(zāi)害頻發(fā)，都屬于生態(tài)系統(tǒng)脆弱的干旱、極度干旱區(qū)。從2016年空氣質(zhì)量日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，空氣污染貢獻(xiàn)最大的污染物是PM10，其次是PM2.5，這是4個(gè)城市的共同特征。南疆四市地處沙漠邊緣區(qū)域，植被覆蓋率低，春夏多大風(fēng)、沙塵暴、浮塵天氣，勢(shì)必造成環(huán)境空氣中污染物不能有效清除。

（2）阿克蘇市城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)镹風(fēng)，全年N風(fēng)的污染系數(shù)最大，WSW風(fēng)的污染系數(shù)最小，全年靜風(fēng)頻率達(dá)22%，城市環(huán)境功能區(qū)劃分時(shí)工業(yè)區(qū)應(yīng)選在WSW方向?？κ彩谐菂^(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)镹W風(fēng)，全年靜風(fēng)頻率達(dá)22%，全年NW、SSE風(fēng)的污染系數(shù)最大，NNE風(fēng)的污染系數(shù)最小，綜合考慮工業(yè)區(qū)應(yīng)選在NNE方向。阿圖什市城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)閃風(fēng)，全年靜風(fēng)頻率達(dá)26%，全年W風(fēng)的污染系數(shù)最大，NNW、SSE風(fēng)的污染系數(shù)最小，工業(yè)區(qū)應(yīng)選在NNW方向，其次是S方向。和田市城區(qū)地面盛行風(fēng)向?yàn)镾W風(fēng)，全年靜風(fēng)頻率達(dá)16%，全年SW風(fēng)的污染系數(shù)最大，SSE、SE風(fēng)的污染系數(shù)最小，工業(yè)區(qū)可選在NNE方向。南疆4個(gè)城市進(jìn)行工業(yè)園區(qū)布局時(shí)，要有一盤棋的思想，從大局利益出發(fā)，做一個(gè)宏觀的科學(xué)的整體規(guī)劃。城市進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，氣象部門也應(yīng)該參與進(jìn)來，進(jìn)行城市氣候可行性論證。

（3）南疆四市可利用特殊的光熱資源、發(fā)展特色林果業(yè)及棉紡產(chǎn)業(yè)，同時(shí)兼顧了防塵、外圍生態(tài)圈的構(gòu)架，并形成溫差對(duì)流，改善靜風(fēng)頻率過高問題。在城市開發(fā)建設(shè)過程中，可依托喀什“五口通八國(guó)，一路連歐亞”的獨(dú)特地緣優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮絲綢之路旅游品牌效應(yīng)，依托地域自然風(fēng)光、歷史遺跡、民族風(fēng)情等景觀資源，開發(fā)文化底蘊(yùn)深厚的高品位產(chǎn)品，建成特色化的旅游精品城市[21-22]。發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，提高南疆四市的城市氣候和生態(tài)承載力。

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