新疆大氣顆粒物的時空分布特征

謝運興，唐 曉，郭宇宏，林彩燕，吳煌堅，盧苗苗，王自發(fā)

1.中國科學(xué)院大氣物理研究所，大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點實驗室，北京 100029 2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049 3.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830002 4.中國民用航空局空中交通管理局航空氣象中心，北京 100122

大氣顆粒物可根據(jù)空氣動力學(xué)直徑分為總懸浮顆粒物(TSP)，可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)[1]。大氣顆粒物通過其構(gòu)成組分的作用，可產(chǎn)生許多重要的環(huán)境影響，如能見度降低，改變輻射強迫直接或間接地影響氣候變化，并且導(dǎo)致人體健康受損[2-6]。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大氣污染問題變得非常嚴(yán)重[7-11]，2015年全國338個地級以上城市，PM10和PM2.5年均濃度超標(biāo)比例分別高達65.4%和77.5%，超標(biāo)比例遠高于SO2、NO2、CO和O3。大氣顆粒物污染作為我國首要的污染問題，已經(jīng)引起學(xué)者和社會公眾的極大關(guān)注。中國已有大量的大氣顆粒物污染研究，包括華北地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)以及西安、成都和武漢等主要城市[12-17]。

QU等[18]指出，通常人口眾多、工業(yè)發(fā)達的城市PM10污染問題容易受到關(guān)注，而地理上處于盆地周邊的城市，雖有更高的PM10濃度，但關(guān)注度不如前者。新疆作為我國面積最大的自治區(qū)，有塔里木盆地、吐魯番盆地和準(zhǔn)噶爾盆地三大盆地，加之干旱半干旱地區(qū)的溫帶大陸性氣候使得新疆干燥少雨，大氣顆粒物污染問題更為嚴(yán)重。根據(jù)《2015年新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境狀況公報》，新疆全區(qū)開展的19個城市空氣質(zhì)量監(jiān)測中，烏魯木齊等15個城市空氣質(zhì)量未達國家二級標(biāo)準(zhǔn)，占79%，新疆以大氣顆粒物污染為主。郭宇宏等[19]分析了2011年4—5月新疆部分城市的可吸入顆粒物濃度及粒徑分布特征，結(jié)果表明，阿克蘇和庫爾勒市大氣顆粒物濃度受周邊環(huán)境影響較強，且?guī)鞝柪帐写髿忸w粒物以粒徑小于1.2 μm的積聚模態(tài)為主。烏魯木齊作為新疆首府，人口較多，經(jīng)濟相對發(fā)達，大氣污染較為復(fù)雜，是新疆大氣顆粒物污染嚴(yán)重的城市之一。ZHAO等[20]發(fā)現(xiàn)烏魯木齊的大氣顆粒物基本來自煤燃燒，來自土壤的揚塵占比很少。同時許多學(xué)者也對烏魯木齊大氣顆粒物的時空變化特征和來源解析等方面進行了深入研究[21-23]。對新疆其他城市地區(qū)的研究中，大多也都是對城市地區(qū)大氣顆粒物變化特征與氣象要素之間的關(guān)系進行分析[24-25]。但眾多研究多針對新疆某單一城市，且時間序列相對較短，未能從整體上對新疆的大氣顆粒物濃度時空特征進行客觀分析。因此，本文基于2015年新疆12個城市的污染監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合同期氣象數(shù)據(jù)，分析新疆PM10和PM2.5濃度的時空分布特征，以期加深對大氣顆粒物濃度時空變化的規(guī)律與大氣顆粒物污染成因的理解，并對新疆的大氣顆粒物污染預(yù)警及治理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

所用PM2.5和PM10濃度觀測數(shù)據(jù)來源于全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺，為2015年的數(shù)據(jù)，時間分辨率為1 h，覆蓋新疆12個城市34個監(jiān)測站點，共有630 720個數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)有515 711個，占全部數(shù)據(jù)的81.8%。本文對同一城市的污染物濃度數(shù)據(jù)進行站點平均，并經(jīng)過質(zhì)量控制，最終得到12個城市數(shù)據(jù)樣本。所獲取的12個城市包括8個北疆城市，分別為烏魯木齊、吐魯番、哈密、克拉瑪依、博州、伊犁、塔城和阿勒泰，4個南疆城市，分別為喀什、和田、阿克蘇和巴州(見圖1)。

注：底圖源自國家測繪地理信息局(http://www.sbsm.gov.cn/；http://219.238.166.215/mcp/index.asp) 1∶400萬基本要素版，審圖號為GS(2008)1400號，下載日期為2017-05-25。下同。圖1 新疆地形高度和城市地理位置圖Fig.1 Topographic height and urban geographical location map in the southern and the northern city in Xinjiang

為了分析PM10與PM2.5濃度變化和氣象要素之間的關(guān)系，采用了中國民航機場同期的氣象觀測數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的研究。氣象機場共有12個：8個北疆城市機場，分別為烏魯木齊地窩堡機場(87.47°E，43.91°N)、吐魯番交河機場(89.10°E，43.03°N)、哈密機場(93.67°E，42.84°N)、克拉瑪依機場(84.95°E，45.47°N)、博樂機場(82.30°E，44.90°N)、伊寧機場(81.33°E，43.96°N)、塔城機場(83.35°E，46.67°N)和阿勒泰機場(88.08°E，47.75°N)；4個南疆城市機場，分別為喀什機場(76.02°E，39.54°N)、和田機場(79.86°E，37.04°N)、阿克蘇溫宿機場(80.29°E，41.62°N)和庫爾勒機場(86.14°E，41.62°N)。觀測氣象要素包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、露點、氣壓，天氣現(xiàn)象，數(shù)據(jù)分辨率為0.5 h，其中風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、露點和氣壓共有525 600個數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)355 812個，占全部數(shù)據(jù)的67.7%。相對濕度通過常用的Magnus經(jīng)驗公式由露點和氣溫計算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣顆粒物時空分布特征

2.1.1 大氣顆粒物年均濃度空間分布特征

圖2給出了2015年新疆各城市PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度空間分布。

圖2 2015年新疆各城市PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度空間分布示意Fig.2 Spatial distribution of PM10 and PM2.5 annual mass concentration in Xinjiang during 2015

從圖2(a)可見，新疆PM10年均質(zhì)量濃度為126.5 μg/m3，并呈現(xiàn)出顯著的南北分布差異，南疆地區(qū)的PM10年均質(zhì)量濃度為215 μg/m3，要遠高于北疆地區(qū)的82 μg/m3，PM10年均質(zhì)量濃度由南向北遞減。巴州、阿克蘇、喀什以及和田4個南疆城市地區(qū)質(zhì)量濃度均不低于150 μg/m3；北疆南部地區(qū)PM10年均質(zhì)量濃度要高于其北部地區(qū)，如伊犁、哈密、烏魯木齊以及吐魯番PM10年均質(zhì)量濃度為77～138 μg/m3，要高于阿勒泰、塔城、博州以及克拉瑪依的28～69 μg/m3。以日均PM10質(zhì)量濃度大于150 μg/m3為污染天，則南疆4個城市地區(qū)平均污染天數(shù)占全年56%，而北疆平均污染天數(shù)占全年的10%。和田與喀什是PM10年均質(zhì)量濃度最高的2個南疆城市，質(zhì)量濃度達250 μg/m3以上，阿勒泰是PM10年均質(zhì)量濃度最低的城市，只有28 μg/m3。造成PM10年均質(zhì)量濃度南高北低空間分布現(xiàn)象的部分原因可能與新疆塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠的影響有著密不可分的聯(lián)系。

從圖2(b)可見，PM2.5年均質(zhì)量濃度空間分布與PM10空間分布非常相似，呈現(xiàn)南高北低的污染態(tài)勢，新疆PM2.5年均質(zhì)量濃度為53.7 μg/m3。南疆PM2.5年均質(zhì)量濃度為84 μg/m3，是北疆的2倍左右?？κ才c阿勒泰是新疆PM2.5年均質(zhì)量濃度最高和最低的城市，分別為118 μg/m3和13 μg/m3。與PM10年均質(zhì)量濃度空間分布不同的是北疆烏魯木齊和吐魯番2個城市的PM2.5年均質(zhì)量濃度要大于南疆的巴州，3個城市PM2.5年均質(zhì)量濃度分別為74、66、50 μg/m3。烏魯木齊是新疆第一大城市，經(jīng)濟和人口都要高于其他城市，人為排放的PM2.5質(zhì)量濃度最多，特別是冬季供暖時期，大量燃煤等因素所引起的人為排放可能是導(dǎo)致其PM2.5質(zhì)量濃度升高的重要原因[26-31]。而吐魯番除受其盆地地形、氣象條件和本地人為排放因素影響外，還可能受到來自烏魯木齊的大氣顆粒物輸送影響。

2.1.2 大氣顆粒物月均質(zhì)量濃度空間分布特征

分析新疆PM10和PM2.5月均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)并繪制空間分布圖(見圖3和圖4)，可以發(fā)現(xiàn)月均質(zhì)量濃度空間分布與年均質(zhì)量濃度空間分布有很好的一致性，也呈現(xiàn)出南高北低的態(tài)勢，并且由于受不同氣象因素的影響，不同月份之間存在著明顯的空間分布差異。從圖3中可以看出，新疆PM10春季污染最重，秋季最輕，南疆地區(qū)春季季均質(zhì)量濃度約是北疆的4倍，且不同地區(qū)的PM10季均質(zhì)量濃度變化存在顯著差異?？κ才c和田地區(qū)四季季均質(zhì)量濃度都在輕度污染及以上程度，這可能主要與其緊鄰新疆塔里木盆地有關(guān)，沙漠沙塵活動可能是這2個城市PM10質(zhì)量濃度持高不下的重要原因。PM2.5季均質(zhì)量濃度變化不同于PM10，且不同地區(qū)范圍的PM2.5季均質(zhì)量濃度變化同樣也存在顯著差異，新疆各地區(qū)季均大氣顆粒物質(zhì)量濃度從高到低排列順序及相應(yīng)質(zhì)量濃度見表1。

圖3 2015年新疆PM10月均質(zhì)量濃度空間分布Fig.3 Spatial distribution of PM10 monthly average mass concentration in Xinjiang during 2015

圖4 2015年新疆PM2.5月均濃度空間分布Fig.4 Spatial distribution of PM2.5 monthly average mass concentration in Xinjiang during 2015

PM地區(qū)季均大氣顆粒物質(zhì)量濃度順序PM10南疆春(296.9)>夏(200.3)>秋(182.4)>冬(167.5)北疆冬(112.9)>春(76.4)>秋(72.5)>夏(64.4)全疆春(146.8)>冬(131.0)>夏(108.2)>秋(107.4)PM2.5南疆春(106.6)>冬(82.8)>秋(77.8)>夏(69.4)北疆冬(66.1)>秋(33.4)>春(30.8)>夏(21.9)全疆冬(71.0)>春(55.6)>秋(45.5)>夏(37.1)

注：表中數(shù)據(jù)單位均為μg/m3。

3月為全疆PM10質(zhì)量濃度最高月份，平均質(zhì)量濃度為190.2 μg/m3。和田為3月PM10質(zhì)量濃度最高的城市，其次為喀什，月均質(zhì)量濃度分別為512 μg/m3和395 μg/m3。12月是全疆PM2.5質(zhì)量濃度最高月份，平均質(zhì)量濃度為74.8 μg/m3，不同城市質(zhì)量濃度差異大，如南疆4個城市地區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度集中在53～176 μg/m3，而北疆地區(qū)則從14 μg/m3上升到144 μg/m3，兩者相差近10倍。9月是全疆月均大氣顆粒物污染質(zhì)量濃度空間變化最小的月份，PM10和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為86.5 μg/m3和27.0 μg/m3。

2.1.3 大氣顆粒物濃度時間變化特征

為了更清晰直觀地了解各城市PM10、PM2.5質(zhì)量濃度以及PM2.5/PM10的月均變化，繪制PM10、PM2.5月均質(zhì)量濃度以及PM2.5/PM10時間序列圖(見圖5)。

從圖5可以明顯看出：南疆城市大氣顆粒物的月均質(zhì)量濃度及其波動大小要高于北疆，并可以從地形圖中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量濃度波動大小沿塔里木盆地-吐魯番盆地-準(zhǔn)噶爾盆地變小，反映了大氣顆粒物質(zhì)量濃度受局地地形的影響顯著。從3月到9月(主要在春季和夏季時段)，新疆絕大部分城市PM2.5和PM10月均質(zhì)量濃度比都小于0.5，說明春、夏季以粗顆粒物污染為主，而此時段正是沙塵天氣過程頻發(fā)的季節(jié)，新疆春夏季PM10質(zhì)量濃度上升受到來自于沙塵的貢獻[32-34]。而其他月份(秋季和冬季時段)各城市PM2.5和PM10月均質(zhì)量濃度比從10月開始迅速上升，并基本大于0.5，說明秋、冬時段內(nèi)以細(xì)顆粒物為主，而10月中旬到次年4月中旬正是新疆普遍的供暖時間，供暖期間大量燃煤等人為排放可造成PM2.5質(zhì)量濃度上升。

圖5 2015年新疆PM10、PM2.5月均質(zhì)量濃度以及PM2.5/PM10時間序列Fig.5 PM10 and PM2.5 monthly mass concentration and PM2.5/PM10 time series of Xinjiang during 2015

2.2 顆粒物質(zhì)量濃度與氣象要素相關(guān)性分析

圖6給出了2015年新疆不同月份風(fēng)速和相對濕度的月均變化時間序列圖。從圖6可以看出，在春季和夏季，風(fēng)速和溫度高，相對濕度和氣壓低，秋、冬季則相反。從相對濕度來看，南疆相對濕度普遍小于北疆，南疆年平均相對濕度為41.7%，北疆為52.6%。在南疆城市中，阿克蘇相對濕度最高。在北疆中，吐魯番相對濕度最低。從溫度上來看，7月為新疆全年溫度的最高月份。除吐魯番和哈密外，南疆城市年均溫度約比北疆城市高4 ℃，而冬季溫度要比北疆城市高6 ℃左右。氣壓的月變化趨勢與溫度相反，呈“U”型，7月為氣壓最低月份?？梢园l(fā)現(xiàn)，秋末和冬季時期，低溫高壓具有較高的PM2.5質(zhì)量濃度，而其余時間段則是高溫低壓，具有較高的PM10質(zhì)量濃度。溫度是產(chǎn)生風(fēng)的重要熱力條件，氣壓梯度決定風(fēng)速大小，而大風(fēng)則是引起沙塵天氣過程、造成大氣顆粒物質(zhì)量濃度上升的重要動力條件。分析各城市全年風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)新疆大風(fēng)天多集中在春、夏季(此處定義風(fēng)速大于6 m/s為大風(fēng)[21])。南疆各城市年均風(fēng)速要大于北疆，風(fēng)速最高和最低的城市都在南疆地區(qū)，其中巴州最高為4 m/s以上，阿克蘇最低不足2 m/s。

結(jié)合大氣顆粒物的月均質(zhì)量濃度(圖5)與相對濕度時間序列(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，相對濕度季節(jié)性變化導(dǎo)致大氣顆粒物質(zhì)量濃度差異大。秋末和冬季時相對濕度高對PM2.5質(zhì)量濃度生成影響大。在北疆地區(qū)高相對濕度影響PM2.5質(zhì)量濃度生成尤為明顯。以烏魯木齊為例，秋末和冬季的平均相對濕度為81.6%，其余時間段(3—10月)則只有45.0%，烏魯木齊在秋末和冬季的PM2.5平均質(zhì)量濃度卻高達117.3 μg/m3，而其余時間段的PM2.5質(zhì)量濃度則只有38.9 μg/m3，是秋末和冬季PM2.5質(zhì)量濃度的1/3左右。在南疆地區(qū)低相對濕度影響PM10質(zhì)量濃度明顯。以和田為例，秋末和冬季的平均相對濕度為44.4%，其余時間段的平均相對濕度為28.9%，約為前者的2/3，但是秋末和冬季只為207.0 μg/m3，而其余時間段PM10質(zhì)量濃度卻高達285.2 μg/m3，比前者多了近1/3。

圖6 2015新疆各城市月均風(fēng)速與月均相對濕度時間序列圖Fig.6 Time series of monthly average wind speed and monthly average relative humidity in cities in Xinjiang in 2015

SUN等[27]探究了北京冬天相對濕度對氣溶膠組成和演變過程的影響，發(fā)現(xiàn)相對濕度對煤燃燒產(chǎn)生的有機氣溶膠質(zhì)量濃度有重要影響。對比圖5～圖7，可以發(fā)現(xiàn)南疆4個城市地區(qū)存在3個相對濕度低谷期，時間與PM10月均質(zhì)量濃度的3個高峰期幾乎很好相對應(yīng)。這表明低相對濕度可能是造成南疆PM10質(zhì)量濃度高值的一個重要氣象因素。風(fēng)是增加沙塵過程對大氣顆粒物質(zhì)量濃度貢獻的基本物理條件，當(dāng)春天來臨，溫度回暖時，土壤解凍，相對濕度低，土粒疏松，在冷空氣入侵下，春季成為易爆發(fā)沙塵暴的季節(jié)，塔克拉瑪干沙漠將為其邊緣城市的PM10質(zhì)量濃度貢獻輸送。而3月，南疆地區(qū)相對濕度的突然降低以及風(fēng)速加大，使得沙塵天氣過程的發(fā)生具備了良好條件，這是南疆地區(qū)在3月出現(xiàn)高PM10質(zhì)量濃度的重要原因。結(jié)合大氣顆粒物質(zhì)量濃度和氣象要素的月均變化，可以發(fā)現(xiàn)新疆秋、冬季風(fēng)速小，相對濕度大，PM2.5質(zhì)量濃度較高。從氣象方面看，以烏魯木齊和吐魯番2個城市為例，由于空氣中濕度大，有利于污染物吸濕增長，且冬季在高壓晴朗、無大型天氣系統(tǒng)入侵下，靜風(fēng)、小風(fēng)加上烏魯木齊處于山谷盆地上部的特殊地形條件，易產(chǎn)生逆溫層[32]，不利于污染物的稀釋擴散，從而最終造成PM2.5質(zhì)量濃度的上升。而吐魯番冬季存在地面風(fēng)速較小、晝夜溫差大、逆溫強度和逆溫厚度大的重污染日氣象特征[25]，并且加之可能受到烏魯木齊的輸送影響，最終使得PM2.5質(zhì)量濃度上升。12月大部分城市風(fēng)速最小，溫度最低和相對濕度最大，在此氣象要素下，在人為污染排放和地形因素的共同作用下，12月最終成為PM2.5月均質(zhì)量濃度最高月份。

圖7 2015年新疆各城市月均溫度與月均氣壓時間序列圖Fig.7 Time series of monthly mean temperature and monthly mean pressure of cities in Xinjiang in 2015

從整個南疆來看，對年均相對濕度大小進行排序，最小城市為和田，其次是喀什、巴州和阿克蘇，而PM10質(zhì)量濃度排序則剛好相反，表明相對濕度越小，PM10質(zhì)量濃度越大。在喀什與和田2個大氣顆粒物污染嚴(yán)重的城市中，喀什月均相對濕度22.2%～56.1%，年均為35.0%，而和田月均相對濕度19.2%～57.6%，年均34.5%，兩者的相對濕度變化相差不大?？κ材昃L(fēng)速大小為3.5 m/s，瞬時風(fēng)速最高可達20 m/s，大風(fēng)天占全年8.1%。和田地區(qū)年均風(fēng)速為 2.5 m/s，瞬時最大風(fēng)速為12 m/s，大風(fēng)天占全年3.1%。風(fēng)場分析方面，喀什主要受西風(fēng)和西北風(fēng)影響，而和田則是受西風(fēng)和北風(fēng)影響較大，可以推測和田大氣顆粒物質(zhì)量濃度將受到來自于塔克拉瑪干沙漠沙塵過程影響。因此，低相對濕度和大風(fēng)的共同作用是喀什和和田地區(qū)高顆粒物質(zhì)量濃度的主要氣象因素。另外，值得注意的是喀什人口超過烏魯木齊，其人為排放不可忽視，這很可能是其冬季大氣顆粒物質(zhì)量濃度保持高值的重要原因。

3 結(jié)論

1)從空間變化來看，新疆大氣顆粒物年均質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯南北差異，總體態(tài)勢為沿塔里木盆地-吐魯番盆地-準(zhǔn)噶爾盆地遞減。2015年新疆PM10和PM2.5年均質(zhì)量濃度分別為126.5 μg/m3和53.7 μg/m3。PM10春季最高，其次是冬季、夏季和秋季。PM2.5冬季最高，其次是春季、秋季和夏季。

2)南疆大氣顆粒物質(zhì)量濃度高，年均PM10質(zhì)量濃度為150～262 μg/m3，污染天數(shù)占比高達92.2%，年均PM2.5質(zhì)量濃度為50～118 μg/m3，污染天數(shù)占比高達85.2%。其中和田PM10質(zhì)量濃度最高，達到262 μg/m3，喀什全年P(guān)M10污染都非常嚴(yán)重，質(zhì)量濃度最低月份也達到169.2 μg/m3。北疆各城市的質(zhì)量濃度則相對較低，年均PM10質(zhì)量濃度為28～139 μg/m3，年均PM2.5質(zhì)量濃度為13～74 μg/m3，其中阿勒泰質(zhì)量濃度最低，為13 μg/m3。

3)從時間變化來看，春季新疆平均PM10質(zhì)量濃度最高，其次是冬季、夏季和秋季，其中3月PM10質(zhì)量濃度最高，達到146.8 μg/m3。PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)特征與PM10有所不同，冬季新疆平均PM2.5質(zhì)量濃度最高,其次是春季、秋季和夏季。在春季和夏季，新疆以粗顆粒物污染為主，絕大部分城市PM2.5和PM10月均質(zhì)量濃度比都小于0.5，冬季以細(xì)顆粒物污染為主，各城市PM2.5和PM10月均質(zhì)量濃度比都大于0.5。

4)在南疆地區(qū)，3月PM10質(zhì)量濃度突然大幅升高與相對濕度大幅下降、風(fēng)速大幅增加直接相關(guān)，喀什和和田的月均相對濕度下降到30%以下，表明沙塵天氣可能是導(dǎo)致南疆地區(qū)春季高PM10質(zhì)量濃度的重要原因。