近三年烏蘭察布市空氣污染氣象條件分析

劉燁焜 李 朋 李海燕 郭曉麗

（烏蘭察布市氣象局 內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000）

引言

相關(guān)研究表明，大氣污染是由污染源和氣象條件兩個內(nèi)外因素共同決定的，在短時期內(nèi)污染源變化相對穩(wěn)定的情況下，空氣質(zhì)量好壞主要是由氣象條件決定[1-2]。氣象因素制約著污染物稀釋、擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化的過程，進(jìn)而影響大氣污染程度[3]。本文利用烏蘭察布市近三年空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)，分析主要污染物及其時間分布特征，研究氣象條件與污染發(fā)生的關(guān)系，為打造宜居、宜業(yè)、宜游城市提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，以烏蘭察布市為研究區(qū)域，對SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO 進(jìn)行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)來源于市環(huán)保局提供的空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)及市氣象局的觀測資料。

1.2 分析方法

利用統(tǒng)計學(xué)分析，得出空氣質(zhì)量時間分布特征及主要污染物。使用典型相關(guān)分析，研究主要污染物與氣象要素相關(guān)性。分析得出對空氣質(zhì)量影響較大的氣象因子。

2 烏蘭察布市環(huán)境空氣質(zhì)量特征

2.1 空氣質(zhì)量年變化特征

統(tǒng)計2015—2017年逐日空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），優(yōu)天數(shù)（AQI≤50）占全年總?cè)諗?shù)的18.9%、24.8%和 22.7%；良天數(shù)（50＜AQI≤100）占全年總?cè)諗?shù)的64.4%、66.1%和59.7%；污染天數(shù)（AQI＞100）占全年總?cè)諗?shù)的16.7%、9%和17.5%。結(jié)果表明，本市空氣質(zhì)量主要以優(yōu)良為主，污染日數(shù)較少，各級別天數(shù)所占比例保持在穩(wěn)定水平。

2.2 污染物濃度變化特征

從表1可以看出，近3年P(guān)M10和PM2.5年均濃度呈下降趨勢；SO2、NO2和CO年均濃度基本持平；O3濃度略有上升。SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5月均濃度值冬、春季較夏、秋季濃度高，呈“凹”字形變化；O3與之相反，夏、秋季明顯高于冬、春季，呈“凸”字形變化。

表1 2015-2017年各單項污染物年均濃度情況表（單位：μg/m3）

3 主要大氣污染物分析及與氣象條件的分析

3.1 主要污染物分析

2015—2017年全市污染天數(shù)為159天，首要污染物是PM10占比15.1%；PM2.5占比38.4%；O3占比44.7%。綜合分析，PM10、PM2.5和O3是本市的主要污染物。3種主要污染物發(fā)生時間具有明顯的季節(jié)性。PM10污染多發(fā)生在2月—5月；PM2.5污染多發(fā)生在11月—3月；O3污染多發(fā)生在5月—8月。

3.2 大氣污染與環(huán)流形勢的關(guān)系

通常污染過程與不利于污染物擴(kuò)散的天氣條件密切相關(guān)[4]。如果處于高層脊區(qū)和地面冷高壓控制下，有利于污染物的擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較好。當(dāng)高層轉(zhuǎn)為槽前西南氣流控制，地面冷高壓逐漸減弱，有助于穩(wěn)定層結(jié)長時間保持，使空氣質(zhì)量變差。

選取2017年5月1—4日污染過程進(jìn)行分析，前期500hPa高空為兩槽一脊形勢，本市處于槽后脊前西北氣流控制，地面處在高壓中心控制，有利于污染物擴(kuò)散。4月30日后高空形成短波槽（圖1a），全市處于西南氣流控制，地面處在均壓場中（圖1b），長時間保持穩(wěn)定層結(jié)，大氣擴(kuò)散條件差。同時連續(xù)四天氣溫偏高（15.3℃），相對濕度較大（36%），在低空形成暖蓋，導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差。

圖1 2017年4月30日—5月4日高空平均形勢場（a）

圖1 2017年4月30日—5月4日地面平均氣壓場（b）

3.3 大氣污染與降水的關(guān)系

近三年全市有雨優(yōu)良日數(shù)大于無雨日數(shù)，且雨量增大，優(yōu)良日數(shù)比例越高。本市降水集中，主要出現(xiàn)在夏季（6—8月），占全年總降水量的65%，冬春季明顯偏少。PM10和PM2.5污染多發(fā)生在11—5月。由此可知降水對空氣沖刷沉降作用顯著，并對污染物有清洗和稀釋效果[5]。

3.4 大氣污染與風(fēng)的關(guān)系

風(fēng)是邊界層內(nèi)影響污染物擴(kuò)散的重要動力因子。風(fēng)向決定著大氣中污染物的輸送方向，風(fēng)速則影響大氣中污染物擴(kuò)散稀釋快慢。低層風(fēng)向、風(fēng)速的變化直接影響空氣污染物的聚散及各處的濃度分布。

3.4.1 大氣污染與風(fēng)向的關(guān)系

風(fēng)主要表現(xiàn)了平流輸送的能力，但它又是局地性最強(qiáng)的氣象因子之一。本市位于中高緯度地區(qū)，受西風(fēng)帶氣流控制，全年主導(dǎo)風(fēng)向以西風(fēng)為主（16%），其次是西北風(fēng)和西北偏西風(fēng)，偏東風(fēng)出現(xiàn)頻率較少（圖2）。

圖2 烏蘭察布市近20年平均風(fēng)向頻率分布圖

統(tǒng)計分析風(fēng)向頻率特征發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量好時，西北風(fēng)出現(xiàn)頻率較高（21.7%）；空氣質(zhì)量差時，偏南和偏東風(fēng)出現(xiàn)的頻率高（18.1%和12.5%）。不同風(fēng)向造成空氣污染程度不同。這與污染物輸送有關(guān)，西北風(fēng)向空氣相對清潔，污染物較少；而偏南、偏東風(fēng)向空氣中污染物濃度較高，易造成空氣污染加重。

3.4.2 大氣污染與風(fēng)速的關(guān)系

分析風(fēng)速與AQI相關(guān)性：AQI指數(shù)與風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)，風(fēng)速大，有利于污染物擴(kuò)散，風(fēng)速小，會導(dǎo)致局地污染物的累積，不利于水汽和污染物的擴(kuò)散。與日平均10分鐘風(fēng)速的相關(guān)性最大，與日最大風(fēng)速的相關(guān)性次之，與日平均風(fēng)速的相關(guān)性最小。

分析風(fēng)速與主要污染物相關(guān)性：與PM2.5顯著負(fù)相關(guān)；與PM10顯著正相關(guān)；與O3不存在顯著關(guān)系。由于本市在冬春干燥季節(jié)，地面沙塵較多，風(fēng)速過大，反而會卷起地面的塵粒，形成大風(fēng)揚(yáng)沙，嚴(yán)重破壞空氣質(zhì)量，這也是在冬、春季空氣污染日數(shù)相對較多的一個原因。

3.5 大氣污染與氣溫的關(guān)系

冬季氣溫低，且主要污染物為顆粒物；如果大氣擴(kuò)散條件差，導(dǎo)致顆粒物沉降、擴(kuò)散受阻，影響空氣質(zhì)量[6]。春末至秋初時節(jié)，氣溫逐漸升高，太陽輻射增強(qiáng)，促進(jìn)O3的催化[7]。

分析主要污染物與氣溫的關(guān)系，O3污染受氣溫影響最大。5-8月以O(shè)3為首要污染物的污染天數(shù)最多，是其他月份的2-4倍，且兩者變化趨勢具有一致性。因?yàn)镺3污染日主要受熱低壓系統(tǒng)控制，天氣特征多表現(xiàn)為晴熱少雨，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，風(fēng)速小，日照強(qiáng)烈；容易造成光化學(xué)作用，催化O3的大量產(chǎn)生，從而形成污染。

結(jié)語

（1）烏蘭察布市2015—2017年空氣質(zhì)量較好，年平均優(yōu)良天數(shù)維持在310天左右，污染日數(shù)僅占14.5%，且主要以輕度污染為主。

（2）PM10、PM2.5和O3是烏蘭察布市的主要污染物，污染發(fā)生時間具有明顯的季節(jié)性。PM10污染多發(fā)生春季，PM2.5污染多發(fā)生在冬季，O3污染多發(fā)生在夏季。

（3）大氣環(huán)流形勢的變化是導(dǎo)致空氣污染物濃度發(fā)生巨大變化的主要外因。處于高層脊區(qū)和地面冷高壓控制下，受強(qiáng)盛反氣旋環(huán)流影響，空氣質(zhì)量較好；處于槽前西南氣流控制，低層增溫增濕，有助于低空暖蓋和穩(wěn)定層結(jié)長時間保持，使空氣質(zhì)量變差。

（4）降水對空氣沖刷沉降作用顯著，并對污染物有清洗和稀釋效果；風(fēng)向決定著大氣中污染物的輸送方向；風(fēng)速與AQI指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)；高溫、日照強(qiáng)烈容易造成光化學(xué)作用，催化O3的大量產(chǎn)生。