固原市空氣質(zhì)量特征及其與氣象條件的關(guān)系

楊文海，韓世昌 ，馬興明

1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；

2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；

3.固原市氣象局，寧夏 固原 756000；

4.涇源縣氣象局，寧夏 涇源 756400

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的深入實(shí)施，城市建設(shè)改造和交通運(yùn)輸產(chǎn)生的粉塵污染逐步加大，快速增加的機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生的尾氣污染等日益突出，大氣污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。隨著社會(huì)各界對(duì)大氣污染問(wèn)題的深刻認(rèn)識(shí)，一些學(xué)者針對(duì)空氣質(zhì)量、空氣污染的氣象條件等開(kāi)展了相關(guān)研究，如郭立平[1]等分析了河北廊坊市連續(xù)重污染天氣的氣象條件，趙敬國(guó)[2]等對(duì)蘭州市大氣重污染氣象成因進(jìn)行了分析，周賀玲[3]、祁棟林[4]、胡琳[5]，邱粲[6]等分別研究了廊坊市、西寧市、西安市、濟(jì)南市空氣質(zhì)量的特征及其與氣象條件的關(guān)系，黃亞林[7]等分析了武漢市PM2.5的時(shí)空分布特征及其與氣象條件的關(guān)系，趙晨曦[8]等分析了北京地區(qū)冬春PM2. 5和PM10污染水平時(shí)空分布及其與氣象條件的關(guān)系，張建忠[9]，李文杰[10]等分別分析了北京地區(qū)、京津石三市空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)空分布特征及其與氣象條件的關(guān)系，周兆媛[11]等對(duì)京津冀地區(qū)氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量的影響及未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，冀翠華[12]等對(duì)2001-2012年北京市空氣污染指數(shù)節(jié)氣分布及其與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究。近年來(lái)隨著寧夏能源資源消耗持續(xù)增加，細(xì)顆粒物、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放量顯著增長(zhǎng)，冬季霧霾現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn)，防治大氣污染形勢(shì)比較嚴(yán)峻，寧夏一些學(xué)者也做了相關(guān)研究[13-17]，然而目前關(guān)于寧夏固原市空氣污染的相關(guān)研究還不夠，遠(yuǎn)不能滿足空氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)開(kāi)展和為政府、公眾提供信息服務(wù)的需求。因此，深入研究固原市空氣質(zhì)量特征及其與氣象條件的關(guān)系，為今后開(kāi)展相關(guān)氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

一、資料與方法

空氣污染資料為2015年1月至2017年12月固原市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的逐日及逐小時(shí)PM2.5、PM10、O3等主要污染物的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)自固原市環(huán)境監(jiān)測(cè)站、固原市新區(qū)、固原市馬園3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，地面風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣壓等氣象要素資料為固原市國(guó)家基準(zhǔn)氣候觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ633-2012及中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012的規(guī)定，環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）共分為6個(gè)級(jí)別，0～50為一級(jí)（優(yōu)），51～100為二級(jí)（良），101～150為三級(jí)（輕度污染），151～200為四級(jí)（中度污染），201～300為五級(jí)（重度污染），301以上為六級(jí)（嚴(yán)重污染）。

二、固原市空氣質(zhì)量概況

（一）固原市區(qū)空氣質(zhì)量狀況

在選取的2015-2017年固原市1 096個(gè)有效樣本中，固原市空氣質(zhì)量以二級(jí)良為主，共827d，占樣本總數(shù)的75.5%；一級(jí)優(yōu)日數(shù)為149d，占樣本總數(shù)的13.6%；三級(jí)輕度污染日數(shù)為64d，占樣本總數(shù)的5.8%；四級(jí)及以上日數(shù)為56d，占樣本總數(shù)的5.1% 。表1為2015-2017年固原市空氣污染指數(shù)級(jí)別日數(shù)和比例，表1顯示，固原市空氣質(zhì)量以二級(jí)良為主，空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，重度污染及以上天數(shù)在2016年有明顯增長(zhǎng)，但在2017年中度污染及以上天數(shù)明顯減少?？梢?jiàn)，城市化進(jìn)程的不斷加快對(duì)固原市空氣質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重，但隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題關(guān)注程度的不斷提高以及2017年開(kāi)始的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動(dòng)的展開(kāi)，固原市大力開(kāi)展的大氣環(huán)境綜合整治工作收到了良好的效果，空氣質(zhì)量較2016年有明顯改善。

（二）首要污染物分析

1.首要污染物年度變化分析。固原市區(qū)除了13.6%的優(yōu)級(jí)天數(shù)外，2015-2017年其余天數(shù)在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告中均報(bào)告有首要污染物。表2列出了2015-2017年固原市空氣質(zhì)量首要污染物的情況，研究時(shí)段內(nèi)，影響固原市空氣質(zhì)量最多的污染物是PM10，出現(xiàn)天數(shù)為643d，占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的67.9%；O3為首要污染物的天數(shù)為180d，占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的19%；PM2.5為首要污染物的天數(shù)為112d，占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的11.8%；NO2為首要污染物的天數(shù)最少，僅占非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的1%。當(dāng)天同時(shí)出現(xiàn)兩種首要污染物的天數(shù)為3d，均出現(xiàn)在2017年，且當(dāng)天空氣質(zhì)量均為良。

表1 2015－2017年固原市空氣污染指數(shù)級(jí)別日數(shù)和比例

表2 2015－2017年固原市空氣質(zhì)量首要污染物情況

從首要污染物年際變化情況來(lái)看，2015年O3作為首要污染物的天數(shù)占同年非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的5%，2016年O3作為首要污染物的天數(shù)占同年非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的25.3%，2017年O3作為首要污染物的天數(shù)占同年非優(yōu)級(jí)總天數(shù)的30.6%。因此隨著O3污染呈加重態(tài)勢(shì)，對(duì)空氣質(zhì)量的影響不斷增加，對(duì)固原市空氣質(zhì)量污染防治工作提出了新的挑戰(zhàn)。

2.首要污染物的月變化特征。統(tǒng)計(jì)分析2015-2017年首要污染物出現(xiàn)天數(shù)的月變化（圖1），如圖所示，顆粒物（PM10和PM2.5）和O3成為首要污染物的天數(shù)呈現(xiàn)“此消彼長(zhǎng)”的負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。

春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10，PM10成為首要污染物的天數(shù)占比約在66%～93%；冬季12月至次年3月PM2.5成為首要污染物的天數(shù)占比約在18%～33%，NO2成為首要污染物的天數(shù)主要集中在12月，占比約10%。3月開(kāi)始，受氣溫光照等條件影響，O3成為首要污染物的天數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，顆粒物的占比開(kāi)始下降，6-7月份O3成為首要污染物的天數(shù)占比超過(guò)50%。9月開(kāi)始O3對(duì)空氣質(zhì)量的影響大幅度下降，PM10與PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量的影響又開(kāi)始加強(qiáng)（見(jiàn)圖1）。

三、空氣污染與氣象要素相關(guān)性分析

城市空氣質(zhì)量受很多因素影響，如氣象條件、污染源的種類(lèi)、地形和政府政策等。研究表明，氣象條件對(duì)污染物的擴(kuò)散、稀釋和積累有一定作用，在污染源一定的條件下，污染物的濃度主要取決于氣象條件。表3為2015-2017年固原市不同季節(jié)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI日平均值與同期氣象要素日值之間的相關(guān)關(guān)系。

圖1 2015-2017年首要污染物出現(xiàn)天數(shù)的月變化

表3 2015-2017年固原市不同季節(jié)日平均 AQI與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

從表3可以看出，春季AQI指數(shù)與氣壓（平均、最低）、相對(duì)濕度（平均、最小）呈顯著負(fù)相關(guān)；與風(fēng)速（最大、平均）呈顯著正相關(guān)。夏季AQI指數(shù)與氣壓（平均、最高、最低）和相對(duì)濕度（平均、最?。┏曙@著負(fù)相關(guān)；與氣溫（平均、最高）、風(fēng)速（最大、平均）呈顯著正相關(guān)。秋季AQI指數(shù)與氣溫（平均、最低）、相對(duì)濕度（平均、最?。┏曙@著負(fù)相關(guān)；僅與最大風(fēng)速呈顯著正相關(guān)。冬季與AQI指數(shù)呈正相關(guān)的氣象因子有氣溫（平均、最高、最低）和風(fēng)速（最大、平均），僅與最低氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)。

不同季節(jié)氣溫對(duì)空氣污染指數(shù)的影響作用不同，夏季AQI指數(shù)與氣溫（平均、最高）呈顯著正相關(guān)；秋季AQI指數(shù)與氣溫（平均、最低）呈顯著負(fù)相關(guān)；冬季AQI指數(shù)與氣溫（平均、最高、最低）呈顯著正相關(guān)。相對(duì)濕度是影響春季、夏季和秋季空氣污染的主要?dú)庀笠蜃又唬皇嵌究諝馕廴镜闹饕绊懸蜃印?/p>

四、高污染指數(shù)過(guò)程天氣形勢(shì)分析

2015-2017年固原市發(fā)生AQI>300的嚴(yán)重污染天數(shù)為9d，其中首要污染物為PM2.5的天數(shù)為1d，首要污染物為PM10的天數(shù)為8d。研究表明，天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和變化會(huì)影響大氣擴(kuò)散條件和污染物傳輸條件，從而改變空氣中的顆粒物的濃度[6]。利用Micaps常規(guī)氣象資料，分析9次嚴(yán)重污染天氣過(guò)程500hPa高空影響系統(tǒng)和地面氣壓形勢(shì)場(chǎng)，其配置主要有2種類(lèi)型（表4）。表4中高壓脊前強(qiáng)西北氣流指嚴(yán)重污染過(guò)程發(fā)生期間固原市受500hPa高空高壓脊前強(qiáng)西北氣流（≥16m/s）影響；高氣壓場(chǎng)是指固原市位于高氣壓場(chǎng)偏前部，有冷鋒影響；短波槽是指受貝加爾湖東部大型高空槽底部擴(kuò)散冷空氣影響形成的小型高壓槽；均壓場(chǎng)是指固原市處于對(duì)稱(chēng)的2個(gè)高壓、2個(gè)低壓間的均壓場(chǎng)內(nèi)，嚴(yán)重污染過(guò)程期間氣壓場(chǎng)分布比較均勻。

表1中可見(jiàn)，500hPa高空固原市受脊前強(qiáng)西北氣流影響，同時(shí)地面處于高氣壓場(chǎng)前部是嚴(yán)重污染天氣的主要配置類(lèi)型，出現(xiàn)8次，在這種環(huán)流配置下，固原市風(fēng)速較大，8次過(guò)程中有5次固原市出現(xiàn)沙塵天氣；500hPa高空固原市受短波槽后西北氣流影響，同時(shí)地面處于均壓場(chǎng)的配置只出現(xiàn)1次，在此次嚴(yán)重污染天氣發(fā)生前一天受短波槽影響，固原出現(xiàn)對(duì)流性降水，降水結(jié)束后，嚴(yán)重污染天氣發(fā)生期間固原市高空500hPa受短波槽后西北氣流影響，地面氣壓場(chǎng)為均壓場(chǎng)影響，地面風(fēng)速小于3m/s，相對(duì)濕度在50%以上，低層大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于PM2.5擴(kuò)散，導(dǎo)致固原出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣。

五、結(jié)論

（一）固原市空氣質(zhì)量以二級(jí)良為主，空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)

2017年中度污染及以上天數(shù)較2015年和2016年有明顯減少。說(shuō)明固原市城市化進(jìn)程不斷加快對(duì)空氣質(zhì)量影響明顯，但隨著各項(xiàng)大氣環(huán)境綜合整治工作的開(kāi)展，空氣質(zhì)量狀況有了明顯改善。

（二） PM10是固原市最主要的污染物，作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)最多。

2015-2017年O3作為首要污染物天數(shù)年際變化呈明顯增加趨勢(shì)，O3污染呈加重態(tài)勢(shì)，對(duì)空氣質(zhì)量的影響不斷增加。

（三）首要污染物的月變化特征明顯

春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10。3月開(kāi)始，受氣溫光照等條件影響，O3成為首要污染物的天數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，夏季固原市首要污染物主要是O3。冬季12月至次年3月PM2.5成為首要污染物的天數(shù)占比較大。NO2成為首要污染物的天數(shù)主要集中在12月。

（四）不同季節(jié)影響空氣質(zhì)量的氣象因子并不完全相同

各地面氣象要素與AQI的關(guān)系，以風(fēng)速最密切，其次是相對(duì)濕度；氣壓三要素中以最低氣壓與AQI最相關(guān)。不同季節(jié)氣溫對(duì)AQI的影響作用不同，夏季AQI指數(shù)與氣溫（平均、最高）呈顯著正相關(guān)；秋季AQI指數(shù)與氣溫（平均、最低）呈顯著負(fù)相關(guān)；冬季AQI指數(shù)與氣溫三要素呈顯著正相關(guān)。

表4 固原市嚴(yán)重污染天氣的高空、地面環(huán)流形勢(shì)配置

（五）固原市嚴(yán)重污染過(guò)程對(duì)應(yīng)的典型不利天氣形勢(shì)

500hPa高空受脊前強(qiáng)西北氣流影響，同時(shí)地面處于高氣壓場(chǎng)前部，多伴有大風(fēng)、沙塵天氣等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。