哈密市空氣質(zhì)量特征及其與氣象因子的關(guān)系

馮瑤，美合日阿依·牙里坤，張科

（1.伊州區(qū)氣象局，新疆 哈密 839000；2.哈密市氣象臺(tái)，新疆 哈密 839000）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，能源與交通規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，城市人口的迅速膨脹，我國城市大氣污染日益嚴(yán)重，時(shí)刻影響著人們的健康和生活，大氣污染和空氣質(zhì)量問題越來越受到人們的高度重視[1]?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（AQI）法[2]是目前我國城市廣泛采用的評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量和污染程度的方法，它把常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度換算成指數(shù)，分指數(shù)最高的即為首要污染物，可以直觀地反映當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的污染狀況。目前，已有許多氣象和環(huán)境工作者對(duì)不同區(qū)域的空氣質(zhì)量和氣象因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了大量研究[3-10]，也有學(xué)者針對(duì)不同城市的顆粒物濃度及氣象條件進(jìn)行過分析[11-13]，都得出有意義的結(jié)論。慕彩蕓等[14]、屠月青等[15]雖對(duì)哈密市污染物濃度及氣象條件進(jìn)行過分析，但環(huán)境資料有限，不能代表哈密市空氣質(zhì)量的整體變化，因此通過AQI分析研究哈密市空氣質(zhì)量及氣象影響因素的長期變化很有必要。

哈密市位于新疆東部，地處天山山脈以南，屬典型的干旱性氣候區(qū)，年降水量少，戈壁荒漠多，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的高速發(fā)展，主城區(qū)許多地方的舊房改造和道路修建等工程項(xiàng)目的建設(shè)，人口密度的增長，城市樓群的增高，機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增加，使哈密市近幾年的空氣質(zhì)量明顯下降。因此，研究分析哈密市空氣污染的現(xiàn)狀及空氣質(zhì)量月、季、采暖期和非采暖期的變化特征，進(jìn)一步探討影響AQI變化的氣象因子，為科學(xué)有效地控制和治理大氣污染提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持，對(duì)改善哈密市空氣質(zhì)量具有極其重要的意義。

1 資料來源與分析方法

AQI（Air Quality Index，下同）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的指標(biāo)，參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要污染物有PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6 項(xiàng)，根 據(jù)每項(xiàng)污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算出各自的空氣質(zhì)量分指數(shù)，取污染指數(shù)最大者報(bào)告該地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)，空氣質(zhì)量指數(shù)對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量的6個(gè)級(jí)別，指數(shù)越大，級(jí)別越高，說明空氣污染越嚴(yán)重，空氣質(zhì)量越差，對(duì)人體健康的影響也越明顯[4]。

文章環(huán)境資料來自于哈密市環(huán)保局監(jiān)測站2010—2019年P(guān)M10、SO2、NO2逐日 濃 度 數(shù) 據(jù)，2010—2014年11月30日期間環(huán)保局只對(duì)PM10、SO2、NO2進(jìn)行監(jiān)測，從2014年12月1日—2019年12月31日，根據(jù)國家環(huán)境新標(biāo)準(zhǔn)增加PM2.5、CO和O3監(jiān)測，通過對(duì)近幾年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，哈密市首要污染物為PM10，占所有污染物的93.4%，其它幾種污染物只占6.6%，且沒有超標(biāo)，只具有警示作用，因此，文章只選取首要污染物PM10的濃度作為空氣質(zhì)量的衡量指標(biāo)；氣象資料選用哈密市國家基準(zhǔn)氣象站同期地面觀測資料，包括氣溫、降水、氣壓、相對(duì)濕度、極大風(fēng)速、能見度等。季節(jié)采用氣象劃分標(biāo)準(zhǔn)：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月，采暖期為10月至次年3月，非采暖期為4—9月。

采用相關(guān)分析法對(duì)AQI和氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，通過相關(guān)系數(shù)來確定氣象因子對(duì)AQI的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈密市空氣質(zhì)量污染現(xiàn)狀及年、月分布特征

從2010—2019年哈密市3645 d有效樣本分析可知 ：哈密市空氣質(zhì)量主要以Ⅱ級(jí)（良）為主，共2910 d，占總監(jiān)測數(shù)的79.8%，Ⅰ級(jí)（優(yōu)）日數(shù)為312 d，占8.6%，Ⅲ級(jí)（輕度污染）及以上（中度、重度和嚴(yán)重污染）日數(shù)423 d，占總數(shù)的11.6%。由圖1哈密市AQI的月變化可以看出：2010—2019年哈密市AQI呈雙峰型變化，每年的2月和10月開始AQI逐漸增大，3月和11月達(dá)到兩個(gè)峰值，且3月的指數(shù)值明顯高于11月，為全年最高，AQI平均值為101，空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)，屬輕度污染，是每年空氣質(zhì)量最差的月份，之后4月開始下降，到6月達(dá)到最低值61，降幅為39.6%，6—9月AQI變化相對(duì)平緩，未超過Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表明空氣質(zhì)量好，是一年當(dāng)中空氣質(zhì)量最好的時(shí)期，而12月和1月雖有所下降，但還是高于6—9月，這段時(shí)期正好與哈密市供暖期和春季的大風(fēng)、沙塵期相一致，這也是冬、春季AQI維持偏高的主要原因。

圖1 2010—2019年哈密市AQI月變化

從AQI年變化和污染日數(shù)變化（圖2）上看，2010—2019年以“單峰型”趨勢在變化，即先增大再減小的一個(gè)過程，2013年AQI平均值達(dá)最大，為91，雖然平均指數(shù)未超過國家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)（輕度污染）及以上的日數(shù)和比例，2011年以后明顯開始增多，2014年輕度污染及以上日數(shù)高達(dá)88 d，為近10年污染日數(shù)最多年，特別是輕度污染增加日數(shù)最明顯，為64 d，占全年污染日數(shù)的24.1%，同時(shí)中度和重度污染日數(shù)也明顯增多，達(dá)到嚴(yán)重污染（Ⅴ級(jí)）的日數(shù)11 d，空氣質(zhì)量為近10年最差年；2014年之后幾年輕度污染及以上日數(shù)明顯下降，到2018年最少，為24 d，同時(shí)空氣質(zhì)量達(dá)Ⅰ級(jí)（優(yōu)）的日數(shù)明顯增多，為73 d，從近10年比較來看，2011年輕度及以上污染日數(shù)最少，只有12 d，是近10年空氣質(zhì)量最好年，2019年輕度污染日數(shù)又出現(xiàn)明顯上升的趨勢，輕度及以上污染天氣集中在3—4月,平均每年25 d左右，出現(xiàn)頻率為60.5%，污染日數(shù)的變化和AQI年值的變化不一致，說明輕度及以上污染事件沒有頻繁出現(xiàn)，AQI的增大可能與極端天氣形勢或氣象條件有關(guān)。

圖2 2010—2019年哈密市AQI年變化和各級(jí)別污染日數(shù)變化

2.2 空氣質(zhì)量的季節(jié)及采暖期和非采暖期的變化特征

由哈密市AQI的季節(jié)變化可以看出（圖3）：春季AQI平均值最高（88），是全年空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，其次是冬季、秋季，夏季AQI平均值最?。?4），說明空氣質(zhì)量最好，但全年都未超過國家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從2010—2019年逐年的季節(jié)變化來看，春季AQI逐年增加，增長率為8.7/10 a，2014年達(dá)到峰值126，空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)，屬輕度污染，是夏季指數(shù)的2 倍，是近10年中春季空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，夏季AQI變化比較平穩(wěn)，呈緩慢上升趨勢，上升率2.7/10 a，是全年指數(shù)最低，空氣質(zhì)量最好的季節(jié)。秋季是先增大再減小的一個(gè)過程，呈下降趨勢，變化率為-15.9/10 a，2013年秋季達(dá)最大，AQI為118，空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)，輕度污染，是秋季空氣質(zhì)量最差的一年，冬季AQI逐年在增大，增長率為 7.6/10 a，夏季和秋季通過0.10的顯著性檢驗(yàn)，春季和冬季未通過顯著性檢驗(yàn)。

圖3 2010—2019年哈密市AQI季節(jié)變化及采暖期和非采暖期變化

采暖期和非采暖期相比，采暖期平均AQI（83）高于非采暖期（71），其變化率分別為-9.2/10 a和-11.4/10 a，非采暖期通過0.10的顯著性檢驗(yàn)，采暖期未通過檢驗(yàn)。但不同的年份具體的變化各具差異性，近10年采暖期曲線呈波動(dòng)型變化過程，2013年為AQI峰值（114），空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)，輕度污染，表明是采暖期空氣質(zhì)量最差的一年，這和年污染日數(shù)的變化基本一致，采暖期污染日數(shù)最多的為2013年57 d，且AQI連續(xù)9 d達(dá)300以上的嚴(yán)重污染日，其次是2014年52 d，污染日數(shù)最少，為2011年12 d；非采暖期AQI變化平緩相對(duì)穩(wěn)定，除2010年AQI為99外，基本都維持在64～75之間，污染日數(shù)也較少，未超過國家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；分析其原因是哈密市是典型的北方城市，冬季干冷嚴(yán)寒且時(shí)期長，需要燃煤供暖，開春后供暖還在繼續(xù)，再加上春季冷空氣活動(dòng)頻繁，風(fēng)速加大，氣溫上升，地表覆蓋植被少，容易引起沙塵天氣的出現(xiàn)，使AQI增大。

3 空氣質(zhì)量與氣象因子的相關(guān)性分析

空氣質(zhì)量的好壞受氣象條件、污染源的位置、排放強(qiáng)度及種類、地形等多種因素的共同影響，其中氣象條件對(duì)污染物的輸送、擴(kuò)散、稀釋有著非常重要的作用，同時(shí)也是變化最快和最復(fù)雜的影響因子[3]。

本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)法計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)＞0，表明變量之間正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＜0，變量之間為負(fù)相關(guān)。

由表1可以看出：在影響AQI的氣象因子中，降水量、氣溫、相對(duì)濕度、能見度和AQI呈負(fù)相關(guān)，且通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，從各類氣象因子與AQI相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值可以看出，降水和能見度最大，說明降水與能見度、AQI關(guān)系最為密切，對(duì)指數(shù)的影響是最直接的，降水產(chǎn)生時(shí)，空氣中的可吸入顆粒物被水汽吸附成云滴或雨滴的凝結(jié)核，或直接被雨水沖刷而清除，使AQI減小；能見度是反映空氣中氣溶膠較好的參數(shù)，與其它氣象要素相比，它并不能直接對(duì)氣溶膠顆粒物濃度產(chǎn)生影響，能見度的高低直接反映了空氣質(zhì)量的好壞，能見度高，說明空氣質(zhì)量好，AQI則低；相反能見度低，說明空氣中氣溶膠顆粒物較多，空氣質(zhì)量較差，AQI高；氣溫升高時(shí)，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，加快污染物的擴(kuò)散和稀釋，使其濃度降低，從而降低AQI。而日照時(shí)數(shù)、氣壓、風(fēng)速和極大風(fēng)速與AQI呈正相關(guān)，日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速與極大風(fēng)速均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，在正相關(guān)影響因子中，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的影響較為密切，一般來說，風(fēng)速越大，越有利于大氣中的顆粒物擴(kuò)散，相應(yīng)的濃度就會(huì)降低，反之，濃度會(huì)越高，從而影響AQI，但風(fēng)速增大到一定的閾值時(shí)，大風(fēng)會(huì)刮起地面沙塵，使空氣質(zhì)量明顯下降，AQI增大，導(dǎo)致空氣質(zhì)量指數(shù)超標(biāo)[14]。而氣壓沒有通過顯著性檢驗(yàn)，分析其原因是氣象因子之間存在共性所致，所以不能準(zhǔn)確描述其與AQI的關(guān)聯(lián)程度。

表1 哈密市AQI與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

從表2可以看出：相對(duì)濕度和能見度無論什么季節(jié)都和AQI呈負(fù)相關(guān)，說明相對(duì)濕度和能見度增大會(huì)使AQI減小，空氣質(zhì)量變好，相反，相對(duì)濕度和能見度減小指數(shù)增大使空氣質(zhì)量變差，且大都通過顯著性檢驗(yàn)，春季能見度的相關(guān)性最大，冬季、秋季次之，夏季最小，夏季相對(duì)濕度相關(guān)性最大，是因?yàn)楣苁邢募窘邓?，空氣較濕潤，濕空氣對(duì)污染物能起到清除和沖刷作用，有效地降低污染物濃度，使空氣質(zhì)量指數(shù)降低，其它季節(jié)降低的作用不顯著，且沒有通過顯著性檢驗(yàn)。春季AQI與日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、極大風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與氣溫和能見度呈顯著負(fù)相關(guān)，主要原因是春季空氣干燥，地表大多裸露，無植被覆蓋，氣溫低，日照少，大氣層較為穩(wěn)定，且春季多大風(fēng)入侵，大量的地表泥土和沙塵顆粒被帶到空中，加上燃煤取暖，污染物不容易擴(kuò)散稀釋，使得空氣質(zhì)量指數(shù)升高；夏季AQI與風(fēng)速和極大風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)；秋季AQI與氣溫、日照時(shí)數(shù)和能見度呈負(fù)相關(guān)，與氣壓呈正相關(guān)；冬季AQI與氣溫、日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)，與氣壓、風(fēng)速和能見度呈負(fù)相關(guān)，且通過顯著性檢驗(yàn)。綜上所述，不同季節(jié)影響空氣質(zhì)量AQI的氣象因子并不完全相同，其中起主要作用的氣象因子為能見度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和極大風(fēng)速。

表2 哈密市各季AQI與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

(1)哈密市首要污染物為PM10，空氣質(zhì)量主要以Ⅱ級(jí)（良）為主，AQI存在明顯的年、月變化，2010—2019年AQI呈現(xiàn)先增大再減小的單峰型變化，2014年輕度污染及以上日數(shù)88 d，是空氣質(zhì)量最差的一年，2011年輕度以上污染日數(shù)最少，只有12 d，是近10年空氣質(zhì)量最好年；每年空氣質(zhì)量指數(shù)最高的是3月和11月，達(dá)到輕度污染級(jí)別，6—9月AQI變化較為平緩，空氣質(zhì)量最好。

(2)AQI在不同季節(jié)、不同時(shí)期具有不同的差異性，春季AQI最高，空氣質(zhì)量最差，其次是秋季和冬季，夏季AQI最低，空氣質(zhì)量最好；采暖期AQI高于非采暖期，和冬、春季的變化基本一致。

(3)哈密市AQI與降水、能見度、氣溫、相對(duì)濕度均呈負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、極大風(fēng)速、氣壓呈正相關(guān)，且大都通過顯著性檢驗(yàn)。

(4)不同季節(jié)影響AQI的氣象因子并不完全相同，無論在什么季節(jié)，相對(duì)濕度、能見度均與AQI呈負(fù)相關(guān)，且能見度和AQI的相關(guān)性比相對(duì)濕度大。春、夏、秋三個(gè)季節(jié)AQI與風(fēng)速和極大風(fēng)速呈正相關(guān)，冬季則呈負(fù)相關(guān)，氣溫、日照時(shí)數(shù)、氣壓在不同季節(jié)與AQI呈不同的相關(guān)性。