三門峽市空氣質量現(xiàn)狀及其與風的關系＊

李曉琳

（三門峽市氣象局，河南 三門峽472000）

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，有害氣體排放量日益增加，大氣污染問題日益嚴峻。各地有研究學者對污染天氣多發(fā)地大氣污染狀況進行了分析。其中徐永清等[1]對城市近地層風特征與污染系數(shù)進行分析；劉和平等[2]對鄭州市大氣能見度變化特征及與空氣污染的關系進行分析；張岳鵬等[3]對2014-02北京PM2.5污染過程及天氣形勢分析進行研究。但對于三門峽地區(qū)空氣質量的分析不為多見。三門峽市委市政府一貫堅持“綠色發(fā)展，生態(tài)優(yōu)先”的堅定理念，對大氣污染防治、生態(tài)環(huán)境的保護等方面非常重視，了解三門峽市空氣質量變化特征與氣象條件的關系尤為必要。

2 數(shù)據(jù)來源與評價方法

本文利用2016-01-01—2020-12-31三門峽國家基本站風向、風速的日、月、年平均氣象資料。所用環(huán)境資料為中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺提供的2016—2020年三門峽市空氣質量日數(shù)據(jù)（缺失資料用三門峽市生態(tài)環(huán)境部門的提供的日數(shù)據(jù)補充）。

利用2016—2020年污染物濃度值（日實測）與日平均風速共計1827個樣本計，進行相關性分析。

3 結果與討論

對2016—2020年三門峽市空氣質量AQI指數(shù)開展分析，發(fā)現(xiàn)5年中三門峽市空氣質量濃度達到優(yōu)的有143 d，達到良的有1024 d，空氣質量達標率為63.9%（Ⅰ級、Ⅱ級），輕度污染（Ⅲ級）的有445 d，中度、重度、嚴重污染（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級）的有122 d、72 d和21 d。2016年污染日數(shù)168 d（最多）；2017、2018年明顯減少（146 d、120 d）；2019年稍有增加（128 d）；2020年明顯下降（98 d）。從總體分析情況來看，2016—2020年污染日數(shù)有波動降低趨勢。

3.1 三門峽市首要污染物變化特征

對照各空氣質量污染物分級濃度的限值，以CO、PM10、O3等6項指標的實測濃度值進行運算，從而得到空氣質量分指數(shù)，值最大的被確定為當日AQI，從而確定當日首要污染物（AQI必須大于50）。

2016—2020 年三門峽市首要污染物出現(xiàn)頻次如表1所示，由表1可知，6種污染物中，沒有作為首要污染物出現(xiàn)的是SO2。CO在2016年出現(xiàn)過3次，且都沒有達污染級別。NO2除2017年增幅最大之外，其余年份變化不大，近5年共計出現(xiàn)32次，濃度均較低，日空氣質量均為良，未達到污染級別。O3出現(xiàn)頻次最多，達到輕度污染和中度污染的次數(shù)分別為178次和15次，其余399次未達到污染級別。5年中PM2.5作為首要污染物累積出現(xiàn)次數(shù)變動不大，總體上呈緩慢下降趨勢。PM10年出現(xiàn)頻次整體振幅較大，在2018年出現(xiàn)頻次為最高值，到2020年降至最低（77次）。這與三門峽市近年來加大大氣污染治理力度，持續(xù)開展綠化工程，不斷擴大植被綠化面積，有密切關系。2016—2020年中，O3作為首要污染物共出現(xiàn)592次，出現(xiàn)頻率達35.13%，為6種污染物中最高。PM2.5次之，出現(xiàn)頻次586次，出現(xiàn)頻率34.78%。其中達到Ⅳ級（中度）及以上的污染天氣中，首要污染物PM2.5出現(xiàn)次數(shù)為171次，出現(xiàn)頻率79.5%（最高）。可以確定三門峽市的首要污染物為PM2.5。

表1 2016—2020年三門峽市首要污染物出現(xiàn)頻次

3.2 污染物濃度變化特征

3.2.1 月變化特征

2016—2020年6種污染物月平均濃度如圖1所示。由圖1可知，O3月平均濃度變化為夏半年大于冬半年，其余5種污染物濃度變化均為夏半年小于冬半年。CO濃度變化波動不明顯，在冬季稍有所上升，其他變化不大。NO2、SO2、PM10、PM2.5四個指標1—5月總體為減少的趨勢，10—12月為增加的趨勢，其中NO2、SO2、PM10、PM2.5濃度均在1月達到峰值。O3濃度自1月份開始增加，6月達到最高又逐月減少，12月為最低，變化趨勢呈現(xiàn)出倒V字形，變化趨勢與其余幾種污染物明顯不同，且振幅最大。

圖1 2016—2020年6種污染物月平均濃度

3.2.2 年變化特征

2016—2020年三門峽市污染物年平均濃度如圖2所示。由圖2可知，幾種污染物的變化趨勢差別較大。NO2是先緩增再緩降的趨勢；CO變化不明顯；O3是先緩降再緩升的趨勢；SO2、PM10、PM2.5整體來看是下降趨勢，其中PM10降低最為明顯。

圖2 2016——2020年三門峽市6種污染物年平均濃度

3.3 污染物濃度與風的關系

3.3.1 污染物濃度與風速的關系

從年平均資料來看，2016—2020年，三門峽市年平均風速出現(xiàn)了的先小幅增大，后減小的趨勢，風速在2.1～3.2 m/s之間變化，當年平均風速小時，年平均AQI值較大，平均風速大時，年平均AQI值較小。

由此可見風速大小對AQI的年際變化具有一定的調節(jié)作用，且在三門峽污染物中，本地排放可能有較大貢獻。但年平均資料會過濾掉大量較小時間尺度的污染、天氣過程的變化特征，AQI也僅體現(xiàn)首要污染物的濃度變化，從而忽略其他污染物，所以不能簡單用年平均風速和年平均AQI值表征污染物濃度與風速的關系。

鑒于以上分析，利用2016—2020年污染物日實測濃度值與日平均風速共計1827個樣本計，進行相關性分析，結果如表2所示。由表2可知，PM10、PM2.5與風速的相關系數(shù)分別為-0.038、-0.027，但未通過0.01的顯著性檢驗。O3濃度與風速相關系數(shù)為0.131，呈微弱正相關，且通過0.01顯著性檢驗。NO2、CO、SO2濃度與風速的相關系數(shù)分別為-0.445、-0.196、-0.177，且均通過0.01顯著性檢驗，說明這幾種污染物濃度與風速呈負相關。O3濃度與風速呈弱正相關。

表2 三門峽市區(qū)大氣污染物濃度與風速的相關性

究其原因，可從兩個方面探究：一是通常風速較大時三門峽市天空狀況相對較好（沙塵天氣除外），太陽輻射強度大、日照時間長，有利于本地O3前體物向O3轉化；除此之外，風速增大而濃度升高，說明外源輸送對本地O3濃度增加也有一定貢獻。而NO2、CO、SO2濃度與風速成反相關，可以說明這些污染物來源大多為本地排放，風速相對小的靜穩(wěn)天氣條件下，污染物的擴散非常不利，從而在本地堆積，使得濃度增加。

3.3.2 污染物濃度與風向的關系

在水平方向上，不僅風速的大小影響城市大氣污染物的擴散稀釋，風向來源的變化也是影響污染物輸送、濃度變化的重要因素。2016—2020年三門峽市四季風向頻率圖如圖3所示。由圖3可知，三門峽市常年的主導風向為偏東風，西風風頻冬季最多。其中冬季以東、偏東風、偏西風為主；春季東風風頻增加；夏季以偏東為主；秋季東北風頻次減少，偏西風頻次增加。

圖3 2016—2020年三門峽市四季風向頻率圖

對比各季節(jié)平均AQI值發(fā)現(xiàn)：冬季＞春季＞夏季＞秋季。出現(xiàn)重度以上污染天氣時，出現(xiàn)最多的風向頻率為西南風，西風?？傮w來說東北風風頻較大時，空氣質量較好，反之偏西風風頻增大時，空氣質量較差。這可能是因為以西南向為主導的風常帶來水汽，在近地層堆積，濕度增大，有助于污染物的吸濕增長。分析三門峽地理環(huán)境，發(fā)現(xiàn)東北方向為太行山區(qū)，在太行山以東是落葉闊葉林地帶，在其西側與黃土高原的過渡區(qū)為森林草原地帶和干草原地帶，森林植被覆蓋條件明顯優(yōu)于關中盆地，且人口密度小，人為排放明顯低于關中盆地。且黃河自關中盆地進入豫西三門峽，北有太行山脈南段的中條山，南有秦嶺余脈崤山，兩山之間有相對平坦的河谷地帶。河谷三門峽段自西向東，初始寬闊，后在市區(qū)處明顯變得狹窄，使得在三門峽處形成一個西寬東窄的喇叭口地形，從而不利于西風中污染物的擴散。綜合以上原因，使得東北風有利于三門峽污染物濃度下降，偏西風、西南風則有利于污染物的堆積。而秋季東北風頻率低于夏季，但空氣質量卻優(yōu)于夏季，究其原因夏季特別是副熱帶高壓控制時，氣溫高、輻射強，有利于本地O3前體物向O3轉化，從而使得夏季O3污染增加，平均AQI大于秋季。

4 結論

綜上所述，得出如下結論：①2016—2020年三門峽市大氣污染日數(shù)整體呈下降的趨勢。②首要污染物變化特征為，PM2.5作為首要污染物出現(xiàn)頻率較高，造成中度及其以上級別的污染天氣次數(shù)最多，出現(xiàn)頻次呈逐年回落的趨勢。③污染物濃度變化為，O3月平均濃度變化夏半年比冬半年大，其余5種污染物濃度變化均為夏半年小于冬半年；CO年平均濃度變化不大；O3的變化趨勢為先小幅降低再小幅增加；NO2的變化趨勢為先小幅上升再小幅降低；PM10、PM2.5、SO2整體呈現(xiàn)下降的勢態(tài)，其中下降幅度最大的是PM10。④O3濃度與風速呈微弱正相關，NO2、CO、SO2濃度與風速呈負相關。⑤當東北風風頻較大時，三門峽市空氣質量較好，反之偏西風、西南風風頻較大時，空氣質量較差。