吉木薩爾縣11月至次年2月氣象要素對大氣污染的影響分析

賈思哲，曾雪華，孫志元，袁亞軍，顧靜愷

（1.吉木薩爾縣氣象局，新疆 昌吉 831700；2.木壘縣氣象局，新疆 昌吉 831900）

吉木薩爾縣地處準噶爾盆地東南緣，天山北麓丘陵前沿，屬典型的大陸性干旱氣候，秋季多風，浮塵、揚沙和煙霧出現(xiàn)較多；冬季冷空氣下沉堆積，較為寒冷，逆溫顯著，且強度大，給當?shù)卮髿馕廴疚锏男纬蓜?chuàng)造了條件。大氣環(huán)境是否受到了污染以及污染的程度如何，不僅取決于地形地物、人口密度、工業(yè)布局、污染源的多寡及其性質(zhì)和強度，而且取決于當時的氣象條件，往往氣象條件還會上升為決定性的主要因素[1]。根據(jù)吉木薩爾縣生態(tài)環(huán)境局提供的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，我縣污染天氣主要集中在當年11月至次年2月份，通過分析氣象要素變化對吉木薩爾縣大氣污染物的影響，為制定未來的吉木薩爾縣大氣污染治理措施提供理論依據(jù)和決策參考。

1 資料與方法

利用吉木薩爾縣2016年～2019年大氣污染物在當年11月至次年2月日均濃度及逐小時濃度數(shù)據(jù)和當?shù)赝跉鉁?、相對濕度、降雨量、風速及風向等氣象要素，運用SPSS軟件對大氣污染物濃度與各氣象要素的相關性進行探究，并通過顯著性檢驗來確定各氣象要素對大氣污染物濃度變化的影響程度[2]。

2 分析結(jié)果

2.1 吉木薩爾縣大氣污染物濃度變化特征

通過2016～2019年SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5的日平均濃度得出，PM2.5日均濃度超過國家二級標準濃度（75 μg·m—3）限制有86天，超標率為71.7%，高峰值出現(xiàn)在2019年2月5日，濃度為332 μg·m—3；PM10日均濃度超過國家二級標準濃度（150 μg·m—3）限制有50天，超標率為41.7%，高峰值出現(xiàn)在2018年12月1日，濃度為568 μg·m—3；1月PM10和PM2.5濃度明顯增加，且1月嚴重污染以上的天數(shù)占總比的47%，PM2.5日均峰值出現(xiàn)在1月，而PM10在11月下旬至12月上旬、1月這兩個時間段濃度達到最大?？傮w來說，PM10濃度＞PM2.5濃度＞O3濃度＞NO2濃度＞SO2濃度＞CO濃度，表明影響冬季空氣質(zhì)量的主要污染物為PM10和PM2.5，PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度水平越高，AQI值越大，吉木薩爾縣大氣污染越嚴重。

通過分析2018年～2019年大氣污染物濃度小時數(shù)據(jù)，從圖1可以看出，PM10、PM2.5和NO2曲線近似為一峰一谷呈“U”形，SO2和O3的曲線近似為倒“U”形，CO曲線變化程度不大。PM10和PM2.5曲線走勢大致相同，表明有顯著相關性（表1）。PM2.5和PM10高峰值出現(xiàn)在23時-00時，主要是由于夜間逆溫頂蓋抑制PM10、PM2.5擴散，造成地面濃度升高有關；另外，大卡車（燃燒柴油）夜間可以進城，其尾氣排放的顆粒物比一般燃燒汽油車輛排放得多，容易造成PM10、PM2.5濃度增高[3]。

圖1 2018年-2019年吉木薩爾縣大氣污染物濃度小時變化

SO2是燃煤排放的主要污染物，隨著人們出行，上班，企業(yè)工廠運轉(zhuǎn)，SO2濃度開始上升，平均濃度峰值出現(xiàn)時間約在15∶00～17∶00時，SO2的變化恰恰說明了白天人類活動對污染源排放的影響。O3濃度與NO2濃度的曲線變化特征正好相反，白天氣溫上升，太陽輻射加強，加快NO2轉(zhuǎn)化為O3的光化學反應，O3濃度增加，NO2被消耗則濃度降低。日落后，太陽輻射消失，溫度下降，企業(yè)工廠停工，人為活動減少，SO2和O3的濃度開始下降。由于CO是惰性氣體，它在一天中浮動最小。

2.2 大氣污染物濃度與氣象要素的關系

2.2.1 氣溫

表1是吉木薩爾縣大氣污染物濃度與各種氣象要素的相關系數(shù)，氣溫與O3呈顯著正相關（P＜0.01），與其他大氣污染物濃度有較明顯的負相關，其中氣溫與PM2.5、CO 和PM10相關系數(shù)達-0.516、-0.545、-0.462，相關性極顯著。臭氧濃度不僅與光分解反應有關，還跟熱化學反應關系密切。隨著溫度的升高，熱化學反應速率加快，臭氧前體物的轉(zhuǎn)化速率也加大，這些因素都會導致大氣臭氧濃度增加。日出時，溫度升高，大氣邊界層逐漸抬升，近地層對流開始旺盛，有利于大氣的垂直運動，能見度上升，CO和PM2.5、PM10濃度下降。而當?shù)孛鏈囟冉档蜁r，則與之情況相反。

表1 吉木薩爾縣大氣污染物與氣象要素的相關性

2.2.2 相對濕度

相對濕度與PM10、NO2、PM2.5、CO呈正相關，與O3呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.393，這是由于O3在低濕條件下更容易積累；而濕度增加，空氣中的水汽含量升高，通常水汽對大氣污染物有較好的吸附作用。但冬季吉木薩爾縣常常出現(xiàn)逆溫層，相對濕度較大，污染物附著在水汽中，不易擴散，造成大氣污染嚴重[4]。

2.2.3 降水量

降水量對大多數(shù)污染物濃度呈微弱負相關，冬季下雪時，可將大氣中微弱顆粒溶解或者沖刷下來，使大氣中污染物的濃度有所降低。

2.2.4 風速

吉木薩爾縣近年同期日平均風速為1.5 m/s，從相關性分析得知，10分鐘平均風速和極大風速對NO2、CO、PM10、PM2.5濃度有微弱負相關，對O3濃度呈正相關，對SO2濃度影響不大。通常風速越大越有利于空氣中污染物質(zhì)的稀釋擴散，冬季有96.9%集中在1～2級風速范圍內(nèi)；而平均風速3級所占污染頻率約為3%；風速4級以上時吉木薩爾縣沒有出現(xiàn)空氣污染?？梢婏L速的大小對污染物的影響是明顯的，風速大，有利于空氣中污染物質(zhì)的稀釋擴散，風速小，水平輸送能力差，擴散能力也差，容易造成污染物在局地的堆積。

2.2.5 風向

風向與污染物的主要關系表現(xiàn)為污染物隨風向下風向傳輸，因此高污染濃度常出現(xiàn)在污染源的下風方，但風速增大超過某一臨界值時，大氣的擴散能力有時超過水平輸送能力。從風玫瑰圖（圖2）可以看出，吉木薩爾縣SSW方向出現(xiàn)的頻率最高，其次為NNW、NW、WNW，三者頻率相同，主導風向為西南偏南、西北方向。吉木薩爾縣位于天山北麓丘陵前沿，西臨阜康市，北邊為準東工業(yè)園區(qū)橫跨，因此當上空盛行西北風時，污染物由高濃度地區(qū)吹向低濃度地區(qū)，當西北氣流遇到天山山脈阻擋，發(fā)生反射作用，風向發(fā)生改變，呈SSW風向，使縣城污染物濃度增大。

圖2 吉木薩爾縣11月至次年2月風玫瑰圖

2.3 運用HYSPLIT后向軌跡模型探討大氣污染物的來源

2018年12月1日為污染最嚴重的一天，AQI指數(shù)達468，主要污染物為PM10，日均濃度達568 μg·m—3。選取這天，利用HYSPLIT后向軌跡模型對重污染天氣期間氣團的后向軌跡進行分析，設置氣象軌跡向前推進36小時，探究在500米高空中氣團的來向。從圖中可以看出（圖3），500米高度的氣團軌跡路徑主要來自西北方向，由境外輸送至裕民縣，途徑克拉瑪依-阜康一線，最終到達吉木薩爾縣。其中大氣顆粒物途徑阜康、準東工業(yè)園區(qū)等重工業(yè)基地，隨氣團低空輸送至吉木薩爾縣，加之氣流移動速度緩慢，導致大氣中污染物濃度增加，從而影響吉木薩爾縣的空氣質(zhì)量[5]。

圖3 500米高度36 h后向軌跡

3 結(jié)論

（1）影響吉木薩爾縣冬季空氣質(zhì)量的2種主要污染物為PM2.5、PM10，日均濃度排序為：PM10＞PM2.5＞O3＞NO2＞SO2＞CO。在小時濃度變化特征中，PM10、PM2.5和NO2曲線近似為一峰一谷呈“U”形，SO2和O3的曲線近似為倒“U”形，CO曲線變化程度不大。

（2）大氣污染物（除O3外）與氣溫、降水量呈負相關，氣溫升高、有效降水，有利于污染物的擴散和稀釋。相對濕度增大，污染物附著在水汽中，不易擴散，PM10、NO2、PM2.5、CO與相對濕度呈正相關，同風速有微弱負相關，O3和SO2與相對濕度呈負相關，因為O3在低濕條件下更容易積累，相對濕度越大，SO2的轉(zhuǎn)化過程越易發(fā)生。吉木薩爾縣主導風向為西南偏南、西北方向，污染物由高濃度地區(qū)吹向低濃度地區(qū)，會增加大氣污染物的濃度。

（3）500米高度的氣團軌跡路徑主要來自西北方向，由境外輸送至裕民縣，途徑克拉瑪依-阜康一線，最終到達吉木薩爾縣。