德令哈市空氣質(zhì)量變化特征與氣象因子關(guān)系

余倩

(青海省海西州氣象局，青海 德令哈 817000)

引言

德令哈市位于柴達(dá)木盆地東北邊緣，周邊旅游資源豐富，市區(qū)海拔2980m，德令哈市屬高原大陸性氣候區(qū)，具有高寒缺氧、空氣干燥、少雨多風(fēng)、年內(nèi)四季不分的特點(diǎn)。德令哈市地處青藏高原，日照充足，陽(yáng)光充沛，全年日照為3 554h，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，公眾環(huán)保意識(shí)不斷提高，對(duì)大氣污染狀況和空氣質(zhì)量水平日益關(guān)注。文章利用2015～2018年德令哈市每日空氣污染指數(shù)及氣象資料，分析年際變化趨勢(shì)，并進(jìn)一步研究影響其氣象因子，為科學(xué)有效地控制和治理大氣污染提供理論依據(jù)。大氣污染物的濃度由于污染源排放狀況的變化，氣象因子的變化等因素的影響呈現(xiàn)隨機(jī)變量的特征，了解這些隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)分布對(duì)于大氣污染控制、大氣環(huán)境評(píng)價(jià)以及大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

德令哈市AQI指數(shù)和PM2.5資料來(lái)源于德令哈市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，利用德令哈市2015～2018年空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)(逐日空氣質(zhì)量指數(shù)、首要污染物和空氣質(zhì)量等級(jí))，空氣質(zhì)量等級(jí)說(shuō)明見表1，分析德令哈市2015～2018年空氣質(zhì)量類別為優(yōu)490d、良831d、輕度污染80d、中度污染23d、重度污染8d、缺測(cè)21d。選取輕度污染、中度污染、重度污染各4次為例，分析德令哈市空氣污染的水平時(shí)空分布特征及變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析得出氣象要素(氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量)、天氣環(huán)流形勢(shì)與空氣質(zhì)量變化的關(guān)系，分析各種天氣系統(tǒng)、氣流的輻合輻散及大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)于大氣稀釋、擴(kuò)散污染物的能力影響。研究表明：氣象條件和城市大氣污染密切相關(guān)，氣象條件作為影響空氣質(zhì)量環(huán)境重要因素之一，在污染源相對(duì)穩(wěn)定的情況下，氣象條件變化對(duì)污染物濃度變化影響十分顯著[1]。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)范圍及相應(yīng)的注意事項(xiàng)

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI指數(shù))是指根據(jù)細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等6項(xiàng)參數(shù)綜合得出的空氣污染程度及空氣質(zhì)量狀況的表述(熟知的PM2.5、PM10就屬于可吸入顆粒物)

2 德令哈市空氣質(zhì)量分析

2.1 德令哈市空氣質(zhì)量指數(shù)分布特征

2015～2018年德令哈市空氣質(zhì)量等級(jí)以Ⅱ級(jí)(良)為主，達(dá)到831d，占56.9%；Ι級(jí)(優(yōu))次之，為460d，占33.6%；Ⅲ級(jí)(輕度污染)80d，占5.6%；Ⅳ級(jí)及以上共計(jì)31d，僅占2.1%。

2.2 首要污染物年變化

統(tǒng)計(jì)2018年德令哈市首要污染物，主要有臭氧、PM10和PM2.5。全年臭氧天數(shù)為170d，占46.6%，PM10天數(shù)達(dá)到85d，占23.2%，而PM2.5天數(shù)僅占6d。首要污染物在春季和夏季主要以臭氧為主(春季首要污染物為臭氧的日數(shù)主要集中在4月和5月，3月以PM10為主)，這可能與4月以后溫度開始回升，對(duì)流活動(dòng)增多以及夏季的持續(xù)高溫和強(qiáng)日照都有利于氧氣向臭氧的轉(zhuǎn)化有關(guān)[1]。在秋季和冬季首要污染物主要為PM10，此外統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各季空氣質(zhì)量級(jí)別在中度污染及以上的首要污染物絕大部分為PM10，這充分說(shuō)明了德令哈市空氣污染主要由吹風(fēng)沙塵天氣造成。

圖1、圖2、圖3顯示的是AQI指數(shù)、PM2.5、PM10濃度的2015～2018年變化情況(備注：圖1和圖2、圖3異常值經(jīng)處理后作圖)，反映出AQI指數(shù)和PM2.5濃度從2015～2018年的平均值、月均最大值和最小值之間的關(guān)系?？傮w來(lái)看，AQI指數(shù)和PM2.5濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，年最大值都出現(xiàn)在2015年，AQI指數(shù)為78，PM2.5濃度為38μg/m3。且2015年重度污染天數(shù)達(dá)8d，中度污染天數(shù)達(dá)7d，輕度污染天數(shù)34d。原因可能是由于近幾年德令哈市高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，深入推進(jìn)大氣污染綜合整治，有效改善市區(qū)空氣質(zhì)量。分析2015～2018年AQI指數(shù)、PM2.5濃度發(fā)現(xiàn)，兩者在春季均有比較明顯的一個(gè)峰值，進(jìn)入夏季之后開始逐步走低。

圖1 2015～2018年AQI指數(shù)年變化情況

圖2 2015～2018年P(guān)M2.5年變化情況

圖3 2015～2018年P(guān)M10年變化情況

統(tǒng)計(jì)2018年各個(gè)季節(jié)AQI指數(shù)及等級(jí)，在春季空氣質(zhì)量以Ⅱ級(jí)為主，達(dá)到56天，I級(jí)為16d，Ⅲ級(jí)及以上共計(jì)14d。夏季和秋季均以Ⅱ級(jí)良為主，分別為78d和93d，說(shuō)明夏、秋兩季德令哈市空氣質(zhì)量良好。冬季雖然空氣質(zhì)量依然以I級(jí)優(yōu)為主(51d)，但Ⅲ級(jí)及以上天數(shù)逐漸增多。分析發(fā)現(xiàn)春季海西及上游地區(qū)多大風(fēng)沙塵天氣，容易造成局地?fù)P沙或者沙塵遠(yuǎn)程輸送[2]，PM10濃度劇增，易出現(xiàn)AQI指數(shù)極值。到了夏季，降水開始增多，對(duì)空氣的凈化作用明顯[3]，而10月底至11月期間受冷空氣活動(dòng)影響，多吹風(fēng)天氣。

2.3 首要污染物月變化

圖4顯示的是AQI指數(shù)和PM2.5、PM10濃度的月變化情況，反映出三者從2015～2018年的月平均值、日均最大值和最小值之間的關(guān)系。總體來(lái)看，AQI指數(shù)和PM2.5、PM10濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，月均最大值出現(xiàn)在4月，AQI指數(shù)月均最高值為88，而PM2.5濃度月平均最大值達(dá)到了40μg/m3，PM10濃度月平均最大值達(dá)到118μg/m3，4月AQI指數(shù)日均最大值為116，對(duì)應(yīng)PM2.5濃度為42μg/m3，PM10濃度最大達(dá)872μg/m3。

原因主要有以下幾個(gè)方面：一是該時(shí)間段正處于典型春季，氣溫普遍降低，因此機(jī)動(dòng)車燃料的燃燒效率會(huì)下降，再加上交通高峰期引擎怠速，從而導(dǎo)致排放量增大[4]；二是4月為德令哈市大風(fēng)沙塵天氣高發(fā)期，沙塵天氣導(dǎo)致空氣重度污染，污染物不易稀釋擴(kuò)散；此外，這個(gè)時(shí)期氣候干燥，不利于降水的形成，污染物無(wú)法通過(guò)濕沉降降落至地面。

利用多參數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)曲線對(duì)德令哈市2015～2018年P(guān)M2.5濃度、AQI指數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示如圖4中。PM2.5濃度在20～30μg/m3之間，AQI指數(shù)在40～50之間出現(xiàn)天數(shù)最多，即為空氣質(zhì)量最佳。從AQI指數(shù)與PM2.5濃度、PM10濃度頻數(shù)分布來(lái)看PM2.5占79%，PM10占75%，AQI指數(shù)占73%?？傮w來(lái)看，近幾年德令哈市空氣質(zhì)量以優(yōu)和良的天數(shù)居多。

圖4 AQI指數(shù)與PM2.5、PM10濃度的月變化情況

3 氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量的影響

3.1 氣象因子與AQI指數(shù)相關(guān)性分析

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[5]。逐月分析空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)(表2)。1月對(duì)德令哈市空氣質(zhì)量起主要作用的氣象因子為平均氣壓、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、水汽壓。2月除平均氣壓外，AQI指數(shù)與相對(duì)濕度、平均氣溫、日降水量、水汽壓，成顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.192～0.732；與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，這可能是因?yàn)樯嫌蔚貐^(qū)受冷空氣活動(dòng)易出現(xiàn)吹風(fēng)沙塵天氣，在風(fēng)的引導(dǎo)下沙塵向德令哈市輸入，在降水量不大的情況反而會(huì)加重空氣的污染程度。3月AQI指數(shù)與日降水量成正相關(guān)，與相對(duì)濕度、水汽壓成負(fù)相關(guān)。而4月和5月AQI指數(shù)與最大風(fēng)速呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，進(jìn)入4月隨著溫度的升高，柴達(dá)木低壓開始出現(xiàn)或增強(qiáng)，使得傍晚前后偏東風(fēng)加強(qiáng)，風(fēng)速的增大帶動(dòng)周邊地面沙塵進(jìn)入大氣，造成空氣污染在一定的程度上加重。6月、7月AQI指數(shù)并沒有表現(xiàn)出與任一氣象要素有相關(guān)關(guān)系。

表2 2015～2018年德令哈市各月空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

8月、9月AQI指數(shù)則與水汽壓和相對(duì)濕度呈顯著相關(guān)關(guān)系，查閱關(guān)于臭氧的生成機(jī)理文獻(xiàn)[6]，發(fā)現(xiàn)臭氧的生成與氣象條件密切相關(guān)，容易在高溫、強(qiáng)日照條件下發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)而生成臭氧。德令哈市地處柴達(dá)木盆地，8月氣溫偏高、日照時(shí)間充足、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，加上對(duì)流降水活動(dòng)，這些因素都有可能促進(jìn)或造成臭氧的生成，進(jìn)而導(dǎo)致臭氧濃度的上升，AQI指數(shù)變高。從統(tǒng)計(jì)的降水日空氣質(zhì)量等級(jí)天數(shù)來(lái)看，首要污染物臭氧居多，但空氣質(zhì)量多以良為主，這也說(shuō)明空氣質(zhì)量狀況依然適合大多數(shù)人的正常出行和生活。進(jìn)入秋季，每個(gè)月AQI指數(shù)分別與不同的氣象要素呈顯著的相關(guān)關(guān)系，到了12月隨著高空環(huán)流形勢(shì)的穩(wěn)定，AQI指數(shù)更多的與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3.2 氣溫對(duì)空氣質(zhì)量的影響

氣溫的高低直接影響到空氣的污染程度，空氣污染較重和污染超標(biāo)現(xiàn)象往往出現(xiàn)在溫度較低的冬季。當(dāng)氣溫較高時(shí)，上層空氣對(duì)流旺盛，有助于污染物的向上擴(kuò)散和輸送，從而緩解空氣污染。夏季氣溫比較炎熱，加之城市中大量機(jī)動(dòng)車運(yùn)行，所排放的尾氣在夏季高溫天氣影響下，極易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氮氧化物和臭氧，造成夏季的空氣污染嚴(yán)重。而在冬季地面氣溫與上層空氣溫度相當(dāng)，使上層空氣熱力對(duì)流不顯著，容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，不利于大氣污染物的擴(kuò)散和稀釋，從而出現(xiàn)了霧霾等重污染天氣。除此之外，冬季進(jìn)入采暖期，大量煤炭的燃燒，更加劇了空氣的污染程度。

冬季我國(guó)大陸受蒙古高氣壓的控制，氣流呈垂直方向做下沉運(yùn)動(dòng)，冷空氣活動(dòng)頻繁，空氣濕度降低，不利于形成云雨天氣，影響污染物的擴(kuò)散和稀釋。因此高壓控制的天氣容易加劇空氣污染，這就是為什么往往在冬季空氣污染比較嚴(yán)重的原因之一。而在夏季氣溫高但氣壓低，空氣對(duì)流較旺盛，極易形成云雨天氣，有利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，因此夏季的空氣質(zhì)量普遍偏優(yōu)。從溫度與AQI指數(shù)的關(guān)系來(lái)看，夏季氣溫升高，AQI指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。

3.3 降水對(duì)空氣質(zhì)量的影響

降水可以改善大氣污染情況，它可以清除和沖刷空氣中存留的污染物，而且又可以有效地抑制地面揚(yáng)塵出現(xiàn)。不同程度的降水量對(duì)于空氣污染的改善有不同的作用，一般小雨并不能改善空氣質(zhì)量，小雨雨量不足以稀釋大氣中的污染物，反而會(huì)使空氣濕度增大而吸附更多的污染物懸浮在空氣中，造成霧霾天氣使空氣污染加重，只有達(dá)到中雨以上的程度才可以改善空氣質(zhì)量。

2018年德令哈市無(wú)降水日為287d，其中Ⅱ級(jí)良235d，占81.9%，Ⅲ級(jí)輕度污染為12d，占3.3%，Ⅳ級(jí)中度污染及以上共計(jì)4d。分析首要污染物(其中5d首要污染物并列)，Ⅱ、Ⅲ級(jí)中PM10和臭氧占大多數(shù)，Ⅳ級(jí)及以上級(jí)別主要為PM10。與全年相比可以得出，無(wú)降水日更容易出現(xiàn)空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)及以上級(jí)別，這也從側(cè)面說(shuō)明降水對(duì)空氣的凈化作用。針對(duì)春季和夏季首要污染物多為臭氧的情況，參考曲曉黎、張夏琨等人的結(jié)論[5]，通過(guò)分類日降水量(分為小于1mm、大于1mm、大于3mm、大于5mm和大于10mm)進(jìn)行討論。2018年出現(xiàn)有效降水日為78d。統(tǒng)計(jì)不同量級(jí)下空氣質(zhì)量等級(jí)及首要污染物分布，可以得出，隨著降水量的增大，空氣質(zhì)量Ⅱ級(jí)也相應(yīng)增多，Ⅳ級(jí)及以上空氣質(zhì)量級(jí)別出現(xiàn)在量級(jí)小于1mm的條件下，且降水量越大，首要污染物就越集中為臭氧。

綜上，德令哈市空氣質(zhì)量在無(wú)降水日和降水日均以Ⅱ級(jí)良為主，無(wú)降水日期間首要污染物集中在PM10和臭氧，而當(dāng)出現(xiàn)降水且量級(jí)大時(shí)，首要污染物更多為臭氧。

3.4 相對(duì)濕度對(duì)空氣質(zhì)量的影響

不同季節(jié)空氣濕度不一樣，在夏季空氣濕度達(dá)到最高，夏季降水量大，對(duì)大氣濕度貢獻(xiàn)率較高，因此夏季空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于其他季節(jié)，而其他季節(jié)大氣濕度不能達(dá)到稀釋標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)濕度存在明顯的周期變化，春季相對(duì)濕度較小，AQI指數(shù)隨之上升，夏季相對(duì)濕度較大，AQI指數(shù)反之較小。

3.5 風(fēng)速對(duì)空氣質(zhì)量的影響

風(fēng)對(duì)污染物的疏散和擴(kuò)散具有重要作用，也具有雙重性。在春季，風(fēng)速較大可以吹散空氣中的污染物，但對(duì)于北方或者干燥且植被覆蓋率低的地方來(lái)說(shuō)，會(huì)加劇污染。秋冬兩季，風(fēng)速越小，對(duì)空氣的污染就越小，反之則加大。風(fēng)場(chǎng)一直是顆粒物濃度的重要影響因子，對(duì)于顆粒物的擴(kuò)散有很大幫助。有研究表明，風(fēng)速和顆粒物濃度呈U型相關(guān)，即風(fēng)速不是一直和顆粒物濃度呈線性相關(guān)，而是在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速將會(huì)對(duì)顆粒物起到擴(kuò)散稀釋作用，風(fēng)速越大，這種作用就越強(qiáng)。反之，顆粒物濃度就會(huì)上升，尤其在靜風(fēng)天氣下，更容易造成顆粒物大量累積，所以在這個(gè)范圍內(nèi)，風(fēng)速和顆粒物濃度呈負(fù)相關(guān)。而當(dāng)風(fēng)速超過(guò)這個(gè)范圍之后，便會(huì)卷起地面沙塵，增加顆粒物濃度，在這個(gè)范圍內(nèi)的風(fēng)速越大，顆粒物濃度就越大。受特殊地形及海拔高度的共同影響，德令哈市常年盛行偏東風(fēng)，這種大風(fēng)會(huì)卷起沙塵，造成空氣質(zhì)量污染的情況也頻繁發(fā)生。分析2018年12次個(gè)例中有9次過(guò)程出現(xiàn)5級(jí)以上大風(fēng)，有6次出現(xiàn)浮塵、揚(yáng)沙天氣，再次說(shuō)明德令哈市發(fā)生污染天氣是由大風(fēng)沙塵天氣引起。

4 污染過(guò)程氣象條件分析

4.1 不同條件下環(huán)流形勢(shì)演變特征

大尺度的天氣形勢(shì)對(duì)氣象要素的分布和變化具有重要的影響作用，環(huán)流形勢(shì)的變化極大地影響了大氣地?cái)U(kuò)散能力、大氣的穩(wěn)定度等[7]。大氣的擴(kuò)散能力決定了一個(gè)地區(qū)的污染物濃度擴(kuò)散速度，而大氣的穩(wěn)定程度則決定了污染物在該地區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)污染天氣過(guò)程發(fā)展的情況和特點(diǎn)，挑選了2018年共16個(gè)典型個(gè)例，其中包括空氣質(zhì)量?jī)?yōu)及良的4次，輕度污染4次，中度污染4次，重度污染4次。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)和良的環(huán)流背景一般為典型的西北氣流型或高壓脊控制時(shí)出現(xiàn)最多；空氣質(zhì)量污染天氣環(huán)流背景歐亞中高緯為兩槽一脊型居多。以2018年2月8～9日、4月4～5日的重度污染天氣為例，對(duì)高空環(huán)流形勢(shì)演變、地面實(shí)況、物理量場(chǎng)進(jìn)行分析。

地面河西走廊、海西分別有冷鋒過(guò)境，冷高壓與熱低壓之間的相互作用，冷鋒前后的正、負(fù)ΔP24、ΔP3氣壓場(chǎng)的最新變化，代表了冷暖空氣演變的最新動(dòng)態(tài)，ΔP3差值越大越有利于大風(fēng)沙塵暴加強(qiáng)，正負(fù)ΔP3中心連線的方向代表著冷暖空氣移動(dòng)的方向，也是大風(fēng)沙塵暴移動(dòng)的方向，特強(qiáng)沙塵暴出現(xiàn)在地面冷高壓和熱低壓的過(guò)渡地帶。正確估計(jì)冷鋒過(guò)境，也是預(yù)報(bào)空氣污染的關(guān)鍵。大風(fēng)沙塵暴多發(fā)生在冷鋒過(guò)境時(shí)或過(guò)境后，冷鋒在午后到前半夜(混合層作用)過(guò)境最有利于沙塵暴的發(fā)展加強(qiáng)。大風(fēng)沙塵暴出現(xiàn)前水平溫度梯度、氣壓梯度、變壓梯度越大沙塵暴越強(qiáng)，空氣污染越強(qiáng)。

圖5 2018年4月4日出現(xiàn)天氣現(xiàn)象圖

5 結(jié)語(yǔ)

(1)2018年德令哈市空氣質(zhì)量以Ⅱ級(jí)良為主，全年達(dá)到235d，占64.4%。AQI指數(shù)有比較明顯的季節(jié)分布特征，春季最高，夏秋兩季空氣質(zhì)量偏好，冬季空氣質(zhì)量多以Ⅰ級(jí)優(yōu)為主，但Ⅲ級(jí)及以上天數(shù)逐漸增多；首要污染物在春季和夏季主要以臭氧為主，其余時(shí)間多以PM10為主，德令哈市空氣質(zhì)量級(jí)別在中度及以上首要污染物絕大部分為PM10，說(shuō)明了主要由吹風(fēng)沙塵天氣造成。

(2)不同月份空氣質(zhì)量指數(shù)與不同氣象要素有比較好的相關(guān)關(guān)系。日降水量在不同月份存在著正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與不同季節(jié)冷空氣活動(dòng)所帶來(lái)得不同天氣現(xiàn)象及其他氣象要素作用有一定的關(guān)聯(lián)。

(3)污染天氣過(guò)程等高線密集，梯度大，有明顯的高空急流帶，受動(dòng)量下傳及冷空氣共同作用，300～700hPa之間形成強(qiáng)烈的輻散下沉，造成地面大風(fēng)天氣，出現(xiàn)沙塵天氣。冷鋒活動(dòng)是造成污染物濃度日際變化的重要天氣系統(tǒng)，冷鋒過(guò)境前，污染物濃度逐漸增高，并達(dá)到峰值；冷鋒過(guò)境后，污染物濃度迅速降低。