銀川市空氣污染與氣象要素的相關(guān)關(guān)系研究

程 瑤，肖云清，邵 建*

（1.中國氣象局 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002）

近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大氣污染問題對社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的影響日趨嚴重。氣象條件作為大氣環(huán)境的重要影響因素，在長期的氣候變化中起著重要作用，同時隨著能源需求不斷增加，更多的污染物排放將嚴重影響人類的生存環(huán)境，加之全球變暖導(dǎo)致氣候變化加劇，進一步影響著空氣質(zhì)量狀況。銀川市位于寧夏回族自治區(qū)北部，屬溫帶大陸性氣候，其西部的賀蘭山為石質(zhì)中高山，呈北偏東走向。銀川盛行風(fēng)向為西北風(fēng)，處于賀蘭山背風(fēng)坡，受到該天然屏障的保護，西北冷空氣和沙塵天氣被部分阻擋。然而在冬季供暖期間，市區(qū)污染物排放量增大，污染物擴散受地形的影響，在風(fēng)速較小或偏南風(fēng)控制時易造成城市空氣質(zhì)量的下降[1-4]。因此，開展銀川市空氣質(zhì)量與氣象條件的相關(guān)研究對城市發(fā)展、城市規(guī)劃具有重要意義，特別是在城市規(guī)劃中，合理考慮氣象條件，對改善城市環(huán)境具有重要作用。有研究表明[2-4]，大氣污染與能見度、相對濕度、氣溫、日照時數(shù)、降水量、地面風(fēng)向和風(fēng)速等諸多氣象因子密切相關(guān)。周兆媛等[5]分析了京津冀地區(qū)空氣污染指數(shù)（API）與各氣象要素的關(guān)系，并利用氣候模式結(jié)果探討了未來氣象要素變化對空氣質(zhì)量的影響。樊欣怡等[6]利用空間自相關(guān)模型和皮爾遜相關(guān)系數(shù)探究了環(huán)渤海三大城市群空氣污染特征及其與氣象要素關(guān)系的異同，結(jié)果表明，在不同季節(jié)PM2.5，PM10，O3和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）與各氣象要素的相關(guān)性不同，且相關(guān)性強度呈非線性變化。

上述研究對空氣質(zhì)量和氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系進行了深入分析，但針對銀川市空氣質(zhì)量、污染物分布特征以及污染物與氣象要素的相關(guān)關(guān)系方面的研究還較少[7]。本文利用2018—2020 年銀川市AQI及各類污染物數(shù)據(jù)，分析了銀川市空氣質(zhì)量的變化特征及各類污染物與氣象要素的相關(guān)關(guān)系，探討了銀川市不同污染物質(zhì)量濃度下氣象要素的空間分布特征，以期為銀川市空氣質(zhì)量預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

（1）空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。AQI，PM2.5，PM10，O3等污染物數(shù)據(jù)均來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺，數(shù)據(jù)為2018 年1 月1 日—2020年12 月31 日銀川市逐日城市平均數(shù)據(jù)，是根據(jù)當(dāng)日城市建成區(qū)環(huán)?？傉久啃r數(shù)據(jù)計算求平均的結(jié)果。

（2）氣象要素數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，選取銀川市基準(zhǔn)氣象觀測站（區(qū)站號53614）本站平均氣壓、2 min 平均風(fēng)速、地表溫度、地面平均氣溫、地面相對濕度等各類氣象要素，該數(shù)據(jù)時段選取與AQI 數(shù)據(jù)同期。

（3）NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)集。包括溫度場、等壓面高度場、相對濕度場以及2 m 氣溫場等。

1.2 研究方法

本文的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）等級按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》（HJ 633—2012）進行劃分，如表1 所示。AQI 數(shù)值越大，表明空氣污染的情況越嚴重，對人類生活及人體健康的影響越大。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)等級劃分

本文采用Jarque-Bera 檢驗方法[8]，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布的偏度和峰度的擬合優(yōu)度進行檢驗時發(fā)現(xiàn)，僅部分變量服從正態(tài)分布，因此本文采用斯皮爾曼（Spearman）相關(guān)系數(shù)[9]來確定各氣象因子對各類污染物質(zhì)量濃度的影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 銀川市空氣污染變化特征

2.1.1 AQI 月變化 2018—2020 年，銀川市空氣質(zhì)量月變化規(guī)律（圖1）基本一致，月均AQI 較大值基本出現(xiàn)在1 月、5 月、6 月和7 月，空氣質(zhì)量相對較差，月均AQI 最小值均出現(xiàn)在9 月和10 月，空氣質(zhì)量較好。2018—2019 年月均AQI 最大值均出現(xiàn)在5 月，為春季。其中2018 年5 月平均AQI 約為124，是3 年中的月均最大值，而2018 年9 月平均AQI 約為59，是3 年中的月均最小值，表明2018 年銀川市空氣質(zhì)量波動較大。2020 年最大值出現(xiàn)在1月，為冬季。從整體來看，2018 年的月均AQI 大值出現(xiàn)較多，有7 個月超出近3 年的月平均值，其次為2020 年，2019 年AQI 整體偏小，僅8 月和9 月較平均值略偏高。這表明2019 年空氣質(zhì)量整體相對較好，2018 年是3 年中空氣質(zhì)量最差的年份，隨著環(huán)境治理力度的加大，空氣質(zhì)量呈現(xiàn)逐年變好趨勢。

圖1 2018—2020年銀川市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）月變化

2.1.2 空氣質(zhì)量等級分布 本文基于AQI 數(shù)據(jù)，參照表1 對2018—2020 年銀川市逐日的空氣質(zhì)量等級進行劃分（圖2），統(tǒng)計不同等級出現(xiàn)天數(shù)。由圖2可知，2018—2020 年空氣質(zhì)量等級為優(yōu)的天數(shù)呈增多趨勢，由5.48% 增至9.84%。其中，2018 年空氣質(zhì)量相對較差，輕度及以上空氣污染天數(shù)約占全年的26.57%，中度及以上等級污染天數(shù)約占7.67%。2019 年空氣質(zhì)量相對較好，等級為優(yōu)和良的天數(shù)占全年的90.41%，中度及以上污染天數(shù)僅占1.09%，且未出現(xiàn)嚴重污染等級。2020 年空氣質(zhì)量適中，等級為優(yōu)和良的天數(shù)占全年的82.52%。

圖2 2018—2020年銀川市空氣質(zhì)量等級分布

2.1.3 首要污染物特征 當(dāng)AQI 大于50 時，空氣質(zhì)量分指數(shù)最大的污染物就是首要污染物[10]。通過比較2018—2020 年銀川市各首要污染物出現(xiàn)的頻率（圖3）發(fā)現(xiàn)，不同年份的首要污染物出現(xiàn)頻率差異不大，全年首要污染物主要以PM10，O3，PM2.5為主，NO2，SO2次之。PM10，O3，PM2.5污染事件占所有污染事件的88%，其中PM10與O3的占比達到了46%，SO2在5 種污染物出現(xiàn)頻率中占比最小，甚至在2020 年未出現(xiàn)該類首要污染物。

圖3 2018—2020年銀川市各首要污染物出現(xiàn)頻率分布

本文選取了前三類首要污染物，包括O3，PM2.5，PM10，研究其月變化規(guī)律，圖4 為各污染物月均值變化趨勢。由圖4 可知，2018—2020 年，銀川市的主要污染物中，O3污染物質(zhì)量濃度變化與PM2.5，PM10變化趨勢相反，O3質(zhì)量濃度主要在5—8 月較高，主要分布在夏季。這是因為O3是氣態(tài)前體物通過光化學(xué)反應(yīng)生成的二次反應(yīng)產(chǎn)物，夏季太陽輻射強、氣溫高等因素引起劇烈光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致近地面臭氧質(zhì)量濃度有明顯的季節(jié)變化特征[11]。PM2.5質(zhì)量濃度在1 月、2 月、11 月、12 月較高，主要分布在秋季和冬季，PM10質(zhì)量濃度在1 月、3 月、5 月、11 月較高，在春季、秋季、冬季均有出現(xiàn)，9 月、10 月三類污染物均為低值，空氣質(zhì)量較好。從年變化來看，2018 年三類污染物均表現(xiàn)出較高質(zhì)量濃度，有數(shù)月超出均值，空氣質(zhì)量較差，2019—2020 年污染物質(zhì)量濃度明顯下降。

圖4 2018—2020年銀川市各空氣污染物質(zhì)量濃度月均值變化

2.2 空氣污染物與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

空氣污染的影響因素眾多，主要包括氣象條件、污染源及其強度、地形等自然因素以及城市交通等人為因素，其中氣象條件對空氣污染的影響最為復(fù)雜和多變。有研究表明，溫度、風(fēng)速等氣象要素對大氣環(huán)境有重要影響[12]。在大氣環(huán)境發(fā)生改變時，空氣污染物與各氣象要素的相關(guān)關(guān)系有待進一步研究。本文利用Spearman 相關(guān)系數(shù)方法，檢驗銀川市氣象站本站氣壓、2 min 平均風(fēng)速、地表溫度、平均氣溫、平均相對濕度等常規(guī)地面氣象要素與銀川市三類首要污染物質(zhì)量濃度的相關(guān)性。2018—2020 年銀川市氣象站地面氣象要素與各空氣污染物的相關(guān)系數(shù)如表2 所示。

表2 2018—2020年銀川市氣象站地面氣象要素與各空氣污染物的相關(guān)系數(shù)

由表2 可知，O3質(zhì)量濃度與地表溫度、平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與氣壓呈顯著負相關(guān)。這是因為O3是太陽輻射下光化學(xué)反應(yīng)的直接產(chǎn)物，而氣溫是隨著太陽輻射增強而升高，因此O3的分布也集中在氣溫較高的夏季；另外氣溫升高時，空氣體積膨脹，密度變小，一般情況下氣壓也會變低。O3質(zhì)量濃度與相對濕度的相關(guān)性在2020 年表現(xiàn)出了顯著負相關(guān)。這可能是因為水汽是形成云的必要條件，空氣中相對濕度較大時，云系發(fā)展旺盛，云量增多，有效減少了太陽輻射，不利于光化學(xué)反應(yīng)，使得O3質(zhì)量濃度下降。這也與已有研究的結(jié)論相一致[13]。

PM2.5與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)性分布類似，它們與溫度要素呈顯著負相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)。結(jié)合前文結(jié)論，PM2.5，PM10污染物大多發(fā)生在較為寒冷的秋冬季，秋冬季氣溫較低，且晝短夜長，地面輻射冷卻作用導(dǎo)致近地層易形成逆溫層，低層大氣常處于靜穩(wěn)狀態(tài)，污染物便難以擴散。

PM2.5與PM10質(zhì)量濃度相關(guān)性分布不同的是：PM2.5與2 min 平均風(fēng)速呈顯著負相關(guān)，而PM10與2 min 平均風(fēng)速的相關(guān)性不顯著。這可能是因為PM2.5是細顆粒，風(fēng)力較大時，污染物易擴散，但風(fēng)速過大時，易產(chǎn)生沙塵天氣，導(dǎo)致可吸入顆粒物PM10質(zhì)量濃度升高。因此，風(fēng)速的變化對于PM10質(zhì)量濃度的影響機制較為復(fù)雜。另外，PM10質(zhì)量濃度與相對濕度呈顯著負相關(guān)。這表明干燥寒冷天氣不利于PM10的擴散，一般會導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度較大，而高溫濕熱天氣有利于PM10質(zhì)量濃度的稀釋。

2.3 污染物不同質(zhì)量濃度下氣象影響因子的空間分布特征

為進一步細化污染物不同質(zhì)量濃度下氣象影響因子的分布特征，本文選取了2020 年出現(xiàn)頻率最多的兩類污染物因子（PM10和O3），結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，分別將PM10，O3逐日質(zhì)量濃度按照數(shù)值由低到高的排序形成數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計出低于第20 百分位數(shù)和高于第80 百分位數(shù)的數(shù)據(jù)集，分析對應(yīng)的氣象高影響因子（圖5）。

圖5 2020年O3質(zhì)量濃度高于第80百分位數(shù)和低于第20百分位數(shù)的樣本數(shù)據(jù)集對應(yīng)的850 hPa位勢高度（等值線，m）、2 m氣溫（填色，℃）分布圖（審圖號：GS（2019）3082）

由圖5 可知，O3質(zhì)量濃度較低時，銀川市2 m平均氣溫為-10～-5 ℃，850 hPa 環(huán)流形勢場上，新疆、青海一帶有冷高壓，銀川市處于高壓邊緣，氣壓梯度大，風(fēng)力較大，低層受脊區(qū)控制，這種環(huán)流型有利于O3污染物擴散。當(dāng)O3質(zhì)量濃度較高時，銀川市2 m 平均氣溫為20～25 ℃，10 m 平均風(fēng)速為3.0～3.2 m/s（風(fēng)力等級為2 級），850 hPa 相對濕度為40%～50%（圖6），且850 hPa 形勢場上，蒙古國至河套地區(qū)為熱低壓控制，銀川市處于熱倒槽底部，低壓易造成近地層風(fēng)場輻合，且風(fēng)力較弱，這均有利于污染物的匯聚。另外，這種環(huán)流形勢易導(dǎo)致銀川地區(qū)出現(xiàn)高溫天氣[14]，高溫有利于水汽蒸發(fā)，導(dǎo)致相對濕度降低，同時也有利于O3質(zhì)量濃度增加。目前許多研究已表明，高O3污染事件通常發(fā)生在高溫、低濕等氣象條件下[15]。

圖6 2020年O3質(zhì)量濃度高于第80百分位數(shù)（139 μg/m3）的樣本數(shù)據(jù)對應(yīng)的10 m風(fēng)速、850 hPa相對濕度和2 m氣溫分布圖（審圖號：GS（2019）3082）

通過對PM10不同質(zhì)量濃度下氣象高影響因子分析（圖7）可知，PM10質(zhì)量濃度較低時，銀川市2 m平均氣溫為15～20 ℃，850 hPa 環(huán)流形勢場上，蒙古國至新疆東部一帶為槽區(qū)控制，銀川市位于槽底前部，有暖平流輸送，易出現(xiàn)高溫天氣，從而對PM10的質(zhì)量濃度增長有抑制作用。PM10質(zhì)量濃度較高時，2 m 平均氣溫為-5～0 ℃（圖略），850 hPa 氣溫為0～5 ℃，低層存在逆溫層，大氣靜穩(wěn)，不利于污染物擴散。850 hPa 環(huán)流形勢場上，內(nèi)蒙古一帶位勢高度等值線曲率增加，經(jīng)向環(huán)流發(fā)展加強，銀川地區(qū)受橫槽影響，這種形勢下易出現(xiàn)大風(fēng)沙塵天氣，導(dǎo)致PM10質(zhì)量濃度增加。

圖7 2020年P(guān)M10質(zhì)量濃度高于第80百分位數(shù)和低于第20百分位數(shù)的樣本數(shù)據(jù)集對應(yīng)的850 hPa位勢高度（等值線，m）和2 m氣溫（填色，℃）分布圖（審圖號：GS（2019）3082）

2.4 污染天氣背景下氣象要素的垂直分布特征

本文利用合成分析方法，挑選出2018—2020 年空氣質(zhì)量等級為重度污染和嚴重污染的日期，表示為空氣污染日，挑選出空氣質(zhì)量等級為優(yōu)的日期表示為空氣質(zhì)量優(yōu)日。其中，空氣污染日共28 d，空氣質(zhì)量優(yōu)日共20 d，將空氣污染日和空氣質(zhì)量優(yōu)日對應(yīng)的不同層次的溫度場、高度場、相對濕度場分別進行合成并相減得到污染天氣背景下的氣象要素分布場，并針對不同年份，分析銀川當(dāng)?shù)貧庀笠氐拇怪苯Y(jié)構(gòu)特征。

圖8a 為2018 年空氣污染日相對于空氣質(zhì)量優(yōu)日溫度場和位勢高度場的垂直分布圖?？梢钥吹剑撼霈F(xiàn)污染天氣背景下，溫度場中銀川市所在區(qū)域氣壓層中低層（地面至700 hPa）為溫度正異常；高度場中銀川市及其周邊區(qū)域的整個對流層均為位勢高度負異常。這表明銀川地區(qū)整個對流層位勢高度降低，氣壓增加，中低層溫度較四周異常升高，該配置易形成較為穩(wěn)定的暖高壓，一般這種高壓中心地區(qū)風(fēng)力微弱，空氣污染物不利于擴散、易堆積[16]，污染物質(zhì)量濃度升高，空氣質(zhì)量下降。2019 年溫度與位勢高度場的垂直分布與2018 年相對一致（圖9a）。

圖8 2018年空氣污染日相對于空氣質(zhì)量優(yōu)日氣象要素場剖面圖

圖9 2019年空氣污染日相對于空氣質(zhì)量優(yōu)日氣象要素場剖面圖

2020 年溫度場和位勢高度場的垂直分布與2018 年、2019 年有所不同（圖10a）：當(dāng)空氣質(zhì)量較差時，銀川地區(qū)氣壓層位勢高度850 hPa 以下為負異常區(qū)，850 hPa 以上為正異常區(qū)；溫度場中整層溫度均表現(xiàn)為負異常區(qū)，其中地面至500 hPa 溫度降低幅度由8～6 K 減小為6～4 K，這有利于在中低層形成逆溫層，并且當(dāng)?shù)蛯游粍莞叨仍龈?、氣壓減壓、溫度降低時，易在低層形成低壓輻合場，這種環(huán)流形勢配置不利于污染物擴散。

圖10 2020年空氣污染日相對于空氣質(zhì)量優(yōu)日氣象要素場剖面圖

分析相對濕度場時可以發(fā)現(xiàn)，2018—2020 年結(jié)果較為一致（圖8b、圖9b、圖10b），銀川地區(qū)在500 hPa 以下均表現(xiàn)為相對濕度負異常。這表明空氣質(zhì)量較差時，中低層相對濕度減小，水汽條件變差。一方面，有研究表明，對于絕大多數(shù)污染氣體，其擴散系數(shù)隨空氣濕度的增大而增大[17]，即空氣濕度較差的天氣，不利于空氣污染物擴散；另一方面，降水的發(fā)生能顯著改善空氣污染[18]，而水汽條件較差時不利于降水，導(dǎo)致空氣污染物不能及時被稀釋、清除。

3 結(jié)論

本文采用相關(guān)性分析、合成分析等方法研究了2018—2020 年銀川市空氣質(zhì)量的變化特征及其與氣象要素的相關(guān)關(guān)系，探討了銀川市空氣質(zhì)量指數(shù)的時間變化，以及在空氣質(zhì)量較差環(huán)境下溫度、相對濕度等氣象要素的變化特征，得出以下結(jié)論。

（1）銀川市空氣質(zhì)量月變化規(guī)律基本一致，月均AQI 較大值基本出現(xiàn)在1 月、5 月、6 月和7 月，空氣質(zhì)量相對較差；月均AQI 最小值均出現(xiàn)在9 月和10月，空氣質(zhì)量較好。

（2）銀川市空氣質(zhì)量等級為優(yōu)的天數(shù)呈逐年增多趨勢。其中：2018 年是3 年中空氣質(zhì)量最差的年份，中度及以上等級污染天數(shù)較多；2019 年整體空氣質(zhì)量相對較好，且未出現(xiàn)嚴重污染等級；2020 年整體空氣質(zhì)量表現(xiàn)居中，等級達優(yōu)的天數(shù)最多。

（3）2018—2020 年銀川市首要污染物主要以PM10，O3，PM2.5為主，NO2，SO2次之。PM10，O3，PM2.5污染事件占所有污染事件的88%，PM10與O3污染物事件的占比達到了46%。

（4）O3污染物質(zhì)量濃度變化與PM2.5，PM10月變化趨勢相反，O3和PM2.5，PM10的質(zhì)量濃度與溫度、氣壓氣象要素的相關(guān)性結(jié)果表現(xiàn)相反。O3質(zhì)量濃度主要在5—8 月較高，PM2.5質(zhì)量濃度在1 月、2 月、11月、12 月較高，PM10質(zhì)量濃度在1 月、3 月、5 月、11月較高。O3質(zhì)量濃度與地表溫度、平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與氣壓呈顯著負相關(guān)，PM2.5和PM10質(zhì)量濃度與溫度要素呈顯著負相關(guān)，與氣壓呈顯著正相關(guān)。

（5）2020 年污染事件中，O3質(zhì)量濃度較高時，850 hPa 形勢場上，銀川市處于熱倒槽底部，風(fēng)力較弱，相對濕度較低，這種環(huán)流形勢易出現(xiàn)高溫天氣，有利于O3質(zhì)量濃度的增加。PM10質(zhì)量濃度較高時，850 hPa 形勢場上，銀川地區(qū)受寬廣橫槽影響，低層存在逆溫層，這種形勢易出現(xiàn)大風(fēng)沙塵天氣，有利于PM10質(zhì)量濃度的增加。

（6）銀川市空氣質(zhì)量與氣象要素垂直分布有一定的相關(guān)性。當(dāng)對流層中低層相對濕度減少，降水發(fā)生可能性降低時，不利于空氣污染物稀釋、擴散，空氣質(zhì)量變差，AQI 增加。當(dāng)對流層整層位勢高度降低，中低層氣溫增加時，易形成較為穩(wěn)定的暖高壓，不利于空氣污染物擴散，污染物易堆積，AQI 增加。當(dāng)?shù)蛯游粍莞叨仍龈?、溫度降低時，易在低層形成低壓輻合場和逆溫層，不利于空氣污染物擴散，AQI 增加。