兩種典型大氣擴(kuò)散指數(shù)在新疆的分布特征及其適用性對比

趙克明，孫鳴婧，李 霞，施俊杰，安大維，許婷婷

（1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，由氣溶膠造成的大氣污染事件越來越多［1］。大氣污染受排放源影響，也受氣象條件影響［2-3］。在一段時間內(nèi)，一個地區(qū)的自然和人類生產(chǎn)活動產(chǎn)生的污染物排放量大致穩(wěn)定，但有時出現(xiàn)嚴(yán)重污染天氣，有時卻是藍(lán)天白云，一個重要的調(diào)節(jié)因素就是氣象條件［4-7］。

氣象條件對空氣污染作用的問題一直備受關(guān)注，比較常見的研究方法有3種［8］。第一種是直接采用污染監(jiān)測濃度和氣象觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析［9-11］。在小風(fēng)條件下，大氣流動性差，湍流較弱，大氣對污染物的擴(kuò)散輸送能力大大降低［12-13］。高相對濕度通常通過氣溶膠吸濕性增長導(dǎo)致低能見度，也會造成嚴(yán)重的空氣污染［14］。諸多研究表明溫度、風(fēng)速、相對濕度、氣壓、降水量與城市空氣質(zhì)量的關(guān)系較為密切［15-18］。第二種是通過分析空氣污染過程對應(yīng)的天氣形勢，歸納總結(jié)出容易導(dǎo)致空氣污染的局地天氣類型。蘇秋芳［19］分析了干渦、濕渦天氣系統(tǒng)下污染物濃度的特征。林廷坤等［20］根據(jù)氣象條件和污染特征，歸納出了5 類大氣環(huán)流型。第三種是建立綜合表達(dá)空氣污染氣象條件的指數(shù)，定量評估氣象條件對大氣污染的作用，諸如采用500 hPa 和850 hPa風(fēng)速及850 hPa和250 hPa的溫度距平構(gòu)建霧霾天氣指數(shù)［21-22］；利用大氣污染物濃度、降水量、通風(fēng)系數(shù)等構(gòu)建大氣環(huán)境承載力指數(shù)［23］等。國家氣候中心構(gòu)建了大氣自凈能力指數(shù)（Atmospheric Self-pu?rification Capacity Index，ASI）［24］，已在業(yè)務(wù)中推廣應(yīng)用，近年來在中國不同區(qū)域?qū)Υ髿馕廴揪休^好的指示意義［25-26］。美國國家氣候數(shù)據(jù)中心提出了靜穩(wěn)天氣指數(shù)（Air Stagnation Index，ASI），其由高低層風(fēng)向和降水量組成，包含風(fēng)和降水的影響，經(jīng)改進(jìn)后在中國也有較好的適用性［27］。

新疆地處中國西北，位于亞歐大陸腹地，地形輪廓復(fù)雜。四周有阿爾泰山、帕米爾高原、昆侖山、阿爾金山等高山環(huán)繞，天山橫亙中央，以北有準(zhǔn)噶爾盆地，以南有塔里木盆地，而山脈內(nèi)部又有許多山間盆地和谷地，易于污染物的懸浮和沉降，在不同季節(jié)均有嚴(yán)重污染［28］。由于特殊地形，南北疆污染成因并不相同，北疆冬季風(fēng)向多以西北風(fēng)為主，準(zhǔn)噶爾盆地污染空氣受天山阻隔在北麓匯集，地形條件不利于污染物的擴(kuò)散，地處埡口的烏魯木齊-昌吉-石河子一線往往成為污染重災(zāi)區(qū)［29］。南疆塔里木盆地有世界第二大流動沙漠——塔克拉瑪干沙漠，其流沙面積世界第一且下墊面干燥，沙源豐富，這導(dǎo)致南疆盆地春季約1/3日數(shù)都有沙塵天氣［30］，風(fēng)沙天氣造成的低能見度和大氣污染嚴(yán)重。南北疆不同的污染成因給新疆氣象條件與空氣污染關(guān)系的探究帶來了難度。本文選用國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)，對比分析其在整個新疆區(qū)域的時空分布特征，并結(jié)合大氣環(huán)境監(jiān)測站的污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示兩個指數(shù)與空氣污染的關(guān)系，定量評估其在新疆不同地區(qū)、不同時間的適用性，為空氣質(zhì)量預(yù)報、大氣污染治理和防御提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用2010—2020 年新疆14 個氣象探空站每日08:00 的秒級探空數(shù)據(jù)（垂直分辨率處理為50 m）及其對應(yīng)的14個地面氣象觀測站資料，用于計算大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過新疆氣象信息中心質(zhì)量控質(zhì)，檢查了極端值和范圍、參數(shù)間的一致性、觀測值的連續(xù)性?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境部全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺（https://air.cnemc.cn:18007/）。為與探空站一一對應(yīng)，在全疆篩選了10個城市既有探空站又有空氣質(zhì)量監(jiān)測站的城市，包括伊寧、塔城、阿勒泰、克拉瑪依、烏魯木齊、喀什、和田、阿克蘇、庫爾勒、哈密（圖1）。時間段為2015—2020 年逐日空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）、PM10、PM2.5濃度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)使用前已對其進(jìn)行異常值處理、缺測處理，每站的有效數(shù)據(jù)超過95%，所采用的數(shù)據(jù)具有代表性。

圖1 新疆14個探空站分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of the 14 radiosonde stations in Xinjiang

1.2 研究方法

1.2.1 大氣自凈能力指數(shù) 國家氣候中心構(gòu)建的大氣自凈能力指數(shù)ASI已成為中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)［24］，在業(yè)務(wù)中推廣應(yīng)用效果良好［25-26］。大氣自凈能力指數(shù)僅僅表示大氣自身運動對大氣污染物的通風(fēng)擴(kuò)散和降水清除能力，與大氣污染排放量及空氣質(zhì)量無關(guān)。大氣自凈能力指數(shù)值越大，表示大氣對污染物的清除能力越強(qiáng)，大氣自凈能力強(qiáng)；反之，表示大氣自凈能力弱。其計算公式如下［8］：

式中：ASI 為大氣自凈能力指數(shù)［t·(d·km2)-1］；Wr=6×105為雨洗常數(shù)；R為降水率，即單位時間內(nèi)的降水量（mm·d-1）；S=100 km2為單位面積；Ve為通風(fēng)量（m2·s-1），是指在混合層高度內(nèi)，不同高度與對應(yīng)高度風(fēng)速乘積的總和，本文所用間隔為50 m。計算方法如下［8］：

式中：MMD表示日最大混合層高度（m）；u(z)是距離地面高度z米處的水平風(fēng)速（m·s-1）。

朱蓉等［8］計算混合層高度采用的是羅氏法，采用地面站14:00 的風(fēng)速、云量、太陽高度角、穩(wěn)定度等計算獲得，以此代表一日中大氣對污染物的最大清除能力［25-26］。本文使用干絕熱曲線法［31］，利用探空數(shù)據(jù)求取一日最大混合層高度數(shù)據(jù)，羅氏法計算出的混合層高度普遍比干絕熱曲線法計算出的混合層高度偏小。

1.2.2 靜穩(wěn)指數(shù) 靜穩(wěn)指數(shù)（Air Stagnation Index，ASITS）由Jin 等［32］提出，用于研究中國北方的霧霾天氣，其包含通風(fēng)量、垂直擴(kuò)散和濕沉降的影響，即包含了高低層風(fēng)向和不同量級降水對大氣擴(kuò)散條件的影響，適用于日到月的時間尺度大氣靜穩(wěn)條件分析。靜穩(wěn)指數(shù)值越高，意味著大氣愈加穩(wěn)定，愈不利于污染物擴(kuò)散，反之亦然。具體計算方法如下［32］：

式中：λ為常量，取值103s；日降水量≥1 mm，δ(r)取值為1，否則為0。日降水量<1 mm，視為高相對濕度通過氣溶膠吸濕性增長導(dǎo)致低能見度，為不利擴(kuò)散條件；日降水量>1 mm，視為對污染物有稀釋沖刷作用，為有力擴(kuò)散條件，不易造成空氣污染。ZPBL為邊界層最大混合層高度（m）；Z0為地面高度（m），一般取值為0；為邊界層平均風(fēng)速UT（m·s-1）。

為揭示大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)在新疆的時空分布特征，利用全疆14個氣象探空站及地面觀測站資料計算了各站每日的指數(shù)值，并分別進(jìn)行不同時間尺度的數(shù)學(xué)平均。大氣自凈能力指數(shù)應(yīng)用更為廣泛，已用在日、月和年的多時間尺度分析，而靜穩(wěn)指數(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用較少，目前已有研究表明，其可用于日和月時間尺度的分析，且對PM2.5的濃度有較好的指示意義，兩者的效果對比分析有待進(jìn)一步揭示。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的時空分布特征

2.1.1 空間分布特征 由2010—2020 年新疆大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的年平均空間分布圖可知（圖2），新疆的大氣自凈能力分布很不均勻，總體約在4～7 t·(d·km2)-1，全疆的自凈能力大體分為3個層級，北部的阿勒泰最小，為4.25 t·(d·km2)-1，其次是中天山南北坡，站點包括克拉瑪依、烏魯木齊、庫車、阿克蘇和庫爾勒，其大氣自凈能力指數(shù)處于中值，在5～6 t·(d·km2)-1，而北疆西部的伊犁和塔城、北疆東部的北塔山、東疆的哈密以及南疆塔里木盆地南緣的喀什、和田、民豐至若羌一線，大氣自凈能力處于高值，在6 t·(d·km2)-1以上，哈密市最高，為7 t·(d·km2)-1。

圖2 2010—2020年大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)年平均分布Fig.2 Annual average distribution of ASI and ASITS in Xinjiang from 2010 to 2020

2010—2020 年新疆大氣自凈能力指數(shù)［5.97 t·(d·km2)-1］比重慶市［33］的大氣自凈能力指數(shù)高，重慶主城區(qū)的大氣自凈能力指數(shù)30 a氣候均值為［2.9 t·(d·km2)-1］，這兩個地區(qū)使用的混合層高度計算方法均為干絕熱曲線法，有對比性。由于統(tǒng)計時長不一樣，無法給出確定結(jié)論，但可初步推斷新疆整體的大氣擴(kuò)散條件較內(nèi)陸山地城市高；內(nèi)陸有些省份，使用羅氏法計算混合層高度，計算出的大氣自凈能力指數(shù)較低。如四川盆地［25］的自凈能力指數(shù)氣候值約為2.6 t·(d·km2)-1，黃河流域［26］的平均大氣自凈能力指數(shù)為4.44 t·(d·km2)-1。

靜穩(wěn)指數(shù)在新疆的分布狀況與自凈能力指數(shù)呈反位相，但具體分布并不完全一致，靜穩(wěn)指數(shù)大致也分為3 個層級，北部的阿勒泰最大為4.6（可見無論是自凈能力指數(shù)還是靜穩(wěn)指數(shù)，均表明阿勒泰的年均大氣擴(kuò)散能力在全疆最差），其次為北疆的其他站點，包括伊寧、塔城、烏魯木齊、克拉瑪依和北塔山，靜穩(wěn)指數(shù)約在2～4；靜穩(wěn)指數(shù)最小的區(qū)域為南疆和東疆所有站，均在2 以下。靜穩(wěn)指數(shù)在新疆的分布表明，北疆更易形成靜穩(wěn)的氣象條件，而南疆和東疆的大氣流動性更好，這與自凈能力指數(shù)所反映出的大氣擴(kuò)散能力基本一致。

2.1.2 時間演變特征

（1）年內(nèi)變化特征

由于天山山脈的分隔，南疆和北疆的氣候完全不同，分別將全疆、北疆及南疆各站求月平均，其時間變化如圖3 所示。在新疆，大氣自凈能力指數(shù)年內(nèi)變化（月平均值）呈倒“V”型，全疆最大值出現(xiàn)在5月，為11.3 t·(d·km2)-1，最小值出現(xiàn)在12月，為1.4 t·(d·km2)-1，春季5月的大氣自凈能力是冬季12月的8倍；夏半年4—9 月大氣自凈能力指數(shù)呈現(xiàn)較大值，均值為8.8 t·(d·km2)-1；冬半年10月—次年3月自凈能力較小，這與重慶主城區(qū)大氣自凈能力指數(shù)的分布基本一致［33］。對比南北疆的曲線可見，全年大部分時間，南疆的自凈能力指數(shù)大于北疆（除7 月、8月、9月外），兩者在秋冬季差異不明顯，春夏季差異較大。

圖3 2010—2020年新疆14個探空站大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的逐月變化Fig.3 Monthly average of ASI and ASITS in Xinjiang from 2010 to 2020

全疆靜穩(wěn)指數(shù)的月均值呈“U”型。冬半年從10月開始增加，1 月達(dá)到最高值5.8（較天津、哈爾濱、濟(jì)南、鄭州等城市?。?2］），之后逐步減?。幌陌肽?—9 月，全疆靜穩(wěn)指數(shù)值都比較小，每月差異也很小，維持在1.0 左右（與大部分內(nèi)陸城市差異不大［32］），最小值出現(xiàn)在6月（0.5），意味著是擴(kuò)散能力最強(qiáng)的月份。靜穩(wěn)指數(shù)對比南北疆看，南北疆夏半年靜穩(wěn)指數(shù)相近；在冬半年，北疆的靜穩(wěn)指數(shù)明顯高于南疆，比如冬季1月，北疆是8.9，南疆是3.4，南疆是北疆的約3倍。

大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)表現(xiàn)出的新疆大氣擴(kuò)散能力年內(nèi)變化趨勢基本一致，即夏半年新疆大氣擴(kuò)散能力強(qiáng)，冬半年弱。

（2）季節(jié)變化特征

由新疆不同地區(qū)大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的四季值可知（表1），全疆的自凈能力在夏季最大［9.4 t·(d·km2)-1］，其次是春季［7.8 t·(d·km2)-1］，秋季排第三［4.5 t·(d·km2)-1］，冬季最?。?.9 t·(d·km2)-1］，這與重慶主城區(qū)的季節(jié)分布完全一致［33］。與華北地區(qū)的四季氣候值相比［34］，新疆夏季的自凈能力更大，其他季節(jié)均小于華北區(qū)域，尤其是冬季偏小較明顯。華北區(qū)域計算混合層高度時所用方法為羅氏法，通常比干絕熱曲線法計算的混合層高度小，由此可以推斷，新疆春、秋、冬季的大氣自凈能力指數(shù)較華北區(qū)域小，尤其是在冬季，偏小更明顯。南北疆的自凈能力指數(shù)對比來看，只有在冬季，北疆的自凈能力高于南疆，秋季兩者相當(dāng)，春、夏季均低于南疆，與上文逐月的分析結(jié)論一致。

表1 新疆不同地區(qū)大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的季節(jié)分布Tab.1 Seasonal distribution of ASI and ASITS in different regions of Xinjiang

靜穩(wěn)指數(shù)在夏季最?。?.7），其次是春季（1.1），秋季增大（1.9），冬季達(dá)最大（5.1）。每年的春、夏和秋季靜穩(wěn)指數(shù)的變化幅度不大，但在冬季其值跨度很大，冬季多年平均值為5.1，但最大出現(xiàn)過12.1，最小為2.6，可見新疆的靜穩(wěn)指數(shù)在冬季不穩(wěn)定。南北疆的靜穩(wěn)指數(shù)對比來看，四季的靜穩(wěn)指數(shù)均表現(xiàn)為北疆大于南疆。

為進(jìn)一步揭示大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)在四季的分布特征，圖4 和圖5 給出了其在不同季節(jié)的空間分布。春夏季，全疆的自凈能力都較大，空間差異不明顯，春季全疆各站指數(shù)在6.3～10.3 t·(d·km2)-1浮動，最大為哈密站；夏季各站在6.5～11.4 t·(d·km2)-1浮動，最大站位于北塔山。秋季，全疆自凈能力開始顯著減小，且在空間上也呈現(xiàn)出區(qū)域差異，圖4c可見，北疆西部的伊寧、塔城及東疆的哈密較小。

圖4 2010—2020年不同季節(jié)大氣自凈能力指數(shù)的空間分布Fig.4 Space distribution of average ASI in different seasons in Xinjiang from 2010 to 2020

圖5 2010—2020年不同季節(jié)靜穩(wěn)指數(shù)的空間分布Fig.5 Space distribution of average ASITS in different seasons in Xinjiang from 2010 to 2020

在冬季，南疆的大氣自凈能力指數(shù)普遍比北疆大，最大值在民豐為2.5 t·(d·km2)-1，是全疆冬季所有站中，唯一一個值大于2 t·(d·km2)-1的站。南疆盆地東部站的大氣自凈能力指數(shù)要較西部站更大一些，即冬季庫爾勒、和田、若羌站的大氣擴(kuò)散條件較喀什、阿克蘇、庫車站好。北疆的克拉瑪依、阿勒泰、烏魯木齊市的自凈能力指數(shù)降至1.0 t·(d·km2)-1以下，大氣擴(kuò)散能力很弱，此時如有較重的煤、煙等污染源排放，污染物不能快速擴(kuò)散稀釋，大氣污染將會加重。

靜穩(wěn)指數(shù)與自凈能力指數(shù)不同，南北疆的差異在春、秋季較為明顯，在夏季和冬季差異不顯著。在春季，北疆的靜穩(wěn)指數(shù)普遍大于南疆盆地和東疆，即春季北疆的大氣條件更為靜穩(wěn)，靜穩(wěn)指數(shù)最大站在阿勒泰為2.6，是全疆唯一一個大于2 的站，其次為北塔山、克拉瑪依和烏魯木齊站，伊寧和塔城站的靜穩(wěn)指數(shù)較小。南疆和東疆靜穩(wěn)指數(shù)較小，均在1 以下，這與上文春季大氣自凈能力指數(shù)都較大對應(yīng)一致，說明在春季，南疆和東疆?dāng)U散條件好，靜穩(wěn)的大氣環(huán)流少。夏季只有庫爾勒站的靜穩(wěn)指數(shù)稍大，其余站均在1 以下，但在冬季，北疆所有站的靜穩(wěn)指數(shù)都大于南疆站，說明在冬季北疆更容易形成靜穩(wěn)的大氣，不利于污染物的擴(kuò)散，若有充足的污染源，北疆更容易出現(xiàn)重污染天氣，這與自凈能力指數(shù)表現(xiàn)出的大氣擴(kuò)散條件也一致。

（3）大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)相關(guān)關(guān)系表2 給出了兩個指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，兩者在新疆呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，均通過了0.01的置信度檢驗，即大氣自凈能力強(qiáng)時，靜穩(wěn)條件差，大氣自凈能力弱時，靜穩(wěn)條件好。對于南北疆不同區(qū)域，兩者的關(guān)系也為反位相相關(guān)，北疆兩者的相關(guān)性更好一些，相關(guān)系數(shù)為-0.89，南疆的相關(guān)系數(shù)為-0.86。兩個指數(shù)均表明大氣擴(kuò)散條件的好壞，但其對空氣質(zhì)量的影響是更為關(guān)注的問題。以往的研究表明［28］，南北疆大氣污染成因不同，相同的大氣擴(kuò)散條件可能在不同地區(qū)起到相反的作用，因此，要進(jìn)一步分析這兩個大氣擴(kuò)散條件指數(shù)對新疆空氣質(zhì)量的指示作用。

表2 不同區(qū)域大氣自凈能力指數(shù)與靜穩(wěn)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient between ASI and ASITS in different regions

2.2 大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)與新疆空氣質(zhì)量的關(guān)系

2.2.1 新疆空氣質(zhì)量狀況 新疆大氣污染主要為顆粒物污染［29］，由2015—2020 年新疆10 個城市PM2.5和PM10的平均濃度空間分布可知（圖6），整個新疆的大氣環(huán)境狀況從北往南大致可分為“4 大片區(qū)”，污染程度由北往南逐步加重。第一片區(qū)對應(yīng)45°N以北區(qū)域，涵蓋阿勒泰和塔城，這一片區(qū)PM2.5和PM10平均濃度均在50 以下，空氣質(zhì)量優(yōu)；第二片區(qū)集中于天山北坡和東疆，包括伊寧、克拉瑪依、烏魯木齊和哈密，PM2.5和PM10平均濃度分別為43.4 μg·m-3、88.5 μg·m-3，分別屬于優(yōu)良和輕度污染級別；第三片區(qū)是南疆盆地北緣，主要有環(huán)繞塔里木盆地北部的綠洲城市阿克蘇和庫爾勒，PM10污染嚴(yán)重，年平均濃度為188.9 μg·m-3，屬于中度污染級別，而PM2.5濃度為59.8 μg·m-3，屬于輕度污染級別；第四片區(qū)是南疆盆地南緣，包括喀什、和田地區(qū)，此片區(qū)細(xì)顆粒物PM2.5平均濃度為輕度污染級別（107 μg·m-3），但PM10則為嚴(yán)重污染（321 μg·m-3）。全疆空氣質(zhì)量最好、最差的兩個城市分別是新疆最北端的阿勒泰和最南端的和田。顆粒物由北向南逐漸加重的這種空間分布模態(tài)與郭宇宏、謝運興等人的研究大體一致［29,35］。

圖6 2015—2020年新疆PM2.5(a)和PM10(b)年平均濃度空間分布Fig.6 Annual average distribution of PM2.5(a)and PM10(b)concentrations in Xinjiang

2.2.2 大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)與代表性城市顆粒物濃度的關(guān)系 在新疆“四大片區(qū)”中分別挑選一個代表站，研究其顆粒物濃度與大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的關(guān)系，進(jìn)一步明確其在新疆不同地區(qū)的適用性，由大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)與PM2.5、PM10的逐日時間序列圖可知（圖7）?！暗谝黄瑓^(qū)”阿勒泰的靜穩(wěn)指數(shù)與PM2.5對應(yīng)較好，有一致的峰值與谷值，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.24（表3），超過了0.01 的置信度檢驗；自凈能力指數(shù)的谷值也基本與PM2.5的峰值對應(yīng)，兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.23，也超過了0.01 的置信度檢驗。兩個指數(shù)均與PM10對應(yīng)不好，相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗。

表3 代表城市日大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)與PM2.5、PM10濃度的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between ASI and ASITS with PM2.5and PM10 in representative cities

“第二片區(qū)”代表站烏魯木齊的大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)與PM2.5和PM10的相關(guān)系數(shù)都通過了0.01 的置信度檢驗，靜穩(wěn)指數(shù)與PM10的相關(guān)系數(shù)為0.25，與PM2.5的相關(guān)系數(shù)為0.37；自凈能力指數(shù)與PM10的相關(guān)系數(shù)為-0.27，與PM2.5的相關(guān)系數(shù)為-0.4。通過對比PM2.5與兩個指數(shù)的相關(guān)性更好，自凈能力指數(shù)與污染物濃度的相關(guān)性更好。同樣，伊寧站、克拉瑪依站與烏魯木齊站的情況類似，大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)在天山北坡均有較好的適用性。

從“第三片區(qū)”的代表站阿克蘇來看，PM10的峰值均出現(xiàn)在4 月前后，而靜穩(wěn)指數(shù)的峰值多在冬半年，兩者的峰值只有部分重合，大氣自凈能力指數(shù)亦是如此，其夏半年之初的峰值與PM10有部分重合，因此，兩個指數(shù)與PM10的相關(guān)系數(shù)均未通過顯著性檢驗。PM2.5的情況略好，其與靜穩(wěn)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.17，通過了0.01的顯著性檢驗，但與自凈能力指數(shù)的相關(guān)不顯著。

污染最重的“第四片區(qū)”代表站和田站的PM10在2—10 月均出現(xiàn)過極大值，重污染天數(shù)分布不均勻且時間跨度長。靜穩(wěn)指數(shù)分布也不規(guī)律，季節(jié)變化不顯著，其與PM2.5和PM10的相關(guān)系數(shù)均未通過顯著性檢驗。大氣自凈能力指數(shù)與PM10濃度的變化趨勢一致，且峰值對應(yīng)也較好，兩者的相關(guān)系數(shù)0.13，通過了顯著性檢驗。值得注意的是，和田站的大氣自凈能力指數(shù)與污染物濃度呈正相關(guān)，而烏魯木齊及阿勒泰站的大氣自凈能力指數(shù)與污染物濃度呈反相關(guān)，這是由于北疆污染多由污染源排放引起，大氣自凈能力指數(shù)高時，空氣擴(kuò)散能力好，利于污染物的擴(kuò)散稀釋，而和田污染多為沙塵引起的顆粒物污染，大氣自凈能力指數(shù)高時，更利于沙塵揚起，造成揚沙或沙塵暴。

上述分析結(jié)果表明，在不同時間、不同地區(qū)兩個指數(shù)與空氣污染的關(guān)系并不一致，總體來看，兩個指數(shù)對天山北坡PM2.5和PM10均有較好指示意義，且與阿勒泰的PM2.5有顯著相關(guān)性。對于南疆，阿克蘇的靜穩(wěn)指數(shù)與PM2.5有較好的相關(guān)性，和田的自凈能力指數(shù)與PM10相關(guān)顯著。

2.2.3 大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)對烏魯木齊污染天氣的指示意義 由上文分析可知，兩個指數(shù)對首府烏魯木齊均有較好的指示意義，針對烏魯木齊，繪制三級（一級：優(yōu)；二級：良；三級：輕度污染；四級：中度污染；五級：重度污染；六級：嚴(yán)重污染）及以上污染級別下兩個指數(shù)的箱線圖（圖8）。

圖8 不同污染等級下大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的分布Fig.8 Distribution of ASI and ASITS at different pollution levels

當(dāng)污染級別越高，大氣自凈能力指數(shù)的離散程度越小。當(dāng)污染物濃度（PM10和PM2.5）為三級和四級時，大氣自凈能力指數(shù)離散度較大，最小不到1 t·(d·km2)-1，最大達(dá)43 t·(d·km2)-1；當(dāng)污染物濃度上升到五級時，大氣自凈能力指數(shù)離散度顯著下降，范圍縮小至0～20 t·(d·km2)-1；污染物濃度為六級時，大氣自凈能力指數(shù)范圍也較小，為0～23 t·(d·km2)-1。這是因為當(dāng)觀測到污染物濃度較低時，可能是有大量污染物排放，配合較好的擴(kuò)散條件導(dǎo)致，也可能是有少量污染物排放，配合不好的擴(kuò)散條件所致；而當(dāng)觀測到較高污染物濃度時，一定是配合著較差的大氣擴(kuò)散條件。說明當(dāng)污染物排放濃度高時，若大氣自凈能力也差，約在0～20 t·(d·km2)-1，則易發(fā)生重污染天氣。

同樣，當(dāng)污染物濃度為三級和四級（輕度到中度污染）時，可能是污染物排放量大，但大氣靜穩(wěn)條件差、擴(kuò)散能力強(qiáng)，也可能是污染物排放量小，但大氣靜穩(wěn)、擴(kuò)散能力差導(dǎo)致，所以，靜穩(wěn)指數(shù)分布范圍很大，參考意義不大。在五級及以上污染時（重度到嚴(yán)重污染），靜穩(wěn)指數(shù)范圍跨度仍較大，為0～54，也不具參考意義，此時，其平均值為6.7，中位數(shù)為7.9，可以提供一定參考。

3 結(jié)論

通過對新疆大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)的分布特征及其適用性分析，得出以下結(jié)論：

（1）新疆的大氣自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)呈反位相分布，即大氣自凈能力指數(shù)大時靜穩(wěn)指數(shù)小，兩者在全疆都有較高相關(guān)性。大氣自凈能力指數(shù)在夏季最大，冬季最小；靜穩(wěn)指數(shù)在冬季最大，夏季最小。

（2）大氣自凈能力指數(shù)在冬季表現(xiàn)出明顯的地域特征，南疆普遍大于北疆，即南疆的大氣擴(kuò)散條件較北疆好。靜穩(wěn)指數(shù)在春、秋和冬季表現(xiàn)出明顯的地域特征，南疆普遍小于北疆，即北疆的大氣環(huán)流較南疆更為靜穩(wěn)。

（3）根據(jù)PM2.5和PM10的濃度分布，將新疆分為4個片區(qū)，并分別挑選1個代表站分析自凈能力指數(shù)和靜穩(wěn)指數(shù)與顆粒物濃度的相關(guān)關(guān)系，兩個指數(shù)在天山北坡均有較好的適用性，且與阿勒泰的PM2.5有顯著相關(guān)性。對于南疆，阿克蘇的靜穩(wěn)指數(shù)和PM2.5有較好的相關(guān)性，和田的自凈能力指數(shù)與PM10相關(guān)顯著。

（4）對于烏魯木齊，當(dāng)污染物排放嚴(yán)重時，若大氣自凈能力指數(shù)在0～20 t·(d·km2)-1，則易出現(xiàn)重污染天氣；當(dāng)污染物排放嚴(yán)重時，靜穩(wěn)指數(shù)范圍不具參考意義，其平均值為6.7，中位數(shù)為7.9，可以提供一定參考。