包頭市空氣質量狀況與氣象因子的關系

黃曉慧，曲學斌，王紹云，董志鵬，曲淑艷，劉 麗

(1.滿洲里市氣象局，內蒙古 滿洲里 021400；2.呼倫貝爾市氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021008；3.包頭市氣象局，內蒙古 包頭 014000)

1 引言

空氣污染是一個復雜的天氣現象，在特定時間和地點空氣污染物濃度受到許多因素影響。其中包括車輛、船舶、飛機的尾氣、工業(企業)生產排放、居民生活和取暖、垃圾焚燒等等。城市的發展密度、地形地貌和氣候條件等也是影響空氣質量的重要因素。空氣質量狀況的優劣，直接關系到人體健康和經濟社會可持續發展。本文利用包頭市2014～2018年PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3六項空氣污染物濃度數據和同期氣象資料，對包頭市空氣質量時空分布特征和影響空氣質量分布的氣象因子進行分析，以期為地方政府和環保部門制定相應的治理方案提供科學依據。

2 資料來源與方法

2.1 數據來源

本文中所用PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3數據來源于包頭市環境監測站，氣象數據來源于包頭市氣象局自動氣象觀測站，主要包括氣壓、氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水量、風速和日照時數等。時間為2014～2018年。

2.2 分析方法

為了改善城市空氣質量，防止生態破壞，創造清潔的大氣環境，保護人類和動植物的健康，中國環境部于2012年發布《環境空氣質量標準》(GB3095 -2012)和《環境空氣質量指數(AOI)技術規定(試行) 》(HJ633-2012)以下簡稱《規定》。空氣質量指數(AQI)是定量描述空氣質量狀況的無量綱數，空氣質量分指數(IAQI)為單項污染物的空氣質量指數。根據《規定》將AQI劃分為6個等級，對應空氣質量的6個級別(表1)。AQI數值越大表明空氣污染情況嚴重，對人類和動植物的健康影響越大。

表1 AQI對應的空氣質量

(1)空氣質量指數的計算方法。

AQI = max{IAQI1，IAQI2，IAQI3，…，IAQIn}

(1)

式(1)中：IAQI為空氣質量分指數;n為污染物項。

(2)空氣質量分指數的計算方法

(2)

式(2)中：IAQIP為污染物項目P的空氣質量分指數; CP為污染物項目P的質量濃度值; BPHi表示與 CP相近的污染物濃度限值的高位值； BPLo表示與 CP相近的污染物濃度限值的低位值； BPHi與BPLo的具體值詳見《規定》，下同； IAQIHi表示與 BPHi對應的空氣質量分指數； IAQILo表示與 BPLo對應的空氣質量分指數。

(3)季節劃分方法。參照氣象學季節劃分方法，把包頭市四季劃分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月)。

3 結果分析

3.1 AQI的動態變化

3.1.1 AQI的年變化

按照《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)標準，利用包頭市2014～2018年AQI逐日數據，進行分級統計，得到近5a不同等級天數的分布情況(圖1)。由圖可見，近5a包頭市出現頻率最高的空氣質量等級為二級良，占比61.3%；其次為3級輕度污染，占比22.7%；再其次為優良，占比8.2%；中度污染、重度污染、嚴重污染出現的頻率分別為4.3%、1.6%和0.4%。其中2018年全年各月平均AQI均在優良，其他年份出現不同程度的空氣污染等級。且5a之中AQI級別三至六級多集中在每年的冬季，春季3月和秋季11月(圖2)。由于每年的10月至次年的5月為冬季取暖期，因此該時段的AQI受到很大程度的影響。總體分析看近5a AQI從2014年的200 d增加到2018年的277 d，且總達標率為70.6%，期間2018年全年均為優良等級。

3.1.2 AQI的日變化

為了細致了解近5a來包頭市AQI的狀況，基于新實施的AQI的新計算方法，詳細分析包頭市AQI的逐日動態變化。分析結果顯示，包頭市AQI總體狀況較好，波動范圍主要集中在51～150之間(圖 3)。近5a內平均AQI達一級優的天數為149 d，占總日數的8.3%；二級良的天數為1118 d，占總日數的62.3%、三級輕度污染的天數為415，占總日數的23.1%；四級中度污染的天數為78，占總日數的4.3%、五級重度污染的天數為29 d，占總日數的1.6%、六級嚴重污染的天數為7d，占總日數的0.4%(注5年內共缺測30 d，不影響對其的研究)。

圖1 2014～2018年 AQI年際變化

圖2 2014～2018年 AQI月變化

圖3 2014～2018年空氣質量AQI逐日變化

3.1.3 AQI的月變化

近5a之中一級優良指數最高出現在9月份，10月份次之；二級良指數最高出現在8月份，9月份次之；三級輕度污染指數最高出現在7月份，1月份次之；四級中度污染指數最高出現在11～12月份和3月份，2月份次之；五級重度污染指數最高出現在12月份，1月份次之；五級嚴重污染指數最高出現在5月(圖2)。因此，近5aAQI最好的月份為9月，優良等級的日數28 d，占優等級日數的18.8%。

由2014～2008年包頭市AQI和IAQI月變化圖可知(圖4)，AQI呈雙峰型，峰值分別出現在5月和12月，其峰值為101.6和104.0；9月最低，其值為66.5，8月次之，其值為77.5。

3.1.4 AQI的季節變化

包頭市AQI冬季(12月份至次年2月份)最高，春季(3～5月份)次之，這主要與冬季供暖期(10月份至次年的5月份)有關。特別是嚴寒的冬季，氣溫達到最低，供暖處于高峰期，取暖燃煤排放出大量的污染物，直接導致冬季空氣質量最差。夏季(6～8月份)第三，秋季(9～11月份)最低(表2)。

圖4 2014～2018年AQI和IAQI月變化

表2 2014～2018年空氣質量AQI季節變化對比

3.2 IAQI的動態變化

3.2.1 IAQI的年際變化

就年平均狀況而言，在六種污染物中，IAQIPM10居于首位，也是AQI三至六等級污染出現最多的污染物，污染天數為242 d，占總天數的13.5%；其次是IAQIO3污染天數為119 d，占總天數的6.6%；第三是IAQIPM2.5污染天數為23 d，占總天數的1.3%；第四是IAQISO2污染天數為36 d，占總天數的2.0%；IAQICO、IAQINO2均在良好范圍內。

3.2.2 IAQI的月變化

利用逐日監測數據中PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3污染物平均濃度值，分別計算出空氣質量分指數IAQI，得到了包頭市對應每一種污染物的環境空氣質量分指數(圖4)，分析可見，首要污染物AQIPM2.5、IAQIPM10、IAQINO3濃度與AQI的變化趨勢基本保持一致，均呈現較明顯的兩邊高，中間低，且低值區內有不同的波谷出現；O3呈現與AQI反向，呈單峰型，峰值出現在7月份，1月份、12月份為最低點；CO、SO2采暖期偏大，非采暖期偏小。

3.2.3 IAQI的季節變化

近5a在6種不同污染物IAQI中，首要污染物PM10，IAQI值為77.8，依次為 PM2.5、NO2、O3、CO和SO2，其IAQI值分別為 62.5、52.3、49.6、33.8和33.0 (表3)。在6種污染物排放氣體中，除O3外，其余5種空氣質量分指數均以冬季最大，春秋季次之，夏季最小。

表3 2014～2018年不同污染物 空氣質量分指數IAQI季節變化對比

3.2.4 不同IAQI污染物之間的相關性

本文在上述定性分析的基礎上，由表4可知，不同污染物之間有顯著關系。之中PM2.5與主要污染物氣體PM10、SO2、CO以及NO2的相關系數較高，說明包頭市的主要污染物主要以顆粒污染為主。同時PM2.5存在于PM10中，但是在不同氣候條件下，p(PM2.5)/p(PM10)是不同的，它可能受氣候條件，以及氣溫、氣壓、濕度、風速等氣象因子的影響。表3中還體現出PM10與污染物氣體SO2、CO和NO2的相關系數較高；SO2與污染物氣體CO和NO2的相關系數較高；CO與污染物氣體NO2的相關系數較高。

表4 2014～2018年不同污染物之間的相關系數

3.3 AQI與氣象因子的關系

一個城市空氣質量的好壞與季節及天氣條件的關系十分密切。包頭市作為北方大城市，空氣質量的特點具有明顯的季節性，在冬季，由于供暖期燃煤增加了大量的污染源，因此，冬季容易出現大氣污染。在污染物排放相對穩定的情況下，氣象條件對AQI起著主要作用。文中選取包頭市2014～2018年逐日AQI數據與對應的氣壓、氣溫、相對濕度、降水、風速、日照6種氣象因子進行相關分析，探討AQI與氣象因子之間的關系，得出AQI指數與各月氣象因子相關系數(表5)。

表5 2014～2018年AQI與各氣象因子變化相關系數

3.4 主要污染物IAQI與氣象因子的關系

3.4.1 首要污染物IAQI與氣象因子的季節關系

本文利用統計方法對2014～2018年近5a的數據分析, 反映出包頭市主要污染物與氣象因子要素之間的相關，在同一季節氣象因子對污染物影響也不同。從表6中可知不同季節首要污染物與氣象因子的相關性。冬季PM2.5除降水，其余氣象因子呈有極顯著關系。與氣溫、相對濕度、降水為正相關，與氣壓、風速、日照為負相關；PM10在春秋季與氣壓、氣溫和風速呈極顯著關系。與氣溫、降水、風速、日照為正相關，與氣壓、相對濕度為負相關；夏季O3除相對濕度外與氣壓、氣溫、風速、日照呈極顯著關系，與降水呈顯著關系。與氣溫、相對濕度、風速、日照為正相關，與氣壓、降水為負相關。因此，不同的污染物在受到氣象因子的影響程度也不一樣。

表6 2014～2018年不同季節首要污染物與氣象因子的相關性

3.4.2 主要污染物的IAQI與氣象因子之間關系

3.4.2.1 IAQIPM2.5的氣象因子分析

與IAQIPM2.5相關性較高的氣象要素及排序為:相對濕度 、氣壓 、氣溫、風速、日照、降水(表5)。圖5是從這上述 6 種氣象要素選取對PM2.5影響大的濕度、氣壓、氣溫、風速氣象要素進行分析，從這4 種氣象要素隨PM2.5等級的變化趨勢看，各氣象要素是隨著IAQIPM2.5等級的增加呈減小趨勢。因此，氣壓偏高、風減小、氣溫升高、相對濕度增大的天氣條件下，大氣擴散條件減弱，易造成IAQIPM2.5的累積以致污染加重。因此當平均相對濕度>62%、平均氣壓<900.7hPa、平均氣溫≥-1.49 ℃、平均風速在≤2.6 m/s,極易發生PM2.5中度及以上污染。

圖5 氣象影響因子隨 IAQI(PM2.5)等級的變化趨勢

3.4.2.2 IAQIPM10與氣象因子分析

與 IAQIPM10相關性較高的氣象要素及排序為:氣溫、氣壓、風速、相對濕度、日照、降水(表5)。圖6是從這上述 6 種氣象要素選取對IAQIPM10影響大的氣溫、氣壓、風速、濕度影響大的因子進行分析。從這4 種氣象要素隨IAQIPM10等級的變化趨勢可見，隨著IAQIPM10濃度增大，各氣象要素均相對集中。因此當平均氣溫≥3.6℃、平均氣壓>860.0 hPa、平均風速在≤2.9 m/s、平均相對濕度>52%時，極易發生PM10中度及以上污染。

圖6 氣象影響因子隨 IAQI(PM10)等級的變化趨勢

3.4.2.3 IAQIO3與氣象因子對應關系

與 IAQIO3相關性較高的氣象要素及排序為:氣溫、日照、氣壓、風速、降水、相對濕度(表5)。圖7是從這上述 6 種氣象要素選取對IAQIO3影響大的氣溫、日照、氣壓、風速4種影響大的氣象要素進行分析。從這4 種氣象要素隨IAQIO3等級的變化趨勢可見，隨著IAQIO3濃度增大，各氣象要素均相對集中。因此當平均氣溫≥24.4 ℃、日照≤9.5 h、平均氣壓<901 hPa、平均風速在≤3.3 m/s、平均相對濕度>52%時，極易發生O3到中度及以上污染。

圖7 氣象影響因子隨IAQIO3等級的變化趨勢

4 結論

(1)研究表明近5a包頭市首要污染物為PM10，PM2.5。次之為O3。且空氣質量AQI波動范圍值主要集中在 51～150 之間，總達標率為70.6%。空氣質量達標日數逐年增高，從2014年的200 d增加到2018年的277 d，優良等級的天數為1267 d，占比71.1%。嚴重污染為7 d，占比0.4%。期間2018年全年均為優、良等級。首要污染物為PM10，PM2.5，次之為O3。

(2)包頭市AQI變化具有明顯的季節特征明顯，冬及污染指數最高，春季次之，秋季最低。在六種污染物排放氣體中，除O3外，其余5種空氣質量分指數均以冬季最大，春秋季次之，夏季最小。6種污染物對空氣污染的程度為PM10> PM2.5>NO2>O3>CO >SO2。其中PM10和PM2.5高于其他4種，可見包頭市大氣污染屬于可吸入顆粒物與顆粒物主導的類型。

(3)AQI的變化與氣象條件密切有關，通過Person相關分析表明，氣溫、氣壓、相對濕度、風速、降水及日照等是影響空氣質量的關鍵氣象因子。冬季PM2.5除降水，其余氣象因子呈有極顯著關系；PM10在春秋季與氣壓、氣溫和風速呈極顯著關系；夏季O3除相對濕度外與氣壓、氣溫、風速、日照呈極顯著關系。總體來說，各污染物在不同季節受氣象因子影響程度不同，差異明顯，不能簡單的概括為某一種氣象因子對污染物的作用是一定的。