喀什市大氣顆粒物污染特征與影響因素分析

張凱歡 謝海燕* 李新琪

（1. 新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830000；2. 新疆維吾爾自治區環境監測總站，新疆烏魯木齊 830000）

1 引言

霧霾、沙塵等天氣的出現，給人們的正常生活生產帶來了一定的影響［1］，特別是京津冀等發達地區及西北沙漠緣區［2-3］。顆粒物的大量增加不但會使大氣能見度降低，影響交通安全，還會對人體健康產生嚴重威脅，主要表現為心腦血管疾病、呼吸系統疾病及心理健康問題等［4-5］。目前，針對大氣顆粒物（PM2.5，PM10）污染的研究主要集中在對中部及沿海等人口密集地區顆粒物的化學成分、污染趨勢等方面［6-8］，且對于西北干旱區和半干旱區的研究也多集中在大范圍內沙塵氣溶膠的傳輸上，而對城區內大氣顆粒物的污染及其影響的研究則相對較少［9-10］。因此，從關注大氣污染治理、沙塵天氣預防等角度，開展喀什市大氣顆粒物污染特征研究顯得尤為必要。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文采用的PM2.5和PM10質量濃度的實時數據來自中國環境監測總站的全國城市空氣質量實時發布平臺（http：//106.37.208.233：20035/）公布的2015—2019 年喀什市3 個監測站點24 h 逐時數據，地面氣象數據（溫度、濕度、風速、氣壓、能見度）來自中國氣象數據共享網。

2.2 數據處理

本次研究利用Origin 軟件對大氣顆粒物質量濃度數據變化規律進行作圖分析，利用SPSS 軟件對大氣顆粒物及影響因素的相關性和回歸性進行分析處理。

3 結果與分析

3.1 大氣顆粒物變化特征分析

3.1.1 顆粒物年均變化特征

喀什市PM2.5，PM10年均質量濃度變化趨勢如圖1 所示。監測數據表明，2015—2019 年5 年內喀什市3 個監測站點PM2.5，PM10年均質量濃度均高于GB 3095—2012《環境空氣質量標準》二級標準（PM2.5：35 μg/m3；PM10：70 μg/m3）［11］，PM2.5，PM10為大氣首要污染物。5 年內PM10年均質量濃度變化較大，整體呈“M”狀，出現了2 次峰值，分別在2016 年和2018年，濃度對應為291 μg/m3和327 μg/m3，高于國家二級標準限值4.2 倍和4.7 倍。這主要是受到沙塵天氣的影響，位于我國西北地區的喀什植被稀少，氣候干燥少雨，地表疏松，沙塵天氣極易發生，沙塵天氣發生時大氣顆粒物濃度顯著升高［12］。

圖1 2015—2019 年喀什市PM10 和PM2.5 年均濃度達標情況

圖2 為2015—2019 年喀什市大氣顆粒物污染情況統計。

圖2 2015—2019 年喀什市大氣污染情況統計

近幾年PM10的超標率變化趨勢與PM10年均污染值變化相同，均在50%以上且在2016 年及2018年處于較高值。據統計，2016 年和2018 年喀什市污染天數的占比均大于其余年份，分別達到78.63%和76.71%。尤其是吾辦監測站點在2016 年PM10年均質量濃度超過300 μg/m3，這主要是因為受到地理位置的影響，受到大氣污染時人口較多的市區內顆粒物受到建筑物及植物的阻擋容易滯留不易擴散，導致大氣顆粒物污染程度大于其余兩個監測站點?？κ彩薪? 年PM2.5年均質量濃度變化整體呈下降趨勢，2016 年PM2.5年均質量濃度為129 μg/m3，是5 年內的峰值，高出國家二級標準限值4.2 倍。自2016年PM2.5年均質量濃度整體呈下降趨勢，在2019 年下降到85.0 μg/m3，相較2016 年峰值下降了34.1%。其中，吾辦近5 年PM10質量濃度有所下降。

3.1.2 顆粒物月均變化特征

圖3 為2015—2019 年喀什市3 個監測站點PM10和PM2.5的月均質量濃度變化趨勢。

圖3 喀什市PM10 和PM2.5 質量濃度月變化

喀什地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，城市空氣質量的變化極易受到沙塵的影響，因此顆粒物濃度的變化存在著明顯的季節特征。由圖3 可知，喀什3 個監測站點大氣顆粒物的月變化特征大致相同，呈“U”型，PM10和PM2.5的質量濃度均在3 月達到了全年的峰值487 μg/m3和176 μg/m3，自3 月起顆粒物質量濃度逐漸下降，在6 月達到最低值，直到9 月顆粒物質量濃度一直持續在一個較低的水平。9 月之后顆粒物質量濃度開始回升，在次年的2 月達到又一峰值。這主要是因為春季（3—5 月）空氣質量受到自然源的影響，喀什主要受到沙塵天氣的影響，顆粒物質量濃度會大幅度升高；到了夏季（6—8 月）能源消耗較少，人為污染排放較少，空氣質量受到自然氣候的影響，大氣條件活躍，對大氣中的顆粒物具有一定的稀釋作用；到了秋冬季節（9—11 月、12 月—次年2 月）空氣質量主要受到人為源的影響，喀什處于采暖季，燃煤量增加且多處于靜風逆溫天氣，使得顆粒物質量濃度回升到較高的水平。

3.1.3 顆粒物季節變化特征

圖4 為喀什市3 個監測站點不同季節顆粒物超標率情況。

圖4 喀什市3 個監測站點不同季節顆粒物超標率

由圖4 可知，喀什市在春季和冬季顆粒物污染最為嚴重，夏季為全年空氣質量較好的時段。從空間上來看，相較于巡警大隊和市環境監測站站點，位于喀什市中心的吾辦污染最為嚴重，這主要是因為市區人口多且聚集，逆溫，顆粒物不易擴散。

3.1.4 顆粒物日均變化特征

2015—2019 年喀什市3 個監測站點PM2.5和PM10日均濃度變化曲線見圖5。

圖5 2015—2019 年喀什市3 個監測站總PM2.5，PM10 日均濃度達標情況

2015—2019 年喀什市3 個監測站點顆粒物濃度超標情況統計見表1。

表1 2015—2019 年喀什市3 個監測站點顆粒物日均濃度超標情況統計分析

總體來看，PM2.5超標率為吾辦＞巡警大隊＞市環境監測站；PM10超標率為吾辦＞市環境監測站＞巡警大隊。污染最為嚴重的是吾辦監測站點，市環境監測站與巡警大隊的污染水平大致相同。從空間層面上來看，針對PM10的污染特征，吾辦監測站點位于喀什市區，人口眾多，人類活動復雜，機動車源較多，受到人為源的影響較大，且受到周圍建筑的影響，氣流活動較少，極易造成大多數顆粒物的聚集沉淀，污染最為嚴重。市環境監測站位于喀什南部，靠近塔克拉瑪干沙漠，受到沙塵天氣的影響，表現出以PM10污染為主，而居于喀什北部的巡警大隊監測站點受到的影響相對較小。針對PM2.5的污染特征，位于喀什北部的巡警大隊位于工業區，主要受到化工廠污染氣體排放的影響，表現出以PM2.5污染為主。

3.1.5 典型時期顆粒物變化特征

基于前面對顆粒物季節分布規律的研究，發現春季因受到沙塵天氣的影響污染極為嚴重，圖6 選取了近幾年來市區站點發生典型沙塵天氣時顆粒物的變化規律。沙塵起止時間判定方法參考《受沙塵天氣過程影響城市空氣質量評價補充規定》［13］。以PM10濃度和PM2.5/PM10比值來判斷該地區是否受到沙塵污染影響，將PM10日均濃度＞150 μg/m3，且PM2.5/PM10比值≤0.30 認定為春季有沙塵日［14-15］。統計發現，沙塵天氣發生的時段多為中午或傍晚，主要是因為受到當地氣候的影響，隨著氣溫的下降，產生空氣對流，容易帶起地面沙塵顆粒物。且沙塵天氣發生時，顆粒物質量濃度陡增，PM2.5/PM10值下降。由此可見，沙塵天氣是PM10的主要貢獻源。如2015 年4 月29 日喀什市發生的沙塵天氣，持續時間長，顆粒物濃度上升快，在短時間內PM10濃度由1 027 μg/m3升到了10 000 μg/m3，上升了約9.7 倍。沙塵天氣于29 日08：00 發生，12：00 濃度達到頂峰后，在29 日19：00 開始緩慢下降，直至5 月1 日05：00 沙塵天氣結束，顆粒物質量濃度回歸到之前水平。發生沙塵天氣時PM2.5/PM10的比值在0.075 1～0.297 6 之間浮動，相較于沙塵天氣發生時PM10的污染，PM2.5污染受到沙塵天氣的影響較小。

圖6 喀什市典型沙塵天氣顆粒物質量濃度

3.2 大氣顆粒物質量濃度之間線性回歸分析

大氣顆粒物的污染程度受到研究區域地理位置、氣象條件、人類活動等諸多因素的影響，但通過研究不同粒徑顆粒物的污染特征對研究顆粒物的來源具有一定的指導意義。PM2.5/PM10比值經常被用來作為判定大氣顆粒物中PM2.5對PM10貢獻程度的重要指標［16］。圖7 為喀什市每月內PM2.5/PM10比值變化。由圖7 可見，喀什市PM2.5/PM10比值在不同的月份差異較大，且在0.26～0.57 之間變化，平均值為0.37。徐敬等通過對國外幾個大型城市關于顆粒物的報道總結發現，對于大氣污染較輕的城市PM2.5/PM10的比值一般為0.3～0.5，空氣污染較重的城市其比值可達到0.5～0.7 之間［17］。因此，喀什市屬于污染較重的城市，尤其在4 月和12 月比值處于兩個極端。4 月是喀什的春季，地表土質疏松，氣流運動強烈，受到沙塵天氣的影響主要以PM10污染為主；12月是喀什的冬季，屬于采暖季，受到集中采暖的影響，主要以PM2.5污染為主；在6—9 月比值處于0.3左右，污染較輕。

圖7 喀什市PM2.5/PM10 比值逐月變化

表2 以PM2.5濃度為自變量x，PM10濃度為因變量y，做出顆粒物不同季節的擬合曲線，進一步探究顆粒物之間的相關性。由各曲線的精確度R2可以發現，春季擬合度最好的是冪函數（R2＝0.885），夏季擬合度最好的是線性函數（R2＝0.930），秋季擬合度最好的是冪函數（R2＝0.818），冬季擬合度最好的是二次函數（R2＝0.685）。從全年來看，顆粒物擬合度最好的是二次函數（R2＝0.813）?？傊軌蜉^好地擬合出顆粒物之間關系的函數依次是：二次函數＞線性函數＞冪函數＞指數函數＞對數函數。從季節的角度來看，夏季顆粒物的擬合度最高，主要是受到極端天氣及人為源影響較少。

表2 PM2.5 和PM10 質量濃度之間線性回歸分析

3.3 PM2.5 和PM10 質量濃度與氣象因素的相關性分 析

由以上對不同時段喀什大氣顆粒物分布特征的分析，可以發現天氣過程對大氣顆粒物質量濃度的變化有很強的關聯性。因此利用近幾年顆粒物與氣象因子數據，通過PERASON 相關系數分析顆粒物與氣象因素的相關性，見表3。

表3 各季節PM2.5 和PM10 質量濃度與氣象因素相關性

從表3 中可以看出，PM2.5與氣象因子之間有較強的相關性，最容易受到氣象因素的影響。從全年來看，PM2.5與氣溫、風速、能見度呈負相關，與濕度、氣壓呈正相關。PM10與最低溫度及濕度無明顯的關聯，與最高溫度、風速、能見度呈負相關，與氣壓呈正相關。

氣溫的變化很大程度上影響著大氣顆粒物的擴散能力，在春秋季節氣溫較低會導致逆溫層加厚不利于顆粒物的擴散［18］，而在夏季氣溫較高時光照較強，容易發生劇烈的光化學反應而產生大量的二次污染物，導致大氣中的顆粒物濃度增加。由于喀什進入冬季后會進行采暖，導致大氣中的顆粒物增多。

喀什氣候干燥，常年少雨，不同季節濕度也有一定的差異。春秋季濕度大，濕度越大PM2.5污染越嚴重。夏季氣流活動頻繁易產生陰雨天，從而對PM10起到一定的沖刷作用，但受到降雨量的限制，降雨對大氣顆粒物的清潔作用并不十分明顯。冬季處在采暖季且又常降雪，因此大氣中濕度的大小由霧霾程度及降雪量共同決定，表現出對PM10有一定的清潔作用而對PM2.5無明顯作用。

從全年來看，風速與顆粒物濃度呈負相關（－0.199，－0.092），風速達到一定值時會帶動大氣顆粒物的運動，風速較大時對大氣顆粒物起到一定的稀釋作用，顆粒物濃度降低。冬季風速的大小對顆粒物的質量濃度影響并不明顯，這主要是因為冬季處于采暖季，大氣顆粒物污染較為嚴重，且風速較小，對大氣顆粒物的稀釋作用較小。

當一個區域長期保持著低氣壓時會使大氣產生上升運動，利于顆粒物的擴散。若長期保持較高的氣壓時大氣運動較少，大氣環境保持穩定，顆粒物容易聚集。從整體來看，該研究區的PM2.5，PM10與氣壓（0.177，0.086）呈顯著正相關。從季節層面來講，春秋季氣溫較低，氣流向下運動，氣壓升高，顆粒物聚集不散，而夏季與冬季大氣顆粒物濃度易受到光照、溫度、人為源等多因素影響，與氣壓的相關系數無意義。

研究發現，大氣中高質量濃度的顆粒物和污染氣體通過散射與吸收消光作用而使能見度降低［19］。顆粒物粒徑越小，對能見度的影響越大［20］。與前人研究相似，該研究區域顆粒物與能見度均呈現出較強的負相關。圖8 為顆粒物濃度與能見度的散點圖，可以發現，當顆粒物質量濃度逐漸增大時能見度會隨之降低。做出顆粒物與能見度的擬合曲線發現，能見度與PM2.5的擬合曲線最為吻合。

圖8 PM10 與PM2.5 質量濃度與能見度散點圖

4 結論

（1）喀什市2015—2019 年3 個監測站點PM2.5和PM10年均質量濃度均高于國家二級標準限值，PM2.5質量濃度呈現出逐漸下降的趨勢。時間尺度上，PM2.5質量濃度在12 月至次年5 月的值較高，PM10的高濃度期出現在2—5 月；季節上表現為春季和冬季顆粒物污染最為嚴重，夏季最輕，主要受沙塵及供暖的影響較大。空間尺度上，位于城區的吾辦監測站點污染最為嚴重，市環境監測站站點以PM10污染為主，巡警大隊監測站點以PM2.5污染為主。

（2）喀什市沙塵天氣多發生在春季，發生沙塵天氣時大氣顆粒物質量濃度出現陡增、PM2.5/PM10比值下降。沙塵天氣是喀什市PM10的主要來源。

（3）不同季節PM2.5與PM10質量濃度之間的擬合度不盡相同，春季擬合度最好的是冪函數，夏季擬合度最好的是線性函數，秋季擬合度最好的是冪函數，冬季擬合度最好的是二次函數，最能擬合出顆粒物之間關系的依次是：二次函數＞線性函數＞冪函數＞指數函數＞對數函數。

（4）不同季節PM2.5和PM10之間的相關性存在一定的差異，在夏季（0.964）相關性最高。全年來看，PM2.5與氣象因子之間相關性最強，與濕度、氣壓呈正相關，與氣溫、風速、能見度呈負相關，在季節模式下，該相關性強度存在一定的差異，冬季受到較多人為因素的影響，PM2.5與氣象因子之間存在較弱的相關性。