昌吉市大氣污染物濃度變化特征及氣象影響因素分析

姜 峰，阿帕爾·肉孜，方 雯，葉爾克江·霍依哈孜

（新疆昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100）

大氣環境與人類健康密切相關，隨著現代工業生產能力的不斷提升，社會經濟高速發展，城鎮化進程不斷加快，能源與交通規模逐漸擴大，城市人口膨脹迅速，城市風速減小，夜間逆溫增強，污染物擴散范圍變小，致使城市空氣污染問題日益嚴重，城市空氣污染問題越來越受到人們的重視［1，2］。空氣污染狀況與氣象要素之間關系密切，大氣環境污染影響氣象要素，氣象要素同樣也影響大氣環境污染。在污染源排放污染物相對平衡的情況下城市污染氣象條件決定了大氣對污染物的輸送和擴散能力。在不同的氣象條件下，同一污染源排放造成的大氣污染濃度相差較大，大氣對污染物的擴散稀釋能力隨著氣象條件的不同而變化［3］。學者們對大氣污染變化及其與氣象要素之間的關系進行了深入的探討與研究［1-12］，均表明氣象要素變化直接影響著空氣質量的狀況。隨著昌吉市經濟的快速發展，能源與交通規模不斷擴大，工業化、機動化、城市化進程的不斷加快，昌吉市的空氣質量受到來自本地排放和區域輸送的雙重影響，致使空氣污染愈發嚴重，對生態環境、氣候和居民健康產生不利影響。鮮見昌吉市大氣污染物濃度和空氣質量指數的時間長序列與氣象要素相關性分析方面的研究，因此，本研究對昌吉市大氣污染物的濃度、空氣質量與氣象因素之間的關系進行分析，探討氣象因素對污染的影響，旨在為政府決策部門科學有效地防治大氣污染，保護生態環境提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

昌吉市位于天山北麓、亞歐大陸腹地、準噶爾盆地南緣，地處東經86°24′—87°37′，北緯43°06′—45°20′。東鄰烏魯木齊市，西毗呼圖壁縣，南與新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）巴音郭楞蒙古自治州和靜縣相接，北與新疆塔城地區和布克賽爾縣、阿勒泰地區福海縣接壤。南北長248 km，東西寬26～43 km，全市總面積為7 971.29 km2（含兵團），有8 鎮2 鄉6 街道，轄區內有1 個國家級高新技術產業開發區和1 個國家級農業科技園區。境內有新疆生產建設兵團農六師師部及所轄101 團、103 團、軍戶農場、共青團農場和中央、自治區、自治州駐市單位150 多個。昌吉市是昌吉回族自治州首府所在地，是自治區首府烏魯木齊市的衛星城。

昌吉市年平均氣溫為8.0 ℃，年平均降水量為202.2 mm，年平均蒸發量為1 756.8 mm，年日照時數為2 701.8 h，年平均相對濕度為61%，年平均風速為1.8 m/s，年最多風向為西南風（不含靜風），年平均氣壓為959.7 hPa。

1.2 資料來源

污染物監測數據來源于昌吉市環境監測站提供的2015—2021 年逐日二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧日最大8 h 平均質量濃度（O3-8 h）、顆粒物（PM2.5、PM10）濃度和空氣質量指數（Air quality index，AQI）等環境監測資料；同期氣象資料來源于昌吉市國家基本氣象站常規逐日觀測資料。

1.3 研究方法

采用Origin、SPSS、Excel 等軟件，運用統計學方法，采用一元線性回歸方程、相關系數（趨勢系數）和氣候傾向率［13-21］對污染物濃度和氣象要素進行傾向率和趨勢變化的分析。

2 結果與分析

2.1 污染物變化特征

通過對昌吉市2015—2021年逐日平均污染物濃度和空氣質量指數（AQI）變化特征分析發現，各污染物濃度和AQI 均呈明顯的年變化周期特征，也呈一定的季節性變化特征，每年冬季出現峰值，夏季出現谷值，空氣質量呈夏季最優，冬季最差特征（圖1）。從各季度變化特征來看，除O3-8 h 外其他各污染物濃度和AQI 的變化趨勢從高到低依次為冬季、秋季、春季、夏季，冬季的平均值是夏季的2～5 倍；從各月份來看，1 月最高，6 月最低（圖2a）。O3-8 h 濃度變化趨勢與其他污染物濃度和AQI 變化趨勢相反，呈冬季最低，夏季最高特征，變化趨勢從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季，夏季平均值是冬季的2 倍左右；從各月份來看，12 月最低，7 月最高（圖2a）。

圖1 2015—2021 年昌吉市空氣污染物濃度和氣象要素的逐日平均值變化趨勢

圖2 2015—2021 年昌吉市空氣污染物濃度和AQI平均值逐月和逐年變化

從7 年的逐年變化趨勢來看（圖2b），O3-8 h、AQI、PM2.5總體呈增加趨勢，其中，O3-8 h 的上升速度最快，以每年3.957 3 μg/m3的速率上升并通過顯著性檢驗（P＜0.05）；AQI 以每年1.576 9 的速率上升，PM2.5以每年0.203 8 μg/m3的速率上升，二者均未通過顯著性檢驗。NO2、CO、SO2、PM10呈逐年減少趨勢，每年減少速率分別為1.689 3、0.068 3、1.059 6、2.074 3 μg/m3，其中NO2的減少速率最顯著，通過了0.05 水平上的顯著性檢驗，其次為CO 和SO2，均通過0.1 水平上的顯著性檢驗，PM10的減少速率不顯著，未通過顯著性檢驗。

對2015—2021 年首要污染物出現的日數進行統計（圖3），發現昌吉市天氣主要以PM10、PM2.5、O3-8 h、NO2、CO、NO2和PM10、PM2.5和PM10、PM10和O3-8 h、NO2和O3-8 h 為首要污染物，各年以PM10、PM2.5、O3-8 h 為首要污染物的天數最多，其中，2018年各首要污染物出現總天數最多，為328 d，次值出現在2015 年，為325 d；2016 年各首要污染物出現總天數最少，為266 d，次值為304 d，在2019 年出現。從各首要污染物出現天數來看，2015 年、2018 年以PM10為首要污染物的天數最多，分別為204、102 d，2016 年、2017 年、2019 年各年各首要污染物中以PM2.5為首要污染物的天數最多，分別為116、147、117 d，2020 年、2021 年以O3-8 h 為首要污染物的天數最多，分別為124、139 d。出現空氣質量指數類別為優的時候首要污染物不報，空氣質量指數類別為優的天數2016 年最多，為100 d，次值出現在2019年，為61 d，最少為37 d，在2018 年出現。從各年首要污染物出現日數的逐年變化情況來看，PM10、NO2為首要污染物的天數以及空氣質量指數類別為優的天數整體呈減少趨勢，其中，NO2的減少速度最快，以6.571 4 d/年的速率減少，并通過顯著性檢驗（P＜0.05），PM10和空氣質量指數類別為優的天數分別以11.643 0、2.321 4 d/年的速率減少，均未通過顯著性檢驗。PM2.5、O3-8 h為首要污染物的天數整體呈增多趨勢，其中，O3-8 h 的增加速度最快，以20.000 0 d/年的速率增加，并通過0.01 水平上的顯著性檢驗，其他增加趨勢不顯著。

圖3 2015—2021 年昌吉市首要污染物出現的天數

2.2 污染物與氣象因子的相關性分析

通過分析昌吉市2015—2021 年逐日污染物濃度和AQI 與日平均氣溫、氣壓、風速、最大風速、最大風速風向度數、極大風速、極大風速風向度數、平均相對濕度、降水量、日照時數之間的關系（表1），得知污染物濃度和AQI 與同期的天氣及氣象要素之間存在一定的相關性，2015—2021 年逐日SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI 與同期逐日平均氣溫、風速、最大風速、極大風速、降水量及日照時數均呈顯著負相關，與同期的逐日平均相對濕度、氣壓均呈顯著正相關，說明隨著溫度、風速、降水量、日照時數的增加，相對濕度、氣壓的減少，SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI 逐漸降低。由圖2a 可知，SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI，1 月最高，1—7 月，隨溫度、日照時數、降水量、風速的上升和相對濕度、氣壓的下降而下降，在6—7 月達最低；8—12 月，隨著溫度、日照時數、降水量、風速的下降和相對濕度、氣壓的上升而逐漸升高，在12 月時達次高值。從各種污染物濃度與風向的相關性來看（表1），最大風速風向度數、極大風速風向度數與SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 呈正相關，與NO2呈顯著負相關、與CO 呈負相關。O3-8 h 濃度的逐日變化除降水量外，其他均與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI 逐日變化相反，1—6 月，O3-8 h 濃度隨氣溫上升而升高，7 月達最高，8—12 月氣溫稍下降后逐漸降低，12 月達最低值（圖2a）。由表1 可知，O3-8 h 濃度與平均氣溫、風速、最大風速、極大風速、日照時數呈顯著正相關，與氣壓、最大風速風向度數、極大風速風向度數、相對濕度、降水量呈負相關，其中，與氣壓、相對濕度、降水量呈顯著負相關。

表1 2015—2021 年逐日污染物濃度和AQI與同期氣象要素的Pearson 相關系數

3 小結與討論

3.1 小結

1）各污染物濃度和AQI 均呈明顯的年變化周期特征，也呈一定的季節性變化特征，除了O3-8 h，其他污染物濃度和AQI 每年在冬季出現峰值，夏季出現谷值，空氣質量呈夏季最優，冬季最差特征，變化趨勢從高到低依次為冬季、秋季、春季、夏季。O3-8 h濃度變化趨勢與其他污染物濃度、AQI 變化趨勢相反，變化趨勢從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季。逐年變化來看，O3-8 h、AQI 、PM2.5整體呈增加趨勢，NO2、CO、SO2、PM10濃度整體呈減少趨勢。

2）昌吉市主要出現以PM10、PM2.5、O3-8 h、NO2、CO、NO2和PM10、PM2.5和PM10、PM10和O3-8 h、NO2和O3-8 h 為首要污染物的天氣，各年以PM10、PM2.5、O3-8 h 為首要污染物的天數最多。從各首要污染物出現天數來看，2015 年、2018 年以PM10為首要污染物的天數最多，2016 年、2017 年、2019 年以PM2.5為首要污染物的天數最多，2020 年、2021 年以O3-8 h為首要污染物的天數最多。空氣質量指數類別為優的天數2016 年最多，最少值出現在2018 年。PM10、NO2為首要污染物的天數以及空氣質量指數類別為優的天數整體呈減少趨勢。PM2.5、O3-8 h、NO2和PM10為首要污染物的天數整體呈增多趨勢，其中，O3-8 h 的增加速度最快。

3）昌吉市SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI與同期逐日平均氣溫、風速、最大風速、極大風速、降水量及日照時數均呈顯著負相關，與同期的逐日相對濕度、氣壓呈顯著正相關。最大風速風向度數、極大風速風向度數與SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 呈正相關，與NO2、CO 濃度呈負相關。O3-8 h 濃度的逐日變化除降水量外，其他與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、AQI 的逐日變化相反，O3-8 h 濃度與平均氣溫、風速、最大風速、極大風速、日照時數呈顯著正相關，與氣壓、最大風速風向度數、極大風速風向度數、相對濕度、降水量呈負相關，其中，與氣壓、相對濕度、降水量呈顯著負相關。

3.2 討論

1）昌吉市空氣質量呈夏季最優，冬季最差的特點，有著明顯的季節性變化，在各類污染物中，除了O3-8 h，其他污染物濃度和AQI 冬季最高，夏季最低，主要原因可能是冬季風速較小，靜風出現頻率較高，而且氣溫較低，大氣層結穩定，容易產生逆溫現象，不利于污染物的擴散；也可能是冬季氣壓較高，受高壓控制時，近地面為低壓，氣流為下沉運動，不易形成降水，同時大氣層結較穩定，不利于污染物的擴散，導致污染物濃度偏高，反之夏季氣壓較低，受低壓控制時大氣呈上升運動，有利于污染物的擴散，同時易形成降水，降水對空氣中的顆粒物和其他污染物具有沖刷作用，從而降低了空氣的污染程度，使SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、AQI 偏低。O3-8 h 濃度冬季最低，夏季最高，這可能是因為太陽輻射是O3發生光化學反應的重要條件，而氣溫能夠較好地反映太陽輻射強度的變化，氣溫升高促進了光化學反應的進行，從而使O3-8 h 濃度隨氣溫的升高而增大。大氣中的水汽可以通過影響太陽輻射來影響O3發生光化學反應，在高相對濕度條件下，空氣中的水汽使太陽紫外輻射衰減，導致生成O3的光化學反應減弱，從而降低O3的濃度，導致O3-8 h 濃度隨相對濕度的增加而降低。空氣中的相對濕度與降水量有密切關系，降雨天氣較多則相對濕度增加、日照時數減少，這很可能是SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10濃度和AQI與氣溫、風速、降水量、日照時數呈負相關，與相對濕度、氣壓呈正相關，O3-8 h 濃度與降水量、相對濕度、氣壓呈負相關，與氣溫、風速、日照時數呈正相關的原因。

2）昌吉市各污染物中SO2、PM2.5、PM10濃度與風向度數呈正相關，表明隨著風向度數的增加，SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 增加，說明在昌吉市刮西北、西南風時的SO2、PM2.5、PM10濃度和AQI 比刮東北、東南風時的高。NO2、CO、O3-8 h 濃度與最大風向度數、極大風向度數呈負相關，表明隨著風向度數的增加，NO2、CO、O3-8 h 濃度降低，說明西北、西南風逐漸變成東北、東南風時NO2、CO、O3-8 h 濃度逐漸降低。風速和風向對污染物濃度有一定的影響，不同的風速決定污染物及前體物的輸送效率或清除效率，而不同的風向決定污染物及前體物傳輸的方向。昌吉市污染物濃度隨風向的變化有可能與工業園區污染物的遠距離輸送有關，也有可能受各季度盛行風的風向、風速和出現頻率的影響，將外地的污染物與前體物輸送至昌吉市，也可能是因為風向、風速影響區域內局部地區產生的污染物與前體物的輸送和擴散導致產生昌吉市各季度和各方位污染物濃度分布不均勻的格局。

由于昌吉市對污染物濃度的監測工作起步較晚，監測站點相對較少且對應站點所匹配的氣象觀測數據不夠全面，未來還有很多工作需要完善。本研究探討了部分氣象要素與氣象污染物濃度和AQI之間的關系，受資料和研究范圍所限，其他的相關問題如研究污染源、污染排放量、周邊環境、大氣環流和氣象條件等對昌吉市空氣污染的貢獻，建立大氣擴散模型，模擬環境空氣的污染情況或預測未來的環境空氣質量等，還有待進一步探討。