張家口市空氣質量變化特征及其與氣象要素的關系分析

李 越，李幸璐

張家口市氣象局，河北張家口 075000

21世紀以來，隨著全球經濟的突飛猛進，人類對能源的需求量與消耗量與日俱增，不僅嚴重破壞了人類賴以生存的生態環境，還導致土壤污染、水污染與大氣污染等愈演愈烈。作為人類生存的必需品之一，空氣的質量與大眾生活及身體健康等密切相關。影響空氣質量的因素很多，主要包括大氣污染物排放、氣象條件與下墊面狀況等[1]。

近年來，隨著大氣污染現象的日趨嚴重，諸多大氣科學研究者針對大氣污染開展了大量的研究工作，均顯示空氣質量狀況與氣象條件之間的關系密切。其中，周兆媛等[2]運用空氣污染指數(Air Pollution Index，API)與關鍵氣象因子，重點分析了京津冀地區API與各氣象因子之間的關系，后應用氣候模式結果研究了未來氣象因子變化對空氣質量的影響；郭黎等[3]采用數理統計法分析了2015—2018年黃岡市空氣質量特征及其與氣象要素之間的關系。

張家口市(113°50′～116°30′E，39°30′～42°10′N)地處河北省西北部，區域內空氣質量相對較好，然而張家口市冬季漫長而寒冷，且采暖期較長，對空氣質量的影響較為顯著。作為冀西北地區的中心城市，張家口市經濟與城市的快速發展為冀西北地區經濟發展起到了極大程度的推動作用，然而由此引發的空氣質量問題也日益嚴峻。特別是進入采暖期之后，張家口市空氣質量問題更是凸顯。

空氣污染不僅會導致高速公路、機場等封閉，部分公交線路停運，全市中小學全面停課，還會導致呼吸疾病患病率劇增，對大眾日常生產生活與生命健康安全的影響及危害不容忽視[4]。因此，全面掌握張家口市空氣質量變化特征，了解空氣質量與氣象要素之間的關系等非常重要。

選用張家口市2014—2019年逐日空氣質量指數(AQI)數據，重點分析了該地區空氣質量指數的年、季與月變化特征，并與主要氣象要素相結合，探析了空氣質量指數與氣象要素之間的關系，旨在全面掌握張家口市空氣質量狀況，保護人們賴以生存的生態環境，保障人們生命安全[5]。

1 資料來源

2012年國家環保部門重新規定了空氣質量描述指標，結合《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》，選用空氣質量指數(AQI)這一指標用于判定空氣質量。按照規定將AQI劃分為以下幾個等級(表1)。由表1可知，AQI的數值越大則代表空氣污染越嚴重，對人們日常生產生活及身體健康的危害也更為嚴重[6]。

表1 AQI等級劃分

空氣質量資料來源于張家口市環保中心，時間為2014年1月—2019年12月，主要大氣污染物包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO與O3六種。氣象資料主要源于張家口市氣象局，時間為2014年1月至2019年12月，主要包括日平均氣溫、日最高(低)氣溫、相對濕度、24 h降水量、風向風速等氣象要素。

2 張家口市空氣質量變化特征分析

2.1 空氣質量總體特征分析

2.1.1 AQI的年際變化特征計算2014—2019年張家口市逐日AQI數據可見，這一時間段內張家口市年平均AQI分別 為72.77、75.33、77.23、77.77、64.64、70.08(圖1)。由此可見，近6年來張家口市整體空氣質量水平均為良。同時，張家口市年平均AQI隨著年份的增加而呈現出減少趨勢，其空氣質量呈逐年好轉趨勢

圖1 2014—2019年張家口市年平均AQI的變化趨勢

為深入研究張家口市空氣質量變化特征，參照表1針對張家口市空氣質量進行分級，得出圖2。結合圖2可見，2014—2019年張家口市空氣質量以優良等級為主。

圖2 2014—2019年張家口市逐年空氣質量等級日數分布

空氣質量為優的天數累計出現557 d，占比25.76%。隨著年份的遞增，張家口市空氣質量為優的天數呈減少趨勢，其峰值與谷值分別出現在2014年與2016年，分別為117、74 d；空氣質量為良的天數累計出現1 226 d，占比56.71%。隨著年份的遞增，張家口市空氣質量為良的天數呈減少趨勢，其峰值與谷值分別出現在2015年與2014年，分別為215、195 d；輕度污染的天數累計出現317 d，占比14.66%。隨著年份的遞增，張家口市輕度污染天數呈增加趨勢，其峰值與谷值分別出現在2016年與2014年，分別為69、35 d。

相較而言，2014—2019年張家口市中度、重度與嚴重污染日數較少，累計出現62 d，尤其是重度與嚴重污染更少，累計出現14 d。

2.1.2 AQI季節變化特征2014—2019年張家口市夏季空氣質量最差，春季次之，而秋季空氣質量最好，且各季節空氣質量均為良。分析各季節空氣質量的變化趨勢可見，春季與冬季平均AQI隨著年份的增加呈減少趨勢，空氣質量呈好轉趨勢；而夏季與秋季平均AQI則有所增加，空氣質量逐漸變差(表2)。

表2 2014—2019年張家口市各季節AQI統計

2.1.3 AQI的月變化特征張家口市逐月平均AQI呈兩頭低中間高的分布特征。各月份平均AQI均低于100，表明張家口市空氣質量大多數時間均位于優良水平，整體空氣質量相對較好。5月、6月與7月為一年當中月平均AQI最高的月份，其他時間段相對平穩，即張家口市春季與夏季空氣污染較為嚴重，而秋冬季節傾向良好。以7月份平均AQI最高，達91.2；6月份次之為91.0；12月份平均AQI最低為58.5(圖3)。

圖3 2014—2019年張家口市月平均AQI的變化趨勢圖

2.2 污染物變化特征分析

2.2.1 空氣污染物的年際變化據統計，2014—2019年張家口市空氣污染物主要包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3等，其平均質量濃度依次為30.14、70.83、24.90、24.58、99.50，以O3的質量濃度最高，NO2最低。分析各種空氣污染物的年際變化趨勢可見，隨著年份的遞增，除O3的質量濃度呈上升趨勢外，其他污染物均呈不同程度的下降趨勢。以SO2的變化趨勢最顯著，PM10次之。相對而言，NO2的變化趨勢較為平緩(圖4)。

圖4 2014—2019年張家口市各種空氣污染物的年際變化趨勢圖

2.2.2 空氣污染物的季節性變化特征統計各個季節張家口市各種空氣污染物的質量濃度可知，PM2.5與S02濃度為冬季最高，夏季最低；O3的濃度為夏季最高，而冬季最低；PM10質量濃度為春季最高，而夏季最低；NO2的質量濃度為秋冬季較高，而夏季最低(圖5)。究其原因，SO2、NO2等主要源于燃燒排放，秋冬季節取暖增多導致此類污染物濃度較高。O3主要來源于自然臭氧與汽車尾氣，且極易受到高溫天氣的影響，因此夏季濃度較高[7]。

圖5 2014—2019年張家口市空氣污染物季節變化特征

3 空氣質量與氣象要素的關系

3.1 空氣質量與溫度的關系

一般情況下，近地層空氣溫度與空氣質量密切相關。空氣溫度＜0 ℃時，出現污染天氣的頻次最高。冬季與春季光照較少且持續時間較短，且大氣溫度較低，大氣流活躍性較弱，污染物無法有效擴散，極易引發空氣污染現象[8]。春初或秋末冬初，日平均氣溫為10～15 ℃時，極易出現中度甚至重度污染天氣；春末夏初，日平均氣溫為20～30 ℃時，其污染頻率最高，但均表現為輕度與中度污染；空氣溫度＞30 ℃時，此時正值夏季，風速較低，不利于污染物擴散，污染現象也較為嚴峻，空氣質量不容樂觀。

3.2 空氣質量與降水的關系

降水與空氣質量優良率息息相關，強降水對空氣污染物具有一定的沉降作用。一般情況下，降水天氣條件下空氣質量優良率均超出90%。同時，隨著降水強度的增強，空氣質量優良率也有所上升。這主要是由于降水能夠對空氣起到一定的洗刷效果，降低大氣污染物濃度，減少污染天氣的出現頻次，進而提高空氣質量[9]。

3.3 空氣質量與相對濕度的關系

當空氣當中相對濕度較低時，大風極易吹起地表粉塵與建筑粉塵，它們極易結合大氣當中的水汽形成煙霧，此類煙霧很難擴散且不易沉降，導致空氣質量顯著下降。當空氣濕度較大時往往伴隨著雨雪天氣現象，可以有效沖刷大氣污染物，進而提高空氣質量。

3.4 空氣質量與風速的關系

通常情況下，風速越大，空氣流動性越強，大氣具備良好的擴散條件，為大氣污染物的擴散與稀釋創造了良好條件，對改善空氣質量的作用顯著。

4 結論

分析2014—2019年張家口市空氣質量變化特征及其與氣象要素的關系，得出以下結論。

(1)2014—2019年張家口市整體空氣質量水平均為良。年平均AQI隨著年份的增加而呈現出減少趨勢，其空氣質量呈逐年好轉趨勢。張家口市空氣質量以優、良及輕度污染為主，其中空氣質量為優、良的天數均呈不同程度的減少趨勢，輕度污染天數則呈一定的增加趨勢，出現中度、重度與嚴重污染日數較少。相對而言，夏季空氣質量最差，秋季空氣質量最好。7月份空氣質量最差。

(2)張家口市空氣污染物主要包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3等，除O3的質量濃度呈上升趨勢外，其他污染物均呈不同程度的下降趨勢。PM2.5與SO2濃度為冬季最高，夏季最低；O3的濃度為夏季最高，而冬季最低；PM10質量濃度為春季最高，而夏季最低；NO2的質量濃度為秋冬季較高，而夏季最低。

(3)張家口市空氣質量變化與溫度、降水、相對濕度與風速等氣象要素均密切相關，且與以上氣象要素均呈負相關關系。