吐魯番市顆粒物濃度變化特征及其與氣象要素的關(guān)系

葛洪燕

（吐魯番地區(qū)氣象局，新疆 吐魯番838100）

近年來，由于灰霾天氣的大范圍出現(xiàn)，使得大氣顆粒物引起的人體健康問題與能見度惡化事件日益增多，使越來越多的學(xué)者開始關(guān)注和研究顆粒物。PM2.5吸附化學(xué)污染物后，通過氧化、炎癥刺激以及對(duì)遺傳物質(zhì)的作用增大了對(duì)人體健康的危害[1]，其碳組分主要以元素碳（EC）和有機(jī)碳（OC）的形式存在，OC對(duì)光有散射作用，EC有較強(qiáng)的吸光吸熱能力，二者聯(lián)合作用，對(duì)大氣能見度、氣候等方面有很大影響[2]。PM2.5的消光性比粗顆粒更強(qiáng)，降低大氣能見度的能力也更強(qiáng)[3，4]，能見度下降形成嚴(yán)重的霧霾或灰霾天氣給交通安全等帶來較大的隱患[5]。PM10能夠進(jìn)入人體的呼吸系統(tǒng)，引起心臟和血液、免疫等系統(tǒng)的病變[6]。空氣中PM10濃度的增加與很多疾病的發(fā)病率、住院率和死亡率有正相關(guān)關(guān)系。例如，心肺疾病、心血管疾病等，造成了嚴(yán)重的人體健康經(jīng)濟(jì)損失[7-10]。目前，學(xué)者對(duì)大氣中的PM10、PM2.5的研究主要集中在其變化特征、PM10與PM2.5中水溶性無機(jī)離子的化學(xué)特征、PM10與氣象因子的關(guān)系、大氣污染趨勢(shì)及防治措施等方面[11-18]，其研究區(qū)主要集中在中、東部的濕潤、半濕潤區(qū)，對(duì)西部干旱區(qū)顆粒物濃度變化特征及其與氣象要素的關(guān)系方面的研究相對(duì)欠缺。

吐魯番市位于新疆維吾爾自治區(qū)的中東部，在41毅12憶耀43毅40憶N，87毅16憶耀91毅55憶E之間，東臨哈密，西、南與巴音郭楞蒙古自治州的和靜縣、和碩縣毗連，北隔天山與烏魯木齊市及昌吉回族自治州相接，是“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶的重要樞紐。其氣候類型屬獨(dú)特的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，四周高山環(huán)抱，增熱迅速、散熱慢，形成了日照長、氣溫高、晝夜溫差大、降水少、風(fēng)力強(qiáng)五大特點(diǎn)，素有“火州”、“風(fēng)庫”之稱。吐魯番主要以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)，大力發(fā)展旅游業(yè)，是全國著名的旅游景區(qū)，但由于特殊的自然地理環(huán)境，農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展受自然條件的影響顯著，尤其是沙塵、大風(fēng)等。因此，為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)等健康、持續(xù)地發(fā)展，開展吐魯番市大氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)以及其與氣象要素的關(guān)系研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文利用吐魯番地區(qū)2015年3月—2016年2月環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM10、PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其濃度的變化特征以及與氣象要素的關(guān)系進(jìn)行了分析，以期為政府或環(huán)境治理部門制定相關(guān)環(huán)保政策提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取和處理

環(huán)境監(jiān)測(cè)資料主要來自吐魯番市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，全市共有2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)的主要污染物為二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、PM2.5和PM10。本文選用2015年3月1日—2016年2月29日1年的吐魯番市2個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM10和PM2.5的小時(shí)數(shù)據(jù)，共計(jì)PM2.5小時(shí)數(shù)據(jù)8712個(gè)，PM10小時(shí)數(shù)據(jù)8712個(gè)。氣象資料選用同期的吐魯番國家氣候基準(zhǔn)站氣象要素：溫度、相對(duì)濕度、能見度、風(fēng)速。

數(shù)據(jù)的處理和分析采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。日均值為一個(gè)自然日24 h平均濃度的算術(shù)平均。文中討論的PM10和PM2.5的季節(jié)、月和日濃度均由觀測(cè)的小時(shí)濃度計(jì)算獲得。

1.2 PM10與PM2.5污染水平評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

吐魯番市屬于環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二類區(qū)，執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633—2012）中對(duì)空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值的規(guī)定，其PM10和PM2.5的污染標(biāo)準(zhǔn)見表1。本文PM10、PM2.5的污染程度參照了這一標(biāo)準(zhǔn)。

表1 PM2.5、PM10質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒物濃度的季節(jié)特征

吐魯番市PM10和PM2.5濃度的季節(jié)變化特征見圖1。四季中冬季PM10和PM2.5的濃度最高，分別是184、106 ug/m3，夏季時(shí)二者的濃度均低于其他季節(jié)，春季PM10和PM2.5的平均濃度均要高于秋季，其中，春季PM10和PM2.5的平均濃度分別是163、63 ug/m3，秋季二者的平均濃度分別為113、54 ug/m3。

冬季（12月—次年2月），天氣形勢(shì)穩(wěn)定，氣候干燥，與其它各季節(jié)相比溫度最低，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，出現(xiàn)逆溫的頻率較高且強(qiáng)度較強(qiáng)[19-21]，使得大氣污染物的擴(kuò)散能力弱，加之吐魯番市冬季大都采用燃煤的方式進(jìn)行取暖，工業(yè)、民用等的燃料燃燒極易產(chǎn)生粒徑較小的顆粒物，且聚集在近地層不易擴(kuò)散，造成大氣中的顆粒物、CO、SO2等污染物大量堆積，空氣質(zhì)量變差。當(dāng)有冷空氣經(jīng)過時(shí)，卻因地面植被稀少，地面裸露，大風(fēng)易攜帶風(fēng)沙，使得PM10濃度在冬季維持在高值區(qū)。

春季（3—5月），由于冷暖氣團(tuán)交換，冷暖空氣交替活動(dòng)頻繁，是一年中大風(fēng)出現(xiàn)最多的季節(jié)，氣象條件本應(yīng)有利于顆粒物的擴(kuò)散，但吐魯番市下墊面干燥，植被覆蓋度極小，遇到大風(fēng)極易將地面的灰塵等揚(yáng)起，使得春季可吸入顆粒物的平均濃度僅次于冬季。

夏季（6—8月），吐魯番市因地處山間盆地，四周被高山環(huán)繞，增溫迅速、散熱慢，加之降水稀少，使得大氣對(duì)流旺盛，有利于大氣污染物的快速擴(kuò)散，因此，造成吐魯番市夏季PM10和PM2.5的平均濃度相比其它各季節(jié)最低。

秋季（9—11月），大氣層結(jié)較穩(wěn)定，大氣溫度逐漸降低，天氣以晴朗少云為主，大風(fēng)天較少，使得秋季PM10和PM2.5的平均濃度小于春季。

圖1 PM10和PM2.5的季節(jié)變化特征

2.2 顆粒物濃度的年變化特征

表2給出了吐魯番市顆粒物逐月狀況的統(tǒng)計(jì)值。可見對(duì)于細(xì)顆粒物PM2.5來說，3—10月，每個(gè)月中PM2.5的污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)基本上在27 d左右，其濃度保持在28耀75 ug/m3之間。11月—次年2月，每個(gè)月中PM2.5的污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)相比3—10月有了明顯的下降，而PM2.5的污染程度為輕度、中度和重度污染的天數(shù)卻顯著增加。

6—10月每個(gè)月PM10的污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)總體上在27 d左右，其濃度范圍在86耀119 ug/m3。3—5月、11月—次年2月，每個(gè)月中PM10的污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)與6—10月相比有了明顯的減少，而其污染程度為輕度、中度、重度、嚴(yán)重污染的天數(shù)有所增加（表3）。

這是因?yàn)?1月—次年2月，PM10和PM2.5的濃度除了受交通流量和人為活動(dòng)的影響外，更重要的是受此時(shí)段為采暖期以及大氣層結(jié)穩(wěn)定，容易發(fā)生逆溫現(xiàn)象，加之地表植被稀少等因素的共同作用，使得空氣中的PM10和PM2.5濃度不容易擴(kuò)散，造成大氣污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)減少，而污染程度較重的天數(shù)增加。而6—10月是非采暖期，加之吐魯番市的地形為盆地，增溫迅速，對(duì)流強(qiáng)盛，導(dǎo)致空氣中的顆粒物易擴(kuò)散，其污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)也較多。3—5月雖然吐魯番市已停止供暖，且溫度上升較快，但由于大風(fēng)、地表植被稀少等因素的影響，對(duì)粒徑較粗的PM10濃度的影響要大于PM2.5。PM2.5月平均濃度的最大值出現(xiàn)在4月（430 ug/m3），最小值出現(xiàn)在7月（8 ug/m3）（表2），PM10日均濃度的最大值和最小值同樣出現(xiàn)在4、7月，其濃度分別為1196、25 ug/m3（表3）。

表2 PM2.5各級(jí)污染程度的天數(shù)及濃度水平/（ug/m3）

表3 PM10各級(jí)污染程度的天數(shù)及濃度水平/（ug/m3）

總之，吐魯番市PM2.5和PM10的月均濃度在不同的月份表現(xiàn)出較大的差異。PM2.5和PM10月平均濃度的最高值均出現(xiàn)在4月，最低值均出現(xiàn)在7月，其中，PM2.5濃度的最高值是最低值的2.7倍，PM10濃度的最高值是最低值的2.4倍。這與相關(guān)學(xué)者對(duì)吐魯番市顆粒物濃度變化特征的研究結(jié)果是一致的[22]。

2.3 顆粒物濃度的日變化特征

圖2為PM2.5和PM10濃度的日變化曲線特征。PM10與PM2.5濃度日變化特征曲線呈現(xiàn)雙峰雙谷型，其變化規(guī)律基本上與市民上、下班高峰期一致。上午10時(shí)左右，PM2.5和PM10濃度均達(dá)到了峰值，各為31.5、85.5 ug/m3（圖2）。這個(gè)變化規(guī)律明顯是受交通早高峰機(jī)動(dòng)車尾氣密集排放、人為活動(dòng)以及早晨溫度低、濕度大，不利于大氣中顆粒物的擴(kuò)散等引起的。早高峰時(shí)段，車流量和人流量均較大，受此二者的影響PM2.5和PM10濃度均在迅速增加，但由于吐魯番市處在極度干旱區(qū)，地表植被少，汽車和人為活動(dòng)帶來的揚(yáng)塵對(duì)PM10濃度的影響大于PM2.5。19時(shí)后，受交通晚高峰和人為活動(dòng)等的影響，PM2.5和PM10的濃度均在逐漸升高，其中21—23時(shí)二者的濃度升高迅速，且在23時(shí)左右達(dá)到了第二個(gè)峰值，此時(shí)，PM2.5和PM10的濃度分別為38、97 ug/m3（圖2）。22時(shí)后由于機(jī)動(dòng)車數(shù)量和人為活動(dòng)的減少，PM10和PM2.5的濃度本應(yīng)很低，但吐魯番市由于受地形影響，易形成逆溫，大氣垂直運(yùn)動(dòng)能力弱，不利于顆粒物的擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒物濃度在23時(shí)左右出現(xiàn)了峰值。PM10和PM2.5濃度的兩個(gè)谷值分別出現(xiàn)在07時(shí)和17時(shí)左右，其中，07時(shí)左右，PM2.5和PM10的濃度分別為13、32.5 ug/m3，17時(shí)左右，二者的濃度值分別是7、18 ug/m3。這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的機(jī)動(dòng)車流量和人為活動(dòng)均較少，因此，其顆粒物濃度較低。

圖2 PM10和PM2.5的日變化特征

2.4 PM10與PM2.5的關(guān)系

將PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)作為自變量x，PM2.5為因變量y，在二維坐標(biāo)系上繪制出散點(diǎn)圖（圖3）。由圖3可知，直線擬合方程為y=0.315 1 x+20.204，R2=0.608 5。PM10和PM2.5的高度線性相關(guān)，表明可利用線性模型結(jié)合PM10的數(shù)值計(jì)算得出PM2.5的模擬值。

圖3 PM10與PM2.5的相關(guān)性曲線

PM10包括了PM2.5和PM2.5-10，其中PM2.5主要來源于氣—粒轉(zhuǎn)換和各種化學(xué)過程，而一些較粗的粒子更多地來源于沙塵和建筑活動(dòng)等。所以PM2.5與PM10的比值大小對(duì)于了解其來源有很大的指導(dǎo)意義。圖4為吐魯番每月PM2.5占PM10的比值變化圖，可見吐魯番市PM2.5與PM10的比值在0.3耀0.8之間，平均值為0.5。徐敬等[23]根據(jù)加拿大和美國幾個(gè)大型城市關(guān)于顆粒物的報(bào)道：大氣污染較輕的城市PM2.5與PM10的比值一般為0.3耀0.5，空氣污染較重的城市其比值可達(dá)到0.5耀0.7之間。因此，吐魯番市可歸為PM2.5污染較輕的城市，但是不同的月份PM2.5與PM10的比值有較大的差異。2015年11月—次年1月，PM2.5與PM10的比值達(dá)到0.6耀0.8，其它月份二者的比值在0.4左右，這說明，11月—次年1月吐魯番市人為排放造成的細(xì)粒子污染比較嚴(yán)重，其它月份污染較輕，且主要以PM10為主。

圖4 PM2.5與PM10的比值

圖5 PM2.5與能見度的關(guān)系

圖6 PM10與能見度的關(guān)系

2.5 PM10和PM2.5與氣象要素的關(guān)系

2.5.1 PM10和PM2.5與能見度的關(guān)系

圖5、6分別是吐魯番市PM2.5、PM10濃度與能見度的擬合曲線及關(guān)系式。通過分析可知，吐魯番市PM2.5、PM10濃度與能見度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.904、-0.792，顆粒物與能見度呈現(xiàn)出極其顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5、圖6）。這說明，PM10和PM2.5的濃度越低，能見度越高，顆粒物的污染程度越輕，反之，當(dāng)顆粒物的濃度越高時(shí)，能見度越低，顆粒物的污染程度越重。

2.5.2 PM10和PM2.5與其它氣象要素的關(guān)系

PM2.5、PM10濃度與其他單一的氣象要素的相關(guān)性不明顯，例如，溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等，但是不同的季節(jié)或天氣情況下，這些氣象要素變化的組合[24]所形成的天氣背景，對(duì)PM10和PM2.5濃度的影響顯著。例如，吐魯番市夏季大氣溫度極高，空氣的相對(duì)濕度低，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致PM10和PM2.5濃度低。

3 結(jié)論

（1）PM10和PM2.5濃度的季節(jié)變化特征表現(xiàn)為冬季躍春季躍秋季躍夏季，且冬季二者濃度的平均值比夏季分別高89、73 ug/m3。11月—次年2月，每個(gè)月中PM10和PM2.5的污染程度為優(yōu)或良的天數(shù)減少，而污染程度為輕度以上的天數(shù)明顯增加。PM2.5和PM10月平均濃度的最高值均出現(xiàn)在4月（75、208 ug/m3），最低值均出現(xiàn)在7月（28、88 ug/m3）。PM10和PM2.5的日變化曲線特征呈現(xiàn)“雙峰雙谷”型，峰值出現(xiàn)在10時(shí)和23時(shí)左右，而谷值分別出現(xiàn)在07時(shí)和17時(shí)左右，其變化規(guī)律基本上與市民上、下班高峰期一致。

（2）PM10與PM2.5的相關(guān)性呈極其顯著的正相關(guān)。吐魯番市PM2.5與PM10的比值在0.3耀0.8之間，平均值為0.5，吐魯番市可歸為PM2.5污染較輕的城市，但是不同的季節(jié)PM2.5與PM10的比值有較大的差異，冬季達(dá)到了60%耀80%，這說明冬季PM2.5在PM10中所占比例很高，PM2.5的污染較重。其他季節(jié)其比值在40%左右，主要以PM10污染為主。

（3）PM10和PM2.5與能見度之間存在極其顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)性系數(shù)分別為-0.792、-0.904；PM10與PM2.5與其他單個(gè)氣象要素的相關(guān)性不顯著。

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