固原市空氣質量特征及其與氣象條件的關系

楊文海，韓世昌 ，馬興明

1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；

2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002；

3.固原市氣象局，寧夏 固原 756000；

4.涇源縣氣象局，寧夏 涇源 756400

隨著工業化、城鎮化戰略的深入實施，城市建設改造和交通運輸產生的粉塵污染逐步加大，快速增加的機動車產生的尾氣污染等日益突出，大氣污染問題越來越受到人們的重視。隨著社會各界對大氣污染問題的深刻認識，一些學者針對空氣質量、空氣污染的氣象條件等開展了相關研究，如郭立平[1]等分析了河北廊坊市連續重污染天氣的氣象條件，趙敬國[2]等對蘭州市大氣重污染氣象成因進行了分析，周賀玲[3]、祁棟林[4]、胡琳[5]，邱粲[6]等分別研究了廊坊市、西寧市、西安市、濟南市空氣質量的特征及其與氣象條件的關系，黃亞林[7]等分析了武漢市PM2.5的時空分布特征及其與氣象條件的關系，趙晨曦[8]等分析了北京地區冬春PM2. 5和PM10污染水平時空分布及其與氣象條件的關系，張建忠[9]，李文杰[10]等分別分析了北京地區、京津石三市空氣質量指數時空分布特征及其與氣象條件的關系，周兆媛[11]等對京津冀地區氣象要素對空氣質量的影響及未來變化趨勢進行了分析，冀翠華[12]等對2001-2012年北京市空氣污染指數節氣分布及其與氣象要素的關系進行了詳細的研究。近年來隨著寧夏能源資源消耗持續增加，細顆粒物、氮氧化物和揮發性有機物排放量顯著增長，冬季霧霾現象開始顯現，防治大氣污染形勢比較嚴峻，寧夏一些學者也做了相關研究[13-17]，然而目前關于寧夏固原市空氣污染的相關研究還不夠，遠不能滿足空氣污染預報預警業務開展和為政府、公眾提供信息服務的需求。因此，深入研究固原市空氣質量特征及其與氣象條件的關系，為今后開展相關氣象服務提供科學依據。

一、資料與方法

空氣污染資料為2015年1月至2017年12月固原市環境監測站的逐日及逐小時PM2.5、PM10、O3等主要污染物的空氣質量監測數據，來自固原市環境監測站、固原市新區、固原市馬園3個監測站點，地面風向風速、相對濕度、氣壓等氣象要素資料為固原市國家基準氣候觀測站觀測數據。

根據中華人民共和國國家環境保護標準HJ633-2012及中華人民共和國國家標準GB3095-2012的規定，環境空氣質量指數（AQI）共分為6個級別，0～50為一級（優），51～100為二級（良），101～150為三級（輕度污染），151～200為四級（中度污染），201～300為五級（重度污染），301以上為六級（嚴重污染）。

二、固原市空氣質量概況

（一）固原市區空氣質量狀況

在選取的2015-2017年固原市1 096個有效樣本中，固原市空氣質量以二級良為主，共827d，占樣本總數的75.5%；一級優日數為149d，占樣本總數的13.6%；三級輕度污染日數為64d，占樣本總數的5.8%；四級及以上日數為56d，占樣本總數的5.1% 。表1為2015-2017年固原市空氣污染指數級別日數和比例，表1顯示，固原市空氣質量以二級良為主，空氣質量為優的天數呈現減少趨勢，重度污染及以上天數在2016年有明顯增長，但在2017年中度污染及以上天數明顯減少。可見，城市化進程的不斷加快對固原市空氣質量的影響日益嚴重，但隨著社會對生態環境問題關注程度的不斷提高以及2017年開始的“藍天保衛戰”行動的展開，固原市大力開展的大氣環境綜合整治工作收到了良好的效果，空氣質量較2016年有明顯改善。

（二）首要污染物分析

1.首要污染物年度變化分析。固原市區除了13.6%的優級天數外，2015-2017年其余天數在環境空氣質量監測報告中均報告有首要污染物。表2列出了2015-2017年固原市空氣質量首要污染物的情況，研究時段內，影響固原市空氣質量最多的污染物是PM10，出現天數為643d，占非優級總天數的67.9%；O3為首要污染物的天數為180d，占非優級總天數的19%；PM2.5為首要污染物的天數為112d，占非優級總天數的11.8%；NO2為首要污染物的天數最少，僅占非優級總天數的1%。當天同時出現兩種首要污染物的天數為3d，均出現在2017年，且當天空氣質量均為良。

表1 2015－2017年固原市空氣污染指數級別日數和比例

表2 2015－2017年固原市空氣質量首要污染物情況

從首要污染物年際變化情況來看，2015年O3作為首要污染物的天數占同年非優級總天數的5%，2016年O3作為首要污染物的天數占同年非優級總天數的25.3%，2017年O3作為首要污染物的天數占同年非優級總天數的30.6%。因此隨著O3污染呈加重態勢，對空氣質量的影響不斷增加，對固原市空氣質量污染防治工作提出了新的挑戰。

2.首要污染物的月變化特征。統計分析2015-2017年首要污染物出現天數的月變化（圖1），如圖所示，顆粒物（PM10和PM2.5）和O3成為首要污染物的天數呈現“此消彼長”的負相關趨勢。

春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10，PM10成為首要污染物的天數占比約在66%～93%；冬季12月至次年3月PM2.5成為首要污染物的天數占比約在18%～33%，NO2成為首要污染物的天數主要集中在12月，占比約10%。3月開始，受氣溫光照等條件影響，O3成為首要污染物的天數呈現上升趨勢，顆粒物的占比開始下降，6-7月份O3成為首要污染物的天數占比超過50%。9月開始O3對空氣質量的影響大幅度下降，PM10與PM2.5對空氣質量的影響又開始加強（見圖1）。

三、空氣污染與氣象要素相關性分析

城市空氣質量受很多因素影響，如氣象條件、污染源的種類、地形和政府政策等。研究表明，氣象條件對污染物的擴散、稀釋和積累有一定作用，在污染源一定的條件下，污染物的濃度主要取決于氣象條件。表3為2015-2017年固原市不同季節環境空氣質量指數AQI日平均值與同期氣象要素日值之間的相關關系。

圖1 2015-2017年首要污染物出現天數的月變化

表3 2015-2017年固原市不同季節日平均 AQI與氣象要素的相關關系

從表3可以看出，春季AQI指數與氣壓（平均、最低）、相對濕度（平均、最小）呈顯著負相關；與風速（最大、平均）呈顯著正相關。夏季AQI指數與氣壓（平均、最高、最低）和相對濕度（平均、最小）呈顯著負相關；與氣溫（平均、最高）、風速（最大、平均）呈顯著正相關。秋季AQI指數與氣溫（平均、最低）、相對濕度（平均、最小）呈顯著負相關；僅與最大風速呈顯著正相關。冬季與AQI指數呈正相關的氣象因子有氣溫（平均、最高、最低）和風速（最大、平均），僅與最低氣壓呈顯著負相關。

不同季節氣溫對空氣污染指數的影響作用不同，夏季AQI指數與氣溫（平均、最高）呈顯著正相關；秋季AQI指數與氣溫（平均、最低）呈顯著負相關；冬季AQI指數與氣溫（平均、最高、最低）呈顯著正相關。相對濕度是影響春季、夏季和秋季空氣污染的主要氣象因子之一，但不是冬季空氣污染的主要影響因子。

四、高污染指數過程天氣形勢分析

2015-2017年固原市發生AQI>300的嚴重污染天數為9d，其中首要污染物為PM2.5的天數為1d，首要污染物為PM10的天數為8d。研究表明，天氣系統的移動和變化會影響大氣擴散條件和污染物傳輸條件，從而改變空氣中的顆粒物的濃度[6]。利用Micaps常規氣象資料，分析9次嚴重污染天氣過程500hPa高空影響系統和地面氣壓形勢場，其配置主要有2種類型（表4）。表4中高壓脊前強西北氣流指嚴重污染過程發生期間固原市受500hPa高空高壓脊前強西北氣流（≥16m/s）影響；高氣壓場是指固原市位于高氣壓場偏前部，有冷鋒影響；短波槽是指受貝加爾湖東部大型高空槽底部擴散冷空氣影響形成的小型高壓槽；均壓場是指固原市處于對稱的2個高壓、2個低壓間的均壓場內，嚴重污染過程期間氣壓場分布比較均勻。

表1中可見，500hPa高空固原市受脊前強西北氣流影響，同時地面處于高氣壓場前部是嚴重污染天氣的主要配置類型，出現8次，在這種環流配置下，固原市風速較大，8次過程中有5次固原市出現沙塵天氣；500hPa高空固原市受短波槽后西北氣流影響，同時地面處于均壓場的配置只出現1次，在此次嚴重污染天氣發生前一天受短波槽影響，固原出現對流性降水，降水結束后，嚴重污染天氣發生期間固原市高空500hPa受短波槽后西北氣流影響，地面氣壓場為均壓場影響，地面風速小于3m/s，相對濕度在50%以上，低層大氣層結穩定，不利于PM2.5擴散，導致固原出現嚴重污染天氣。

五、結論

（一）固原市空氣質量以二級良為主，空氣質量為優的天數呈現減少趨勢

2017年中度污染及以上天數較2015年和2016年有明顯減少。說明固原市城市化進程不斷加快對空氣質量影響明顯，但隨著各項大氣環境綜合整治工作的開展，空氣質量狀況有了明顯改善。

（二） PM10是固原市最主要的污染物，作為首要污染物出現的天數最多。

2015-2017年O3作為首要污染物天數年際變化呈明顯增加趨勢，O3污染呈加重態勢，對空氣質量的影響不斷增加。

（三）首要污染物的月變化特征明顯

春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10。3月開始，受氣溫光照等條件影響，O3成為首要污染物的天數呈現上升趨勢，夏季固原市首要污染物主要是O3。冬季12月至次年3月PM2.5成為首要污染物的天數占比較大。NO2成為首要污染物的天數主要集中在12月。

（四）不同季節影響空氣質量的氣象因子并不完全相同

各地面氣象要素與AQI的關系，以風速最密切，其次是相對濕度；氣壓三要素中以最低氣壓與AQI最相關。不同季節氣溫對AQI的影響作用不同，夏季AQI指數與氣溫（平均、最高）呈顯著正相關；秋季AQI指數與氣溫（平均、最低）呈顯著負相關；冬季AQI指數與氣溫三要素呈顯著正相關。

表4 固原市嚴重污染天氣的高空、地面環流形勢配置

（五）固原市嚴重污染過程對應的典型不利天氣形勢

500hPa高空受脊前強西北氣流影響，同時地面處于高氣壓場前部，多伴有大風、沙塵天氣等災害性天氣現象。