克拉瑪依中心城區空氣質量變化特征及其與氣象條件的關系

朱俊橙 馬曉慧 孜麗哈·金恩斯

摘要 利用克拉瑪依中心城區2017—2021年長征新村監測站逐時觀測和克拉瑪依國家基本觀測站的地面觀測和探空觀測資料，分析了克拉瑪依中心城區空氣質量等級、首要污染物及其與氣象條件的關系。結果表明：（1）2017—2021年環境空氣質量（AQI）優良率達90.4%，空氣污染類型主要是供暖期（10月至翌年4月）的PM2.5、PM10污染和夏季的O3污染為主，其貢獻率分別為77.91%、9.88%、11.63%。（2）克拉瑪依中心城區發生中度污染及以上PM2.5污染時，逆溫層厚度≥250 m、逆溫強度均≥1.2 ℃/100 m、逆溫層底高≤350 m。當準噶爾盆地中東部出現明顯的偏東風，克拉瑪依中心城區出現一層逆溫、近地面風速均較小、逆溫層厚度≤200 m時，可能會出現由PM10造成的重度污染及以上天氣。

關鍵詞 空氣質量；克拉瑪依；氣象條件；逆溫；閾值

中圖分類號：X513 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–0-03

Variation Characteristics of Air Quality in Central Urban Area of Karamay and Its Relationship with Meteorological Conditions

Zhu Jun-cheng et al（Karamay Meteor-

ological Bureau， Karamay， Xinjiang 834000）

Abstract Using the hourly observation data of the Long March New Village Monitoring Station in the central urban area of Karamay from 2017 to 2021 and the ground observation and radiosonde observation data of the Karamay National Basic Observation Station， analyzed the air quality level， primary pollutants and their relationship with meteorological conditions in the central urban area of Karamay. The results showed that from 2017 to 2021， the excellent rate of environmental air quality （AQI） reached 90.4%. The main types of air pollution were PM2.5 and PM10 pollution during the heating period （October to April of the following year）， and O3 pollution during summer， with contribution rates of 77.91%， 9.88%， and 11.63%， respectively. （2） When moderate pollution or above PM2.5 pollution occurs in the central urban area of Karamay， the thickness of inversion layer is ≥250 m， the inversion intensity is ≥1.2 ℃/100 m， and the bottom height of inversion layer is ≤ 350 m. When an obvious easterly wind appears in the middle east of the Junggar Basin， a layer of inversion occurs in the central urban area of Karamay， the wind speed near the ground is small， and the thickness of the inversion layer is ≤200 m， heavy pollution caused by PM10 and weather above may occur.

Key words Air quality; Karamay; Meteorological conditions; Inversion; Threshold

隨著社會經濟的高質量發展，城市化的進程不斷加快，城市人口迅速膨脹，人們的生活水平也在不斷提高，城市大氣污染問題越來越受到人們的重視[1]。空氣污染不僅會影響植物生長、損壞文物古跡以及降低能見度，還會給城市居民的人體健康帶來不利影響[2]。空氣質量指數（AQI）是2012年3月國家發布的新空氣質量評價無量綱指數，它可作為衡量大氣污染的重要指標。大量研究表明，城市空氣質量主要取決于2個方面：一是污染源的排放和主要分布狀況，二是與氣象條件關系密切，風速、降水量、云量、相對濕度及氣溫等氣象要素對污染物濃度變化均具有一定影響[3-7]。

新疆城市空氣質量的研究主要集中在烏魯木齊，在其時空分布特征、污染物源解析、成因以及對人體健康的影響等方面已有大量成果[8-12]。克拉瑪依市地處準噶爾盆地西北緣的沖洪積扇前傾斜平原地帶，加依爾山南麓，其東面瀕臨古爾班通古特沙漠，南面與烏蘇市、沙灣市和奎屯市相接，北面與和布克賽爾蒙古自治縣相接，屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候[13]。劉新春等[14]研究指出克拉瑪依污染供暖期API指數高于非供暖期，烏魯木齊周邊城市的空氣污染具有典型的煤煙型特征；郭鳳娟等[15]研究指出克拉瑪依供暖期PM2.5濃度與常規氣象要素具有顯著的相關。按照AQI指數劃分大氣污染程度，探討了克拉瑪依中心城區空氣質量等級、首要污染物的變化特征及其與氣象條件的關系，并給出發生空氣污染時各類氣象要素的閾值，為政府部門相關政策提供

參考。

1 資料與方法

主要研究區域為克拉瑪依市中心城區，選取2017—2021年克拉瑪依市長征新村監測站（84°53′E，45°36′N）的PM2.5、PM10、CO、O3、NO2、SO2六大常規污染物小時觀測資料，通過空氣質量指數（AQI）技術規定方法計算得到AQI和各類污染物的IAQI。

2 克拉瑪依中心城區的空氣污染特征

2.1 年變化特征

為了反映污染嚴重程度的年際變化，2017—2020年空氣污染程度呈現逐年減輕的趨勢，但2021年污染程度開始加重。通過統計分析，篩選出污染日不同污染物對AQI貢獻的天數，計算出每種污染物對AQI的貢獻率（圖1）。研究表明，克拉瑪依中心城區首要污染物為PM2.5為134 d、O3為20 d、PM10為17 d，貢獻率分別為77.91%、11.63%、9.88%。

2.2 月、季變化特征

由圖2可知，從空氣污染日月分布特征來看，近6年空氣污染主要發生在11月至翌年3月，主要以輕度污染為主，中度及以上程度污染發生在11月至翌年2月。從季節分布上來看，克拉瑪依中心城區空氣污染主要發生在冬季和夏季，污染物類型分別以臭氧污染和顆粒物污染為主；從年月分布上來看，顆粒物污染主要分布在秋末至次年春初時期（10月至翌年3月），臭氧污染主要發生在2017年夏季，2018年后未發生過臭氧污染。

3 氣象條件對克拉瑪依中心城區空氣質量狀況的影響

3.1 常規氣象要素與不同污染物空氣質量分指數的關系

克拉瑪依中心城區空氣質量狀況與海平面氣壓、相對平均濕度呈極顯著正相關，相關系數分別為0.125、0.196；與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數、日平均風速、日極大風速呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.232、-0.226、-0.239、-0.100、-0.174、-0.165；與降水量呈負相關，但未通過顯著性檢驗[6-7]。

3.2 克拉瑪依中心城區主要污染物與氣象條件的關系

通過上述研究可知，克拉瑪依中心城區污染主要集中在冬季以PM2.5污染為主和冬季O3污染為主，夏季O3污染與海平面氣壓、極大風速呈顯著負相關，相關系數分別為-0.255、-0.179；與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫呈極顯著正相關，相關系數分別為0.435、0.455、0.359。供暖期PM2.5污染與海平面氣壓、平均相對濕度呈顯著正相關，相關系數分別為0.386、0.565；與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數、日平均風速、日極大風速呈顯著負相關，相關系數分別為-0.629、-0.622、-0.632、-0.309、-0.471、-0.414。

3.3 供暖期不同空氣質量等級的氣象條件

從供暖期小時風向風速和PM2.5濃度合成圖上來看（圖略），當風速小于3 m/s時，地面風向為西南風、偏東風時，PM2.5濃度會迅速增大，可能造成空氣污染；當風速小于1 m/s時，地面基本處于靜風狀態，與風向關系不大，當風向處于正南風時，有利于產生中度及以上污染等級的空氣污染。

3.4 供暖期大氣邊界層逆溫層特征

3.4.1 逆溫層層數分布特征 08：00克拉瑪依中心城區供暖期邊界層內逆溫層主要以1～4層為主，累計頻率達到87.8%，其中，1～2層逆溫層的頻率達到51.39%，出現5層以上逆溫的頻率為12.31%；空氣污染較嚴重的冬季（12月至翌年2月）逆溫層數分布情況較為分散，出現5層及以上逆溫的頻率，達到25.98%。

3.4.2 逆溫層高度分布特征 逆溫層底部的高度作為逆溫高度，以50 m為間隔，以最小值作為該層的高度，即0～50 m以0 m作為該層高度，最后統計各高度范圍內逆溫所占的比重。通過之前研究可知，克拉瑪依中心城區邊界層逆溫以多層逆溫為主，出現單層逆溫的頻率較小。從單層逆溫高度分布情況上來看，08：00主要集中在近地面（50 m以內），比重達到73.9%，其次分布在150～450、850～900 m，比重均在1.4%以上，其余高度均＜1%；20：00近地面（50 m以內），比重達到11%，其次分布在200～550、650～1 100、1 250～1 400 m，比重均＞1%，其余高度均＜1%。從多層逆溫高度分布情況來看，08：00和20：00均主要集中在近地面（50 m以內），比重分別為28.8%、5.9%，其次分布在50～1 300 m，所占比重相當。

3.4.3 不同類型逆溫頻率、厚度和強度分布特征 克拉瑪依中心城區供暖期出現逆溫時各類逆溫的頻率均較高，從08：00和20：00不同逆溫出現的頻率來看，08：00三類逆溫出現頻率均較高，分別為75.4%、51.98%、48.81%，20：00出現的逆溫類型主要以低懸逆溫和高懸逆溫為主，頻率分別為59.23%、62.5%。從貼地逆溫出現頻率來看，供暖期08：00出現頻率均較高，其中4、10月出現逆溫極大概率為貼地逆溫；2、3、4、11月20：00出現頻率均較低，均小于27%，1、12月相對出現頻率較高，分別為36.54%和37.25%。從低懸逆溫和高懸逆溫出現頻率來看，冬季（12月至翌年2月）08：00和20：00均較容易出現，頻率均＞60%[8-10]。

3.4.4 供暖期不同類型逆溫對空氣質量的影響 克拉瑪依中心城區供暖期空氣質量（AQI）與08：00貼地逆溫厚度和強度、低懸逆溫厚度呈顯著正相關，相關系數分別為0.377 9、0.004 5、0.332 5。

克拉瑪依中心城區供暖期PM2.5空氣質量分指數（IAQI-PM2.5）與08：00貼地逆溫的厚度、低懸逆溫的厚度和強度呈極顯著正相關，相關系數分別為0.428 4、0.521 6、0.443 2。克拉瑪依中心城區供暖期PM10空氣質量分指數（IAQI-PM10）與08：00貼地逆溫厚度和強度呈顯著正相關，相關系數分別為0.188 9、0.149 8。

4 結論

（1）克拉瑪依中心城區2017—2021年空氣質量（AQI）優良率達90.4%，空氣污染類型主要是供暖期（10月至翌年4月）的PM2.5、PM10污染和夏季的O3污染為主，其貢獻率分別為77.91%、9.88%、11.63%。克拉瑪依中心城區空氣質量（AQI）與海平面氣壓、相對平均濕度呈顯著正相關；與日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數、日平均風速、日極大風速呈顯著負相關。PM2.5污染與海平面氣壓、平均相對濕度呈極顯著正相關；與平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數、日平均風速、日極大風速呈極顯著負相關。

（2）當克拉瑪依中心城區海平面氣壓（＞1 035 hPa）、日平均氣溫（＜-5 ℃）、日最低氣溫（＜-8 ℃）、日最高氣溫（＜-2 ℃）、平均相對濕度（＞70%）、日平均風速（＜1.4 m/s）、日最大風速（＜4.5 m/s）時，空氣質量會明顯轉良；當滿足以上氣象條件，且當日平均氣溫（＜-10 ℃）、日最低氣溫（＜-13 ℃）、日最高氣溫（＜-6 ℃）、平均相對濕度（＞74%）、日平均風速（＜1.2 m/s），空氣質量（AQI）可能將達到輕度污染及以上。當風速＜3 m/s時，地面風向為西南風、偏東風時，PM2.5濃度會迅速增大，可能造成空氣污染；當風速＜1 m/s時，地面基本處于靜風狀態，與風向關系不大，當風向處于正南風時，有利于產生中度及以上污染等級的空氣污染。

（3）克拉瑪依中心城區供暖期邊界層內逆溫層主要以1～4層為主；空氣污染較嚴重的冬季（12月至翌年2月）逆溫層數出現5層及以上逆溫的頻率較大。克拉瑪依中心城區供暖期出現逆溫時各類逆溫的頻率均較高， 08：00三類逆溫出現頻率均較高，20：00出現的逆溫類型主要以低懸逆溫和高懸逆溫為主。從低懸逆溫和高懸逆溫出現頻率來看，冬季（12月至翌年2月）08：00和20：00均較容易出現，頻率均＞60%。

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