吐鲁番市颗粒物浓度变化特征及其与气象要素的关系

葛洪燕

（吐鲁番地区气象局，新疆 吐鲁番838100）

近年来，由于灰霾天气的大范围出现，使得大气颗粒物引起的人体健康问题与能见度恶化事件日益增多，使越来越多的学者开始关注和研究颗粒物。PM2.5吸附化学污染物后，通过氧化、炎症刺激以及对遗传物质的作用增大了对人体健康的危害[1]，其碳组分主要以元素碳（EC）和有机碳（OC）的形式存在，OC对光有散射作用，EC有较强的吸光吸热能力，二者联合作用，对大气能见度、气候等方面有很大影响[2]。PM2.5的消光性比粗颗粒更强，降低大气能见度的能力也更强[3，4]，能见度下降形成严重的雾霾或灰霾天气给交通安全等带来较大的隐患[5]。PM10能够进入人体的呼吸系统，引起心脏和血液、免疫等系统的病变[6]。空气中PM10浓度的增加与很多疾病的发病率、住院率和死亡率有正相关关系。例如，心肺疾病、心血管疾病等，造成了严重的人体健康经济损失[7-10]。目前，学者对大气中的PM10、PM2.5的研究主要集中在其变化特征、PM10与PM2.5中水溶性无机离子的化学特征、PM10与气象因子的关系、大气污染趋势及防治措施等方面[11-18]，其研究区主要集中在中、东部的湿润、半湿润区，对西部干旱区颗粒物浓度变化特征及其与气象要素的关系方面的研究相对欠缺。

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区的中东部，在41毅12忆耀43毅40忆N，87毅16忆耀91毅55忆E之间，东临哈密，西、南与巴音郭楞蒙古自治州的和静县、和硕县毗连，北隔天山与乌鲁木齐市及昌吉回族自治州相接，是“一带一路”经济带的重要枢纽。其气候类型属独特的暖温带大陆性干旱荒漠气候，四周高山环抱，增热迅速、散热慢，形成了日照长、气温高、昼夜温差大、降水少、风力强五大特点，素有“火州”、“风库”之称。吐鲁番主要以农业经济为主导，大力发展旅游业，是全国著名的旅游景区，但由于特殊的自然地理环境，农业和旅游业的发展受自然条件的影响显著，尤其是沙尘、大风等。因此，为了促进农业和旅游业等健康、持续地发展，开展吐鲁番市大气质量的监测以及其与气象要素的关系研究具有重要的现实意义。

本文利用吐鲁番地区2015年3月—2016年2月环境监测站点的PM10、PM2.5监测数据，对其浓度的变化特征以及与气象要素的关系进行了分析，以期为政府或环境治理部门制定相关环保政策提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 数据选取和处理

环境监测资料主要来自吐鲁番市环境监测站，全市共有2个监测点，监测的主要污染物为二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、PM2.5和PM10。本文选用2015年3月1日—2016年2月29日1年的吐鲁番市2个环境空气监测点PM10和PM2.5的小时数据，共计PM2.5小时数据8712个，PM10小时数据8712个。气象资料选用同期的吐鲁番国家气候基准站气象要素：温度、相对湿度、能见度、风速。

数据的处理和分析采用SPSS 19.0统计软件完成。日均值为一个自然日24 h平均浓度的算术平均。文中讨论的PM10和PM2.5的季节、月和日浓度均由观测的小时浓度计算获得。

1.2 PM10与PM2.5污染水平评价标准

吐鲁番市属于环境空气质量标准二类区，执行《环境空气质量标准》（GB3095—2012）中二级标准。根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633—2012）中对空气质量分指数及对应的污染物项目浓度限值的规定，其PM10和PM2.5的污染标准见表1。本文PM10、PM2.5的污染程度参照了这一标准。

表1 PM2.5、PM10质量浓度对应的污染等级

2 结果与分析

2.1 颗粒物浓度的季节特征

吐鲁番市PM10和PM2.5浓度的季节变化特征见图1。四季中冬季PM10和PM2.5的浓度最高，分别是184、106 ug/m3，夏季时二者的浓度均低于其他季节，春季PM10和PM2.5的平均浓度均要高于秋季，其中，春季PM10和PM2.5的平均浓度分别是163、63 ug/m3，秋季二者的平均浓度分别为113、54 ug/m3。

冬季（12月—次年2月），天气形势稳定，气候干燥，与其它各季节相比温度最低，大气层结较稳定，出现逆温的频率较高且强度较强[19-21]，使得大气污染物的扩散能力弱，加之吐鲁番市冬季大都采用燃煤的方式进行取暖，工业、民用等的燃料燃烧极易产生粒径较小的颗粒物，且聚集在近地层不易扩散，造成大气中的颗粒物、CO、SO2等污染物大量堆积，空气质量变差。当有冷空气经过时，却因地面植被稀少，地面裸露，大风易携带风沙，使得PM10浓度在冬季维持在高值区。

春季（3—5月），由于冷暖气团交换，冷暖空气交替活动频繁，是一年中大风出现最多的季节，气象条件本应有利于颗粒物的扩散，但吐鲁番市下垫面干燥，植被覆盖度极小，遇到大风极易将地面的灰尘等扬起，使得春季可吸入颗粒物的平均浓度仅次于冬季。

夏季（6—8月），吐鲁番市因地处山间盆地，四周被高山环绕，增温迅速、散热慢，加之降水稀少，使得大气对流旺盛，有利于大气污染物的快速扩散，因此，造成吐鲁番市夏季PM10和PM2.5的平均浓度相比其它各季节最低。

秋季（9—11月），大气层结较稳定，大气温度逐渐降低，天气以晴朗少云为主，大风天较少，使得秋季PM10和PM2.5的平均浓度小于春季。

图1 PM10和PM2.5的季节变化特征

2.2 颗粒物浓度的年变化特征

表2给出了吐鲁番市颗粒物逐月状况的统计值。可见对于细颗粒物PM2.5来说，3—10月，每个月中PM2.5的污染程度为优或良的天数基本上在27 d左右，其浓度保持在28耀75 ug/m3之间。11月—次年2月，每个月中PM2.5的污染程度为优或良的天数相比3—10月有了明显的下降，而PM2.5的污染程度为轻度、中度和重度污染的天数却显著增加。

6—10月每个月PM10的污染程度为优或良的天数总体上在27 d左右，其浓度范围在86耀119 ug/m3。3—5月、11月—次年2月，每个月中PM10的污染程度为优或良的天数与6—10月相比有了明显的减少，而其污染程度为轻度、中度、重度、严重污染的天数有所增加（表3）。

这是因为11月—次年2月，PM10和PM2.5的浓度除了受交通流量和人为活动的影响外，更重要的是受此时段为采暖期以及大气层结稳定，容易发生逆温现象，加之地表植被稀少等因素的共同作用，使得空气中的PM10和PM2.5浓度不容易扩散，造成大气污染程度为优或良的天数减少，而污染程度较重的天数增加。而6—10月是非采暖期，加之吐鲁番市的地形为盆地，增温迅速，对流强盛，导致空气中的颗粒物易扩散，其污染程度为优或良的天数也较多。3—5月虽然吐鲁番市已停止供暖，且温度上升较快，但由于大风、地表植被稀少等因素的影响，对粒径较粗的PM10浓度的影响要大于PM2.5。PM2.5月平均浓度的最大值出现在4月（430 ug/m3），最小值出现在7月（8 ug/m3）（表2），PM10日均浓度的最大值和最小值同样出现在4、7月，其浓度分别为1196、25 ug/m3（表3）。

表2 PM2.5各级污染程度的天数及浓度水平/（ug/m3）

表3 PM10各级污染程度的天数及浓度水平/（ug/m3）

总之，吐鲁番市PM2.5和PM10的月均浓度在不同的月份表现出较大的差异。PM2.5和PM10月平均浓度的最高值均出现在4月，最低值均出现在7月，其中，PM2.5浓度的最高值是最低值的2.7倍，PM10浓度的最高值是最低值的2.4倍。这与相关学者对吐鲁番市颗粒物浓度变化特征的研究结果是一致的[22]。

2.3 颗粒物浓度的日变化特征

图2为PM2.5和PM10浓度的日变化曲线特征。PM10与PM2.5浓度日变化特征曲线呈现双峰双谷型，其变化规律基本上与市民上、下班高峰期一致。上午10时左右，PM2.5和PM10浓度均达到了峰值，各为31.5、85.5 ug/m3（图2）。这个变化规律明显是受交通早高峰机动车尾气密集排放、人为活动以及早晨温度低、湿度大，不利于大气中颗粒物的扩散等引起的。早高峰时段，车流量和人流量均较大，受此二者的影响PM2.5和PM10浓度均在迅速增加，但由于吐鲁番市处在极度干旱区，地表植被少，汽车和人为活动带来的扬尘对PM10浓度的影响大于PM2.5。19时后，受交通晚高峰和人为活动等的影响，PM2.5和PM10的浓度均在逐渐升高，其中21—23时二者的浓度升高迅速，且在23时左右达到了第二个峰值，此时，PM2.5和PM10的浓度分别为38、97 ug/m3（图2）。22时后由于机动车数量和人为活动的减少，PM10和PM2.5的浓度本应很低，但吐鲁番市由于受地形影响，易形成逆温，大气垂直运动能力弱，不利于颗粒物的扩散，导致颗粒物浓度在23时左右出现了峰值。PM10和PM2.5浓度的两个谷值分别出现在07时和17时左右，其中，07时左右，PM2.5和PM10的浓度分别为13、32.5 ug/m3，17时左右，二者的浓度值分别是7、18 ug/m3。这两个时间点的机动车流量和人为活动均较少，因此，其颗粒物浓度较低。

图2 PM10和PM2.5的日变化特征

2.4 PM10与PM2.5的关系

将PM10质量浓度数据作为自变量x，PM2.5为因变量y，在二维坐标系上绘制出散点图（图3）。由图3可知，直线拟合方程为y=0.315 1 x+20.204，R2=0.608 5。PM10和PM2.5的高度线性相关，表明可利用线性模型结合PM10的数值计算得出PM2.5的模拟值。

图3 PM10与PM2.5的相关性曲线

PM10包括了PM2.5和PM2.5-10，其中PM2.5主要来源于气—粒转换和各种化学过程，而一些较粗的粒子更多地来源于沙尘和建筑活动等。所以PM2.5与PM10的比值大小对于了解其来源有很大的指导意义。图4为吐鲁番每月PM2.5占PM10的比值变化图，可见吐鲁番市PM2.5与PM10的比值在0.3耀0.8之间，平均值为0.5。徐敬等[23]根据加拿大和美国几个大型城市关于颗粒物的报道：大气污染较轻的城市PM2.5与PM10的比值一般为0.3耀0.5，空气污染较重的城市其比值可达到0.5耀0.7之间。因此，吐鲁番市可归为PM2.5污染较轻的城市，但是不同的月份PM2.5与PM10的比值有较大的差异。2015年11月—次年1月，PM2.5与PM10的比值达到0.6耀0.8，其它月份二者的比值在0.4左右，这说明，11月—次年1月吐鲁番市人为排放造成的细粒子污染比较严重，其它月份污染较轻，且主要以PM10为主。

图4 PM2.5与PM10的比值

图5 PM2.5与能见度的关系

图6 PM10与能见度的关系

2.5 PM10和PM2.5与气象要素的关系

2.5.1 PM10和PM2.5与能见度的关系

图5、6分别是吐鲁番市PM2.5、PM10浓度与能见度的拟合曲线及关系式。通过分析可知，吐鲁番市PM2.5、PM10浓度与能见度的相关系数分别为-0.904、-0.792，颗粒物与能见度呈现出极其显著的负相关关系（图5、图6）。这说明，PM10和PM2.5的浓度越低，能见度越高，颗粒物的污染程度越轻，反之，当颗粒物的浓度越高时，能见度越低，颗粒物的污染程度越重。

2.5.2 PM10和PM2.5与其它气象要素的关系

PM2.5、PM10浓度与其他单一的气象要素的相关性不明显，例如，温度、相对湿度、风速等，但是不同的季节或天气情况下，这些气象要素变化的组合[24]所形成的天气背景，对PM10和PM2.5浓度的影响显著。例如，吐鲁番市夏季大气温度极高，空气的相对湿度低，大气对流运动强烈，导致PM10和PM2.5浓度低。

3 结论

（1）PM10和PM2.5浓度的季节变化特征表现为冬季跃春季跃秋季跃夏季，且冬季二者浓度的平均值比夏季分别高89、73 ug/m3。11月—次年2月，每个月中PM10和PM2.5的污染程度为优或良的天数减少，而污染程度为轻度以上的天数明显增加。PM2.5和PM10月平均浓度的最高值均出现在4月（75、208 ug/m3），最低值均出现在7月（28、88 ug/m3）。PM10和PM2.5的日变化曲线特征呈现“双峰双谷”型，峰值出现在10时和23时左右，而谷值分别出现在07时和17时左右，其变化规律基本上与市民上、下班高峰期一致。

（2）PM10与PM2.5的相关性呈极其显著的正相关。吐鲁番市PM2.5与PM10的比值在0.3耀0.8之间，平均值为0.5，吐鲁番市可归为PM2.5污染较轻的城市，但是不同的季节PM2.5与PM10的比值有较大的差异，冬季达到了60%耀80%，这说明冬季PM2.5在PM10中所占比例很高，PM2.5的污染较重。其他季节其比值在40%左右，主要以PM10污染为主。

（3）PM10和PM2.5与能见度之间存在极其显著的负相关关系，其相关性系数分别为-0.792、-0.904；PM10与PM2.5与其他单个气象要素的相关性不显著。

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