近三年乌兰察布市空气污染气象条件分析

刘烨焜 李 朋 李海燕 郭晓丽

（乌兰察布市气象局 内蒙古乌兰察布 012000）

引言

相关研究表明，大气污染是由污染源和气象条件两个内外因素共同决定的，在短时期内污染源变化相对稳定的情况下，空气质量好坏主要是由气象条件决定[1-2]。气象因素制约着污染物稀释、扩散、输送和转化的过程，进而影响大气污染程度[3]。本文利用乌兰察布市近三年空气质量日报数据，分析主要污染物及其时间分布特征，研究气象条件与污染发生的关系，为打造宜居、宜业、宜游城市提供科学依据。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

根据《环境空气质量标准》，以乌兰察布市为研究区域，对SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO 进行统计分析。数据来源于市环保局提供的空气质量日报数据及市气象局的观测资料。

1.2 分析方法

利用统计学分析，得出空气质量时间分布特征及主要污染物。使用典型相关分析，研究主要污染物与气象要素相关性。分析得出对空气质量影响较大的气象因子。

2 乌兰察布市环境空气质量特征

2.1 空气质量年变化特征

统计2015—2017年逐日空气质量指数（AQI），优天数（AQI≤50）占全年总日数的18.9%、24.8%和 22.7%；良天数（50＜AQI≤100）占全年总日数的64.4%、66.1%和59.7%；污染天数（AQI＞100）占全年总日数的16.7%、9%和17.5%。结果表明，本市空气质量主要以优良为主，污染日数较少，各级别天数所占比例保持在稳定水平。

2.2 污染物浓度变化特征

从表1可以看出，近3年PM10和PM2.5年均浓度呈下降趋势；SO2、NO2和CO年均浓度基本持平；O3浓度略有上升。SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5月均浓度值冬、春季较夏、秋季浓度高，呈“凹”字形变化；O3与之相反，夏、秋季明显高于冬、春季，呈“凸”字形变化。

表1 2015-2017年各单项污染物年均浓度情况表（单位：μg/m3）

3 主要大气污染物分析及与气象条件的分析

3.1 主要污染物分析

2015—2017年全市污染天数为159天，首要污染物是PM10占比15.1%；PM2.5占比38.4%；O3占比44.7%。综合分析，PM10、PM2.5和O3是本市的主要污染物。3种主要污染物发生时间具有明显的季节性。PM10污染多发生在2月—5月；PM2.5污染多发生在11月—3月；O3污染多发生在5月—8月。

3.2 大气污染与环流形势的关系

通常污染过程与不利于污染物扩散的天气条件密切相关[4]。如果处于高层脊区和地面冷高压控制下，有利于污染物的扩散，空气质量较好。当高层转为槽前西南气流控制，地面冷高压逐渐减弱，有助于稳定层结长时间保持，使空气质量变差。

选取2017年5月1—4日污染过程进行分析，前期500hPa高空为两槽一脊形势，本市处于槽后脊前西北气流控制，地面处在高压中心控制，有利于污染物扩散。4月30日后高空形成短波槽（图1a），全市处于西南气流控制，地面处在均压场中（图1b），长时间保持稳定层结，大气扩散条件差。同时连续四天气温偏高（15.3℃），相对湿度较大（36%），在低空形成暖盖，导致空气质量变差。

图1 2017年4月30日—5月4日高空平均形势场（a）

图1 2017年4月30日—5月4日地面平均气压场（b）

3.3 大气污染与降水的关系

近三年全市有雨优良日数大于无雨日数，且雨量增大，优良日数比例越高。本市降水集中，主要出现在夏季（6—8月），占全年总降水量的65%，冬春季明显偏少。PM10和PM2.5污染多发生在11—5月。由此可知降水对空气冲刷沉降作用显著，并对污染物有清洗和稀释效果[5]。

3.4 大气污染与风的关系

风是边界层内影响污染物扩散的重要动力因子。风向决定着大气中污染物的输送方向，风速则影响大气中污染物扩散稀释快慢。低层风向、风速的变化直接影响空气污染物的聚散及各处的浓度分布。

3.4.1 大气污染与风向的关系

风主要表现了平流输送的能力，但它又是局地性最强的气象因子之一。本市位于中高纬度地区，受西风带气流控制，全年主导风向以西风为主（16%），其次是西北风和西北偏西风，偏东风出现频率较少（图2）。

图2 乌兰察布市近20年平均风向频率分布图

统计分析风向频率特征发现，空气质量好时，西北风出现频率较高（21.7%）；空气质量差时，偏南和偏东风出现的频率高（18.1%和12.5%）。不同风向造成空气污染程度不同。这与污染物输送有关，西北风向空气相对清洁，污染物较少；而偏南、偏东风向空气中污染物浓度较高，易造成空气污染加重。

3.4.2 大气污染与风速的关系

分析风速与AQI相关性：AQI指数与风速显著负相关，风速大，有利于污染物扩散，风速小，会导致局地污染物的累积，不利于水汽和污染物的扩散。与日平均10分钟风速的相关性最大，与日最大风速的相关性次之，与日平均风速的相关性最小。

分析风速与主要污染物相关性：与PM2.5显著负相关；与PM10显著正相关；与O3不存在显著关系。由于本市在冬春干燥季节，地面沙尘较多，风速过大，反而会卷起地面的尘粒，形成大风扬沙，严重破坏空气质量，这也是在冬、春季空气污染日数相对较多的一个原因。

3.5 大气污染与气温的关系

冬季气温低，且主要污染物为颗粒物；如果大气扩散条件差，导致颗粒物沉降、扩散受阻，影响空气质量[6]。春末至秋初时节，气温逐渐升高，太阳辐射增强，促进O3的催化[7]。

分析主要污染物与气温的关系，O3污染受气温影响最大。5-8月以O3为首要污染物的污染天数最多，是其他月份的2-4倍，且两者变化趋势具有一致性。因为O3污染日主要受热低压系统控制，天气特征多表现为晴热少雨，大气层结较稳定，风速小，日照强烈；容易造成光化学作用，催化O3的大量产生，从而形成污染。

结语

（1）乌兰察布市2015—2017年空气质量较好，年平均优良天数维持在310天左右，污染日数仅占14.5%，且主要以轻度污染为主。

（2）PM10、PM2.5和O3是乌兰察布市的主要污染物，污染发生时间具有明显的季节性。PM10污染多发生春季，PM2.5污染多发生在冬季，O3污染多发生在夏季。

（3）大气环流形势的变化是导致空气污染物浓度发生巨大变化的主要外因。处于高层脊区和地面冷高压控制下，受强盛反气旋环流影响，空气质量较好；处于槽前西南气流控制，低层增温增湿，有助于低空暖盖和稳定层结长时间保持，使空气质量变差。

（4）降水对空气冲刷沉降作用显著，并对污染物有清洗和稀释效果；风向决定着大气中污染物的输送方向；风速与AQI指数显著负相关；高温、日照强烈容易造成光化学作用，催化O3的大量产生。