固原市空气质量特征及其与气象条件的关系

杨文海，韩世昌 ，马兴明

1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；

2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；

3.固原市气象局，宁夏 固原 756000；

4.泾源县气象局，宁夏 泾源 756400

随着工业化、城镇化战略的深入实施，城市建设改造和交通运输产生的粉尘污染逐步加大，快速增加的机动车产生的尾气污染等日益突出，大气污染问题越来越受到人们的重视。随着社会各界对大气污染问题的深刻认识，一些学者针对空气质量、空气污染的气象条件等开展了相关研究，如郭立平[1]等分析了河北廊坊市连续重污染天气的气象条件，赵敬国[2]等对兰州市大气重污染气象成因进行了分析，周贺玲[3]、祁栋林[4]、胡琳[5]，邱粲[6]等分别研究了廊坊市、西宁市、西安市、济南市空气质量的特征及其与气象条件的关系，黄亚林[7]等分析了武汉市PM2.5的时空分布特征及其与气象条件的关系，赵晨曦[8]等分析了北京地区冬春PM2. 5和PM10污染水平时空分布及其与气象条件的关系，张建忠[9]，李文杰[10]等分别分析了北京地区、京津石三市空气质量指数时空分布特征及其与气象条件的关系，周兆媛[11]等对京津冀地区气象要素对空气质量的影响及未来变化趋势进行了分析，冀翠华[12]等对2001-2012年北京市空气污染指数节气分布及其与气象要素的关系进行了详细的研究。近年来随着宁夏能源资源消耗持续增加，细颗粒物、氮氧化物和挥发性有机物排放量显著增长，冬季雾霾现象开始显现，防治大气污染形势比较严峻，宁夏一些学者也做了相关研究[13-17]，然而目前关于宁夏固原市空气污染的相关研究还不够，远不能满足空气污染预报预警业务开展和为政府、公众提供信息服务的需求。因此，深入研究固原市空气质量特征及其与气象条件的关系，为今后开展相关气象服务提供科学依据。

一、资料与方法

空气污染资料为2015年1月至2017年12月固原市环境监测站的逐日及逐小时PM2.5、PM10、O3等主要污染物的空气质量监测数据，来自固原市环境监测站、固原市新区、固原市马园3个监测站点，地面风向风速、相对湿度、气压等气象要素资料为固原市国家基准气候观测站观测数据。

根据中华人民共和国国家环境保护标准HJ633-2012及中华人民共和国国家标准GB3095-2012的规定，环境空气质量指数（AQI）共分为6个级别，0～50为一级（优），51～100为二级（良），101～150为三级（轻度污染），151～200为四级（中度污染），201～300为五级（重度污染），301以上为六级（严重污染）。

二、固原市空气质量概况

（一）固原市区空气质量状况

在选取的2015-2017年固原市1 096个有效样本中，固原市空气质量以二级良为主，共827d，占样本总数的75.5%；一级优日数为149d，占样本总数的13.6%；三级轻度污染日数为64d，占样本总数的5.8%；四级及以上日数为56d，占样本总数的5.1% 。表1为2015-2017年固原市空气污染指数级别日数和比例，表1显示，固原市空气质量以二级良为主，空气质量为优的天数呈现减少趋势，重度污染及以上天数在2016年有明显增长，但在2017年中度污染及以上天数明显减少。可见，城市化进程的不断加快对固原市空气质量的影响日益严重，但随着社会对生态环境问题关注程度的不断提高以及2017年开始的“蓝天保卫战”行动的展开，固原市大力开展的大气环境综合整治工作收到了良好的效果，空气质量较2016年有明显改善。

（二）首要污染物分析

1.首要污染物年度变化分析。固原市区除了13.6%的优级天数外，2015-2017年其余天数在环境空气质量监测报告中均报告有首要污染物。表2列出了2015-2017年固原市空气质量首要污染物的情况，研究时段内，影响固原市空气质量最多的污染物是PM10，出现天数为643d，占非优级总天数的67.9%；O3为首要污染物的天数为180d，占非优级总天数的19%；PM2.5为首要污染物的天数为112d，占非优级总天数的11.8%；NO2为首要污染物的天数最少，仅占非优级总天数的1%。当天同时出现两种首要污染物的天数为3d，均出现在2017年，且当天空气质量均为良。

表1 2015－2017年固原市空气污染指数级别日数和比例

表2 2015－2017年固原市空气质量首要污染物情况

从首要污染物年际变化情况来看，2015年O3作为首要污染物的天数占同年非优级总天数的5%，2016年O3作为首要污染物的天数占同年非优级总天数的25.3%，2017年O3作为首要污染物的天数占同年非优级总天数的30.6%。因此随着O3污染呈加重态势，对空气质量的影响不断增加，对固原市空气质量污染防治工作提出了新的挑战。

2.首要污染物的月变化特征。统计分析2015-2017年首要污染物出现天数的月变化（图1），如图所示，颗粒物（PM10和PM2.5）和O3成为首要污染物的天数呈现“此消彼长”的负相关趋势。

春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10，PM10成为首要污染物的天数占比约在66%～93%；冬季12月至次年3月PM2.5成为首要污染物的天数占比约在18%～33%，NO2成为首要污染物的天数主要集中在12月，占比约10%。3月开始，受气温光照等条件影响，O3成为首要污染物的天数呈现上升趋势，颗粒物的占比开始下降，6-7月份O3成为首要污染物的天数占比超过50%。9月开始O3对空气质量的影响大幅度下降，PM10与PM2.5对空气质量的影响又开始加强（见图1）。

三、空气污染与气象要素相关性分析

城市空气质量受很多因素影响，如气象条件、污染源的种类、地形和政府政策等。研究表明，气象条件对污染物的扩散、稀释和积累有一定作用，在污染源一定的条件下，污染物的浓度主要取决于气象条件。表3为2015-2017年固原市不同季节环境空气质量指数AQI日平均值与同期气象要素日值之间的相关关系。

图1 2015-2017年首要污染物出现天数的月变化

表3 2015-2017年固原市不同季节日平均 AQI与气象要素的相关关系

从表3可以看出，春季AQI指数与气压（平均、最低）、相对湿度（平均、最小）呈显著负相关；与风速（最大、平均）呈显著正相关。夏季AQI指数与气压（平均、最高、最低）和相对湿度（平均、最小）呈显著负相关；与气温（平均、最高）、风速（最大、平均）呈显著正相关。秋季AQI指数与气温（平均、最低）、相对湿度（平均、最小）呈显著负相关；仅与最大风速呈显著正相关。冬季与AQI指数呈正相关的气象因子有气温（平均、最高、最低）和风速（最大、平均），仅与最低气压呈显著负相关。

不同季节气温对空气污染指数的影响作用不同，夏季AQI指数与气温（平均、最高）呈显著正相关；秋季AQI指数与气温（平均、最低）呈显著负相关；冬季AQI指数与气温（平均、最高、最低）呈显著正相关。相对湿度是影响春季、夏季和秋季空气污染的主要气象因子之一，但不是冬季空气污染的主要影响因子。

四、高污染指数过程天气形势分析

2015-2017年固原市发生AQI>300的严重污染天数为9d，其中首要污染物为PM2.5的天数为1d，首要污染物为PM10的天数为8d。研究表明，天气系统的移动和变化会影响大气扩散条件和污染物传输条件，从而改变空气中的颗粒物的浓度[6]。利用Micaps常规气象资料，分析9次严重污染天气过程500hPa高空影响系统和地面气压形势场，其配置主要有2种类型（表4）。表4中高压脊前强西北气流指严重污染过程发生期间固原市受500hPa高空高压脊前强西北气流（≥16m/s）影响；高气压场是指固原市位于高气压场偏前部，有冷锋影响；短波槽是指受贝加尔湖东部大型高空槽底部扩散冷空气影响形成的小型高压槽；均压场是指固原市处于对称的2个高压、2个低压间的均压场内，严重污染过程期间气压场分布比较均匀。

表1中可见，500hPa高空固原市受脊前强西北气流影响，同时地面处于高气压场前部是严重污染天气的主要配置类型，出现8次，在这种环流配置下，固原市风速较大，8次过程中有5次固原市出现沙尘天气；500hPa高空固原市受短波槽后西北气流影响，同时地面处于均压场的配置只出现1次，在此次严重污染天气发生前一天受短波槽影响，固原出现对流性降水，降水结束后，严重污染天气发生期间固原市高空500hPa受短波槽后西北气流影响，地面气压场为均压场影响，地面风速小于3m/s，相对湿度在50%以上，低层大气层结稳定，不利于PM2.5扩散，导致固原出现严重污染天气。

五、结论

（一）固原市空气质量以二级良为主，空气质量为优的天数呈现减少趋势

2017年中度污染及以上天数较2015年和2016年有明显减少。说明固原市城市化进程不断加快对空气质量影响明显，但随着各项大气环境综合整治工作的开展，空气质量状况有了明显改善。

（二） PM10是固原市最主要的污染物，作为首要污染物出现的天数最多。

2015-2017年O3作为首要污染物天数年际变化呈明显增加趋势，O3污染呈加重态势，对空气质量的影响不断增加。

（三）首要污染物的月变化特征明显

春季、秋季、冬季固原市的首要污染物主要是PM10。3月开始，受气温光照等条件影响，O3成为首要污染物的天数呈现上升趋势，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成为首要污染物的天数占比较大。NO2成为首要污染物的天数主要集中在12月。

（四）不同季节影响空气质量的气象因子并不完全相同

各地面气象要素与AQI的关系，以风速最密切，其次是相对湿度；气压三要素中以最低气压与AQI最相关。不同季节气温对AQI的影响作用不同，夏季AQI指数与气温（平均、最高）呈显著正相关；秋季AQI指数与气温（平均、最低）呈显著负相关；冬季AQI指数与气温三要素呈显著正相关。

表4 固原市严重污染天气的高空、地面环流形势配置

（五）固原市严重污染过程对应的典型不利天气形势

500hPa高空受脊前强西北气流影响，同时地面处于高气压场前部，多伴有大风、沙尘天气等灾害性天气现象。