哈密市空气质量特征及其与气象因子的关系

冯瑶，美合日阿依·牙里坤，张科

（1.伊州区气象局，新疆 哈密 839000；2.哈密市气象台，新疆 哈密 839000）

引言

随着经济的飞速发展，城市化进程的不断加快，能源与交通规模的逐渐扩大，城市人口的迅速膨胀，我国城市大气污染日益严重，时刻影响着人们的健康和生活，大气污染和空气质量问题越来越受到人们的高度重视[1]。空气质量指数（AQI）法[2]是目前我国城市广泛采用的评价空气质量和污染程度的方法，它把常规监测的几种空气污染物浓度换算成指数，分指数最高的即为首要污染物，可以直观地反映当地空气质量的污染状况。目前，已有许多气象和环境工作者对不同区域的空气质量和气象因子的相关关系进行了大量研究[3-10]，也有学者针对不同城市的颗粒物浓度及气象条件进行过分析[11-13]，都得出有意义的结论。慕彩芸等[14]、屠月青等[15]虽对哈密市污染物浓度及气象条件进行过分析，但环境资料有限，不能代表哈密市空气质量的整体变化，因此通过AQI分析研究哈密市空气质量及气象影响因素的长期变化很有必要。

哈密市位于新疆东部，地处天山山脉以南，属典型的干旱性气候区，年降水量少，戈壁荒漠多，随着当地经济和城市建设的高速发展，主城区许多地方的旧房改造和道路修建等工程项目的建设，人口密度的增长，城市楼群的增高，机动车保有量的持续增加，使哈密市近几年的空气质量明显下降。因此，研究分析哈密市空气污染的现状及空气质量月、季、采暖期和非采暖期的变化特征，进一步探讨影响AQI变化的气象因子，为科学有效地控制和治理大气污染提供理论基础和数据支持，对改善哈密市空气质量具有极其重要的意义。

1 资料来源与分析方法

AQI（Air Quality Index，下同）是定量描述空气质量状况的指标，参与空气质量评价的主要污染物有PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6 项，根 据每项污染物浓度监测数据计算出各自的空气质量分指数，取污染指数最大者报告该地区的空气质量指数，空气质量指数对应空气质量的6个级别，指数越大，级别越高，说明空气污染越严重，空气质量越差，对人体健康的影响也越明显[4]。

文章环境资料来自于哈密市环保局监测站2010—2019年PM10、SO2、NO2逐日 浓 度 数 据，2010—2014年11月30日期间环保局只对PM10、SO2、NO2进行监测，从2014年12月1日—2019年12月31日，根据国家环境新标准增加PM2.5、CO和O3监测，通过对近几年监测数据分析，哈密市首要污染物为PM10，占所有污染物的93.4%，其它几种污染物只占6.6%，且没有超标，只具有警示作用，因此，文章只选取首要污染物PM10的浓度作为空气质量的衡量指标；气象资料选用哈密市国家基准气象站同期地面观测资料，包括气温、降水、气压、相对湿度、极大风速、能见度等。季节采用气象划分标准：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月，采暖期为10月至次年3月，非采暖期为4—9月。

采用相关分析法对AQI和气象因子的相关性进行分析，通过相关系数来确定气象因子对AQI的影响。

2 结果与分析

2.1 哈密市空气质量污染现状及年、月分布特征

从2010—2019年哈密市3645 d有效样本分析可知 ：哈密市空气质量主要以Ⅱ级（良）为主，共2910 d，占总监测数的79.8%，Ⅰ级（优）日数为312 d，占8.6%，Ⅲ级（轻度污染）及以上（中度、重度和严重污染）日数423 d，占总数的11.6%。由图1哈密市AQI的月变化可以看出：2010—2019年哈密市AQI呈双峰型变化，每年的2月和10月开始AQI逐渐增大，3月和11月达到两个峰值，且3月的指数值明显高于11月，为全年最高，AQI平均值为101，空气质量Ⅲ级，属轻度污染，是每年空气质量最差的月份，之后4月开始下降，到6月达到最低值61，降幅为39.6%，6—9月AQI变化相对平缓，未超过Ⅱ级标准，表明空气质量好，是一年当中空气质量最好的时期，而12月和1月虽有所下降，但还是高于6—9月，这段时期正好与哈密市供暖期和春季的大风、沙尘期相一致，这也是冬、春季AQI维持偏高的主要原因。

图1 2010—2019年哈密市AQI月变化

从AQI年变化和污染日数变化（图2）上看，2010—2019年以“单峰型”趋势在变化，即先增大再减小的一个过程，2013年AQI平均值达最大，为91，虽然平均指数未超过国家Ⅱ级标准，但空气质量Ⅲ级（轻度污染）及以上的日数和比例，2011年以后明显开始增多，2014年轻度污染及以上日数高达88 d，为近10年污染日数最多年，特别是轻度污染增加日数最明显，为64 d，占全年污染日数的24.1%，同时中度和重度污染日数也明显增多，达到严重污染（Ⅴ级）的日数11 d，空气质量为近10年最差年；2014年之后几年轻度污染及以上日数明显下降，到2018年最少，为24 d，同时空气质量达Ⅰ级（优）的日数明显增多，为73 d，从近10年比较来看，2011年轻度及以上污染日数最少，只有12 d，是近10年空气质量最好年，2019年轻度污染日数又出现明显上升的趋势，轻度及以上污染天气集中在3—4月,平均每年25 d左右，出现频率为60.5%，污染日数的变化和AQI年值的变化不一致，说明轻度及以上污染事件没有频繁出现，AQI的增大可能与极端天气形势或气象条件有关。

图2 2010—2019年哈密市AQI年变化和各级别污染日数变化

2.2 空气质量的季节及采暖期和非采暖期的变化特征

由哈密市AQI的季节变化可以看出（图3）：春季AQI平均值最高（88），是全年空气质量最差的季节，其次是冬季、秋季，夏季AQI平均值最小（64），说明空气质量最好，但全年都未超过国家Ⅱ级标准。从2010—2019年逐年的季节变化来看，春季AQI逐年增加，增长率为8.7/10 a，2014年达到峰值126，空气质量Ⅲ级，属轻度污染，是夏季指数的2 倍，是近10年中春季空气质量最差的季节，夏季AQI变化比较平稳，呈缓慢上升趋势，上升率2.7/10 a，是全年指数最低，空气质量最好的季节。秋季是先增大再减小的一个过程，呈下降趋势，变化率为-15.9/10 a，2013年秋季达最大，AQI为118，空气质量Ⅲ级，轻度污染，是秋季空气质量最差的一年，冬季AQI逐年在增大，增长率为 7.6/10 a，夏季和秋季通过0.10的显著性检验，春季和冬季未通过显著性检验。

图3 2010—2019年哈密市AQI季节变化及采暖期和非采暖期变化

采暖期和非采暖期相比，采暖期平均AQI（83）高于非采暖期（71），其变化率分别为-9.2/10 a和-11.4/10 a，非采暖期通过0.10的显著性检验，采暖期未通过检验。但不同的年份具体的变化各具差异性，近10年采暖期曲线呈波动型变化过程，2013年为AQI峰值（114），空气质量Ⅲ级，轻度污染，表明是采暖期空气质量最差的一年，这和年污染日数的变化基本一致，采暖期污染日数最多的为2013年57 d，且AQI连续9 d达300以上的严重污染日，其次是2014年52 d，污染日数最少，为2011年12 d；非采暖期AQI变化平缓相对稳定，除2010年AQI为99外，基本都维持在64～75之间，污染日数也较少，未超过国家Ⅱ级标准；分析其原因是哈密市是典型的北方城市，冬季干冷严寒且时期长，需要燃煤供暖，开春后供暖还在继续，再加上春季冷空气活动频繁，风速加大，气温上升，地表覆盖植被少，容易引起沙尘天气的出现，使AQI增大。

3 空气质量与气象因子的相关性分析

空气质量的好坏受气象条件、污染源的位置、排放强度及种类、地形等多种因素的共同影响，其中气象条件对污染物的输送、扩散、稀释有着非常重要的作用，同时也是变化最快和最复杂的影响因子[3]。

本文采用Pearson相关系数法计算空气质量指数与气象因子的相关关系，相关系数＞0，表明变量之间正相关，相关系数＜0，变量之间为负相关。

由表1可以看出：在影响AQI的气象因子中，降水量、气温、相对湿度、能见度和AQI呈负相关，且通过0.01的显著性检验，从各类气象因子与AQI相关系数的绝对值可以看出，降水和能见度最大，说明降水与能见度、AQI关系最为密切，对指数的影响是最直接的，降水产生时，空气中的可吸入颗粒物被水汽吸附成云滴或雨滴的凝结核，或直接被雨水冲刷而清除，使AQI减小；能见度是反映空气中气溶胶较好的参数，与其它气象要素相比，它并不能直接对气溶胶颗粒物浓度产生影响，能见度的高低直接反映了空气质量的好坏，能见度高，说明空气质量好，AQI则低；相反能见度低，说明空气中气溶胶颗粒物较多，空气质量较差，AQI高；气温升高时，大气对流运动加强，加快污染物的扩散和稀释，使其浓度降低，从而降低AQI。而日照时数、气压、风速和极大风速与AQI呈正相关，日照时数、风速与极大风速均通过0.01的显著性检验，在正相关影响因子中，风速和日照时数的影响较为密切，一般来说，风速越大，越有利于大气中的颗粒物扩散，相应的浓度就会降低，反之，浓度会越高，从而影响AQI，但风速增大到一定的阈值时，大风会刮起地面沙尘，使空气质量明显下降，AQI增大，导致空气质量指数超标[14]。而气压没有通过显著性检验，分析其原因是气象因子之间存在共性所致，所以不能准确描述其与AQI的关联程度。

表1 哈密市AQI与气象因子的相关系数

从表2可以看出：相对湿度和能见度无论什么季节都和AQI呈负相关，说明相对湿度和能见度增大会使AQI减小，空气质量变好，相反，相对湿度和能见度减小指数增大使空气质量变差，且大都通过显著性检验，春季能见度的相关性最大，冬季、秋季次之，夏季最小，夏季相对湿度相关性最大，是因为哈密市夏季降水多，空气较湿润，湿空气对污染物能起到清除和冲刷作用，有效地降低污染物浓度，使空气质量指数降低，其它季节降低的作用不显著，且没有通过显著性检验。春季AQI与日照时数、风速、极大风速呈显著正相关，与气温和能见度呈显著负相关，主要原因是春季空气干燥，地表大多裸露，无植被覆盖，气温低，日照少，大气层较为稳定，且春季多大风入侵，大量的地表泥土和沙尘颗粒被带到空中，加上燃煤取暖，污染物不容易扩散稀释，使得空气质量指数升高；夏季AQI与风速和极大风速呈显著正相关，与相对湿度呈负相关；秋季AQI与气温、日照时数和能见度呈负相关，与气压呈正相关；冬季AQI与气温、日照时数呈正相关，与气压、风速和能见度呈负相关，且通过显著性检验。综上所述，不同季节影响空气质量AQI的气象因子并不完全相同，其中起主要作用的气象因子为能见度、相对湿度、风速和极大风速。

表2 哈密市各季AQI与气象因子的相关系数

4 结论

(1)哈密市首要污染物为PM10，空气质量主要以Ⅱ级（良）为主，AQI存在明显的年、月变化，2010—2019年AQI呈现先增大再减小的单峰型变化，2014年轻度污染及以上日数88 d，是空气质量最差的一年，2011年轻度以上污染日数最少，只有12 d，是近10年空气质量最好年；每年空气质量指数最高的是3月和11月，达到轻度污染级别，6—9月AQI变化较为平缓，空气质量最好。

(2)AQI在不同季节、不同时期具有不同的差异性，春季AQI最高，空气质量最差，其次是秋季和冬季，夏季AQI最低，空气质量最好；采暖期AQI高于非采暖期，和冬、春季的变化基本一致。

(3)哈密市AQI与降水、能见度、气温、相对湿度均呈负相关，与风速、日照时数、极大风速、气压呈正相关，且大都通过显著性检验。

(4)不同季节影响AQI的气象因子并不完全相同，无论在什么季节，相对湿度、能见度均与AQI呈负相关，且能见度和AQI的相关性比相对湿度大。春、夏、秋三个季节AQI与风速和极大风速呈正相关，冬季则呈负相关，气温、日照时数、气压在不同季节与AQI呈不同的相关性。