吉林省中部地区AQI分布特征及其与气象要素的相关性分析

张 昊 张佳意 冯景瑜 徐昌龙

（延边朝鲜族自治州气象局，吉林延吉 133000）

1 引言

随着国内社会经济的迅速发展和城市化进程的不断加快以及民用汽车保有量的逐年增加，城市空气质量日益恶化[1]。研究表明，严重的空气污染现象不仅影响大气能见度，为人们的出行带来不便，对人类呼吸系统、心脑血管系统疾病也有极大的影响[2-3]。近年来，国内学者针对各地区环境空气污染变化特征以及和气象要素的关系等方面开展了大量研究工作[4-6]。张宝贵等[7]重点研究了秦皇岛市空气污染与气象要素的关系；张存厚等[8]发现呼和浩特冬季AQI与气象因素存在显著的相关性；肖建能等[9]发现影响厦门市AQI的主要气象因素为气温和气压。

吉林省中部地区地处东北平原，属温带季风气候，冬季漫长寒冷。下垫面易冷却形成逆温层，为污染天气的形成提供了有利的气象条件。加之东北地区重工业城市发展粗放，人口密集，污染物排放量激增，使城市大气污染天数增多。

2 资料与方法

大气污染监测数据为中华人民共和国生态环境部发布的长春、吉林、辽源2017—2019年的逐日大气污染监测数据；气象数据为2017—2019年逐日高空、地面气象观测资料。运用SPSS22.0、Origin 2019、Excel2019等软件统计分析数据，对以上3个城市2017—2019年的空气质量指数（Air Quality Index，以下简称AQI）时空变化特征进行分析。归纳总结出利于污染天气出现的高空和地面天气形势，并计算AQI与同期各气象要素的相关性，探讨空气质量与气象要素之间的关系，从而对吉林省中部地区的空气污染气象成因进行研究。AQI等级划分依照《环境空气指数（AQI）技术规定》（HJ633-2012）。

3 AQI时空分布特征

3.1 AQI月均变化特征

根据2017—2019年吉林省中部地区长春市、吉林市、辽源市3个城市的月平均AQI变化趋势（图1）可以看出，3个城市的AQI月变化趋势基本一致，1月是AQI最高的月份；其次为2月、3月和12月；8月和9月AQI最低。从10月采暖期开始后，AQI明显升高，气温最低的12月和1月最高。从气象角度看，春季风速较大，AQI开始降低；进入夏季，气温升高，降水增多，受雨水的湿沉降作用，直至9月，AQI一直保持较低的水平。

图1 2017—2019年长春（a）、吉林（b）、辽源（c）AQI月变化

3.2 空气质量级别分布特征

根据中华人民共和国生态环境部第三次修订的 《环境空气质量标准》（GB 3095-2012），对2017—2019年吉林省中部3个城市的空气质量指数类别进行统计分析，如表1。

表1 吉林省中部3个城市空气质量类别统计 d

通过对比3个城市污染天数可以看出，吉林市污染天数最多，3年共出现196d，污染天数占比为17.9%；长春和辽源相差不大，分别为178d和177d，占比分别为16.3%和16.2%。重度污染及严重污染天数从多到少依次为吉林、长春、辽源，3年共出现重度以上污染分别为28d、18d和10d。整体来看，辽源空气质量明显优于长春和吉林。

3.3 空气污染季节变化特征

从2017—2019年吉林省中部地区各季节空气质量等级分布情况（表2）可以看出，长春、吉林、辽源2017—2019年空气污染日数季节分布均表现为冬季＞春季＞夏季＞秋季。长春、吉林、辽源夏季和秋季空气质量最好，空气质量优良等级日数占比均在90%以上。3个城市春季的空气质量优良等级日数与夏季、秋季相比有所减少，优良等级日数占比在75%～85%；冬季的空气质量优良等级日数占比在70%左右，重度污染等级以上污染日数要明显多于其他季节，特别是长春和吉林，2017—2019年冬季重度污染等级以上污染日数占重度以上等级污染总日数的63.2%和73.1%。

表2 吉林省中部3个城市2017—2019年四季空气质量统计 d

从吉林省气候特征来看，夏季是全年降水量最多的季节，雨水对大气污染物的冲刷作用可明显降低污染物浓度，提升空气质量。而且夏季无需采暖，所以污染物排放量较冬季大大减少。进入采暖期后，空气污染物浓度迅速增加，加之冬季降水量最少，对污染物的清洁作用最小。同时冬季大气层结相对稳定，逆温现象较多，在一定程度上抑制了污染物的扩散。

4 AQI与气象要素的关系

4.1 天气形势对空气质量的影响

利用2017—2019年逐日高空天气形势资料和08时、20时地面天气形势资料，统计分析了不同高空、地面天气形势对吉林省中部地区空气质量的影响（表3），结果表明，当吉林省上空500 hPa受高压脊、平直西风带、高空槽后部这3类天气形势控制，地面受高压、均压场、低压前部3类天气形势控制时，吉林省中部地区的空气质量明显偏差。

表3 2017—2019年吉林省中部地区污染天气高空和地面天气形势类型

由2017—2019年吉林省中部地区污染天气高空和地面形势可知，在有利的大尺度天气背景下，当风力极小、逆温较强、相对湿度较高时，出现污染天气的可能性极高。其天气形势特点为：海平面气压场较弱，底层风速小且温度低，大气层结相对稳定，容易出现逆温现象，不利于空气污染物的稀释、扩散和清除。在大气污染物排放量高、污染物排放源复杂的情况下，大尺度高空天气形势和地面天气形势成为形成持续时间长、影响范围广和污染程度高的空气重污过程的主要驱动因素。

4.2 AQI与气象要素的相关性分析

根据长春市AQI与气象要素的相关性分析可以看出，AQI与日平均气压的关系受季节影响比较明显，夏季日平均气压与AQI呈显著负相关关系，这是因为夏季雨量充沛，气压偏低，气温偏高且对流活动旺盛，有利于空气污染物的扩散；而秋季平均气压与AQI呈显著正相关关系，是因为进入到秋季，气压逐渐升高，气温逐渐降低，且雨量骤减，空气污染物易聚集，引起污染天气的发生。

冬季日平均气温与AQI呈显著正相关关系，这与冬季气温低、大气层结相对稳定、易有逆温层出现有关。秋季和冬季风速与AQI均呈极显著负相关，说明风速越大越有利于城市中污染物的稀释、扩散和清除。一年四季中日降水量与AQI均呈负相关关系，这是由于大气的湿沉降作用，使得大气污染物浓度降低，从而使AQI降低。春季相对湿度与AQI相关性不显著；夏季、秋季相对湿度与AQI呈显著负相关；冬季相对湿度与AQI呈显著正相关。吉林省夏季雨量充沛，秋季雨量骤减，冬季干冷少雪。一般情况，相对湿度大易使颗粒物聚集，使得AQI增大，但有关研究表明，当相对湿度较高，并伴有降水时，由于吸湿增长的影响，会降低空气中颗粒物浓度，从而AQI也会随之下降。

风向对空气污染物的来源、聚集和扩散有很大影响。由图2可知，2017—2019年吉林省中部地区污染天气风频以西南风、西南偏南风和南风为主；优质天气风频以西风和西南偏西风为主，整体风向的分布具有一致性。表明偏南风利于空气污染天气的发生，而偏西风相反。

图2 2017—2019年长春市（a）、吉林市（b）、辽源市（c）污染天数风向分布及长春市（d）、吉林市（e）、辽源市（f）优质天数风向分布

5 结语

（1）2017—2019年吉林省中部地区的空气质量指数总体呈下降趋势，空气质量逐渐得到改善。分月来看，1月污染天数最多，空气质量指数也最高，污染最严重。分析长春、吉林、辽源3个城市污染天数可知，空气污染天数相差不大，空气质量最好的城市是辽源市。吉林市污染天数最多，污染天数占比为17.9%；长春和辽源的污染天数相差不大，污染天数占比分别为16.3%和16.2%。重度污染及严重污染天数从多到少依次为吉林、长春、辽源。

（2）长春市、吉林市、辽源市2017—2019年空气污染日数季节分布均表现为冬季＞春季＞夏季＞秋季。长春市、吉林市、辽源市夏季和秋季空气质量优良等级日数占比均在90%以上；春季的空气质量优良等级日数占比在75%～85%；冬季的空气质量优良等级日数占比在70%左右。重度污染等级以上污染日数冬季要明显多于其他季节。

（3）2017—2019年吉林省中部地区空气污染天气易发生在高压脊、平直西风带和高空槽后3种大尺度背景下，对应的地面形势为高压控制、均压场和低压前部。地面风速小、湿度大，下垫面较冷，逆温层易出现且不易被破坏，不利于空气污染物的稀释、扩散和清除，空气污染天气极易发生。此外，长春市AQI与气象要素之间存在显著的相关性，说明气象条件对空气质量有显著的影响，但季节差异比较明显。