2017—2019 年中天山北坡城市群大气污染及污染天气类型特征

李淑婷， 李 霞， 毛列尼·阿依提看， 钟玉婷， 王慧琴

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中国气象局阿克达拉大气本底野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐 830002；3.新疆树木年轮生态实验室，新疆 乌鲁木齐 830002）

自2013年我国颁布《大气污染防治行动计划》［1］以来，国内大气污染防控取得了显著成效，SO2、PM10等污染物排放量显著下降［2］。然而，我国目前仍面临着严峻的大气复合污染，全国多地PM2.5浓度仍然超标，O3污染呈大范围蔓延态势［3-4］，环境空气质量进一步改善难度增加。众多学者对我国重点空气污染区域诸如京津冀［5-6］、长三角［7］、珠三角［8］、四川盆地［9］等均开展了区域大气污染物的时空变化特征研究，发现不同区域污染物及其时空分布特征不尽相同。京津冀地区PM2.5污染呈现南高北低的特点［10］，重污染日多集中在冬季，且首要污染物主要为细颗粒物［6］。长三角地区江苏省PM10、PM2.5、SO2和NO2浓度普遍比浙江省要高，重污染主要发生在秋、冬两季内陆城市［7］。其中，南京为长三角地区空气污染较为严重的城市，O3成为继颗粒物污染之后长三角地区大气污染治理的重点和难点［11］。珠三角近年来表现出经济核心区一次污染物浓度下降趋势明显，二次污染尤其是O3污染加剧特点［8］。四川盆地重污染日首要污染物是PM2.5或O3［12］，污染天数最多的是1月，其次是12月和2月［9］，其中成都市一年内大气污染超标天数超过150 d。春季沙尘天气给兰州市输送了大量沙尘颗粒，形成重污染［13］。冬季的北京由于近地层逆温、大气静稳致使污染物难以扩散，常常出现持续性重污染天气［6］。可见，国内几大重污染城市群由于地域分布广、天气气候差异显著，大气污染特征都具有各自的独特性。

近年来，中天山北麓的乌（乌鲁木齐）昌（昌吉）石（石河子）地区重污染事件频发，区域性大气污染问题日趋凸显［14］，成为我国一个新的大气污染高发区。中天山北坡城市群包含乌鲁木齐市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市及呼图壁县、玛纳斯县和沙湾县5 市3 县（图1），地理区位优越、人口密集、工业发展迅速，是新疆“丝绸之路经济带”的核心区域。复杂的天气形势和边界层结构，以及冬季逆温、小风和中低层较强的偏东风都常常引起乌鲁木齐等地重污染事件的发生［15-17］。仅2018年11月—2019 年3 月，新疆重污染天气应急指挥部办公室就针对乌昌石地区启动了5次重污染天气黄色预警［18］，引发各方关注。本文针对中天山北坡的乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市和五家渠市，基于2017—2019年逐时污染物浓度数据，分析了大气污染物区域变化和污染天气类型特征，以期为今后空气质量预报预警、区域大气污染联防联控和决策分析提供一些科学依据。

1 研究区概况

中天山北坡城市群位于准噶尔盆地南缘，范围为42°52′～45°28′N、88°40′～91°33′E，南北长244 km、东西宽445 km，区域狭长［18］。城市群背靠天山山脉，北部为古尔班通古特沙漠，地理位置见图1。该区域是天山北坡经济带的重要组成部分，是新疆现代工业、农业、交通信息、教育、科技等最为发达的核心区域。这个区域集中了全疆40.0%以上的城镇人口，占全疆3.8%的面积上创造了全疆2/5 的生产总值［19］。良好的城镇、交通、能源等基础条件，使其对全疆经济发展起着重要的带动、辐射和示范作用。

图1 中天山北坡城市群地理位置Fig.1 Geographical location of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文研究时段为2017—2019 年，6 类大气污染物（PM2.5、PM10、CO、NO2、O3和SO2）的逐时监测数据来自中国生态环境部官网（https://www.mee.gov.cn/）。研究范围内乌鲁木齐市包括7个环境监测站（三十一中学、铁路局、监测站、七十四中、米东区环保局、收费站和农科院）、昌吉市2个站（新区政务中心和州监测站）、石河子市2 个站（艾青诗歌馆和阳光学校）和五家渠市环境监测站，共计12 个监测站。所有监测站点的监测设备、数据采集、数据质量控制等都严格遵照国家行业标准“GB 3095-2012”和“HJ/T 193-2005”。四季划分方法如下：3—5月为春季；6—8月为夏季；9—11月为秋季；12月—次年2月为冬季。

2.2 统计方法

根据生态环境部环境空气质量指数（Air quality index，AQI）技术规定（试行）（HJ 633-2012），本文将2017—2019 年6 类大气污染物质量浓度日均值按标准划分为6个等级（表1），大气污染物日均浓度超过Ⅱ级标准的为超标日。此外，根据环境空气质量标准（GB 3095-2012），规定PM2.5年平均浓度＞35 μg·m-3为超过国家空气质量二级标准，PM10年均浓度＞70 μg·m-3为超过国家空气质量二级标准。

表1 6类大气污染物质量浓度日均值等级划分标准Tab.1 Classification criteria for daily average concentrations of six air pollutants

参照北京重污染天气类型的划分方法［20］，本文将中天山北坡城市群的污染天气划分为3 类：静稳型污染天气、沙尘型污染天气和特殊型污染天气。静稳型污染天气是指由于大气扩散条件不利，导致大气污染物逐步累积，从而形成的污染天气；沙尘型污染天气是由于沙尘输送造成的大气污染；特殊型污染天气，即春节期间因为鞭炮燃放等特殊因素造成的短时大气污染。判别依据主要参考污染天气及其前后的天气现象记录。

3 结果与分析

3.1 中天山北坡大气污染总体状况

2017—2019 年中天山北坡城市群首要污染物以PM2.5和PM10为主，4 座城市乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市和五家渠市以PM2.5为首要污染物的年平均日数分别有103 d、93 d、93 d 和96 d，分别是以PM10为首要污染物的日数的6.43倍、13.29 倍、15.50倍和8.00 倍。4 座城市超标的大气污染物有PM2.5、PM10、NO2和CO，年均超标日数分别介于94～104 d、56～92 d、11～41 d 和1～7 d，其中五家渠市PM10超标日数最多（92 d），乌鲁木齐市PM2.5和NO2超标日数最多，分别为104 d和41 d。

4种大气污染物月均超标日数及等级分布都呈现明显的季节性特征（图2），呈“U”型分布，即夏半年以优良等级天数居多、超标日数少，冬半年超标日数多、大气污染物浓度等级高，这与国内其他城市相似［21-23］。冬季12月—次年2月，乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市和五家渠市PM2.5超标日数分别为81 d（占全年超标日数72.0%，下同）、77 d（77.0%）、81 d（75.0%）和80 d（73.0%），其中大于Ⅴ级的超标日数分别为44 d、40 d、47 d、52 d，相当于1/2以上的PM2.5超标日都达到重度以上污染水平。1月是PM2.5超标日数最多的月份，4 座城市月平均超标日数为30 d，近乎整月超标。此外，春末3 月和秋季10、11月也会有1/3 日数PM2.5出现超标。与PM2.5相比，PM10不仅冬半年超标严重，夏半年也有超标日数出现，这与冷空气活动将土壤、沙尘颗粒裹挟至城市上空有关。除五家渠市以外，CO超标日数主要出现在冬季1—2 月。NO2超标日数集中在冬半年的10月—次年3月，1月超标日数最多（6～17 d）。这与冬季采暖期化石燃料的燃烧、机动车废气等排放量的增加有关。

图2 2017—2019年中天山北坡城市群4种大气污染物月均超标日数及对应的浓度等级Fig.2 Monthly average numbers of exceedance days and concentration levels of four pollutants in urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

3.2 中天山北坡大气污染物浓度状况

3.2.1 不同阶段大气污染物浓度状况2017—2019年中天山北坡城市群PM2.5年平均浓度分别为71 μg·m-3、64 μg·m-3、65 μg·m-3和73 μg·m-3（表2），PM10年平均浓度分别为116 μg·m-3、107 μg·m-3、106 μg·m-3和134 μg·m-3；与乌鲁木齐市2013—2016 年的大气污染物浓度［24］相比，2017—2019 年PM10、PM2.5、NO2、SO2、CO 分别下降了34 μg·m-3、5 μg·m-3、8 μg·m-3、13 μg·m-3、0.37 mg·m-3，下降幅度分别为22.7%、6.6%、13.5%、52.6%、21.3%。不容忽视的事实是，2017—2019 年4 座城市PM2.5和PM10年均浓度都超过了国家二级标准，气体污染物年均浓度均没有超标。

表2 2017—2019年中天山北坡城市群大气污染物浓度Tab.2 Concentrations of air pollutants of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

城市群的粗细颗粒物浓度比值介于0.54～0.61，说明细颗粒污染较为严重。若以PM2.5浓度衡量，4座城市污染程度为：五家渠市＞乌鲁木齐市＞石河子市＞昌吉市。冬季中天山北坡受燃煤采暖、大气稳定度增加和逆温频发等影响，更易导致PM2.5的累积加剧和扩散不利［16］，其中采暖期（10 月15 日—次年4月15日）PM2.5平均浓度介于100～118 μg·m-3之间，是非采暖期的4～5倍。京津冀“2+26”城市经历了大规模污染治理后，2017—2018 年采暖期（11 月—次年3月）PM2.5浓度是85 μg·m-3［25］，而3 a来中天山北坡城市群同期PM2.5平均浓度是123 μg·m-3，可见同期中天山北坡城市群PM2.5浓度是京津冀“2+26”城市的1.4 倍，大气污染的严峻性由此可见一斑。相比PM2.5，PM10和气体污染物（O3-8除外）采暖期与非采暖期浓度比值都较小，介于1.40～2.90之间。

3.2.2 四季细颗粒物浓度日变化特征图3显示了2017—2019 年中天山北坡城市群大气污染物的四季日变化特征。可见，尽管4 座城市同处在一个气候区——北疆沿天山一带，但是每一个季节4 座城市的污染物日变化都存在些许差别。例如春季，靠近山前地带的乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市PM2.5浓度大体呈现“双峰双谷型”变化模态，日最高值出现在凌晨01:00左右，分别为50 μg·m-3、45 μg·m-3和45 μg·m-3（表3），随后浓度逐渐下降，在早晨08:00—11:00 达到谷值。到午后13:00—15:00 又再次攀升到一个次高值，之后逐步下降，18:00—20:00出现全天最低值，分别是39 μg·m-3、33 μg·m-3和33 μg·m-3。五家渠市大体为“单峰单谷型”变化，日最高值出现在上午10:00（54 μg·m-3），此后便一直降低，在20:00 前后达到全天的最低值（28 μg·m-3）。和平原城市［25-27］比较，可以看到平原城市上午污染物的峰值与早高峰人类活动的时间比较吻合，而中天山北坡城市污染物的第一个峰值却延后至中午，与兰州颗粒物浓度的第一个峰值出现在午后13:00—14:00［28］类似，这与白天谷风及污染源地理分布有关［29-30］。夏季乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市PM2.5浓度日变化曲线与春季相似，仍然是“双峰双谷型”，只是由于夏季日间长、日照时间也相应增多，大气扩散条件比春季更加有利。因此，污染物浓度的2 个峰值出现时间更加靠近，即日最大峰值出现时间推后，介于00:00—03:00出现，次大峰值出现时间提前至09:00—11:00。海拔较低的五家渠市PM2.5浓度变化模态“单峰单谷型”更加明显，最高值出现在03:00，最低值出现15:00。秋季城市群大气污染物浓度日变化都呈现“双峰双谷型”，峰值、谷值出现时间和各自的春季类似，五家渠市、石河子市全天最高值都出现在白天，分别是10:00、14:00。冬季昌吉市、石河子市PM2.5浓度日变化形态为“双峰双谷型”，全天最低值出现在08:00—10:00，石河子市最高值（178 μg·m-3）出现在白天15:00，昌吉市2 个峰值大小相近（155 μg·m-3）。乌鲁木齐市和五家渠市大体为“单峰单谷型”，五家渠市最高值（203 μg·m-3）在中午13:00 出现，乌鲁木齐市最高值（167 μg·m-3）滞后到16:00 出现。乌鲁木齐市PM2.5浓度最低值出现在09:00—10:00，五家渠市则在19:00前后。由于靠近山前的城市受到山谷风影响明显［29］，而五家渠市则不然，因此五家渠市多数季节与其他3座城市颗粒物浓度日变化迥异。

图3 2017—2019年中天山北坡城市群PM2.5浓度四季日变化Fig.3 Diurnal variation of PM2.5 concentration of urban agglomeration in four seasons of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

表3 2017—2019年中天山北坡城市群四季PM2.5浓度日最高、最低值统计Tab.3 Statistics of daily maximum and minimum PM2.5 concentration in four seasons of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

3.3 中天山北坡污染天气类型特征

已有研究［15-17,30-31］表明，中天山北坡城市群大气污染在冬季主要受稳定温度层结的影响，春秋季节受沙尘输送的影响，而春节鞭炮燃放等特殊因素也会造成短时大气污染，这与北京［20］、兰州［13］等地大气重污染特征相似。因此，本文将污染天气分为静稳型污染、沙尘型污染和特殊型污染3类。

3.3.1 不同污染天气类型年内变化特征2017—2019 年乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市和五家渠市出现Ⅲ级以上（含Ⅲ级）污染天气日数分别是355 d、298 d、295 d和321 d（表4）。上述4座城市静稳型污染天气日数分别是：306 d（占污染天气总日数的86.2%）、275 d（92.3%）、276 d（93.6%）和288 d（89.7%），平均为286 d（90.2%）；沙尘型污染天气日数分别是：47 d（13.2%）、21 d（7.1%）、17 d（5.8%）和32 d（10.0%），平均为29 d（9.2%）；特殊性污染天气日数分别是2 d（0.6%）、2 d（0.7%）、2 d（0.7%）和1 d（0.3%），平均为2 d（0.6%）。其次，静稳型天气中属于Ⅴ-Ⅵ污染级别的比率分别为45.8%、45.8%、47.1%和56.6%，沙尘型污染天气中属于Ⅴ-Ⅵ污染级别的比率分别为14.9%、28.6%、29.4%和21.8%，而特殊型全都属于Ⅴ-Ⅵ污染级别。

表4 2017—2019年中天山北坡城市群污染天气类型出现日数Tab.4 Number of days of polluted synoptic types of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

2017—2019 年中天山北坡城市群大气污染集中出现在春季和秋冬季（图4），1 月出现天数最多，其次是2、12月；1、2月还是中天山北坡城市群Ⅴ-Ⅵ级重污染天气的高发期，月平均重污染天气比例分别达到76.6%和52.3%；12 月Ⅲ-Ⅳ级污染天气较多。春、秋季节多为Ⅲ-Ⅳ级污染天气。中天山北坡沙尘型污染主要出现在春、秋季，且多属于Ⅲ-Ⅳ级污染。静稳型污染多出现在冬季，Ⅲ-Ⅳ级的静稳型污染天气在12月出现日数最高（43 d），其次是2、11月；Ⅴ-Ⅵ级的静稳型污染天气则在1月出现日数最高（63 d），其次是2、12月。特殊型则主要出现在1、2月春节期间。

图4 2017—2019年中天山北坡城市群不同类型污染天气的月变化Fig.4 Monthly variation of different polluted synoptic types of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

3.3.2 不同污染天气类型下粗细颗粒物相关性特征中天山北坡城市群的污染天气以静稳型和沙尘型为主，不同类型PM2.5和PM10之比也会有所不同。4座城市静稳型污染和沙尘型污染的粗细颗粒物平均比值分别为0.73 和0.27，可见这2 种污染天气类型粗细颗粒物浓度比例悬殊很大。图5显示了2017—2019年4座城市在静稳型污染天气和沙尘型污染天气中粗细颗粒物浓度的相关关系。可以看出，静稳型污染天气情形下PM2.5和PM10存在非常显著的线性相关，乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市、五家渠市的相关系数分别是：0.93、0.93、0.94 和0.96，相关系数平均为0.94，都通过了0.001的显著性水平检验；对于沙尘型污染天气，粗细颗粒物相关性稍低，介于0.66～0.90，平均相关系数为0.82，也通过0.001 的显著性水平检验。对于静稳型污染天气来说，中天山北坡乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市、五家渠市4 座城市细颗粒物污染非常严重，PM10与PM2.5浓度非常接近，比值分别是1.16、1.27、1.23、1.29，平均值为1.26；而对于沙尘型污染天气来说，粗颗粒物浓度远远高于细颗粒物浓度，乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市、五家渠市PM10/PM2.5浓度之比分别为8.90、2.97、3.46、2.12，平均值为3.16。由此表明，通过粗细颗粒物浓度比值就可以判定中天山北坡的污染天气类型。

图5 2017—2019年中天山北坡城市群静稳型和沙尘型污染天气粗细颗粒物相关关系Fig.5 Correlation relationship between coarse and fine particulate matter under stable and dusty polluted weather of urban agglomeration on the north slope of the middle Tianshan Mountains from 2017 to 2019

3.3.3 不同污染天气类型的气象特征风对大气中污染物浓度的影响极为显著［32］。大气污染物可以在风的作用下稀释扩散或输送到其他地区，风速大小决定了风对污染物输送能力的强弱。风速越大，对大气污染物的稀释扩散及输送能力越强，反之则会加剧污染物的积累。2017—2019 年中天山北坡城市群年均风速为1.61 m·s-1，相对较小，尤其是石河子市和五家渠市，年均风速只有1.22 m·s-1、1.35 m·s-1，较乌鲁木齐市（1.94 m·s-1）和昌吉市（1.85 m·s-1）要低。污染天气时风速更小，Ⅲ-Ⅳ级污染和Ⅴ-Ⅵ级污染时，中天北坡城市群平均风速分别为1.47 m·s-1和1.33 m·s-1。不同污染天气类型下的风速大小也存在明显差距。静稳型污染天气发生时，平均风速为1.09 m·s-1，其中石河子市最小，为0.83 m·s-1；沙尘型污染天气发生时，平均风速为1.86 m·s-1，其中乌鲁木齐市最大，为2.80 m·s-1。总体来看，静稳型污染天气中，Ⅲ-Ⅳ级污染日的风速略高于Ⅴ-Ⅵ级污染日，说明Ⅴ-Ⅵ级污染天气下风速不利于扩散；沙尘型污染天气中，乌鲁木齐市和昌吉市Ⅲ-Ⅳ级污染日的风速要低于Ⅴ-Ⅵ级污染日，说明乌鲁木齐市和昌吉市上空的沙尘主要是远距离传输贡献大一些，而石河子市和五家渠市则相反，表明石河子市和五家渠市本地源贡献较大一些。

湿度对大气污染物也有明显影响，相对湿度高有利于污染物的吸湿增长和气粒转化［33-34］，进而导致污染物浓度骤升。在诸多气象因子的相关性中，相对湿度与PM2.5浓度的相关性最高［35］。中天山北坡城市群年均相对湿度为60.0%，Ⅲ-Ⅳ级污染日和Ⅴ-Ⅵ级污染日相对湿度分别为62.0%和75.0%。静稳型污染天气的相对湿度平均为75.0%，较沙尘型污染天气偏高30.4%。可见污染程度越重、天气越稳定，相对湿度就越高。此外，2017—2019 年中天山北坡城市群的能见度年均值为17 km，而Ⅲ-Ⅳ级污染和Ⅴ-Ⅵ级污染时大气能见度分别为14 km和6 km，静稳型和沙尘型污染天气能见度则分别为6 km 和15 km，污染物浓度的增加以及高湿的影响致使大气能见度下降。

总体来看，大气污染多发生于风速低、相对湿度大的气象条件下，污染程度严重时更甚。从不同污染天气类型来看，静稳型污染发生时，天气现象一般为雾霾或烟雾，还往往伴随明显的近地层逆温［30,36］，风速小、湿度大的气象条件使得大气污染物难以扩散，形成明显的污染积累。沙尘型污染往往伴随大风而出现，天气现象一般表现为浮尘或扬沙。相对于静稳型污染来说，沙尘型污染天气风速大、相对湿度小，能见度相对较高，这是因为沙尘型污染时大气颗粒物以粗颗粒为主，且湿度小，消光作用低于静稳型污染。此外，因沙尘粒子的大量增加，沙尘污染与静稳型污染相比，PM10等颗粒物浓度会有所增加，但伴随大风的出现，气态污染物也会随之迅速扩散，浓度明显降低。

4 结论

基于2017—2019 年乌昌石地区逐时大气污染物浓度数据，分析了大气污染物区域变化和污染天气类型特征，得出以下结论：

（1）中天山北坡城市群超标大气污染物有PM2.5、PM10、NO2和CO，其中PM2.5年平均超标日数介于94～104 d，几乎占全年日数的1/3，PM10和NO2年平均超标日数分别介于56～92 d和11～41 d。4种大气污染物超标日数主要出现在冬半年，1 月大气污染物超标最多。4座城市中乌鲁木齐市和五家渠市大气污染物超标情况要多于昌吉市和石河子市。

（2）2017—2019 年中天山北坡城市群PM2.5年平均浓度排序为：五家渠市（73 μg·m-3）＞乌鲁木齐市（72 μg·m-3）＞石河子市（65 μg·m-3）＞昌吉市（64 μg·m-3）。4座城市PM2.5年平均浓度值为68 μg·m-3，是国家二级标准的1.94 倍；PM10年平均浓度值为116 μg·m-3，是国家二级标准的1.66 倍。粗细颗粒物年平均比值介于0.54～0.61。采暖期PM2.5平均浓度介于100～118 μg·m-3之间，是非采暖期的4～5倍。4 座城市的污染物日变化存在些差别，五家渠市多数季节与其他3 座城市颗粒物浓度日变化迥异，大体为“单峰单谷型”变化，其他3 座城市则为“双峰双谷型”。

（3）中天山北坡城市群的污染天气类型中静稳型污染天气出现日数最多（平均286 d，占污染天气总日数的90.2%），其次是沙尘型（29 d，9.2%），特殊型最少（2 d，0.6%）；静稳型污染天气中Ⅴ-Ⅵ污染级别和Ⅲ-Ⅳ污染级别所占比例相当，而沙尘型污染天气中Ⅲ-Ⅳ污染级别占比更高。静稳型污染天气多出现在冬季，尤其是1月，而沙尘型污染天气主要出现在春秋季，且多属于Ⅲ-Ⅳ级污染。静稳型、沙尘型污染天气下粗细颗粒物浓度相关性很高，PM10/PM2.5浓度比值分别为1.26 和3.16，这2 个比值可以成为区分静稳型污染和沙尘型污染天气的有效判据。

（4）中天山北坡城市群年均风速、相对湿度和能见度分别为1.61 m·s-1、60.0%和17 km。静稳型污染发生时风速小（1.09 m·s-1）、湿度大（75.0%）、能见度低（6 km）；沙尘型污染往往伴随风速较大（1.86 m·s-1）、相对湿度较小（57.5%）、能见度相对较高（15 km）情形。其中沙尘型污染天气中，乌鲁木齐市和昌吉市Ⅲ-Ⅳ级污染日的风速要低于Ⅴ-Ⅵ级污染日，说明远距离沙尘输送贡献大一些；石河子市和五家渠市则相反，表明本地源贡献较大一些。