昌吉市大气污染物浓度变化特征及气象影响因素分析

姜 峰，阿帕尔·肉孜，方 雯，叶尔克江·霍依哈孜

（新疆昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100）

大气环境与人类健康密切相关，随着现代工业生产能力的不断提升，社会经济高速发展，城镇化进程不断加快，能源与交通规模逐渐扩大，城市人口膨胀迅速，城市风速减小，夜间逆温增强，污染物扩散范围变小，致使城市空气污染问题日益严重，城市空气污染问题越来越受到人们的重视［1，2］。空气污染状况与气象要素之间关系密切，大气环境污染影响气象要素，气象要素同样也影响大气环境污染。在污染源排放污染物相对平衡的情况下城市污染气象条件决定了大气对污染物的输送和扩散能力。在不同的气象条件下，同一污染源排放造成的大气污染浓度相差较大，大气对污染物的扩散稀释能力随着气象条件的不同而变化［3］。学者们对大气污染变化及其与气象要素之间的关系进行了深入的探讨与研究［1-12］，均表明气象要素变化直接影响着空气质量的状况。随着昌吉市经济的快速发展，能源与交通规模不断扩大，工业化、机动化、城市化进程的不断加快，昌吉市的空气质量受到来自本地排放和区域输送的双重影响，致使空气污染愈发严重，对生态环境、气候和居民健康产生不利影响。鲜见昌吉市大气污染物浓度和空气质量指数的时间长序列与气象要素相关性分析方面的研究，因此，本研究对昌吉市大气污染物的浓度、空气质量与气象因素之间的关系进行分析，探讨气象因素对污染的影响，旨在为政府决策部门科学有效地防治大气污染，保护生态环境提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

昌吉市位于天山北麓、亚欧大陆腹地、准噶尔盆地南缘，地处东经86°24′—87°37′，北纬43°06′—45°20′。东邻乌鲁木齐市，西毗呼图壁县，南与新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）巴音郭楞蒙古自治州和静县相接，北与新疆塔城地区和布克赛尔县、阿勒泰地区福海县接壤。南北长248 km，东西宽26～43 km，全市总面积为7 971.29 km2（含兵团），有8 镇2 乡6 街道，辖区内有1 个国家级高新技术产业开发区和1 个国家级农业科技园区。境内有新疆生产建设兵团农六师师部及所辖101 团、103 团、军户农场、共青团农场和中央、自治区、自治州驻市单位150 多个。昌吉市是昌吉回族自治州首府所在地，是自治区首府乌鲁木齐市的卫星城。

昌吉市年平均气温为8.0 ℃，年平均降水量为202.2 mm，年平均蒸发量为1 756.8 mm，年日照时数为2 701.8 h，年平均相对湿度为61%，年平均风速为1.8 m/s，年最多风向为西南风（不含静风），年平均气压为959.7 hPa。

1.2 资料来源

污染物监测数据来源于昌吉市环境监测站提供的2015—2021 年逐日二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧日最大8 h 平均质量浓度（O3-8 h）、颗粒物（PM2.5、PM10）浓度和空气质量指数（Air quality index，AQI）等环境监测资料；同期气象资料来源于昌吉市国家基本气象站常规逐日观测资料。

1.3 研究方法

采用Origin、SPSS、Excel 等软件，运用统计学方法，采用一元线性回归方程、相关系数（趋势系数）和气候倾向率［13-21］对污染物浓度和气象要素进行倾向率和趋势变化的分析。

2 结果与分析

2.1 污染物变化特征

通过对昌吉市2015—2021年逐日平均污染物浓度和空气质量指数（AQI）变化特征分析发现，各污染物浓度和AQI 均呈明显的年变化周期特征，也呈一定的季节性变化特征，每年冬季出现峰值，夏季出现谷值，空气质量呈夏季最优，冬季最差特征（图1）。从各季度变化特征来看，除O3-8 h 外其他各污染物浓度和AQI 的变化趋势从高到低依次为冬季、秋季、春季、夏季，冬季的平均值是夏季的2～5 倍；从各月份来看，1 月最高，6 月最低（图2a）。O3-8 h 浓度变化趋势与其他污染物浓度和AQI 变化趋势相反，呈冬季最低，夏季最高特征，变化趋势从高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季，夏季平均值是冬季的2 倍左右；从各月份来看，12 月最低，7 月最高（图2a）。

图1 2015—2021 年昌吉市空气污染物浓度和气象要素的逐日平均值变化趋势

图2 2015—2021 年昌吉市空气污染物浓度和AQI平均值逐月和逐年变化

从7 年的逐年变化趋势来看（图2b），O3-8 h、AQI、PM2.5总体呈增加趋势，其中，O3-8 h 的上升速度最快，以每年3.957 3 μg/m3的速率上升并通过显著性检验（P＜0.05）；AQI 以每年1.576 9 的速率上升，PM2.5以每年0.203 8 μg/m3的速率上升，二者均未通过显著性检验。NO2、CO、SO2、PM10呈逐年减少趋势，每年减少速率分别为1.689 3、0.068 3、1.059 6、2.074 3 μg/m3，其中NO2的减少速率最显著，通过了0.05 水平上的显著性检验，其次为CO 和SO2，均通过0.1 水平上的显著性检验，PM10的减少速率不显著，未通过显著性检验。

对2015—2021 年首要污染物出现的日数进行统计（图3），发现昌吉市天气主要以PM10、PM2.5、O3-8 h、NO2、CO、NO2和PM10、PM2.5和PM10、PM10和O3-8 h、NO2和O3-8 h 为首要污染物，各年以PM10、PM2.5、O3-8 h 为首要污染物的天数最多，其中，2018年各首要污染物出现总天数最多，为328 d，次值出现在2015 年，为325 d；2016 年各首要污染物出现总天数最少，为266 d，次值为304 d，在2019 年出现。从各首要污染物出现天数来看，2015 年、2018 年以PM10为首要污染物的天数最多，分别为204、102 d，2016 年、2017 年、2019 年各年各首要污染物中以PM2.5为首要污染物的天数最多，分别为116、147、117 d，2020 年、2021 年以O3-8 h 为首要污染物的天数最多，分别为124、139 d。出现空气质量指数类别为优的时候首要污染物不报，空气质量指数类别为优的天数2016 年最多，为100 d，次值出现在2019年，为61 d，最少为37 d，在2018 年出现。从各年首要污染物出现日数的逐年变化情况来看，PM10、NO2为首要污染物的天数以及空气质量指数类别为优的天数整体呈减少趋势，其中，NO2的减少速度最快，以6.571 4 d/年的速率减少，并通过显著性检验（P＜0.05），PM10和空气质量指数类别为优的天数分别以11.643 0、2.321 4 d/年的速率减少，均未通过显著性检验。PM2.5、O3-8 h为首要污染物的天数整体呈增多趋势，其中，O3-8 h 的增加速度最快，以20.000 0 d/年的速率增加，并通过0.01 水平上的显著性检验，其他增加趋势不显著。

图3 2015—2021 年昌吉市首要污染物出现的天数

2.2 污染物与气象因子的相关性分析

通过分析昌吉市2015—2021 年逐日污染物浓度和AQI 与日平均气温、气压、风速、最大风速、最大风速风向度数、极大风速、极大风速风向度数、平均相对湿度、降水量、日照时数之间的关系（表1），得知污染物浓度和AQI 与同期的天气及气象要素之间存在一定的相关性，2015—2021 年逐日SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度和AQI 与同期逐日平均气温、风速、最大风速、极大风速、降水量及日照时数均呈显著负相关，与同期的逐日平均相对湿度、气压均呈显著正相关，说明随着温度、风速、降水量、日照时数的增加，相对湿度、气压的减少，SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度和AQI 逐渐降低。由图2a 可知，SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度和AQI，1 月最高，1—7 月，随温度、日照时数、降水量、风速的上升和相对湿度、气压的下降而下降，在6—7 月达最低；8—12 月，随着温度、日照时数、降水量、风速的下降和相对湿度、气压的上升而逐渐升高，在12 月时达次高值。从各种污染物浓度与风向的相关性来看（表1），最大风速风向度数、极大风速风向度数与SO2、PM2.5、PM10浓度和AQI 呈正相关，与NO2呈显著负相关、与CO 呈负相关。O3-8 h 浓度的逐日变化除降水量外，其他均与SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度和AQI 逐日变化相反，1—6 月，O3-8 h 浓度随气温上升而升高，7 月达最高，8—12 月气温稍下降后逐渐降低，12 月达最低值（图2a）。由表1 可知，O3-8 h 浓度与平均气温、风速、最大风速、极大风速、日照时数呈显著正相关，与气压、最大风速风向度数、极大风速风向度数、相对湿度、降水量呈负相关，其中，与气压、相对湿度、降水量呈显著负相关。

表1 2015—2021 年逐日污染物浓度和AQI与同期气象要素的Pearson 相关系数

3 小结与讨论

3.1 小结

1）各污染物浓度和AQI 均呈明显的年变化周期特征，也呈一定的季节性变化特征，除了O3-8 h，其他污染物浓度和AQI 每年在冬季出现峰值，夏季出现谷值，空气质量呈夏季最优，冬季最差特征，变化趋势从高到低依次为冬季、秋季、春季、夏季。O3-8 h浓度变化趋势与其他污染物浓度、AQI 变化趋势相反，变化趋势从高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季。逐年变化来看，O3-8 h、AQI 、PM2.5整体呈增加趋势，NO2、CO、SO2、PM10浓度整体呈减少趋势。

2）昌吉市主要出现以PM10、PM2.5、O3-8 h、NO2、CO、NO2和PM10、PM2.5和PM10、PM10和O3-8 h、NO2和O3-8 h 为首要污染物的天气，各年以PM10、PM2.5、O3-8 h 为首要污染物的天数最多。从各首要污染物出现天数来看，2015 年、2018 年以PM10为首要污染物的天数最多，2016 年、2017 年、2019 年以PM2.5为首要污染物的天数最多，2020 年、2021 年以O3-8 h为首要污染物的天数最多。空气质量指数类别为优的天数2016 年最多，最少值出现在2018 年。PM10、NO2为首要污染物的天数以及空气质量指数类别为优的天数整体呈减少趋势。PM2.5、O3-8 h、NO2和PM10为首要污染物的天数整体呈增多趋势，其中，O3-8 h 的增加速度最快。

3）昌吉市SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度和AQI与同期逐日平均气温、风速、最大风速、极大风速、降水量及日照时数均呈显著负相关，与同期的逐日相对湿度、气压呈显著正相关。最大风速风向度数、极大风速风向度数与SO2、PM2.5、PM10浓度和AQI 呈正相关，与NO2、CO 浓度呈负相关。O3-8 h 浓度的逐日变化除降水量外，其他与SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、AQI 的逐日变化相反，O3-8 h 浓度与平均气温、风速、最大风速、极大风速、日照时数呈显著正相关，与气压、最大风速风向度数、极大风速风向度数、相对湿度、降水量呈负相关，其中，与气压、相对湿度、降水量呈显著负相关。

3.2 讨论

1）昌吉市空气质量呈夏季最优，冬季最差的特点，有着明显的季节性变化，在各类污染物中，除了O3-8 h，其他污染物浓度和AQI 冬季最高，夏季最低，主要原因可能是冬季风速较小，静风出现频率较高，而且气温较低，大气层结稳定，容易产生逆温现象，不利于污染物的扩散；也可能是冬季气压较高，受高压控制时，近地面为低压，气流为下沉运动，不易形成降水，同时大气层结较稳定，不利于污染物的扩散，导致污染物浓度偏高，反之夏季气压较低，受低压控制时大气呈上升运动，有利于污染物的扩散，同时易形成降水，降水对空气中的颗粒物和其他污染物具有冲刷作用，从而降低了空气的污染程度，使SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、AQI 偏低。O3-8 h 浓度冬季最低，夏季最高，这可能是因为太阳辐射是O3发生光化学反应的重要条件，而气温能够较好地反映太阳辐射强度的变化，气温升高促进了光化学反应的进行，从而使O3-8 h 浓度随气温的升高而增大。大气中的水汽可以通过影响太阳辐射来影响O3发生光化学反应，在高相对湿度条件下，空气中的水汽使太阳紫外辐射衰减，导致生成O3的光化学反应减弱，从而降低O3的浓度，导致O3-8 h 浓度随相对湿度的增加而降低。空气中的相对湿度与降水量有密切关系，降雨天气较多则相对湿度增加、日照时数减少，这很可能是SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10浓度和AQI与气温、风速、降水量、日照时数呈负相关，与相对湿度、气压呈正相关，O3-8 h 浓度与降水量、相对湿度、气压呈负相关，与气温、风速、日照时数呈正相关的原因。

2）昌吉市各污染物中SO2、PM2.5、PM10浓度与风向度数呈正相关，表明随着风向度数的增加，SO2、PM2.5、PM10浓度和AQI 增加，说明在昌吉市刮西北、西南风时的SO2、PM2.5、PM10浓度和AQI 比刮东北、东南风时的高。NO2、CO、O3-8 h 浓度与最大风向度数、极大风向度数呈负相关，表明随着风向度数的增加，NO2、CO、O3-8 h 浓度降低，说明西北、西南风逐渐变成东北、东南风时NO2、CO、O3-8 h 浓度逐渐降低。风速和风向对污染物浓度有一定的影响，不同的风速决定污染物及前体物的输送效率或清除效率，而不同的风向决定污染物及前体物传输的方向。昌吉市污染物浓度随风向的变化有可能与工业园区污染物的远距离输送有关，也有可能受各季度盛行风的风向、风速和出现频率的影响，将外地的污染物与前体物输送至昌吉市，也可能是因为风向、风速影响区域内局部地区产生的污染物与前体物的输送和扩散导致产生昌吉市各季度和各方位污染物浓度分布不均匀的格局。

由于昌吉市对污染物浓度的监测工作起步较晚，监测站点相对较少且对应站点所匹配的气象观测数据不够全面，未来还有很多工作需要完善。本研究探讨了部分气象要素与气象污染物浓度和AQI之间的关系，受资料和研究范围所限，其他的相关问题如研究污染源、污染排放量、周边环境、大气环流和气象条件等对昌吉市空气污染的贡献，建立大气扩散模型，模拟环境空气的污染情况或预测未来的环境空气质量等，还有待进一步探讨。