张家口市空气质量变化特征及其与气象要素的关系分析

李 越，李幸璐

张家口市气象局，河北张家口 075000

21世纪以来，随着全球经济的突飞猛进，人类对能源的需求量与消耗量与日俱增，不仅严重破坏了人类赖以生存的生态环境，还导致土壤污染、水污染与大气污染等愈演愈烈。作为人类生存的必需品之一，空气的质量与大众生活及身体健康等密切相关。影响空气质量的因素很多，主要包括大气污染物排放、气象条件与下垫面状况等[1]。

近年来，随着大气污染现象的日趋严重，诸多大气科学研究者针对大气污染开展了大量的研究工作，均显示空气质量状况与气象条件之间的关系密切。其中，周兆媛等[2]运用空气污染指数(Air Pollution Index，API)与关键气象因子，重点分析了京津冀地区API与各气象因子之间的关系，后应用气候模式结果研究了未来气象因子变化对空气质量的影响；郭黎等[3]采用数理统计法分析了2015—2018年黄冈市空气质量特征及其与气象要素之间的关系。

张家口市(113°50′～116°30′E，39°30′～42°10′N)地处河北省西北部，区域内空气质量相对较好，然而张家口市冬季漫长而寒冷，且采暖期较长，对空气质量的影响较为显著。作为冀西北地区的中心城市，张家口市经济与城市的快速发展为冀西北地区经济发展起到了极大程度的推动作用，然而由此引发的空气质量问题也日益严峻。特别是进入采暖期之后，张家口市空气质量问题更是凸显。

空气污染不仅会导致高速公路、机场等封闭，部分公交线路停运，全市中小学全面停课，还会导致呼吸疾病患病率剧增，对大众日常生产生活与生命健康安全的影响及危害不容忽视[4]。因此，全面掌握张家口市空气质量变化特征，了解空气质量与气象要素之间的关系等非常重要。

选用张家口市2014—2019年逐日空气质量指数(AQI)数据，重点分析了该地区空气质量指数的年、季与月变化特征，并与主要气象要素相结合，探析了空气质量指数与气象要素之间的关系，旨在全面掌握张家口市空气质量状况，保护人们赖以生存的生态环境，保障人们生命安全[5]。

1 资料来源

2012年国家环保部门重新规定了空气质量描述指标，结合《环境空气质量指数(AQI)技术规定》，选用空气质量指数(AQI)这一指标用于判定空气质量。按照规定将AQI划分为以下几个等级(表1)。由表1可知，AQI的数值越大则代表空气污染越严重，对人们日常生产生活及身体健康的危害也更为严重[6]。

表1 AQI等级划分

空气质量资料来源于张家口市环保中心，时间为2014年1月—2019年12月，主要大气污染物包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO与O3六种。气象资料主要源于张家口市气象局，时间为2014年1月至2019年12月，主要包括日平均气温、日最高(低)气温、相对湿度、24 h降水量、风向风速等气象要素。

2 张家口市空气质量变化特征分析

2.1 空气质量总体特征分析

2.1.1 AQI的年际变化特征计算2014—2019年张家口市逐日AQI数据可见，这一时间段内张家口市年平均AQI分别 为72.77、75.33、77.23、77.77、64.64、70.08(图1)。由此可见，近6年来张家口市整体空气质量水平均为良。同时，张家口市年平均AQI随着年份的增加而呈现出减少趋势，其空气质量呈逐年好转趋势

图1 2014—2019年张家口市年平均AQI的变化趋势

为深入研究张家口市空气质量变化特征，参照表1针对张家口市空气质量进行分级，得出图2。结合图2可见，2014—2019年张家口市空气质量以优良等级为主。

图2 2014—2019年张家口市逐年空气质量等级日数分布

空气质量为优的天数累计出现557 d，占比25.76%。随着年份的递增，张家口市空气质量为优的天数呈减少趋势，其峰值与谷值分别出现在2014年与2016年，分别为117、74 d；空气质量为良的天数累计出现1 226 d，占比56.71%。随着年份的递增，张家口市空气质量为良的天数呈减少趋势，其峰值与谷值分别出现在2015年与2014年，分别为215、195 d；轻度污染的天数累计出现317 d，占比14.66%。随着年份的递增，张家口市轻度污染天数呈增加趋势，其峰值与谷值分别出现在2016年与2014年，分别为69、35 d。

相较而言，2014—2019年张家口市中度、重度与严重污染日数较少，累计出现62 d，尤其是重度与严重污染更少，累计出现14 d。

2.1.2 AQI季节变化特征2014—2019年张家口市夏季空气质量最差，春季次之，而秋季空气质量最好，且各季节空气质量均为良。分析各季节空气质量的变化趋势可见，春季与冬季平均AQI随着年份的增加呈减少趋势，空气质量呈好转趋势；而夏季与秋季平均AQI则有所增加，空气质量逐渐变差(表2)。

表2 2014—2019年张家口市各季节AQI统计

2.1.3 AQI的月变化特征张家口市逐月平均AQI呈两头低中间高的分布特征。各月份平均AQI均低于100，表明张家口市空气质量大多数时间均位于优良水平，整体空气质量相对较好。5月、6月与7月为一年当中月平均AQI最高的月份，其他时间段相对平稳，即张家口市春季与夏季空气污染较为严重，而秋冬季节倾向良好。以7月份平均AQI最高，达91.2；6月份次之为91.0；12月份平均AQI最低为58.5(图3)。

图3 2014—2019年张家口市月平均AQI的变化趋势图

2.2 污染物变化特征分析

2.2.1 空气污染物的年际变化据统计，2014—2019年张家口市空气污染物主要包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3等，其平均质量浓度依次为30.14、70.83、24.90、24.58、99.50，以O3的质量浓度最高，NO2最低。分析各种空气污染物的年际变化趋势可见，随着年份的递增，除O3的质量浓度呈上升趋势外，其他污染物均呈不同程度的下降趋势。以SO2的变化趋势最显著，PM10次之。相对而言，NO2的变化趋势较为平缓(图4)。

图4 2014—2019年张家口市各种空气污染物的年际变化趋势图

2.2.2 空气污染物的季节性变化特征统计各个季节张家口市各种空气污染物的质量浓度可知，PM2.5与S02浓度为冬季最高，夏季最低；O3的浓度为夏季最高，而冬季最低；PM10质量浓度为春季最高，而夏季最低；NO2的质量浓度为秋冬季较高，而夏季最低(图5)。究其原因，SO2、NO2等主要源于燃烧排放，秋冬季节取暖增多导致此类污染物浓度较高。O3主要来源于自然臭氧与汽车尾气，且极易受到高温天气的影响，因此夏季浓度较高[7]。

图5 2014—2019年张家口市空气污染物季节变化特征

3 空气质量与气象要素的关系

3.1 空气质量与温度的关系

一般情况下，近地层空气温度与空气质量密切相关。空气温度＜0 ℃时，出现污染天气的频次最高。冬季与春季光照较少且持续时间较短，且大气温度较低，大气流活跃性较弱，污染物无法有效扩散，极易引发空气污染现象[8]。春初或秋末冬初，日平均气温为10～15 ℃时，极易出现中度甚至重度污染天气；春末夏初，日平均气温为20～30 ℃时，其污染频率最高，但均表现为轻度与中度污染；空气温度＞30 ℃时，此时正值夏季，风速较低，不利于污染物扩散，污染现象也较为严峻，空气质量不容乐观。

3.2 空气质量与降水的关系

降水与空气质量优良率息息相关，强降水对空气污染物具有一定的沉降作用。一般情况下，降水天气条件下空气质量优良率均超出90%。同时，随着降水强度的增强，空气质量优良率也有所上升。这主要是由于降水能够对空气起到一定的洗刷效果，降低大气污染物浓度，减少污染天气的出现频次，进而提高空气质量[9]。

3.3 空气质量与相对湿度的关系

当空气当中相对湿度较低时，大风极易吹起地表粉尘与建筑粉尘，它们极易结合大气当中的水汽形成烟雾，此类烟雾很难扩散且不易沉降，导致空气质量显著下降。当空气湿度较大时往往伴随着雨雪天气现象，可以有效冲刷大气污染物，进而提高空气质量。

3.4 空气质量与风速的关系

通常情况下，风速越大，空气流动性越强，大气具备良好的扩散条件，为大气污染物的扩散与稀释创造了良好条件，对改善空气质量的作用显著。

4 结论

分析2014—2019年张家口市空气质量变化特征及其与气象要素的关系，得出以下结论。

(1)2014—2019年张家口市整体空气质量水平均为良。年平均AQI随着年份的增加而呈现出减少趋势，其空气质量呈逐年好转趋势。张家口市空气质量以优、良及轻度污染为主，其中空气质量为优、良的天数均呈不同程度的减少趋势，轻度污染天数则呈一定的增加趋势，出现中度、重度与严重污染日数较少。相对而言，夏季空气质量最差，秋季空气质量最好。7月份空气质量最差。

(2)张家口市空气污染物主要包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3等，除O3的质量浓度呈上升趋势外，其他污染物均呈不同程度的下降趋势。PM2.5与SO2浓度为冬季最高，夏季最低；O3的浓度为夏季最高，而冬季最低；PM10质量浓度为春季最高，而夏季最低；NO2的质量浓度为秋冬季较高，而夏季最低。

(3)张家口市空气质量变化与温度、降水、相对湿度与风速等气象要素均密切相关，且与以上气象要素均呈负相关关系。