西北部主要城市环境空气质量特征与预报影响因素分析

赵熠琳，王晓彦，汪 巍，原彩红，李 亮，潘本锋，王 帅，刘 冰

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 1000122.中国环境科学研究院，北京 100012

西北部主要城市环境空气质量特征与预报影响因素分析

赵熠琳1，王晓彦1，汪 巍1，原彩红2，李 亮1，潘本锋1，王 帅1，刘 冰1

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 1000122.中国环境科学研究院，北京 100012

西北部地区经济和工业的快速发展导致各项污染物排放对空气质量影响形势较为严峻，近几年频发的重污染过程严重影响了当地居民的生产生活，因此开展西北部主要城市的空气质量预报工作十分必要。研究选取西北部主要城市展开讨论、分析，并初步总结了主要城市2013—2015年的空气质量分布特征、预报影响因素、预报要点等，为环境监测系统预报工作人员在未来预报业务工作中提供参考。

预报；空气质量；分布特征；预报影响因素

中国西北部地区主要指包括陕西省、宁夏回族自治区、甘肃省、青海省和新疆维吾尔自治区在内的“三省两区”，该地区面积约为311万km2，占国土总面积约三分之一，该地区物产资源丰富，民族众多，在当前“一带一路”大开发的重要时期，无论是经济地位还是战略地位都凸显其重要性。

中国西北部的经济增长目前仍过度依赖第二产业(特别是重工业的发展)，高耗能、高污染的重工业发展过快、比重过高，工业废气、废水及固体废物的排放都有逐年上升的趋势，其中废气排放在2012、2013、2014年分别占全国总排放量的 6.52%、9.25%、13.14%[1]。根据2013—2015年环境空气质量监测结果显示，西北部城市的空气质量形势严峻，主要城市(西安、银川、兰州、西宁和乌鲁木齐等)出现空气质量重污染情况较多，对当地社会生活、交通和生产都有一定影响。

2013年国务院颁布了《大气污染防治行动计划》，对包括西北区域在内的主要城市提出了开展空气质量预报工作的明确要求，为大气污染防治、公共健康及空气质量达标计划提供强有力的支持。目前，全国各区域的重点城市新标准预报正在逐步开展。由于各种条件限制，西北大部分城市空气质量预报的研究工作还比较缺乏。本文从预报的基本原则出发，分析影响西北地区的地理、大气条件，污染来源等主要影响因素，试图为西北地区城市预报提供基础参考[2]。

1 西北部主要代表城市空气质量特征

以环境保护部正式公开发布的中国环境监测总站全国环境空气质量监测网的实时数据为基础，按照典型地理特征选取有代表性城市：乌鲁木齐市，位于准噶尔盆地以南，天山山系西段的西部，天山中段偏北，市区三面环山；西宁市，位于湟水谷地之中，属于河谷地形，四面环山，南、西、北三面被祁连山支脉环抱，东西狭长；兰州市，位于陇西黄土高原西部，是青藏高原向黄土高原的过渡地区，市区南北两侧被祁连山脉包围，黄河贯穿全市自西南流向东北，形成峡谷与盆地相间的串珠形河谷；银川市，位于黄河上游宁夏平原中部，东临黄河，西靠贺兰山，主要地形分为山地和平原2部分；西安市，地处渭河平原，又称关中平原或关中盆地，西邻太白山地，南临秦岭，北部为陕甘黄土高原边缘。以上5个城市涵盖了各种地形地貌特征，具有一定代表意义。

对上述5个城市2013—2015年的空气质量分布特征进行简要分析，结果如图1所示。

图1 2013—2015年西北5城市AQI日均值Fig.1 Five main cities’daily AQI data of northwest China from 2013 to 2015

1.1季节性特征

乌鲁木齐、西宁、兰州、银川和西安在采暖季(10月—次年4月)各项污染物浓度较非采暖季(5—9月)污染物浓度高。超标天数见表1。

表1 西北5个城市采暖季及非采暖季重污染天数Table 1 The number of days between heating and non-heating season of northwest China d

1.2颗粒物、SO2和O3的分布与季节、燃煤期和自然源有显著相关性

2013—2015年采暖季AQI指标污染超标期间，颗粒物浓度在1—4月和10—12月均明显高于5—9月，各重点城市PM2.5在采暖季的月均值要高于非采暖季1.84～5.61倍,PM10的月均值高1.73～4.22倍，2013—2015年PM2.5和PM10月均质量浓度变化详见图2、图3。

图2 2013—2015年PM2.5月均值对比Fig.2 PM2.5 monthly average data from 2013 to 2015

图3 2013—2015年PM10月均值对比Fig.3 PM10 monthly average data from 2013 to 2015

各重点城市以SO2为首要污染物的天数极少(表2)，只有银川出现SO2为首要污染物情况较多，且实况空气质量为二～三级，在2015年有明显改善，AQI指数范围为50～120之间；但是各重点城市的SO2监测日均值浓度同样呈现“U”字型特点，高浓度时间段与冬季采暖季(10月15日—次年4月15日)相重合，大多数月均值显示浓度有逐年下降的趋势(图4)。

表2 西北5个城市SO2为首要污染物天数Table 2 The number of dayswhich SO2 as theprimary pollutant of northwest China d

图4 2013—2015年重点城市SO2月均值对比Fig.4 SO2 monthly average data from 2013 to 2015

O3全年浓度变化趋势则呈现明显季节性特点，以乌鲁木齐和西安的实时监测数据特征表现最为突出，O3质量浓度随着温度的上升逐步升高，随着温度的下降而降低(图5)。

图5 2013—2105年O3月均值对比Fig.5 O3 monthly average data from 2013 to 2015

1.3自然源排放的季节特点

2013—2015年沙尘天气影响城市环境空气质量监测网的监测数据见表3，由表3可以看出，在2013—2015年期间，历年3—5月发生的重度级以上空气污染状况，绝大多数是由局地沙尘天气引起的。

表3 2013—2015年沙尘天气影响情况统计Table 3 Days, times and influence provincesby sandstorm in 2013—2015

2 预报影响因素分析

2.1地理和气候特点

西北三省两区的地势与中国中东部地区地势高度差距悬殊，地形复杂多样，主要以高原、山地、盆地为主，还相间分布了平川、冰川、河谷、沙漠、戈壁。这种特殊复杂的地形地貌和下垫面因素对气候形成的影响十分显著，主要影响因素还包括地形、冰雪覆盖和局地地面等特性。

西北干旱区位于内陆，远离海洋，年均降水量低，根据2015年气象数据统计乌鲁木齐年降水量为285.2 mm，西宁为398.2 mm，兰州为310 mm,银川为186.3 mm，西安为514.1mm[3]，综合其他干旱指标考虑，西北部大多数地区仍处于中度干旱。干旱的地理环境容易造成地表疏松，在强风的条件下容易造成沙尘暴和浮沉天气的出现。

沙尘天气是典型的大气颗粒物沉降现象，它作为一种流动的大面积污染源，是造成西北地区多数城市发生重污染事件的主要原因之一[4]，也是一种跨省区的大气污染现象，最远传输距离为430～2 500 km。每年的3—5月为沙尘天气的高发期，而造成单个城市小区域内空气质量受到明显影响且不会扩散到其他城市的局地性扬尘则在一年四季都会出现[5-6]，西北部地区沙尘暴以北部、西部发生频次较多。

通过分析2013—2015年3—5月日均浓度值的实时监测情况，PM2.5占PM10的比例均低于30%，在乌鲁木齐还出现PM2.5仅占PM10不到15%的情况，颗粒物污染主要成分为PM10及TSP，证明在这3个月内出现的以颗粒物为首要污染物的重污染过程主要原因为沙尘影响(图6)。

图6 2013—2015年3—5月PM10、PM2.5日均值浓度比例Fig.6 March to May’s concentration ratio of PM10 and PM2.5 from 2013 to 2015

2.2大气扩散条件特点

中国西北部地区由于地理位置原因，不仅受夏季的副热带天气系统以及低纬度天气系统影响，还受冬季温带天气系统和极地冷气团影响，加之内陆地区与海洋距离较远，5个代表城市周边都环绕高山，极易产生环流。图7是夏季(8月)和冬季(12月)中央气象台500 hPa高空图，西北部地区的大气特点主要为夏季受副热带峰区和青藏高原高压的影响多阵雨天气，高空偶尔会受到副高压的影响；冬季主要受外蒙古及西伯利亚低压冷空气影响，南部更多受到青藏高原影响，在有利的高空大气环流引导下形成向东南移动的影响整个西北地区气候的寒流。

图7 中央气象台500 hPa高空图8月和12月示例图Fig.7 August and December’s 500 hPa example meteorogram from CMA

低空受地面冷高压影响，部分地区或城市由于地形因素可能导致其受低空急流影响相较其他城市更为明显，尤其在局地具备干燥或前期缺少降水、以及疏松和温度回暖等地表条件时，极大可能生成小规模沙尘传输。

由于西北部地区地面全年以西北风和西南风为主，加之省会城市分处的特殊地理位置(盆地、河谷等地形地貌)，较其他地区更易产生区域静风、小风(风速<0.5 m/s为静风，0.5 m/s≤风速<1.5 m/s为小风)，对于大气污染物扩散不是很有利[7]。以兰州为例，在1961—2010年期间，静风、小风的年平均天数达到313 d，占全年的85%[8]。

由于混合层内平均垂直风速和混合层厚度的乘积可以反映混合层内垂直扰动情况。西北部地区春季和夏季的高层风较大，动量下传，混合层厚度较秋季和冬季高，垂直对流较为强烈，更利于污染物的扩散和稀释，秋季和冬季的混合层厚度较低，垂直湍流较弱，对于污染物的垂直扩散不利。

2.3污染源特点

自2000年西部大开发以来，西北部区域工业经济发展水平有明显提高，但是相对而言，废气排放总量亦呈现明显上升趋势，根据全国第一次污染源普查数据显示，仅在2008年工业废气排放总量较2007年就增长明显，全区4项主要污染物(化学需氧量、氨氮、SO2、氮氧化物)排放量分别为56.02、4.03、 66.80、63.73万t。

西北部地区秸秆资源分布差异较大，陕西年产秸秆量约3 100万t，甘肃约2 500万t，宁夏约485万t，新疆约834万t[9]。当农作物收割以后，部分秸秆产量较多的地区会选择焚烧方式处理秸秆，由于秸秆产量和地形原因，秸秆焚烧可能对西北关中地区空气质量影响较大。

3 预报要点分析

根据西北部空气质量情况，污染物浓度分布特征及影响因素的分析，各城市在进行日常预报业务工作中应注意的预报要点如下。

3.1以时间为主线

春季以大气排放影响导致空气质量重污染的情况较多，所以预报过程应注意是否满足沙尘生成前提条件，如出现冬季干旱、降水降雪量低导致的地表疏松等起沙条件，伴随影响西北部地区的850 hPa低空激流活动频繁，具备传输条件时，应在日常预报业务过程中随时关注突发性沙尘影响导致短期过境的以PM10为首要污染物的区域性重污染过程预报预警。

夏季由于西北部地区的地势从西向东由高到低，南疆和甘肃酒泉地区地势高度可达1 300 m，而青海及陇南部分地区较低，大约为500 m，有利于本地排放污染物的扩散，但由于受副热带高压及青藏高原高压的影响，在高温天气过程中应着重考虑本地O3污染。

秋季和冬季的空气质量比春季和夏季明显较差，主要原因为大气混合层厚度较低，垂直湍流较弱，混合层对污染物的垂直扩散非常不利，同时由于西北地区更早进入采暖期，采暖期内(10月—次年4月)的燃煤排放等都易导致以PM2.5为首要污染物的重污染天气形成；当受到外蒙古及西伯利亚低压冷空气影响时，污染物扩散有利，空气质量可得到一定改善。

3.2主要以污染过程为主线

因为地-气相互作用的界面上持续进行着物质、能量和水分的交换，这些因素时刻影响着一个城市的空气质量[10-11]，所以预报工作中分析扩散条件时应注意，区域范围处在静稳条件覆盖时，气象条件不利于污染物扩散，易形成由本地人为排放污染物累积导致的污染过程，本地人为排放较高时还有可能形成区域性污染物传输。

区域范围处在低空急流条件覆盖时，则需关注是否具备起沙条件，当传输条件与起沙条件同时具备时，应留意研判上述条件增加和适时增加过程性或突发性沙尘影响短期PM10污染。

4 结论

依据2013—2015年全国环境空气质量监测网的实时监测结果特征分析，西北部主要城市环境空气质量及各项污染物分布均呈现明显的季节性特征，主要的影响因素包括地理、气候、大气扩散条件及污染源排放等。综上考虑，西北部空气质量预报应注意的要点为春季主要考虑短时或过程性沙尘及秸秆焚烧影响预报，夏季关注本地O3污染，秋季和冬季着重关注采暖期排放以及不利的大气扩散条件导致的重污染天气过程。

[1] 古冰.西部大开发以来西部地区工业污染研究[J].云南社会科学，2010,4:40-44.

GU Bing. Research on industrial pollution in Western China since the western development[J]. Social Sciences in Yunnan,2010,4:40-44.

[2] 刘冰,赵熠琳，YU Fangqun,等. 高效率颗粒物为物理模型简介与重污染过程应用分析[J].中国环境监测,2015,31(1):1-7.

LIU Bing, ZHAO Yilin, YU Fangqun, et al. Advanced aerosol microphysics model and application in heavy air pollution in China[J]. Environmental Monitoring in China,2015,31(1):1-7.

[3] 党碧玲.西安地区近50年降水量的统计分析[J].西北大学学报：自然科学版，2011,41(1):139-144.

DANG Biling.Statistical analysis on precipitation in Xi'an Region during the last 50 years[J]. Journal of Northwest University：Natural Science Edition,2011,41(1):139-144.

[4] 郭勇涛. 沙尘天气对我国北方和邻国日本大气环境影响的初步研究[D].兰州:兰州大学,2013.

[5] 汪巍,高愈霄,赵熠琳,等.中小城市空气质量预报试验与问题研究[J].中国环境监测,2015,31(6):134-138.

WANG Wei, GAO Yuxiao, ZHAO Yilin, et al. Analysis on the experiment and problems of air quality forecast in small andmedium-sized cities in China[J]. Environmental Monitoring in China, 2015,31(6):134-138.

[6] 万本太,康晓风,张建辉,等.基于颗粒物浓度的沙尘天气分级标准研究[J].中国环境监测,2004,20(3):8-11.

WAN Bentai, KANG Xiaofeng,ZHANG Jianhui, et al. Research on classification of dust and sand storm basic on particular concentration[J]. Environmental Monitoring in China,2004,20(3):8-11.

[7] 高彩艳.中国西部三城市工业能源消费与大气污染现状[J].兰州大学学报：自然科学版,2014,4(50):240-244.

GAO Caiyan.Status of industrial energy consumption and air pollution of threecities in Western China[J]. Journal of Lanzhou University：Natural Sciences Edition,2014,4(50):240-244.

[8] 杨小银.西北地区(甘青新)大气环境现状分析研究[D].兰州:兰州大学,2014.

[9] 土流网.西北地区秸秆资源分布[EB/OL]. (2016-03-31)[2016-12-18].http://www.tuliu.com/read-25048.html.

[10] 陈继伟,左洪超,王介民,等. LAS在西北干旱区荒漠均匀下垫面的观测研究[J].高原气象,2013,32(1):56-64.

CHEN Jiwei, ZUO Hongchao, WANG Jiemin, et al. Study on LAS uniform underlying surface in desert of Northwest China[J]. Plateau Meteorology,2013,32(1):56-64.

[11] 孙韧,刘伟,张赞,等.城市典型气象条件与大气颗粒物污染之间的关系[J].中国环境监测，2005，21(2)：80-83.

SUN Ren,LIU Wei,ZHANG Zan,et al. The relationship between the typical urban meteorological and the particulate matter pollution[J]. Environmental Monitoring in China,2005，21(2)：80-83.

AnalysisontheImpactFactorsofAirQualityCharacteristicsandForecastofMajorCitiesinTheNorthwestofChina

ZHAO Yilin1,WANG Xiaoyan1,WANG Wei1,YUAN Caihong2,LI Liang1,PAN Benfeng1,WANG Shuai1,LIU Bing1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

The pollution of air quality situation in the Northwest of China is grim because of the rapid development of regional economy and industry. Frequent heavy pollution has seriously affect the production and life of local residents in recent years, to carry out the air forecast for the major city in the Northwest of China is very necessary. The air quality data of the major cities in the Northwest of China in past three years was selected in the paper, to discuss, analyze and summarize the air quality distribution characteristics, forecast the impact factors and forecast precautions of the major cities, The result might provide reference on air forecasting work of environmental monitoring system in the future.

forecast;air quality;distribution characteristics;impact factors of forecast

X84

A

1002-6002(2017)05- 0082- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.12

2016-12-16;

2017-01-09

科技部2015年度环境保护公益性行业科研专项“多尺度空气质量预报对接技术与业务示范研究”(201509014)

赵熠琳(1986-)，女，北京人，硕士，工程师。

刘 冰