2014-2015年新疆库尔勒市空气质量的时空分布特征

巩 庆,范金霞,林 卫,杨兴华

(1.库尔勒市气象局,新疆 库尔勒841000;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆 乌鲁木齐830002)

2014-2015年新疆库尔勒市空气质量的时空分布特征

巩 庆1,2,范金霞1,2,林 卫1,2,杨兴华2

(1.库尔勒市气象局,新疆 库尔勒841000;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆 乌鲁木齐830002)

利用库尔勒市2014年9月1日-2015年8月31日州政府、棉纺厂、开发区3个环境监测站逐时观测资料,分析库尔勒市空气质量等级、首要污染物的时空分布和污染事件发生的日变化特征.结果表明:(1)3站污染等级的空气质量出现频率分别为49.4%、40.9%和34.7%,呈州政府gt;棉纺厂gt;开发区的分布趋势.3站污染等级的空气质量均是春季出现频率最高,分别占到44.7%,39.4%和48.5%,其次为秋季、冬季和夏季;(2)库尔勒市首要污染物中,PM10的频率最高,其次为PM2.5,CO、NO2、O3及SO2出现频率均低于10.0%.PM10作为首要污染物在春季出现频率最高,3站出现频率为33.9%～36.3%,PM2.5则是冬季出现频率最高,3站出现频率为59.1%～86.4%;(3)库尔勒市污染事件和重污染事件发生频率呈现傍晚与夜间高,白天低的变化趋势.污染事件发生频率最高值出现在0:00,最低值出现在6:00-7:00,重污染天时延迟到9:00.

空气质量等级;首要污染物;时空分布;库尔勒市;污染事件频率

大气污染是影响气候变化、社会环境、居民健康和社会经济发展的重大科学问题,是当前全球性关注的热点及前沿问题[1-3].由于其与经济建设以及人民生活息息相关,因而政府和人民关注的重大民生问题.近年来,随着我国经济的迅速发展,大气污染问题日益严峻.中国2015年环境公报表明,全国338个地级市,空气质量超标的城市达78.4%[4].国际经合组织(OECD)2014年报告指出我国每年因大气污染死亡人数达120多万,经济损失约达1.4万亿美元[5].鉴于此,党中央、国务院及地方政府把改善空气质量、控制空气污染作为重要任务.国务院于2013年9月10日公布了《大气污染防治行动计划》,并于2016年1月1日实施了新修订的《大气污染防治法》,可见大气污染问题已经上升到国家战略.

新疆城市空气质量研究主要集中于乌鲁木齐的大气污染研究.在乌鲁木齐大气污染时空分布特征[6]、污染物源解析[7]、污染原因[8]、对居民身体健康的影响[9]、对经济的影响[10]及综合治理效果评估[11]等方面开展了大量卓有成效的研究工作.库尔勒市是新疆巴音郭楞蒙古自治州的政治、经济、文化中心,又是南北疆重要的交通枢纽和物资集散地,在新疆具有重要的战略地位.随着库尔勒市经济、社会的发展,大气污染问题日益严峻.巴州2014-2015年环境公报指出库尔勒市年均污染事件发生日数165 d,中、重度以上污染事件达73 d[12-13].这不仅对当地的社会环境、经济发展和人民生活质量产生了重大影响,也影响着库尔勒市作为国家级卫生城市、全国文明城市及全国优秀旅游城市的城市形象.有关库尔勒市大气污染的研究开展的较少,前期的工作主要集中在大气污染成因及对策分析[14]或库尔勒全市平均污染特征研究[15];即使进行了时空特征研究,但监测污染物种类仅有TSP、SO2、NO2,污染程度也未按照环保部门统一的空气污染指数(AQI指数)划分,且缺少首要污染物的分析[16].因此,有必要根据环保部门提供的标准监测数据,按照AQI指数划分大气污染程度,探讨库尔勒市空气质量等级及首要污染物的时空演变特征,为政府部门制定相关政策提供参考,为提升人们对居住城市大气环境现状的认知服务,也是对前期相关研究工作的补充与完善.

1 研究区概况

库尔勒市地处天山以南,塔里木盆地的东北部,是古丝绸之路中道的咽喉之地和西域文化的发源地之一.全市行政区域面积7268 km2,东西长127 km,南北宽105 km,常住人口55万人.该地区气候干燥,降水稀少,属暖温带大陆性干旱气候.多年气象观测数据表明该市年降水量为57.5 mm,而蒸发量达2700 mm;年平均气温11.7℃,极端最低气温为-25.3℃,极端高温达 40.0℃;年沙尘天气47.1 d,常年盛行东北风.

2 数据和方法

文中所用空气质量监测数据为库尔勒市环保局在城区设置的州政府、棉纺厂和开发区3个环境监测站(图1)2014年9月1日-2015年8月31日逐时浓度资料.其中,州政府监测点属于商业区、市中心,人口密集、人类活动聚集量大;棉纺厂属于工业区,工业生产排放源较为集中;开发区属于住宅区,污染物排放源少于商业区或工业区.各站点监测内容包括 CO、NO2、O3、PM10、PM2.5、SO2;空气质量等级根据空气质量指数(AQI)划分为6个等级,一级优(0lt;AQI≤50)、二级良(50lt;AQI≤100)、三级轻度污染(100lt;AQII≤150)、四级中度污染(150lt;AQI≤200)、五级重度污染(200lt;AQI≤300)、六级严重污染(AQIgt;300).将监测数据导入到Excel软件中,利用其筛选功能,分别统计出三站不同空气质量等级所占百分比、各首要污染物出现的百分比及不同时刻污染事件发生的频率,然后利用Origin软件进行绘图分析.

图1 库尔勒市环境监测站位置

3 结果分析

3.1 空气质量等级时空分布

图2给出了库尔勒市3个监测点空气质量等级分布情况.总体上库尔勒市良好等级的空气质量所占比例最高,州政府、棉纺厂及开发区3站的比例分别为44.8%、48.0%和59.1%;其次为轻度污染等级的空气质量,3站出现的比例均在20.0%左右;3站优、中度污染、重度污染和严重污染等级的空气质量均在10.0%左右或以下.比较3站不同等级污染的空气质量出现频率可以发现,严重污染等级的空气质量除外,呈现州政府gt;棉纺厂gt;开发区的分布趋势.3站总的污染等级的空气质量出现频率分别为49.4%、40.9%和34.7%,也呈现为州政府gt;棉纺厂gt;开发区的变化趋势.

库尔勒市空气质量污染等级的空间分布与3个监测站点所在地功能区定位密切相关.州政府属于商业区、市中心,人口密集、人类活动聚集量大,导致车流量较大、餐饮业聚集,污染物排放源较多,所以污染等级的空气质量出现频率最高;棉纺厂属于工业区,工业生产排放源也较为集中,所以污染等级的空气质量出现频率也较高;开发区属于住宅区,污染物排放源少于商业区或工业区,所以污染等级的空气质量出现频率最低.

图2 库尔勒市3个测站空气污染等级空间分布

表1给出了库尔勒市3个监测点空气质量等级季节变化.一级优和二级良等级的空气质量在州政府和棉纺厂两个测点均为夏季出现频率最高,分别占到了44.8%和39.6%,其次为春季、秋季,冬季出现频率最低;开发区测点则是秋季出现频率最高,达到30.9%,其次为冬季、夏季和春季.这种空间分布差异应该与开发区测点所处位置有关,开发区测点位于库尔勒市东部,接近城市边缘.库尔勒市东部主要为戈壁荒漠,春夏季多发的阵性风将沙尘颗粒物输送到大气中,直接影响开发区测点周边的空气质量,但由于是非系统性天气形成的沙尘天气,其影响范围有限,故又对州政府与棉纺厂测点的影响较小,这与表2和图3中开发区测点首要污染物PM10出现频率最高的现象一致.三级至六级污染等级的空气质量三站均是春季出现频率最高,分别为44.7%、39.4%和48.5%,这与库尔勒市春季沙尘天气多发有关[17],其次均为秋季、冬季和夏季.

表1 库尔勒市3个测站空气质量等级季节分布 %

3.2 首要污染物时空分布

图3给出了库尔勒市3个监测点首要污染物出现频率.州政府、棉纺厂及开发区3个监测点出现频率最高的首要污染物均为PM10,所占比例分别为51.4%、61.2%和66.0%,呈现距离沙尘排放源地越远,出现频率越低的变化趋势.PM2.5为出现频率排名第二位的首要污染物(开发区测点除外),3个监测点出现频率分别为29.5%、22.5%和10.8%,与PM10空间变化恰恰相反;CO出现频率的空间变化与PM2.5一致,这与PM2.5和CO主要由车辆尾气、工业生产、冬季供暖排放有关.州政府测点车流量较大、餐饮业聚集,PM2.5和CO的排放源较多,棉纺厂测点的工业生产也是PM2.5的重要排放源.其他首要污染物如NO2、O3(开发区测点除外)及SO2出现频率都较低,均低于10.0%;3个测点的 SO2均低于1.0%.综合上述分析可以发现库尔勒市首要污染物出现频率有两大特点,一是颗粒物是库尔勒市当前最主要的污染物,这与张慧岚[16]等人的研究结果一致,说明近年来库尔勒市颗粒物排放(包括自然和人为排放)控制工作效果并不理想;二是SO2作为首要污染物的出现频率极低,这与张慧岚[16]等人的研究结果存在一定差异.本文的结果表明库尔勒市能源使用结构上发生了较大调整或者脱硫工艺的应用效果较好,库尔勒市的空气污染由自然沙尘与煤烟混合型逐渐转为自然沙尘型.

图3 库尔勒市3个测站首要污染物空间分布

表2给出了库尔勒市3个监测点各首要污染物季节变化.3个测点中,出现频率最高的首要污染物PM10均是春季所占比重最大,占到33.9%～36.3%,与库尔勒市沙尘天气多发生在春季一致[17].3个测点中,PM2.5则是冬季出现频率最高,占到59.1%～86.4%,这与冬季供暖,锅炉燃烧排放有关.CO的最高频率均出现在夏季,其次为冬季(州政府站为秋季),两季分别占到全年的60.2%、75.1%和93.9%,这与库尔勒市夏季露天烧烤排放、车辆排放及冬季供暖排放有关,但是州政府测点秋季CO出现频率却高达39.6%,原因不得而知.NO2在棉纺厂和开发区测点均为秋季频率最高,其次为冬季,两季分别占到全年的63.4%、71.6%,州政府测点的最高频率则出现在夏季,其次为秋季.3个测点SO2的季节变化与NO2类似,也是棉纺厂和开发区测点均为秋季频率最高,其次为冬季,两季分别占到全年的92.8%、72.8%,州政府测点的最高频率则出现在夏季,其次为秋季.O3在3个测点中均是夏季频率最高,其次为春季,两季分别占到全年的94.8%、99.4%和89.2%.

表2 库尔勒市各首要污染物季节分布 %

3.3 污染事件发生频率的日变化

图4给出了库尔勒市污染和重污染事件发生频率的日变化.总体而言,3个监测点污染事件和重污染事件发生频率均是傍晚与夜间高,白天低.具体而言,3站污染天气发生频率在0:00达到最大,随后呈现波动式下降,在06:00-07:00降到一天中的最低值,然后呈现缓慢上升趋势,在13:00达到一个小的峰值,随后又呈现缓慢下降趋势,在19:00达到全天除去06:00-07:00后的另一个低值,然后再次呈现上升趋势.重污染事件发生频率日变化基本上与污染事件一致,在日最高值和最低值出现时间上存在差异.州政府测点最高值发生在22:00,棉纺厂和开发区测点出现在20:00,日最低值3个测点均出现在9:00.污染事件发生频率日变化与人类活动、污染源排放及气象条件密切相关.一般而言,经过一白天的人类活动及各种污染源排放,在傍晚至夜间污染物得以积累,而且傍晚至夜间大气层结较为稳定,不利于污染物的扩散,故污染事件多发生在傍晚与夜间;夜间人类活动减少、污染物排放活动降低,白天积累的污染物经过夜间的扩散与沉降,在早晨6:00-7:00降至最低(严重污染时,污染物扩散或沉降的时间延长,滞后至9:00),污染事件出现频率也降至一天中的最低点;6:00-7:00后人类活动开始活跃,污染物排放活动增加,污染事件发生频率缓慢增加;经过上午的积累及13:00左右的人类活动较为集中,污染事件的发生频率在此时段出现一个小的峰值,且午后气象条件利于污染的持续扩散[18],污染事件的发生频率再次呈现缓慢的下降趋势;傍晚20:00左右,由于下班高峰,车流、人流激增,污染物排放加剧,且傍晚至夜间大气对污染物的扩散能力也在减弱,污染事件的发生频率迅速升高,在0:00达到高峰.如果傍晚20:00左右污染物排放的加剧,叠加上极不利的气象条件,那么重污染事件发生的几率就会迅速增加,故重污染事件发生频率的高峰一般出现在20:00-22:00.

图4 库尔勒市污染和重污染事件发生频率日变化

4 结论

利用库尔勒市2014年9月1日-2015年8月31日3个环境监测站逐时观测资料,分析了库尔勒市空气质量等级时空分布、首要污染物时空分布及污染事件发生频率的日变化.得到如下结论:

(1)库尔勒市商业区、工业区和居住区污染等级的空气质量出现频率分别为49.4%、40.9%和34.7%,呈现商业区gt;工业区gt;居住区的分布趋势.3个监测站点污染等级的空气质量均是春季出现频率最高,分别占到44.7%,39.4%和48.5%;

(2)3个监测站点的首要污染物中,均是PM10的频率最高,其次为 PM2.5,CO、NO2、O3及 SO2.PM10作为首要污染物在春季出现频率最高,3站出现频率为33.9%～36.3%;PM2.5则是冬季出现频率最高,3站出现频率为59.1%～86.4%;

(3)库尔勒市污染事件和重污染事件发生频率呈现傍晚与夜间高,白天低的变化趋势.污染事件发生频率最高值出现在0:00,最低值出现在6:00-7:00,重污染天时延迟到9:00.

上述结果表明,空气质量与城市功能区的划分,与人类活动或工业生产活动的集中度关系密切,因此在城市建设或规划中,要合理划分功能区,均匀分配城市功能,尽量减少人类活动的集中度,降低污染源排放的聚集度.从库尔勒市首要污染物PM10所占比重可以发现该市空气质量受周边自然环境的影响不容忽视,因此城市外围区生态环境亟待改善,应加强植树造林,增加绿化面积,以减弱自然污染源的排放.

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Spatial and Temporal Distribution of Air Quality Levels and Primary Pollutant in Korla City,Xinjiang

GONG Qing1,2,FAN Jinxia1,2,LIN Wei1,2,YANG Xinghua2
(1 Korla Meteorological Bureau,Korla 841000,China;2 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 830002,China)

Air quality has a close relationship with economic construction and people's living,which is an important social problem concerned by the Government and people.In this study,spatial and temporal distribution of air quality levels and primary pollutant of Korla city,and daily variation of pollution weather were studied based on the environmental monitoring data of State Government,Cotton Textile Company and Economic Development Zone stations.Some preliminary conclusions as follows:(1)Frequencies of pollution weather were 49.4%、40.9%and 34.7%for three stations,according with the change law:the State Government'sgt;the Cotton Textile's Companygt;the Economic Development Zone's.The largest frequencies of pollution weather all occurred in Spring for three stations,accounting for 44.7%,39.4%and 48.5%,followed by Autumn,Winter and Summer.(2)Frequency of PM10 was the largest of primary pollutants in Korla city,followed by PM2.5.The frequencies of CO,NO2,O3and SO2were all lower than 10.0%.The largest frequencies of PM10occurred in Spring for three stations,accounting for 33.9%～36.3%,while that of PM2.5occurred in Autumn,accounting for 59.1%～86.4%.(3)The frequencies of pollution weather and heavy pollution weather accorded with the change law:higher frequency occurred in the evening and at night,lower frequency occurred during daytime.The largest frequency of pollution weather occurred at 0:00,the lowest value appeared during 6:00-7:00,and the time would delay to 9:00 when heavy pollution weather occurred.The study indicated that the emissions and transports of natural pollution sources from the surrounding regions of Korla city had great influences on air quality during Spring.

air quality level;primary pollutant;spatial and temporal distribution;Korla city;frequency of contamination accident

X820.2

A

1002-0799(2017)05-0077-06

巩庆,范金霞,林卫,等.2014-2015年新疆库尔勒市空气质量的时空分布特征[J].沙漠与绿洲气象,2017,11(5):77-82.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.011

2017-03-22;

2017-04-01

库尔勒市重点科技项目(2017-07)资助.

巩庆(1974-),男,工程师,主要从事综合气象观测及大气环境方面的研究.E-mail:13579016016@163.com