新疆大气颗粒物的时空分布特征

谢运兴，唐 晓，郭宇宏，林彩燕，吴煌坚，卢苗苗，王自发

1.中国科学院大气物理研究所，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029 2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049 3.新疆维吾尔自治区环境监测总站，新疆 乌鲁木齐 830002 4.中国民用航空局空中交通管理局航空气象中心，北京 100122

大气颗粒物可根据空气动力学直径分为总悬浮颗粒物(TSP)，可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)[1]。大气颗粒物通过其构成组分的作用，可产生许多重要的环境影响，如能见度降低，改变辐射强迫直接或间接地影响气候变化，并且导致人体健康受损[2-6]。随着我国经济的快速发展，大气污染问题变得非常严重[7-11]，2015年全国338个地级以上城市，PM10和PM2.5年均浓度超标比例分别高达65.4%和77.5%，超标比例远高于SO2、NO2、CO和O3。大气颗粒物污染作为我国首要的污染问题，已经引起学者和社会公众的极大关注。中国已有大量的大气颗粒物污染研究，包括华北地区、长三角地区、珠三角地区以及西安、成都和武汉等主要城市[12-17]。

QU等[18]指出，通常人口众多、工业发达的城市PM10污染问题容易受到关注，而地理上处于盆地周边的城市，虽有更高的PM10浓度，但关注度不如前者。新疆作为我国面积最大的自治区，有塔里木盆地、吐鲁番盆地和准噶尔盆地三大盆地，加之干旱半干旱地区的温带大陆性气候使得新疆干燥少雨，大气颗粒物污染问题更为严重。根据《2015年新疆维吾尔自治区环境状况公报》，新疆全区开展的19个城市空气质量监测中，乌鲁木齐等15个城市空气质量未达国家二级标准，占79%，新疆以大气颗粒物污染为主。郭宇宏等[19]分析了2011年4—5月新疆部分城市的可吸入颗粒物浓度及粒径分布特征，结果表明，阿克苏和库尔勒市大气颗粒物浓度受周边环境影响较强，且库尔勒市大气颗粒物以粒径小于1.2 μm的积聚模态为主。乌鲁木齐作为新疆首府，人口较多，经济相对发达，大气污染较为复杂，是新疆大气颗粒物污染严重的城市之一。ZHAO等[20]发现乌鲁木齐的大气颗粒物基本来自煤燃烧，来自土壤的扬尘占比很少。同时许多学者也对乌鲁木齐大气颗粒物的时空变化特征和来源解析等方面进行了深入研究[21-23]。对新疆其他城市地区的研究中，大多也都是对城市地区大气颗粒物变化特征与气象要素之间的关系进行分析[24-25]。但众多研究多针对新疆某单一城市，且时间序列相对较短，未能从整体上对新疆的大气颗粒物浓度时空特征进行客观分析。因此，本文基于2015年新疆12个城市的污染监测数据，并结合同期气象数据，分析新疆PM10和PM2.5浓度的时空分布特征，以期加深对大气颗粒物浓度时空变化的规律与大气颗粒物污染成因的理解，并对新疆的大气颗粒物污染预警及治理提供科学的理论依据。

1 数据来源

所用PM2.5和PM10浓度观测数据来源于全国城市空气质量实时发布平台，为2015年的数据，时间分辨率为1 h，覆盖新疆12个城市34个监测站点，共有630 720个数据，有效数据有515 711个，占全部数据的81.8%。本文对同一城市的污染物浓度数据进行站点平均，并经过质量控制，最终得到12个城市数据样本。所获取的12个城市包括8个北疆城市，分别为乌鲁木齐、吐鲁番、哈密、克拉玛依、博州、伊犁、塔城和阿勒泰，4个南疆城市，分别为喀什、和田、阿克苏和巴州(见图1)。

注：底图源自国家测绘地理信息局(http://www.sbsm.gov.cn/；http://219.238.166.215/mcp/index.asp) 1∶400万基本要素版，审图号为GS(2008)1400号，下载日期为2017-05-25。下同。图1 新疆地形高度和城市地理位置图Fig.1 Topographic height and urban geographical location map in the southern and the northern city in Xinjiang

为了分析PM10与PM2.5浓度变化和气象要素之间的关系，采用了中国民航机场同期的气象观测数据进行相应的研究。气象机场共有12个：8个北疆城市机场，分别为乌鲁木齐地窝堡机场(87.47°E，43.91°N)、吐鲁番交河机场(89.10°E，43.03°N)、哈密机场(93.67°E，42.84°N)、克拉玛依机场(84.95°E，45.47°N)、博乐机场(82.30°E，44.90°N)、伊宁机场(81.33°E，43.96°N)、塔城机场(83.35°E，46.67°N)和阿勒泰机场(88.08°E，47.75°N)；4个南疆城市机场，分别为喀什机场(76.02°E，39.54°N)、和田机场(79.86°E，37.04°N)、阿克苏温宿机场(80.29°E，41.62°N)和库尔勒机场(86.14°E，41.62°N)。观测气象要素包括风向、风速、气温、露点、气压，天气现象，数据分辨率为0.5 h，其中风向、风速、气温、露点和气压共有525 600个数据，其中有效数据355 812个，占全部数据的67.7%。相对湿度通过常用的Magnus经验公式由露点和气温计算得到。

2 结果与讨论

2.1 大气颗粒物时空分布特征

2.1.1 大气颗粒物年均浓度空间分布特征

图2给出了2015年新疆各城市PM10和PM2.5年均质量浓度空间分布。

图2 2015年新疆各城市PM10和PM2.5年均质量浓度空间分布示意Fig.2 Spatial distribution of PM10 and PM2.5 annual mass concentration in Xinjiang during 2015

从图2(a)可见，新疆PM10年均质量浓度为126.5 μg/m3，并呈现出显著的南北分布差异，南疆地区的PM10年均质量浓度为215 μg/m3，要远高于北疆地区的82 μg/m3，PM10年均质量浓度由南向北递减。巴州、阿克苏、喀什以及和田4个南疆城市地区质量浓度均不低于150 μg/m3；北疆南部地区PM10年均质量浓度要高于其北部地区，如伊犁、哈密、乌鲁木齐以及吐鲁番PM10年均质量浓度为77～138 μg/m3，要高于阿勒泰、塔城、博州以及克拉玛依的28～69 μg/m3。以日均PM10质量浓度大于150 μg/m3为污染天，则南疆4个城市地区平均污染天数占全年56%，而北疆平均污染天数占全年的10%。和田与喀什是PM10年均质量浓度最高的2个南疆城市，质量浓度达250 μg/m3以上，阿勒泰是PM10年均质量浓度最低的城市，只有28 μg/m3。造成PM10年均质量浓度南高北低空间分布现象的部分原因可能与新疆塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠的影响有着密不可分的联系。

从图2(b)可见，PM2.5年均质量浓度空间分布与PM10空间分布非常相似，呈现南高北低的污染态势，新疆PM2.5年均质量浓度为53.7 μg/m3。南疆PM2.5年均质量浓度为84 μg/m3，是北疆的2倍左右。喀什与阿勒泰是新疆PM2.5年均质量浓度最高和最低的城市，分别为118 μg/m3和13 μg/m3。与PM10年均质量浓度空间分布不同的是北疆乌鲁木齐和吐鲁番2个城市的PM2.5年均质量浓度要大于南疆的巴州，3个城市PM2.5年均质量浓度分别为74、66、50 μg/m3。乌鲁木齐是新疆第一大城市，经济和人口都要高于其他城市，人为排放的PM2.5质量浓度最多，特别是冬季供暖时期，大量燃煤等因素所引起的人为排放可能是导致其PM2.5质量浓度升高的重要原因[26-31]。而吐鲁番除受其盆地地形、气象条件和本地人为排放因素影响外，还可能受到来自乌鲁木齐的大气颗粒物输送影响。

2.1.2 大气颗粒物月均质量浓度空间分布特征

分析新疆PM10和PM2.5月均质量浓度数据并绘制空间分布图(见图3和图4)，可以发现月均质量浓度空间分布与年均质量浓度空间分布有很好的一致性，也呈现出南高北低的态势，并且由于受不同气象因素的影响，不同月份之间存在着明显的空间分布差异。从图3中可以看出，新疆PM10春季污染最重，秋季最轻，南疆地区春季季均质量浓度约是北疆的4倍，且不同地区的PM10季均质量浓度变化存在显著差异。喀什与和田地区四季季均质量浓度都在轻度污染及以上程度，这可能主要与其紧邻新疆塔里木盆地有关，沙漠沙尘活动可能是这2个城市PM10质量浓度持高不下的重要原因。PM2.5季均质量浓度变化不同于PM10，且不同地区范围的PM2.5季均质量浓度变化同样也存在显著差异，新疆各地区季均大气颗粒物质量浓度从高到低排列顺序及相应质量浓度见表1。

图3 2015年新疆PM10月均质量浓度空间分布Fig.3 Spatial distribution of PM10 monthly average mass concentration in Xinjiang during 2015

图4 2015年新疆PM2.5月均浓度空间分布Fig.4 Spatial distribution of PM2.5 monthly average mass concentration in Xinjiang during 2015

PM地区季均大气颗粒物质量浓度顺序PM10南疆春(296.9)>夏(200.3)>秋(182.4)>冬(167.5)北疆冬(112.9)>春(76.4)>秋(72.5)>夏(64.4)全疆春(146.8)>冬(131.0)>夏(108.2)>秋(107.4)PM2.5南疆春(106.6)>冬(82.8)>秋(77.8)>夏(69.4)北疆冬(66.1)>秋(33.4)>春(30.8)>夏(21.9)全疆冬(71.0)>春(55.6)>秋(45.5)>夏(37.1)

注：表中数据单位均为μg/m3。

3月为全疆PM10质量浓度最高月份，平均质量浓度为190.2 μg/m3。和田为3月PM10质量浓度最高的城市，其次为喀什，月均质量浓度分别为512 μg/m3和395 μg/m3。12月是全疆PM2.5质量浓度最高月份，平均质量浓度为74.8 μg/m3，不同城市质量浓度差异大，如南疆4个城市地区的PM2.5质量浓度集中在53～176 μg/m3，而北疆地区则从14 μg/m3上升到144 μg/m3，两者相差近10倍。9月是全疆月均大气颗粒物污染质量浓度空间变化最小的月份，PM10和PM2.5平均质量浓度分别为86.5 μg/m3和27.0 μg/m3。

2.1.3 大气颗粒物浓度时间变化特征

为了更清晰直观地了解各城市PM10、PM2.5质量浓度以及PM2.5/PM10的月均变化，绘制PM10、PM2.5月均质量浓度以及PM2.5/PM10时间序列图(见图5)。

从图5可以明显看出：南疆城市大气颗粒物的月均质量浓度及其波动大小要高于北疆，并可以从地形图中发现质量浓度波动大小沿塔里木盆地-吐鲁番盆地-准噶尔盆地变小，反映了大气颗粒物质量浓度受局地地形的影响显著。从3月到9月(主要在春季和夏季时段)，新疆绝大部分城市PM2.5和PM10月均质量浓度比都小于0.5，说明春、夏季以粗颗粒物污染为主，而此时段正是沙尘天气过程频发的季节，新疆春夏季PM10质量浓度上升受到来自于沙尘的贡献[32-34]。而其他月份(秋季和冬季时段)各城市PM2.5和PM10月均质量浓度比从10月开始迅速上升，并基本大于0.5，说明秋、冬时段内以细颗粒物为主，而10月中旬到次年4月中旬正是新疆普遍的供暖时间，供暖期间大量燃煤等人为排放可造成PM2.5质量浓度上升。

图5 2015年新疆PM10、PM2.5月均质量浓度以及PM2.5/PM10时间序列Fig.5 PM10 and PM2.5 monthly mass concentration and PM2.5/PM10 time series of Xinjiang during 2015

2.2 颗粒物质量浓度与气象要素相关性分析

图6给出了2015年新疆不同月份风速和相对湿度的月均变化时间序列图。从图6可以看出，在春季和夏季，风速和温度高，相对湿度和气压低，秋、冬季则相反。从相对湿度来看，南疆相对湿度普遍小于北疆，南疆年平均相对湿度为41.7%，北疆为52.6%。在南疆城市中，阿克苏相对湿度最高。在北疆中，吐鲁番相对湿度最低。从温度上来看，7月为新疆全年温度的最高月份。除吐鲁番和哈密外，南疆城市年均温度约比北疆城市高4 ℃，而冬季温度要比北疆城市高6 ℃左右。气压的月变化趋势与温度相反，呈“U”型，7月为气压最低月份。可以发现，秋末和冬季时期，低温高压具有较高的PM2.5质量浓度，而其余时间段则是高温低压，具有较高的PM10质量浓度。温度是产生风的重要热力条件，气压梯度决定风速大小，而大风则是引起沙尘天气过程、造成大气颗粒物质量浓度上升的重要动力条件。分析各城市全年风速，发现新疆大风天多集中在春、夏季(此处定义风速大于6 m/s为大风[21])。南疆各城市年均风速要大于北疆，风速最高和最低的城市都在南疆地区，其中巴州最高为4 m/s以上，阿克苏最低不足2 m/s。

结合大气颗粒物的月均质量浓度(图5)与相对湿度时间序列(图6)可以发现，相对湿度季节性变化导致大气颗粒物质量浓度差异大。秋末和冬季时相对湿度高对PM2.5质量浓度生成影响大。在北疆地区高相对湿度影响PM2.5质量浓度生成尤为明显。以乌鲁木齐为例，秋末和冬季的平均相对湿度为81.6%，其余时间段(3—10月)则只有45.0%，乌鲁木齐在秋末和冬季的PM2.5平均质量浓度却高达117.3 μg/m3，而其余时间段的PM2.5质量浓度则只有38.9 μg/m3，是秋末和冬季PM2.5质量浓度的1/3左右。在南疆地区低相对湿度影响PM10质量浓度明显。以和田为例，秋末和冬季的平均相对湿度为44.4%，其余时间段的平均相对湿度为28.9%，约为前者的2/3，但是秋末和冬季只为207.0 μg/m3，而其余时间段PM10质量浓度却高达285.2 μg/m3，比前者多了近1/3。

图6 2015新疆各城市月均风速与月均相对湿度时间序列图Fig.6 Time series of monthly average wind speed and monthly average relative humidity in cities in Xinjiang in 2015

SUN等[27]探究了北京冬天相对湿度对气溶胶组成和演变过程的影响，发现相对湿度对煤燃烧产生的有机气溶胶质量浓度有重要影响。对比图5～图7，可以发现南疆4个城市地区存在3个相对湿度低谷期，时间与PM10月均质量浓度的3个高峰期几乎很好相对应。这表明低相对湿度可能是造成南疆PM10质量浓度高值的一个重要气象因素。风是增加沙尘过程对大气颗粒物质量浓度贡献的基本物理条件，当春天来临，温度回暖时，土壤解冻，相对湿度低，土粒疏松，在冷空气入侵下，春季成为易爆发沙尘暴的季节，塔克拉玛干沙漠将为其边缘城市的PM10质量浓度贡献输送。而3月，南疆地区相对湿度的突然降低以及风速加大，使得沙尘天气过程的发生具备了良好条件，这是南疆地区在3月出现高PM10质量浓度的重要原因。结合大气颗粒物质量浓度和气象要素的月均变化，可以发现新疆秋、冬季风速小，相对湿度大，PM2.5质量浓度较高。从气象方面看，以乌鲁木齐和吐鲁番2个城市为例，由于空气中湿度大，有利于污染物吸湿增长，且冬季在高压晴朗、无大型天气系统入侵下，静风、小风加上乌鲁木齐处于山谷盆地上部的特殊地形条件，易产生逆温层[32]，不利于污染物的稀释扩散，从而最终造成PM2.5质量浓度的上升。而吐鲁番冬季存在地面风速较小、昼夜温差大、逆温强度和逆温厚度大的重污染日气象特征[25]，并且加之可能受到乌鲁木齐的输送影响，最终使得PM2.5质量浓度上升。12月大部分城市风速最小，温度最低和相对湿度最大，在此气象要素下，在人为污染排放和地形因素的共同作用下，12月最终成为PM2.5月均质量浓度最高月份。

图7 2015年新疆各城市月均温度与月均气压时间序列图Fig.7 Time series of monthly mean temperature and monthly mean pressure of cities in Xinjiang in 2015

从整个南疆来看，对年均相对湿度大小进行排序，最小城市为和田，其次是喀什、巴州和阿克苏，而PM10质量浓度排序则刚好相反，表明相对湿度越小，PM10质量浓度越大。在喀什与和田2个大气颗粒物污染严重的城市中，喀什月均相对湿度22.2%～56.1%，年均为35.0%，而和田月均相对湿度19.2%～57.6%，年均34.5%，两者的相对湿度变化相差不大。喀什年均风速大小为3.5 m/s，瞬时风速最高可达20 m/s，大风天占全年8.1%。和田地区年均风速为 2.5 m/s，瞬时最大风速为12 m/s，大风天占全年3.1%。风场分析方面，喀什主要受西风和西北风影响，而和田则是受西风和北风影响较大，可以推测和田大气颗粒物质量浓度将受到来自于塔克拉玛干沙漠沙尘过程影响。因此，低相对湿度和大风的共同作用是喀什和和田地区高颗粒物质量浓度的主要气象因素。另外，值得注意的是喀什人口超过乌鲁木齐，其人为排放不可忽视，这很可能是其冬季大气颗粒物质量浓度保持高值的重要原因。

3 结论

1)从空间变化来看，新疆大气颗粒物年均质量浓度呈现明显南北差异，总体态势为沿塔里木盆地-吐鲁番盆地-准噶尔盆地递减。2015年新疆PM10和PM2.5年均质量浓度分别为126.5 μg/m3和53.7 μg/m3。PM10春季最高，其次是冬季、夏季和秋季。PM2.5冬季最高，其次是春季、秋季和夏季。

2)南疆大气颗粒物质量浓度高，年均PM10质量浓度为150～262 μg/m3，污染天数占比高达92.2%，年均PM2.5质量浓度为50～118 μg/m3，污染天数占比高达85.2%。其中和田PM10质量浓度最高，达到262 μg/m3，喀什全年PM10污染都非常严重，质量浓度最低月份也达到169.2 μg/m3。北疆各城市的质量浓度则相对较低，年均PM10质量浓度为28～139 μg/m3，年均PM2.5质量浓度为13～74 μg/m3，其中阿勒泰质量浓度最低，为13 μg/m3。

3)从时间变化来看，春季新疆平均PM10质量浓度最高，其次是冬季、夏季和秋季，其中3月PM10质量浓度最高，达到146.8 μg/m3。PM2.5质量浓度的季节特征与PM10有所不同，冬季新疆平均PM2.5质量浓度最高,其次是春季、秋季和夏季。在春季和夏季，新疆以粗颗粒物污染为主，绝大部分城市PM2.5和PM10月均质量浓度比都小于0.5，冬季以细颗粒物污染为主，各城市PM2.5和PM10月均质量浓度比都大于0.5。

4)在南疆地区，3月PM10质量浓度突然大幅升高与相对湿度大幅下降、风速大幅增加直接相关，喀什和和田的月均相对湿度下降到30%以下，表明沙尘天气可能是导致南疆地区春季高PM10质量浓度的重要原因。