2016—2018 年中卫市城区大气污染特征分析

2021-05-10钱倩霞白春燕白天辉

宁夏工程技术 2021年1期

杨苑，钱倩霞，白春燕，白天辉

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750000；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750000；3.宁夏中卫市气象局，宁夏中卫 755000；4.河北省气象灾害防御中心，河北石家庄 050021；5.中国人民解放军31664 部队，甘肃白银 730913）

中卫市位于宁夏回族自治区中西部，是宁夏最年轻的地级市，被誉为“沙漠水城”、“花儿杞乡”、“休闲中卫”。作为国家全域旅游示范区创建地级市之一，空气质量是游客考评当地旅游行业的重要一项，也是绿水蓝天保卫战中重要一环。随着社会各界对大气污染问题的深刻认识，针对空气质量、空气污染的气象条件等研究已经成为许多部门重点研究的课题之一。如张夏琨等[1]研究石家庄市空气质量与气象条件的关系，表明不是风速越小，污染质量浓度越大，风速在一定范围内，会使空气污染物超标。黄容等[2]统计分析了青岛市SO2、NO2及PM10平均质量浓度和气象要素的关系，得到以上污染物质量浓度与云量、降水量和气温呈负相关，与气压呈正相关的结论。肖舜等[3]分析西安世园会园区春夏两季PM10指数与气象因子的关系，发现相对湿度为首要控制因子。郭虎等[4]对北京春季一次连续重污染过程的气象条件进行详细分析，得到低空850 hPa 的逆温层能够抑制空气的垂直运动，可能会造成当地重度污染。山义昌等[5]研究气象条件对潍坊市空气质量的影响，表明混合层越高，越有利于污染物向四周输送，空气质量容易变好。目前关于中卫市城区空气质量、不同污染物质量浓度的统计特征分析研究还不够，本文将详细分析2016—2018 年中卫市城区空气质量、不同污染物质量浓度的时间变化特征。

1 资料与方法

2 个国控自动监测点位分别是官桥站和环保局站，6 种常规污染物质量浓度与气象数据从中卫市环境监测站获取：①2016—2018 年2 个国控自动监测点位PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、臭氧8 h 的逐时、逐日质量浓度资料；②2016—2018 年中卫市市均PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、臭氧8 h 和AQI 的逐日质量浓度资料。另外，本文定义的春季为3—5月份，夏季为6—8 月份，秋季为9—11 月份，冬季为12 月至次年2 月份；PM10、PM2.5、SO2、NO2、臭氧8 h 的质量浓度的单位为μg/m3，CO 质量浓度的单位为mg/m3。

本文剔除无效数据的天数及当天各类污染物质量浓度数据，补进同一天2 种首要污染物的日数，总样本数为3 266。

2 不同等级空气质量天数的时间变化

2.1 年变化特征

根据《环境空气质量标准》GB3095—2012，当AQI＞100，即空气质量指数级别达到轻度污染及以上时，称为污染天气，即AQI＜100 时，空气质量达标。对中卫市市均和官桥站、环保局站2 个监测站点2016—2018 年空气质量指数年均值进行统计计算，见表1。

（1）根据统计，2016—2018 年城区空气质量相对较好，达标日数占75.9%～79.0%。其中，均以良天数为最多，占比达66.0%以上。污染天气日数为74～94 d，以轻度污染为主。其中，轻度污染占比15.0%～18.1%；中度污染占比2.2%～3.8%；重度污染0.5%～1.4%；严重污染1.4%～3.6%。

（2）环保局站比官桥站空气质量相对较好，优良天数均高于官桥站。这是因为环保局站位于中卫市新城区，而官桥站位于城乡结合地区，受秸秆焚烧、冬季烧煤影响较显著。

2.2 季节变化特征

由表2 可知，2016—2018 年中卫市市均春季污染天气为79 d，夏季为54 d，秋季为37 d，冬季为78 d；环保局站春季污染天气为78 d，夏季为66 d，秋季为35 d，冬季为72 d；官桥站春季污染天气为83 d，夏季为53 d，秋季为41 d，冬季为84 d。综上可知，中卫市城区秋季污染天气出现的最少，空气质量良好，冬春污染天气出现次数持平，空气污染较为严重。这是因为中卫降水主要集中在夏季和秋季，冬春降水较少。降水多且相对频繁会稀释空气污染物质量浓度，空气质量呈现较好的态势。而且夏秋季，太阳辐射的热力作用较强，可增强混合层的湍流混合作用，进一步加强大气污染物的扩散，使得空气质量变好。相反，冬季太阳辐射减弱，大气稳定度偏于稳定，大气污染物的扩散、稀释能力减弱，空气质量必然下降。另外，由于冬春降水较少，地表面干燥，且因上游有腾格里沙漠的缘故，春季大风常常伴随沙尘，极大地影响城区的空气质量。

2.3 月变化特征

由表3 可知，2016—2018 年中卫市市均1—6月份、11—12 月份污染天气为24～30 d。其中，6 月份最多，7—8 月份为11～13 d，9—10 月份为8 d 以下，而9 月最少，仅有3 d。环保局站1—6 月份、11—12 月份为22～35 d。其中，6 月份最多，7—8 月份为14～17 d，9—10 月份为8 d 以下，而9 月份最少，有4 d。官桥站1—6 月份、11—12 月份为24～31 d。其中，2 月份最多，3 月份次之，6 月份和1 月份并列第三，为28 d，7—8 月份为12～13 d，9—10 月份为9 d 以下，而9 月最少，仅有2 d。综上可知，中卫市城区空气质量分为3 个阶梯，9—10 月份空气质量为第1 阶梯，9 月份最好，7—8 月份为第2 阶梯，1—6月份、11—12 月份为第3 阶梯。结合季节变化特征来看，二者表现出的特征是一致的，原因同上。

2.4 首要污染物出现频次

由表4 可知，①2016—2018 年，环保局站和官桥站的首要污染物主要是PM10和臭氧，分别占40.7%～50.0%和29.0%～35.2%；其次是PM2.5和SO2。②相较于监测的6 种主要污染物来说，没有CO和NO2为首要污染物的情况发生。③2016—2017年，2 个监测点首要污染物为SO2的出现频次逐年降低。2018 年2 个监测点均没有出现首要污染物为SO2的情况。SO2主要来源为燃煤、工业污染等。近年来，中卫采取强有力措施控制工业源污染、燃煤污染，取得了明显成效。④市均和环保局站PM2.5为首要污染物出现的频次以及官桥站臭氧为首要污染物出现的频次在逐年降低，但是市均和两个监测点的PM10为首要污染物出现的频次逐年增加，增幅为23%～30%。PM10主要来源为建筑工地扬尘、城市道路扬尘污染等。近年来，中卫城市化进程加快，建筑工地较多，现场作业抑尘、祼土覆盖和绿化等措施不够迅速，仍会增加PM10的质量浓度。大风沙尘天气同样有利于PM10的累计，使PM10质量浓度升高。根据气象资料记载，2016 年中卫城区出现沙尘天气5次，2017、2018 年年均为8 次，这也是造成城区PM10质量浓度升高的一个原因。

表1 2016—2018 年市均和监测点不同等级空气质量出现天数 d

表2 2016—2018 年市均和监测点不同季节不同等级空气质量出现天数 d

表3 2016—2018 年市均和监测点不同月份不同等级空气质量出现天数 d

表4 2016—2018 年市均和监测点首要污染物出现频次 d

3 空气污染物质量浓度的时间变化

3.1 年变化特征

2016—2018 年官桥站、环保局站SO2、PM10、NO2、PM2.5、臭氧8 h 和CO 年平均质量浓度变化见图1。

图1 2016—2018 年官桥站、环保局站不同污染物年平均质量浓度变化

图2 2016—2018 年官桥站、环保局站不同污染物季节平均质量浓度变化

图3 2016—2018 年官桥站、环保局站不同污染物月平均质量浓度变化

由图1 可知，①官桥站PM10年平均质量浓度为103.2～121.9 μg/m3，环保局站为97.2～118.0 μg/m3；官桥站PM2.5年平均质量浓度稳中有降，为39.4～45.8 μg/m3，环保局站PM2.5年平均质量浓度缓慢下降，为37.4～44.1 μg/m3，官桥站PM10、PM2.5年平均质量浓度较环保局站略高。由于官桥站位于城乡结合地区，地理环境不如环保局站，且道路维护、建筑施工等扬尘污染和燃煤污染长期存在，加之上游腾格里沙漠源的存在，PM10质量浓度较难控制。国家环境空气质量标准规定，PM2.5年平均质量浓度一级为15 μg/m3，二级为35 μg/m3；PM10年平均质量浓度一级为40 μg/m3，二级为70 μg/m3，2 个监测点都超出了规定限制，且呈升高趋势。平衡城市化进程和环境问题必然是中卫长期需要面对和解决的问题。②两个监测点2016—2018 年SO2、NO2年平均质量浓度达到国家二级或一级标准，控制较好。③官桥臭氧8 h 年平均质量浓度稳中略升，为94.7～104.2 μg/m3，CO 年平均质量浓度稳中有降，为0.83～0.90 mg/m3。环保局臭氧8 h 和CO 年平均质量浓度在2017 年略有升高，随后有所降低，前者为87.8～107.2 μg/m3，后者为0.65～0.97 mg/m3。

3.2 季节变化特征

2016—2018 年官桥站、环保局站SO2、PM10、NO2、PM2.5、臭氧8 h 和CO 季节平均质量浓度变化见图2。

整体来说，2 个监测点臭氧8 h 季节平均质量浓度与其他5 类污染物季节平均质量浓度变化趋势相反，为倒V 形，峰值主要出现在夏季。这是因为随着天气转暖，气温升高，日照时数增多，日照强度变大，近地面接收到的太阳辐射增强，臭氧质量浓度会随之升高，进入冬季，近地面接收到的太阳辐射减弱，臭氧质量浓度则会降低；其他污染物在夏季质量浓度降低是因为降水会洗刷和清除空气污染物，且对流天气容易破坏大气稳定层结的存在，有利于空气污染物的扩散、稀释；相反，冬季降水少、逆温层长期维持，不利于空气污染物的稀释和扩散，加之燃煤污染的存在，促使空气污染物的进一步积累。

3.3 月变化特征

2016—2018 年官桥站、环保局站SO2、PM10、NO2、PM2.5、臭氧8 h 和CO 月平均质量浓度变化趋势见图3。

2 个监测点臭氧8 h 月平均质量浓度与其他5种污染物变化趋势呈相反的特点，峰值主要出现在5—9 月份。由于进入夏季，太阳直射北半球，气温回升明显，日照时数增多，日照强度变大，近地面接收到的太阳辐射增强，臭氧质量浓度明显升高，当遇到降水集中期，地面接收到的太阳辐射减弱，生成臭氧的光化学反应会减弱，臭氧质量浓度则随之降低；10月份至次年1 月份，近地面接收到的太阳辐射持续较弱，臭氧质量浓度较低，因此呈现双峰或单峰结构。其他污染物的积累与臭氧不同，5—9 月份的降水和强对流运动有利于空气污染物的稀释和扩散，冬季降水少，稳定层结的长期存在，不利于空气污染物的稀释和扩散。