三门峡市空气质量现状及其与风的关系＊

李晓琳

（三门峡市气象局，河南 三门峡472000）

1 引言

随着经济的快速发展，有害气体排放量日益增加，大气污染问题日益严峻。各地有研究学者对污染天气多发地大气污染状况进行了分析。其中徐永清等[1]对城市近地层风特征与污染系数进行分析；刘和平等[2]对郑州市大气能见度变化特征及与空气污染的关系进行分析；张岳鹏等[3]对2014-02北京PM2.5污染过程及天气形势分析进行研究。但对于三门峡地区空气质量的分析不为多见。三门峡市委市政府一贯坚持“绿色发展，生态优先”的坚定理念，对大气污染防治、生态环境的保护等方面非常重视，了解三门峡市空气质量变化特征与气象条件的关系尤为必要。

2 数据来源与评价方法

本文利用2016-01-01—2020-12-31三门峡国家基本站风向、风速的日、月、年平均气象资料。所用环境资料为中国空气质量在线监测分析平台提供的2016—2020年三门峡市空气质量日数据（缺失资料用三门峡市生态环境部门的提供的日数据补充）。

利用2016—2020年污染物浓度值（日实测）与日平均风速共计1827个样本计，进行相关性分析。

3 结果与讨论

对2016—2020年三门峡市空气质量AQI指数开展分析，发现5年中三门峡市空气质量浓度达到优的有143 d，达到良的有1024 d，空气质量达标率为63.9%（Ⅰ级、Ⅱ级），轻度污染（Ⅲ级）的有445 d，中度、重度、严重污染（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级）的有122 d、72 d和21 d。2016年污染日数168 d（最多）；2017、2018年明显减少（146 d、120 d）；2019年稍有增加（128 d）；2020年明显下降（98 d）。从总体分析情况来看，2016—2020年污染日数有波动降低趋势。

3.1 三门峡市首要污染物变化特征

对照各空气质量污染物分级浓度的限值，以CO、PM10、O3等6项指标的实测浓度值进行运算，从而得到空气质量分指数，值最大的被确定为当日AQI，从而确定当日首要污染物（AQI必须大于50）。

2016—2020 年三门峡市首要污染物出现频次如表1所示，由表1可知，6种污染物中，没有作为首要污染物出现的是SO2。CO在2016年出现过3次，且都没有达污染级别。NO2除2017年增幅最大之外，其余年份变化不大，近5年共计出现32次，浓度均较低，日空气质量均为良，未达到污染级别。O3出现频次最多，达到轻度污染和中度污染的次数分别为178次和15次，其余399次未达到污染级别。5年中PM2.5作为首要污染物累积出现次数变动不大，总体上呈缓慢下降趋势。PM10年出现频次整体振幅较大，在2018年出现频次为最高值，到2020年降至最低（77次）。这与三门峡市近年来加大大气污染治理力度，持续开展绿化工程，不断扩大植被绿化面积，有密切关系。2016—2020年中，O3作为首要污染物共出现592次，出现频率达35.13%，为6种污染物中最高。PM2.5次之，出现频次586次，出现频率34.78%。其中达到Ⅳ级（中度）及以上的污染天气中，首要污染物PM2.5出现次数为171次，出现频率79.5%（最高）。可以确定三门峡市的首要污染物为PM2.5。

表1 2016—2020年三门峡市首要污染物出现频次

3.2 污染物浓度变化特征

3.2.1 月变化特征

2016—2020年6种污染物月平均浓度如图1所示。由图1可知，O3月平均浓度变化为夏半年大于冬半年，其余5种污染物浓度变化均为夏半年小于冬半年。CO浓度变化波动不明显，在冬季稍有所上升，其他变化不大。NO2、SO2、PM10、PM2.5四个指标1—5月总体为减少的趋势，10—12月为增加的趋势，其中NO2、SO2、PM10、PM2.5浓度均在1月达到峰值。O3浓度自1月份开始增加，6月达到最高又逐月减少，12月为最低，变化趋势呈现出倒V字形，变化趋势与其余几种污染物明显不同，且振幅最大。

图1 2016—2020年6种污染物月平均浓度

3.2.2 年变化特征

2016—2020年三门峡市污染物年平均浓度如图2所示。由图2可知，几种污染物的变化趋势差别较大。NO2是先缓增再缓降的趋势；CO变化不明显；O3是先缓降再缓升的趋势；SO2、PM10、PM2.5整体来看是下降趋势，其中PM10降低最为明显。

图2 2016——2020年三门峡市6种污染物年平均浓度

3.3 污染物浓度与风的关系

3.3.1 污染物浓度与风速的关系

从年平均资料来看，2016—2020年，三门峡市年平均风速出现了的先小幅增大，后减小的趋势，风速在2.1～3.2 m/s之间变化，当年平均风速小时，年平均AQI值较大，平均风速大时，年平均AQI值较小。

由此可见风速大小对AQI的年际变化具有一定的调节作用，且在三门峡污染物中，本地排放可能有较大贡献。但年平均资料会过滤掉大量较小时间尺度的污染、天气过程的变化特征，AQI也仅体现首要污染物的浓度变化，从而忽略其他污染物，所以不能简单用年平均风速和年平均AQI值表征污染物浓度与风速的关系。

鉴于以上分析，利用2016—2020年污染物日实测浓度值与日平均风速共计1827个样本计，进行相关性分析，结果如表2所示。由表2可知，PM10、PM2.5与风速的相关系数分别为-0.038、-0.027，但未通过0.01的显著性检验。O3浓度与风速相关系数为0.131，呈微弱正相关，且通过0.01显著性检验。NO2、CO、SO2浓度与风速的相关系数分别为-0.445、-0.196、-0.177，且均通过0.01显著性检验，说明这几种污染物浓度与风速呈负相关。O3浓度与风速呈弱正相关。

表2 三门峡市区大气污染物浓度与风速的相关性

究其原因，可从两个方面探究：一是通常风速较大时三门峡市天空状况相对较好（沙尘天气除外），太阳辐射强度大、日照时间长，有利于本地O3前体物向O3转化；除此之外，风速增大而浓度升高，说明外源输送对本地O3浓度增加也有一定贡献。而NO2、CO、SO2浓度与风速成反相关，可以说明这些污染物来源大多为本地排放，风速相对小的静稳天气条件下，污染物的扩散非常不利，从而在本地堆积，使得浓度增加。

3.3.2 污染物浓度与风向的关系

在水平方向上，不仅风速的大小影响城市大气污染物的扩散稀释，风向来源的变化也是影响污染物输送、浓度变化的重要因素。2016—2020年三门峡市四季风向频率图如图3所示。由图3可知，三门峡市常年的主导风向为偏东风，西风风频冬季最多。其中冬季以东、偏东风、偏西风为主；春季东风风频增加；夏季以偏东为主；秋季东北风频次减少，偏西风频次增加。

图3 2016—2020年三门峡市四季风向频率图

对比各季节平均AQI值发现：冬季＞春季＞夏季＞秋季。出现重度以上污染天气时，出现最多的风向频率为西南风，西风。总体来说东北风风频较大时，空气质量较好，反之偏西风风频增大时，空气质量较差。这可能是因为以西南向为主导的风常带来水汽，在近地层堆积，湿度增大，有助于污染物的吸湿增长。分析三门峡地理环境，发现东北方向为太行山区，在太行山以东是落叶阔叶林地带，在其西侧与黄土高原的过渡区为森林草原地带和干草原地带，森林植被覆盖条件明显优于关中盆地，且人口密度小，人为排放明显低于关中盆地。且黄河自关中盆地进入豫西三门峡，北有太行山脉南段的中条山，南有秦岭余脉崤山，两山之间有相对平坦的河谷地带。河谷三门峡段自西向东，初始宽阔，后在市区处明显变得狭窄，使得在三门峡处形成一个西宽东窄的喇叭口地形，从而不利于西风中污染物的扩散。综合以上原因，使得东北风有利于三门峡污染物浓度下降，偏西风、西南风则有利于污染物的堆积。而秋季东北风频率低于夏季，但空气质量却优于夏季，究其原因夏季特别是副热带高压控制时，气温高、辐射强，有利于本地O3前体物向O3转化，从而使得夏季O3污染增加，平均AQI大于秋季。

4 结论

综上所述，得出如下结论：①2016—2020年三门峡市大气污染日数整体呈下降的趋势。②首要污染物变化特征为，PM2.5作为首要污染物出现频率较高，造成中度及其以上级别的污染天气次数最多，出现频次呈逐年回落的趋势。③污染物浓度变化为，O3月平均浓度变化夏半年比冬半年大，其余5种污染物浓度变化均为夏半年小于冬半年；CO年平均浓度变化不大；O3的变化趋势为先小幅降低再小幅增加；NO2的变化趋势为先小幅上升再小幅降低；PM10、PM2.5、SO2整体呈现下降的势态，其中下降幅度最大的是PM10。④O3浓度与风速呈微弱正相关，NO2、CO、SO2浓度与风速呈负相关。⑤当东北风风频较大时，三门峡市空气质量较好，反之偏西风、西南风风频较大时，空气质量较差。