喀什市大气颗粒物污染特征与影响因素分析

张凯欢 谢海燕* 李新琪

（1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830000；2. 新疆维吾尔自治区环境监测总站，新疆乌鲁木齐 830000）

1 引言

雾霾、沙尘等天气的出现，给人们的正常生活生产带来了一定的影响［1］，特别是京津冀等发达地区及西北沙漠缘区［2-3］。颗粒物的大量增加不但会使大气能见度降低，影响交通安全，还会对人体健康产生严重威胁，主要表现为心脑血管疾病、呼吸系统疾病及心理健康问题等［4-5］。目前，针对大气颗粒物（PM2.5，PM10）污染的研究主要集中在对中部及沿海等人口密集地区颗粒物的化学成分、污染趋势等方面［6-8］，且对于西北干旱区和半干旱区的研究也多集中在大范围内沙尘气溶胶的传输上，而对城区内大气颗粒物的污染及其影响的研究则相对较少［9-10］。因此，从关注大气污染治理、沙尘天气预防等角度，开展喀什市大气颗粒物污染特征研究显得尤为必要。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文采用的PM2.5和PM10质量浓度的实时数据来自中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台（http：//106.37.208.233：20035/）公布的2015—2019 年喀什市3 个监测站点24 h 逐时数据，地面气象数据（温度、湿度、风速、气压、能见度）来自中国气象数据共享网。

2.2 数据处理

本次研究利用Origin 软件对大气颗粒物质量浓度数据变化规律进行作图分析，利用SPSS 软件对大气颗粒物及影响因素的相关性和回归性进行分析处理。

3 结果与分析

3.1 大气颗粒物变化特征分析

3.1.1 颗粒物年均变化特征

喀什市PM2.5，PM10年均质量浓度变化趋势如图1 所示。监测数据表明，2015—2019 年5 年内喀什市3 个监测站点PM2.5，PM10年均质量浓度均高于GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准（PM2.5：35 μg/m3；PM10：70 μg/m3）［11］，PM2.5，PM10为大气首要污染物。5 年内PM10年均质量浓度变化较大，整体呈“M”状，出现了2 次峰值，分别在2016 年和2018年，浓度对应为291 μg/m3和327 μg/m3，高于国家二级标准限值4.2 倍和4.7 倍。这主要是受到沙尘天气的影响，位于我国西北地区的喀什植被稀少，气候干燥少雨，地表疏松，沙尘天气极易发生，沙尘天气发生时大气颗粒物浓度显著升高［12］。

图1 2015—2019 年喀什市PM10 和PM2.5 年均浓度达标情况

图2 为2015—2019 年喀什市大气颗粒物污染情况统计。

图2 2015—2019 年喀什市大气污染情况统计

近几年PM10的超标率变化趋势与PM10年均污染值变化相同，均在50%以上且在2016 年及2018年处于较高值。据统计，2016 年和2018 年喀什市污染天数的占比均大于其余年份，分别达到78.63%和76.71%。尤其是吾办监测站点在2016 年PM10年均质量浓度超过300 μg/m3，这主要是因为受到地理位置的影响，受到大气污染时人口较多的市区内颗粒物受到建筑物及植物的阻挡容易滞留不易扩散，导致大气颗粒物污染程度大于其余两个监测站点。喀什市近5 年PM2.5年均质量浓度变化整体呈下降趋势，2016 年PM2.5年均质量浓度为129 μg/m3，是5 年内的峰值，高出国家二级标准限值4.2 倍。自2016年PM2.5年均质量浓度整体呈下降趋势，在2019 年下降到85.0 μg/m3，相较2016 年峰值下降了34.1%。其中，吾办近5 年PM10质量浓度有所下降。

3.1.2 颗粒物月均变化特征

图3 为2015—2019 年喀什市3 个监测站点PM10和PM2.5的月均质量浓度变化趋势。

图3 喀什市PM10 和PM2.5 质量浓度月变化

喀什地处塔克拉玛干沙漠边缘，城市空气质量的变化极易受到沙尘的影响，因此颗粒物浓度的变化存在着明显的季节特征。由图3 可知，喀什3 个监测站点大气颗粒物的月变化特征大致相同，呈“U”型，PM10和PM2.5的质量浓度均在3 月达到了全年的峰值487 μg/m3和176 μg/m3，自3 月起颗粒物质量浓度逐渐下降，在6 月达到最低值，直到9 月颗粒物质量浓度一直持续在一个较低的水平。9 月之后颗粒物质量浓度开始回升，在次年的2 月达到又一峰值。这主要是因为春季（3—5 月）空气质量受到自然源的影响，喀什主要受到沙尘天气的影响，颗粒物质量浓度会大幅度升高；到了夏季（6—8 月）能源消耗较少，人为污染排放较少，空气质量受到自然气候的影响，大气条件活跃，对大气中的颗粒物具有一定的稀释作用；到了秋冬季节（9—11 月、12 月—次年2 月）空气质量主要受到人为源的影响，喀什处于采暖季，燃煤量增加且多处于静风逆温天气，使得颗粒物质量浓度回升到较高的水平。

3.1.3 颗粒物季节变化特征

图4 为喀什市3 个监测站点不同季节颗粒物超标率情况。

图4 喀什市3 个监测站点不同季节颗粒物超标率

由图4 可知，喀什市在春季和冬季颗粒物污染最为严重，夏季为全年空气质量较好的时段。从空间上来看，相较于巡警大队和市环境监测站站点，位于喀什市中心的吾办污染最为严重，这主要是因为市区人口多且聚集，逆温，颗粒物不易扩散。

3.1.4 颗粒物日均变化特征

2015—2019 年喀什市3 个监测站点PM2.5和PM10日均浓度变化曲线见图5。

图5 2015—2019 年喀什市3 个监测站总PM2.5，PM10 日均浓度达标情况

2015—2019 年喀什市3 个监测站点颗粒物浓度超标情况统计见表1。

表1 2015—2019 年喀什市3 个监测站点颗粒物日均浓度超标情况统计分析

总体来看，PM2.5超标率为吾办＞巡警大队＞市环境监测站；PM10超标率为吾办＞市环境监测站＞巡警大队。污染最为严重的是吾办监测站点，市环境监测站与巡警大队的污染水平大致相同。从空间层面上来看，针对PM10的污染特征，吾办监测站点位于喀什市区，人口众多，人类活动复杂，机动车源较多，受到人为源的影响较大，且受到周围建筑的影响，气流活动较少，极易造成大多数颗粒物的聚集沉淀，污染最为严重。市环境监测站位于喀什南部，靠近塔克拉玛干沙漠，受到沙尘天气的影响，表现出以PM10污染为主，而居于喀什北部的巡警大队监测站点受到的影响相对较小。针对PM2.5的污染特征，位于喀什北部的巡警大队位于工业区，主要受到化工厂污染气体排放的影响，表现出以PM2.5污染为主。

3.1.5 典型时期颗粒物变化特征

基于前面对颗粒物季节分布规律的研究，发现春季因受到沙尘天气的影响污染极为严重，图6 选取了近几年来市区站点发生典型沙尘天气时颗粒物的变化规律。沙尘起止时间判定方法参考《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》［13］。以PM10浓度和PM2.5/PM10比值来判断该地区是否受到沙尘污染影响，将PM10日均浓度＞150 μg/m3，且PM2.5/PM10比值≤0.30 认定为春季有沙尘日［14-15］。统计发现，沙尘天气发生的时段多为中午或傍晚，主要是因为受到当地气候的影响，随着气温的下降，产生空气对流，容易带起地面沙尘颗粒物。且沙尘天气发生时，颗粒物质量浓度陡增，PM2.5/PM10值下降。由此可见，沙尘天气是PM10的主要贡献源。如2015 年4 月29 日喀什市发生的沙尘天气，持续时间长，颗粒物浓度上升快，在短时间内PM10浓度由1 027 μg/m3升到了10 000 μg/m3，上升了约9.7 倍。沙尘天气于29 日08：00 发生，12：00 浓度达到顶峰后，在29 日19：00 开始缓慢下降，直至5 月1 日05：00 沙尘天气结束，颗粒物质量浓度回归到之前水平。发生沙尘天气时PM2.5/PM10的比值在0.075 1～0.297 6 之间浮动，相较于沙尘天气发生时PM10的污染，PM2.5污染受到沙尘天气的影响较小。

图6 喀什市典型沙尘天气颗粒物质量浓度

3.2 大气颗粒物质量浓度之间线性回归分析

大气颗粒物的污染程度受到研究区域地理位置、气象条件、人类活动等诸多因素的影响，但通过研究不同粒径颗粒物的污染特征对研究颗粒物的来源具有一定的指导意义。PM2.5/PM10比值经常被用来作为判定大气颗粒物中PM2.5对PM10贡献程度的重要指标［16］。图7 为喀什市每月内PM2.5/PM10比值变化。由图7 可见，喀什市PM2.5/PM10比值在不同的月份差异较大，且在0.26～0.57 之间变化，平均值为0.37。徐敬等通过对国外几个大型城市关于颗粒物的报道总结发现，对于大气污染较轻的城市PM2.5/PM10的比值一般为0.3～0.5，空气污染较重的城市其比值可达到0.5～0.7 之间［17］。因此，喀什市属于污染较重的城市，尤其在4 月和12 月比值处于两个极端。4 月是喀什的春季，地表土质疏松，气流运动强烈，受到沙尘天气的影响主要以PM10污染为主；12月是喀什的冬季，属于采暖季，受到集中采暖的影响，主要以PM2.5污染为主；在6—9 月比值处于0.3左右，污染较轻。

图7 喀什市PM2.5/PM10 比值逐月变化

表2 以PM2.5浓度为自变量x，PM10浓度为因变量y，做出颗粒物不同季节的拟合曲线，进一步探究颗粒物之间的相关性。由各曲线的精确度R2可以发现，春季拟合度最好的是幂函数（R2＝0.885），夏季拟合度最好的是线性函数（R2＝0.930），秋季拟合度最好的是幂函数（R2＝0.818），冬季拟合度最好的是二次函数（R2＝0.685）。从全年来看，颗粒物拟合度最好的是二次函数（R2＝0.813）。总之，能够较好地拟合出颗粒物之间关系的函数依次是：二次函数＞线性函数＞幂函数＞指数函数＞对数函数。从季节的角度来看，夏季颗粒物的拟合度最高，主要是受到极端天气及人为源影响较少。

表2 PM2.5 和PM10 质量浓度之间线性回归分析

3.3 PM2.5 和PM10 质量浓度与气象因素的相关性分 析

由以上对不同时段喀什大气颗粒物分布特征的分析，可以发现天气过程对大气颗粒物质量浓度的变化有很强的关联性。因此利用近几年颗粒物与气象因子数据，通过PERASON 相关系数分析颗粒物与气象因素的相关性，见表3。

表3 各季节PM2.5 和PM10 质量浓度与气象因素相关性

从表3 中可以看出，PM2.5与气象因子之间有较强的相关性，最容易受到气象因素的影响。从全年来看，PM2.5与气温、风速、能见度呈负相关，与湿度、气压呈正相关。PM10与最低温度及湿度无明显的关联，与最高温度、风速、能见度呈负相关，与气压呈正相关。

气温的变化很大程度上影响着大气颗粒物的扩散能力，在春秋季节气温较低会导致逆温层加厚不利于颗粒物的扩散［18］，而在夏季气温较高时光照较强，容易发生剧烈的光化学反应而产生大量的二次污染物，导致大气中的颗粒物浓度增加。由于喀什进入冬季后会进行采暖，导致大气中的颗粒物增多。

喀什气候干燥，常年少雨，不同季节湿度也有一定的差异。春秋季湿度大，湿度越大PM2.5污染越严重。夏季气流活动频繁易产生阴雨天，从而对PM10起到一定的冲刷作用，但受到降雨量的限制，降雨对大气颗粒物的清洁作用并不十分明显。冬季处在采暖季且又常降雪，因此大气中湿度的大小由雾霾程度及降雪量共同决定，表现出对PM10有一定的清洁作用而对PM2.5无明显作用。

从全年来看，风速与颗粒物浓度呈负相关（－0.199，－0.092），风速达到一定值时会带动大气颗粒物的运动，风速较大时对大气颗粒物起到一定的稀释作用，颗粒物浓度降低。冬季风速的大小对颗粒物的质量浓度影响并不明显，这主要是因为冬季处于采暖季，大气颗粒物污染较为严重，且风速较小，对大气颗粒物的稀释作用较小。

当一个区域长期保持着低气压时会使大气产生上升运动，利于颗粒物的扩散。若长期保持较高的气压时大气运动较少，大气环境保持稳定，颗粒物容易聚集。从整体来看，该研究区的PM2.5，PM10与气压（0.177，0.086）呈显著正相关。从季节层面来讲，春秋季气温较低，气流向下运动，气压升高，颗粒物聚集不散，而夏季与冬季大气颗粒物浓度易受到光照、温度、人为源等多因素影响，与气压的相关系数无意义。

研究发现，大气中高质量浓度的颗粒物和污染气体通过散射与吸收消光作用而使能见度降低［19］。颗粒物粒径越小，对能见度的影响越大［20］。与前人研究相似，该研究区域颗粒物与能见度均呈现出较强的负相关。图8 为颗粒物浓度与能见度的散点图，可以发现，当颗粒物质量浓度逐渐增大时能见度会随之降低。做出颗粒物与能见度的拟合曲线发现，能见度与PM2.5的拟合曲线最为吻合。

图8 PM10 与PM2.5 质量浓度与能见度散点图

4 结论

（1）喀什市2015—2019 年3 个监测站点PM2.5和PM10年均质量浓度均高于国家二级标准限值，PM2.5质量浓度呈现出逐渐下降的趋势。时间尺度上，PM2.5质量浓度在12 月至次年5 月的值较高，PM10的高浓度期出现在2—5 月；季节上表现为春季和冬季颗粒物污染最为严重，夏季最轻，主要受沙尘及供暖的影响较大。空间尺度上，位于城区的吾办监测站点污染最为严重，市环境监测站站点以PM10污染为主，巡警大队监测站点以PM2.5污染为主。

（2）喀什市沙尘天气多发生在春季，发生沙尘天气时大气颗粒物质量浓度出现陡增、PM2.5/PM10比值下降。沙尘天气是喀什市PM10的主要来源。

（3）不同季节PM2.5与PM10质量浓度之间的拟合度不尽相同，春季拟合度最好的是幂函数，夏季拟合度最好的是线性函数，秋季拟合度最好的是幂函数，冬季拟合度最好的是二次函数，最能拟合出颗粒物之间关系的依次是：二次函数＞线性函数＞幂函数＞指数函数＞对数函数。

（4）不同季节PM2.5和PM10之间的相关性存在一定的差异，在夏季（0.964）相关性最高。全年来看，PM2.5与气象因子之间相关性最强，与湿度、气压呈正相关，与气温、风速、能见度呈负相关，在季节模式下，该相关性强度存在一定的差异，冬季受到较多人为因素的影响，PM2.5与气象因子之间存在较弱的相关性。