德令哈市空气质量变化特征与气象因子关系

余倩

(青海省海西州气象局，青海 德令哈 817000)

引言

德令哈市位于柴达木盆地东北边缘，周边旅游资源丰富，市区海拔2980m，德令哈市属高原大陆性气候区，具有高寒缺氧、空气干燥、少雨多风、年内四季不分的特点。德令哈市地处青藏高原，日照充足，阳光充沛，全年日照为3 554h，随着经济社会的发展，公众环保意识不断提高，对大气污染状况和空气质量水平日益关注。文章利用2015～2018年德令哈市每日空气污染指数及气象资料，分析年际变化趋势，并进一步研究影响其气象因子，为科学有效地控制和治理大气污染提供理论依据。大气污染物的浓度由于污染源排放状况的变化，气象因子的变化等因素的影响呈现随机变量的特征，了解这些随机变量的统计分布对于大气污染控制、大气环境评价以及大气质量标准的制定具有一定的指导意义。

1 资料与方法

德令哈市AQI指数和PM2.5资料来源于德令哈市环境监测站，利用德令哈市2015～2018年空气质量日报数据(逐日空气质量指数、首要污染物和空气质量等级)，空气质量等级说明见表1，分析德令哈市2015～2018年空气质量类别为优490d、良831d、轻度污染80d、中度污染23d、重度污染8d、缺测21d。选取轻度污染、中度污染、重度污染各4次为例，分析德令哈市空气污染的水平时空分布特征及变化规律，通过对比分析得出气象要素(气温、相对湿度、风速、降水量)、天气环流形势与空气质量变化的关系，分析各种天气系统、气流的辐合辐散及大气运动对于大气稀释、扩散污染物的能力影响。研究表明：气象条件和城市大气污染密切相关，气象条件作为影响空气质量环境重要因素之一，在污染源相对稳定的情况下，气象条件变化对污染物浓度变化影响十分显著[1]。

表1 空气质量指数范围及相应的注意事项

空气质量指数(AQI指数)是指根据细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等6项参数综合得出的空气污染程度及空气质量状况的表述(熟知的PM2.5、PM10就属于可吸入颗粒物)

2 德令哈市空气质量分析

2.1 德令哈市空气质量指数分布特征

2015～2018年德令哈市空气质量等级以Ⅱ级(良)为主，达到831d，占56.9%；Ι级(优)次之，为460d，占33.6%；Ⅲ级(轻度污染)80d，占5.6%；Ⅳ级及以上共计31d，仅占2.1%。

2.2 首要污染物年变化

统计2018年德令哈市首要污染物，主要有臭氧、PM10和PM2.5。全年臭氧天数为170d，占46.6%，PM10天数达到85d，占23.2%，而PM2.5天数仅占6d。首要污染物在春季和夏季主要以臭氧为主(春季首要污染物为臭氧的日数主要集中在4月和5月，3月以PM10为主)，这可能与4月以后温度开始回升，对流活动增多以及夏季的持续高温和强日照都有利于氧气向臭氧的转化有关[1]。在秋季和冬季首要污染物主要为PM10，此外统计发现，各季空气质量级别在中度污染及以上的首要污染物绝大部分为PM10，这充分说明了德令哈市空气污染主要由吹风沙尘天气造成。

图1、图2、图3显示的是AQI指数、PM2.5、PM10浓度的2015～2018年变化情况(备注：图1和图2、图3异常值经处理后作图)，反映出AQI指数和PM2.5浓度从2015～2018年的平均值、月均最大值和最小值之间的关系。总体来看，AQI指数和PM2.5浓度呈现相同的变化趋势，年最大值都出现在2015年，AQI指数为78，PM2.5浓度为38μg/m3。且2015年重度污染天数达8d，中度污染天数达7d，轻度污染天数34d。原因可能是由于近几年德令哈市高度重视生态环境保护工作，深入推进大气污染综合整治，有效改善市区空气质量。分析2015～2018年AQI指数、PM2.5浓度发现，两者在春季均有比较明显的一个峰值，进入夏季之后开始逐步走低。

图1 2015～2018年AQI指数年变化情况

图2 2015～2018年PM2.5年变化情况

图3 2015～2018年PM10年变化情况

统计2018年各个季节AQI指数及等级，在春季空气质量以Ⅱ级为主，达到56天，I级为16d，Ⅲ级及以上共计14d。夏季和秋季均以Ⅱ级良为主，分别为78d和93d，说明夏、秋两季德令哈市空气质量良好。冬季虽然空气质量依然以I级优为主(51d)，但Ⅲ级及以上天数逐渐增多。分析发现春季海西及上游地区多大风沙尘天气，容易造成局地扬沙或者沙尘远程输送[2]，PM10浓度剧增，易出现AQI指数极值。到了夏季，降水开始增多，对空气的净化作用明显[3]，而10月底至11月期间受冷空气活动影响，多吹风天气。

2.3 首要污染物月变化

图4显示的是AQI指数和PM2.5、PM10浓度的月变化情况，反映出三者从2015～2018年的月平均值、日均最大值和最小值之间的关系。总体来看，AQI指数和PM2.5、PM10浓度呈现相同的变化趋势，月均最大值出现在4月，AQI指数月均最高值为88，而PM2.5浓度月平均最大值达到了40μg/m3，PM10浓度月平均最大值达到118μg/m3，4月AQI指数日均最大值为116，对应PM2.5浓度为42μg/m3，PM10浓度最大达872μg/m3。

原因主要有以下几个方面：一是该时间段正处于典型春季，气温普遍降低，因此机动车燃料的燃烧效率会下降，再加上交通高峰期引擎怠速，从而导致排放量增大[4]；二是4月为德令哈市大风沙尘天气高发期，沙尘天气导致空气重度污染，污染物不易稀释扩散；此外，这个时期气候干燥，不利于降水的形成，污染物无法通过湿沉降降落至地面。

利用多参数对数正态曲线对德令哈市2015～2018年PM2.5浓度、AQI指数进行拟合，结果显示如图4中。PM2.5浓度在20～30μg/m3之间，AQI指数在40～50之间出现天数最多，即为空气质量最佳。从AQI指数与PM2.5浓度、PM10浓度频数分布来看PM2.5占79%，PM10占75%，AQI指数占73%。总体来看，近几年德令哈市空气质量以优和良的天数居多。

图4 AQI指数与PM2.5、PM10浓度的月变化情况

3 气象要素对空气质量的影响

3.1 气象因子与AQI指数相关性分析

研究表明，气象条件对污染物的扩散、稀释和积累有一定作用，在污染源一定的条件下，污染物的浓度主要取决于气象条件[5]。逐月分析空气质量指数与气象要素的相关关系发现(表2)。1月对德令哈市空气质量起主要作用的气象因子为平均气压、最大风速、极大风速、水汽压。2月除平均气压外，AQI指数与相对湿度、平均气温、日降水量、水汽压，成显著的正相关，相关系数为0.192～0.732；与相对湿度呈正相关，这可能是因为上游地区受冷空气活动易出现吹风沙尘天气，在风的引导下沙尘向德令哈市输入，在降水量不大的情况反而会加重空气的污染程度。3月AQI指数与日降水量成正相关，与相对湿度、水汽压成负相关。而4月和5月AQI指数与最大风速呈现出显著相关关系，进入4月随着温度的升高，柴达木低压开始出现或增强，使得傍晚前后偏东风加强，风速的增大带动周边地面沙尘进入大气，造成空气污染在一定的程度上加重。6月、7月AQI指数并没有表现出与任一气象要素有相关关系。

表2 2015～2018年德令哈市各月空气质量指数与气象要素的相关系数

8月、9月AQI指数则与水汽压和相对湿度呈显著相关关系，查阅关于臭氧的生成机理文献[6]，发现臭氧的生成与气象条件密切相关，容易在高温、强日照条件下发生一系列光化学反应而生成臭氧。德令哈市地处柴达木盆地，8月气温偏高、日照时间充足、太阳辐射强，加上对流降水活动，这些因素都有可能促进或造成臭氧的生成，进而导致臭氧浓度的上升，AQI指数变高。从统计的降水日空气质量等级天数来看，首要污染物臭氧居多，但空气质量多以良为主，这也说明空气质量状况依然适合大多数人的正常出行和生活。进入秋季，每个月AQI指数分别与不同的气象要素呈显著的相关关系，到了12月随着高空环流形势的稳定，AQI指数更多的与降水呈现显著的正相关关系。

3.2 气温对空气质量的影响

气温的高低直接影响到空气的污染程度，空气污染较重和污染超标现象往往出现在温度较低的冬季。当气温较高时，上层空气对流旺盛，有助于污染物的向上扩散和输送，从而缓解空气污染。夏季气温比较炎热，加之城市中大量机动车运行，所排放的尾气在夏季高温天气影响下，极易发生光化学反应，产生大量的氮氧化物和臭氧，造成夏季的空气污染严重。而在冬季地面气温与上层空气温度相当，使上层空气热力对流不显著，容易出现逆温现象，不利于大气污染物的扩散和稀释，从而出现了雾霾等重污染天气。除此之外，冬季进入采暖期，大量煤炭的燃烧，更加剧了空气的污染程度。

冬季我国大陆受蒙古高气压的控制，气流呈垂直方向做下沉运动，冷空气活动频繁，空气湿度降低，不利于形成云雨天气，影响污染物的扩散和稀释。因此高压控制的天气容易加剧空气污染，这就是为什么往往在冬季空气污染比较严重的原因之一。而在夏季气温高但气压低，空气对流较旺盛，极易形成云雨天气，有利于污染物的稀释和扩散，因此夏季的空气质量普遍偏优。从温度与AQI指数的关系来看，夏季气温升高，AQI指数相对稳定。

3.3 降水对空气质量的影响

降水可以改善大气污染情况，它可以清除和冲刷空气中存留的污染物，而且又可以有效地抑制地面扬尘出现。不同程度的降水量对于空气污染的改善有不同的作用，一般小雨并不能改善空气质量，小雨雨量不足以稀释大气中的污染物，反而会使空气湿度增大而吸附更多的污染物悬浮在空气中，造成雾霾天气使空气污染加重，只有达到中雨以上的程度才可以改善空气质量。

2018年德令哈市无降水日为287d，其中Ⅱ级良235d，占81.9%，Ⅲ级轻度污染为12d，占3.3%，Ⅳ级中度污染及以上共计4d。分析首要污染物(其中5d首要污染物并列)，Ⅱ、Ⅲ级中PM10和臭氧占大多数，Ⅳ级及以上级别主要为PM10。与全年相比可以得出，无降水日更容易出现空气质量Ⅲ级及以上级别，这也从侧面说明降水对空气的净化作用。针对春季和夏季首要污染物多为臭氧的情况，参考曲晓黎、张夏琨等人的结论[5]，通过分类日降水量(分为小于1mm、大于1mm、大于3mm、大于5mm和大于10mm)进行讨论。2018年出现有效降水日为78d。统计不同量级下空气质量等级及首要污染物分布，可以得出，随着降水量的增大，空气质量Ⅱ级也相应增多，Ⅳ级及以上空气质量级别出现在量级小于1mm的条件下，且降水量越大，首要污染物就越集中为臭氧。

综上，德令哈市空气质量在无降水日和降水日均以Ⅱ级良为主，无降水日期间首要污染物集中在PM10和臭氧，而当出现降水且量级大时，首要污染物更多为臭氧。

3.4 相对湿度对空气质量的影响

不同季节空气湿度不一样，在夏季空气湿度达到最高，夏季降水量大，对大气湿度贡献率较高，因此夏季空气质量优于其他季节，而其他季节大气湿度不能达到稀释标准。相对湿度存在明显的周期变化，春季相对湿度较小，AQI指数随之上升，夏季相对湿度较大，AQI指数反之较小。

3.5 风速对空气质量的影响

风对污染物的疏散和扩散具有重要作用，也具有双重性。在春季，风速较大可以吹散空气中的污染物，但对于北方或者干燥且植被覆盖率低的地方来说，会加剧污染。秋冬两季，风速越小，对空气的污染就越小，反之则加大。风场一直是颗粒物浓度的重要影响因子，对于颗粒物的扩散有很大帮助。有研究表明，风速和颗粒物浓度呈U型相关，即风速不是一直和颗粒物浓度呈线性相关，而是在一定范围内，风速将会对颗粒物起到扩散稀释作用，风速越大，这种作用就越强。反之，颗粒物浓度就会上升，尤其在静风天气下，更容易造成颗粒物大量累积，所以在这个范围内，风速和颗粒物浓度呈负相关。而当风速超过这个范围之后，便会卷起地面沙尘，增加颗粒物浓度，在这个范围内的风速越大，颗粒物浓度就越大。受特殊地形及海拔高度的共同影响，德令哈市常年盛行偏东风，这种大风会卷起沙尘，造成空气质量污染的情况也频繁发生。分析2018年12次个例中有9次过程出现5级以上大风，有6次出现浮尘、扬沙天气，再次说明德令哈市发生污染天气是由大风沙尘天气引起。

4 污染过程气象条件分析

4.1 不同条件下环流形势演变特征

大尺度的天气形势对气象要素的分布和变化具有重要的影响作用，环流形势的变化极大地影响了大气地扩散能力、大气的稳定度等[7]。大气的扩散能力决定了一个地区的污染物浓度扩散速度，而大气的稳定程度则决定了污染物在该地区的发展趋势，针对污染天气过程发展的情况和特点，挑选了2018年共16个典型个例，其中包括空气质量优及良的4次，轻度污染4次，中度污染4次，重度污染4次。通过分析发现，空气质量优和良的环流背景一般为典型的西北气流型或高压脊控制时出现最多；空气质量污染天气环流背景欧亚中高纬为两槽一脊型居多。以2018年2月8～9日、4月4～5日的重度污染天气为例，对高空环流形势演变、地面实况、物理量场进行分析。

地面河西走廊、海西分别有冷锋过境，冷高压与热低压之间的相互作用，冷锋前后的正、负ΔP24、ΔP3气压场的最新变化，代表了冷暖空气演变的最新动态，ΔP3差值越大越有利于大风沙尘暴加强，正负ΔP3中心连线的方向代表着冷暖空气移动的方向，也是大风沙尘暴移动的方向，特强沙尘暴出现在地面冷高压和热低压的过渡地带。正确估计冷锋过境，也是预报空气污染的关键。大风沙尘暴多发生在冷锋过境时或过境后，冷锋在午后到前半夜(混合层作用)过境最有利于沙尘暴的发展加强。大风沙尘暴出现前水平温度梯度、气压梯度、变压梯度越大沙尘暴越强，空气污染越强。

图5 2018年4月4日出现天气现象图

5 结语

(1)2018年德令哈市空气质量以Ⅱ级良为主，全年达到235d，占64.4%。AQI指数有比较明显的季节分布特征，春季最高，夏秋两季空气质量偏好，冬季空气质量多以Ⅰ级优为主，但Ⅲ级及以上天数逐渐增多；首要污染物在春季和夏季主要以臭氧为主，其余时间多以PM10为主，德令哈市空气质量级别在中度及以上首要污染物绝大部分为PM10，说明了主要由吹风沙尘天气造成。

(2)不同月份空气质量指数与不同气象要素有比较好的相关关系。日降水量在不同月份存在着正、负相关关系，这与不同季节冷空气活动所带来得不同天气现象及其他气象要素作用有一定的关联。

(3)污染天气过程等高线密集，梯度大，有明显的高空急流带，受动量下传及冷空气共同作用，300～700hPa之间形成强烈的辐散下沉，造成地面大风天气，出现沙尘天气。冷锋活动是造成污染物浓度日际变化的重要天气系统，冷锋过境前，污染物浓度逐渐增高，并达到峰值；冷锋过境后，污染物浓度迅速降低。