克拉玛依中心城区空气质量变化特征及其与气象条件的关系

2023-03-22朱俊橙马晓慧孜丽哈·金恩斯

农业灾害研究 2023年12期

朱俊橙马晓慧孜丽哈·金恩斯

摘要利用克拉玛依中心城区2017—2021年长征新村监测站逐时观测和克拉玛依国家基本观测站的地面观测和探空观测资料，分析了克拉玛依中心城区空气质量等级、首要污染物及其与气象条件的关系。结果表明：（1）2017—2021年环境空气质量（AQI）优良率达90.4%，空气污染类型主要是供暖期（10月至翌年4月）的PM2.5、PM10污染和夏季的O3污染为主，其贡献率分别为77.91%、9.88%、11.63%。（2）克拉玛依中心城区发生中度污染及以上PM2.5污染时，逆温层厚度≥250 m、逆温强度均≥1.2 ℃/100 m、逆温层底高≤350 m。当准噶尔盆地中东部出现明显的偏东风，克拉玛依中心城区出现一层逆温、近地面风速均较小、逆温层厚度≤200 m时，可能会出现由PM10造成的重度污染及以上天气。

关键词空气质量；克拉玛依；气象条件；逆温；阈值

中图分类号：X513 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）12–0-03

Variation Characteristics of Air Quality in Central Urban Area of Karamay and Its Relationship with Meteorological Conditions

Zhu Jun-cheng et al（Karamay Meteor-

ological Bureau， Karamay， Xinjiang 834000）

Abstract Using the hourly observation data of the Long March New Village Monitoring Station in the central urban area of Karamay from 2017 to 2021 and the ground observation and radiosonde observation data of the Karamay National Basic Observation Station， analyzed the air quality level， primary pollutants and their relationship with meteorological conditions in the central urban area of Karamay. The results showed that from 2017 to 2021， the excellent rate of environmental air quality （AQI） reached 90.4%. The main types of air pollution were PM2.5 and PM10 pollution during the heating period （October to April of the following year）， and O3 pollution during summer， with contribution rates of 77.91%， 9.88%， and 11.63%， respectively. （2） When moderate pollution or above PM2.5 pollution occurs in the central urban area of Karamay， the thickness of inversion layer is ≥250 m， the inversion intensity is ≥1.2 ℃/100 m， and the bottom height of inversion layer is ≤ 350 m. When an obvious easterly wind appears in the middle east of the Junggar Basin， a layer of inversion occurs in the central urban area of Karamay， the wind speed near the ground is small， and the thickness of the inversion layer is ≤200 m， heavy pollution caused by PM10 and weather above may occur.

Key words Air quality; Karamay; Meteorological conditions; Inversion; Threshold

隨着社会经济的高质量发展，城市化的进程不断加快，城市人口迅速膨胀，人们的生活水平也在不断提高，城市大气污染问题越来越受到人们的重视[1]。空气污染不仅会影响植物生长、损坏文物古迹以及降低能见度，还会给城市居民的人体健康带来不利影响[2]。空气质量指数（AQI）是2012年3月国家发布的新空气质量评价无量纲指数，它可作为衡量大气污染的重要指标。大量研究表明，城市空气质量主要取决于2个方面：一是污染源的排放和主要分布状况，二是与气象条件关系密切，风速、降水量、云量、相对湿度及气温等气象要素对污染物浓度变化均具有一定影响[3-7]。

新疆城市空气质量的研究主要集中在乌鲁木齐，在其时空分布特征、污染物源解析、成因以及对人体健康的影响等方面已有大量成果[8-12]。克拉玛依市地处准噶尔盆地西北缘的冲洪积扇前倾斜平原地带，加依尔山南麓，其东面濒临古尔班通古特沙漠，南面与乌苏市、沙湾市和奎屯市相接，北面与和布克赛尔蒙古自治县相接，属于温带大陆性干旱荒漠气候[13]。刘新春等[14]研究指出克拉玛依污染供暖期API指数高于非供暖期，乌鲁木齐周边城市的空气污染具有典型的煤烟型特征；郭凤娟等[15]研究指出克拉玛依供暖期PM2.5浓度与常规气象要素具有显著的相关。按照AQI指数划分大气污染程度，探讨了克拉玛依中心城区空气质量等级、首要污染物的变化特征及其与气象条件的关系，并给出发生空气污染时各类气象要素的阈值，为政府部门相关政策提供

参考。

1 资料与方法

主要研究区域为克拉玛依市中心城区，选取2017—2021年克拉玛依市长征新村监测站（84°53′E，45°36′N）的PM2.5、PM10、CO、O3、NO2、SO2六大常规污染物小时观测资料，通过空气质量指数（AQI）技术规定方法计算得到AQI和各类污染物的IAQI。

2 克拉玛依中心城区的空气污染特征

2.1 年变化特征

为了反映污染严重程度的年际变化，2017—2020年空气污染程度呈现逐年减轻的趋势，但2021年污染程度开始加重。通过统计分析，筛选出污染日不同污染物对AQI贡献的天数，计算出每种污染物对AQI的贡献率（图1）。研究表明，克拉玛依中心城区首要污染物为PM2.5为134 d、O3为20 d、PM10为17 d，贡献率分别为77.91%、11.63%、9.88%。

2.2 月、季变化特征

由图2可知，从空气污染日月分布特征来看，近6年空气污染主要发生在11月至翌年3月，主要以轻度污染为主，中度及以上程度污染发生在11月至翌年2月。从季节分布上来看，克拉玛依中心城区空气污染主要发生在冬季和夏季，污染物类型分别以臭氧污染和颗粒物污染为主；从年月分布上来看，颗粒物污染主要分布在秋末至次年春初时期（10月至翌年3月），臭氧污染主要发生在2017年夏季，2018年后未发生过臭氧污染。

3 气象条件对克拉玛依中心城区空气质量状况的影响

3.1 常规气象要素与不同污染物空气质量分指数的关系

克拉玛依中心城区空气质量状况与海平面气压、相对平均湿度呈极显著正相关，相关系数分别为0.125、0.196；与日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日平均风速、日极大风速呈极显著负相关，相关系数分别为-0.232、-0.226、-0.239、-0.100、-0.174、-0.165；与降水量呈负相关，但未通过显著性检验[6-7]。

3.2 克拉玛依中心城区主要污染物与气象条件的关系

通过上述研究可知，克拉玛依中心城区污染主要集中在冬季以PM2.5污染为主和冬季O3污染为主，夏季O3污染与海平面气压、极大风速呈显著负相关，相关系数分别为-0.255、-0.179；与日平均气温、日最高气温、日最低气温呈极显著正相关，相关系数分别为0.435、0.455、0.359。供暖期PM2.5污染与海平面气压、平均相对湿度呈显著正相关，相关系数分别为0.386、0.565；与日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日平均风速、日极大风速呈显著负相关，相关系数分别为-0.629、-0.622、-0.632、-0.309、-0.471、-0.414。

3.3 供暖期不同空气质量等级的气象条件

从供暖期小时风向风速和PM2.5浓度合成图上来看（图略），当风速小于3 m/s时，地面风向为西南风、偏东风时，PM2.5浓度会迅速增大，可能造成空气污染；当风速小于1 m/s时，地面基本处于静风状态，与风向关系不大，当风向处于正南风时，有利于产生中度及以上污染等级的空气污染。

3.4 供暖期大气边界层逆温层特征

3.4.1 逆温层层数分布特征 08：00克拉玛依中心城区供暖期边界层内逆温层主要以1～4层为主，累计频率达到87.8%，其中，1～2层逆温层的频率达到51.39%，出现5层以上逆温的频率为12.31%；空气污染较严重的冬季（12月至翌年2月）逆温层数分布情况较为分散，出现5层及以上逆温的频率，达到25.98%。

3.4.2 逆温层高度分布特征逆温层底部的高度作为逆温高度，以50 m为间隔，以最小值作为该層的高度，即0～50 m以0 m作为该层高度，最后统计各高度范围内逆温所占的比重。通过之前研究可知，克拉玛依中心城区边界层逆温以多层逆温为主，出现单层逆温的频率较小。从单层逆温高度分布情况上来看，08：00主要集中在近地面（50 m以内），比重达到73.9%，其次分布在150～450、850～900 m，比重均在1.4%以上，其余高度均＜1%；20：00近地面（50 m以内），比重达到11%，其次分布在200～550、650～1 100、1 250～1 400 m，比重均＞1%，其余高度均＜1%。从多层逆温高度分布情况来看，08：00和20：00均主要集中在近地面（50 m以内），比重分别为28.8%、5.9%，其次分布在50～1 300 m，所占比重相当。

3.4.3 不同类型逆温频率、厚度和强度分布特征克拉玛依中心城区供暖期出现逆温时各类逆温的频率均较高，从08：00和20：00不同逆温出现的频率来看，08：00三类逆温出现频率均较高，分别为75.4%、51.98%、48.81%，20：00出现的逆温类型主要以低悬逆温和高悬逆温为主，频率分别为59.23%、62.5%。从贴地逆温出现频率来看，供暖期08：00出现频率均较高，其中4、10月出现逆温极大概率为贴地逆温；2、3、4、11月20：00出现频率均较低，均小于27%，1、12月相对出现频率较高，分别为36.54%和37.25%。从低悬逆温和高悬逆温出现频率来看，冬季（12月至翌年2月）08：00和20：00均较容易出现，频率均＞60%[8-10]。

3.4.4 供暖期不同类型逆温对空气质量的影响克拉玛依中心城区供暖期空气质量（AQI）与08：00贴地逆温厚度和强度、低悬逆温厚度呈显著正相关，相关系数分别为0.377 9、0.004 5、0.332 5。

克拉玛依中心城区供暖期PM2.5空气质量分指数（IAQI-PM2.5）与08：00贴地逆温的厚度、低悬逆温的厚度和强度呈极显著正相关，相关系数分别为0.428 4、0.521 6、0.443 2。克拉玛依中心城区供暖期PM10空气质量分指数（IAQI-PM10）与08：00贴地逆温厚度和强度呈显著正相关，相关系数分别为0.188 9、0.149 8。

4 结论

（1）克拉玛依中心城区2017—2021年空气质量（AQI）优良率达90.4%，空气污染类型主要是供暖期（10月至翌年4月）的PM2.5、PM10污染和夏季的O3污染为主，其贡献率分别为77.91%、9.88%、11.63%。克拉玛依中心城区空气质量（AQI）与海平面气压、相对平均湿度呈显著正相关；与日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日平均风速、日极大风速呈显著负相关。PM2.5污染与海平面气压、平均相对湿度呈极显著正相关；与平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日平均风速、日极大风速呈极显著负相关。

（2）当克拉玛依中心城区海平面气压（＞1 035 hPa）、日平均气温（＜-5 ℃）、日最低气温（＜-8 ℃）、日最高气温（＜-2 ℃）、平均相对湿度（＞70%）、日平均风速（＜1.4 m/s）、日最大风速（＜4.5 m/s）时，空气质量会明显转良；当满足以上气象条件，且当日平均气温（＜-10 ℃）、日最低气温（＜-13 ℃）、日最高气温（＜-6 ℃）、平均相对湿度（＞74%）、日平均风速（＜1.2 m/s），空气质量（AQI）可能将达到轻度污染及以上。当风速＜3 m/s时，地面风向为西南风、偏东风时，PM2.5浓度会迅速增大，可能造成空气污染；当风速＜1 m/s时，地面基本处于静风状态，与风向关系不大，当风向处于正南风时，有利于产生中度及以上污染等级的空气污染。

（3）克拉玛依中心城区供暖期边界层内逆温层主要以1～4层为主；空气污染较严重的冬季（12月至翌年2月）逆温层数出现5层及以上逆温的频率较大。克拉玛依中心城区供暖期出现逆温时各类逆温的频率均较高， 08：00三类逆温出现频率均较高，20：00出现的逆温类型主要以低悬逆温和高悬逆温为主。从低悬逆温和高悬逆温出现频率来看，冬季（12月至翌年2月）08：00和20：00均较容易出现，频率均＞60%。

参考文献

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