哈密市空氣質量特征及其與氣象因子的關系

馮瑤，美合日阿依·牙里坤，張科

（1.伊州區氣象局，新疆 哈密 839000；2.哈密市氣象臺，新疆 哈密 839000）

引言

隨著經濟的飛速發展，城市化進程的不斷加快，能源與交通規模的逐漸擴大，城市人口的迅速膨脹，我國城市大氣污染日益嚴重，時刻影響著人們的健康和生活，大氣污染和空氣質量問題越來越受到人們的高度重視[1]?？諝赓|量指數（AQI）法[2]是目前我國城市廣泛采用的評價空氣質量和污染程度的方法，它把常規監測的幾種空氣污染物濃度換算成指數，分指數最高的即為首要污染物，可以直觀地反映當地空氣質量的污染狀況。目前，已有許多氣象和環境工作者對不同區域的空氣質量和氣象因子的相關關系進行了大量研究[3-10]，也有學者針對不同城市的顆粒物濃度及氣象條件進行過分析[11-13]，都得出有意義的結論。慕彩蕓等[14]、屠月青等[15]雖對哈密市污染物濃度及氣象條件進行過分析，但環境資料有限，不能代表哈密市空氣質量的整體變化，因此通過AQI分析研究哈密市空氣質量及氣象影響因素的長期變化很有必要。

哈密市位于新疆東部，地處天山山脈以南，屬典型的干旱性氣候區，年降水量少，戈壁荒漠多，隨著當地經濟和城市建設的高速發展，主城區許多地方的舊房改造和道路修建等工程項目的建設，人口密度的增長，城市樓群的增高，機動車保有量的持續增加，使哈密市近幾年的空氣質量明顯下降。因此，研究分析哈密市空氣污染的現狀及空氣質量月、季、采暖期和非采暖期的變化特征，進一步探討影響AQI變化的氣象因子，為科學有效地控制和治理大氣污染提供理論基礎和數據支持，對改善哈密市空氣質量具有極其重要的意義。

1 資料來源與分析方法

AQI（Air Quality Index，下同）是定量描述空氣質量狀況的指標，參與空氣質量評價的主要污染物有PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6 項，根 據每項污染物濃度監測數據計算出各自的空氣質量分指數，取污染指數最大者報告該地區的空氣質量指數，空氣質量指數對應空氣質量的6個級別，指數越大，級別越高，說明空氣污染越嚴重，空氣質量越差，對人體健康的影響也越明顯[4]。

文章環境資料來自于哈密市環保局監測站2010—2019年PM10、SO2、NO2逐日 濃 度 數 據，2010—2014年11月30日期間環保局只對PM10、SO2、NO2進行監測，從2014年12月1日—2019年12月31日，根據國家環境新標準增加PM2.5、CO和O3監測，通過對近幾年監測數據分析，哈密市首要污染物為PM10，占所有污染物的93.4%，其它幾種污染物只占6.6%，且沒有超標，只具有警示作用，因此，文章只選取首要污染物PM10的濃度作為空氣質量的衡量指標；氣象資料選用哈密市國家基準氣象站同期地面觀測資料，包括氣溫、降水、氣壓、相對濕度、極大風速、能見度等。季節采用氣象劃分標準：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月，采暖期為10月至次年3月，非采暖期為4—9月。

采用相關分析法對AQI和氣象因子的相關性進行分析，通過相關系數來確定氣象因子對AQI的影響。

2 結果與分析

2.1 哈密市空氣質量污染現狀及年、月分布特征

從2010—2019年哈密市3645 d有效樣本分析可知 ：哈密市空氣質量主要以Ⅱ級（良）為主，共2910 d，占總監測數的79.8%，Ⅰ級（優）日數為312 d，占8.6%，Ⅲ級（輕度污染）及以上（中度、重度和嚴重污染）日數423 d，占總數的11.6%。由圖1哈密市AQI的月變化可以看出：2010—2019年哈密市AQI呈雙峰型變化，每年的2月和10月開始AQI逐漸增大，3月和11月達到兩個峰值，且3月的指數值明顯高于11月，為全年最高，AQI平均值為101，空氣質量Ⅲ級，屬輕度污染，是每年空氣質量最差的月份，之后4月開始下降，到6月達到最低值61，降幅為39.6%，6—9月AQI變化相對平緩，未超過Ⅱ級標準，表明空氣質量好，是一年當中空氣質量最好的時期，而12月和1月雖有所下降，但還是高于6—9月，這段時期正好與哈密市供暖期和春季的大風、沙塵期相一致，這也是冬、春季AQI維持偏高的主要原因。

圖1 2010—2019年哈密市AQI月變化

從AQI年變化和污染日數變化（圖2）上看，2010—2019年以“單峰型”趨勢在變化，即先增大再減小的一個過程，2013年AQI平均值達最大，為91，雖然平均指數未超過國家Ⅱ級標準，但空氣質量Ⅲ級（輕度污染）及以上的日數和比例，2011年以后明顯開始增多，2014年輕度污染及以上日數高達88 d，為近10年污染日數最多年，特別是輕度污染增加日數最明顯，為64 d，占全年污染日數的24.1%，同時中度和重度污染日數也明顯增多，達到嚴重污染（Ⅴ級）的日數11 d，空氣質量為近10年最差年；2014年之后幾年輕度污染及以上日數明顯下降，到2018年最少，為24 d，同時空氣質量達Ⅰ級（優）的日數明顯增多，為73 d，從近10年比較來看，2011年輕度及以上污染日數最少，只有12 d，是近10年空氣質量最好年，2019年輕度污染日數又出現明顯上升的趨勢，輕度及以上污染天氣集中在3—4月,平均每年25 d左右，出現頻率為60.5%，污染日數的變化和AQI年值的變化不一致，說明輕度及以上污染事件沒有頻繁出現，AQI的增大可能與極端天氣形勢或氣象條件有關。

圖2 2010—2019年哈密市AQI年變化和各級別污染日數變化

2.2 空氣質量的季節及采暖期和非采暖期的變化特征

由哈密市AQI的季節變化可以看出（圖3）：春季AQI平均值最高（88），是全年空氣質量最差的季節，其次是冬季、秋季，夏季AQI平均值最?。?4），說明空氣質量最好，但全年都未超過國家Ⅱ級標準。從2010—2019年逐年的季節變化來看，春季AQI逐年增加，增長率為8.7/10 a，2014年達到峰值126，空氣質量Ⅲ級，屬輕度污染，是夏季指數的2 倍，是近10年中春季空氣質量最差的季節，夏季AQI變化比較平穩，呈緩慢上升趨勢，上升率2.7/10 a，是全年指數最低，空氣質量最好的季節。秋季是先增大再減小的一個過程，呈下降趨勢，變化率為-15.9/10 a，2013年秋季達最大，AQI為118，空氣質量Ⅲ級，輕度污染，是秋季空氣質量最差的一年，冬季AQI逐年在增大，增長率為 7.6/10 a，夏季和秋季通過0.10的顯著性檢驗，春季和冬季未通過顯著性檢驗。

圖3 2010—2019年哈密市AQI季節變化及采暖期和非采暖期變化

采暖期和非采暖期相比，采暖期平均AQI（83）高于非采暖期（71），其變化率分別為-9.2/10 a和-11.4/10 a，非采暖期通過0.10的顯著性檢驗，采暖期未通過檢驗。但不同的年份具體的變化各具差異性，近10年采暖期曲線呈波動型變化過程，2013年為AQI峰值（114），空氣質量Ⅲ級，輕度污染，表明是采暖期空氣質量最差的一年，這和年污染日數的變化基本一致，采暖期污染日數最多的為2013年57 d，且AQI連續9 d達300以上的嚴重污染日，其次是2014年52 d，污染日數最少，為2011年12 d；非采暖期AQI變化平緩相對穩定，除2010年AQI為99外，基本都維持在64～75之間，污染日數也較少，未超過國家Ⅱ級標準；分析其原因是哈密市是典型的北方城市，冬季干冷嚴寒且時期長，需要燃煤供暖，開春后供暖還在繼續，再加上春季冷空氣活動頻繁，風速加大，氣溫上升，地表覆蓋植被少，容易引起沙塵天氣的出現，使AQI增大。

3 空氣質量與氣象因子的相關性分析

空氣質量的好壞受氣象條件、污染源的位置、排放強度及種類、地形等多種因素的共同影響，其中氣象條件對污染物的輸送、擴散、稀釋有著非常重要的作用，同時也是變化最快和最復雜的影響因子[3]。

本文采用Pearson相關系數法計算空氣質量指數與氣象因子的相關關系，相關系數＞0，表明變量之間正相關，相關系數＜0，變量之間為負相關。

由表1可以看出：在影響AQI的氣象因子中，降水量、氣溫、相對濕度、能見度和AQI呈負相關，且通過0.01的顯著性檢驗，從各類氣象因子與AQI相關系數的絕對值可以看出，降水和能見度最大，說明降水與能見度、AQI關系最為密切，對指數的影響是最直接的，降水產生時，空氣中的可吸入顆粒物被水汽吸附成云滴或雨滴的凝結核，或直接被雨水沖刷而清除，使AQI減??；能見度是反映空氣中氣溶膠較好的參數，與其它氣象要素相比，它并不能直接對氣溶膠顆粒物濃度產生影響，能見度的高低直接反映了空氣質量的好壞，能見度高，說明空氣質量好，AQI則低；相反能見度低，說明空氣中氣溶膠顆粒物較多，空氣質量較差，AQI高；氣溫升高時，大氣對流運動加強，加快污染物的擴散和稀釋，使其濃度降低，從而降低AQI。而日照時數、氣壓、風速和極大風速與AQI呈正相關，日照時數、風速與極大風速均通過0.01的顯著性檢驗，在正相關影響因子中，風速和日照時數的影響較為密切，一般來說，風速越大，越有利于大氣中的顆粒物擴散，相應的濃度就會降低，反之，濃度會越高，從而影響AQI，但風速增大到一定的閾值時，大風會刮起地面沙塵，使空氣質量明顯下降，AQI增大，導致空氣質量指數超標[14]。而氣壓沒有通過顯著性檢驗，分析其原因是氣象因子之間存在共性所致，所以不能準確描述其與AQI的關聯程度。

表1 哈密市AQI與氣象因子的相關系數

從表2可以看出：相對濕度和能見度無論什么季節都和AQI呈負相關，說明相對濕度和能見度增大會使AQI減小，空氣質量變好，相反，相對濕度和能見度減小指數增大使空氣質量變差，且大都通過顯著性檢驗，春季能見度的相關性最大，冬季、秋季次之，夏季最小，夏季相對濕度相關性最大，是因為哈密市夏季降水多，空氣較濕潤，濕空氣對污染物能起到清除和沖刷作用，有效地降低污染物濃度，使空氣質量指數降低，其它季節降低的作用不顯著，且沒有通過顯著性檢驗。春季AQI與日照時數、風速、極大風速呈顯著正相關，與氣溫和能見度呈顯著負相關，主要原因是春季空氣干燥，地表大多裸露，無植被覆蓋，氣溫低，日照少，大氣層較為穩定，且春季多大風入侵，大量的地表泥土和沙塵顆粒被帶到空中，加上燃煤取暖，污染物不容易擴散稀釋，使得空氣質量指數升高；夏季AQI與風速和極大風速呈顯著正相關，與相對濕度呈負相關；秋季AQI與氣溫、日照時數和能見度呈負相關，與氣壓呈正相關；冬季AQI與氣溫、日照時數呈正相關，與氣壓、風速和能見度呈負相關，且通過顯著性檢驗。綜上所述，不同季節影響空氣質量AQI的氣象因子并不完全相同，其中起主要作用的氣象因子為能見度、相對濕度、風速和極大風速。

表2 哈密市各季AQI與氣象因子的相關系數

4 結論

(1)哈密市首要污染物為PM10，空氣質量主要以Ⅱ級（良）為主，AQI存在明顯的年、月變化，2010—2019年AQI呈現先增大再減小的單峰型變化，2014年輕度污染及以上日數88 d，是空氣質量最差的一年，2011年輕度以上污染日數最少，只有12 d，是近10年空氣質量最好年；每年空氣質量指數最高的是3月和11月，達到輕度污染級別，6—9月AQI變化較為平緩，空氣質量最好。

(2)AQI在不同季節、不同時期具有不同的差異性，春季AQI最高，空氣質量最差，其次是秋季和冬季，夏季AQI最低，空氣質量最好；采暖期AQI高于非采暖期，和冬、春季的變化基本一致。

(3)哈密市AQI與降水、能見度、氣溫、相對濕度均呈負相關，與風速、日照時數、極大風速、氣壓呈正相關，且大都通過顯著性檢驗。

(4)不同季節影響AQI的氣象因子并不完全相同，無論在什么季節，相對濕度、能見度均與AQI呈負相關，且能見度和AQI的相關性比相對濕度大。春、夏、秋三個季節AQI與風速和極大風速呈正相關，冬季則呈負相關，氣溫、日照時數、氣壓在不同季節與AQI呈不同的相關性。