孫蓉花 陳學(xué)剛 魏 疆 韓文堂

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054；3.新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

烏魯木齊市PM2.5濃度與氣象條件耦合分析*

孫蓉花1，2陳學(xué)剛1，2魏 疆3#韓文堂1，2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054；3.新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

為探究氣象條件對(duì)污染物濃度的影響，于2013年10月至2014年10月在烏魯木齊市主城區(qū)采集PM2.5樣品，并選取同期氣象站監(jiān)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：(1)烏魯木齊市采暖期PM2.5日均值平均達(dá)到84.70 μg/m3，超出了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中24 h平均二級(jí)限值(75 μg/m3)，是非采暖期(20.66 μg/m3)的4倍多。(2)采暖期風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、水汽壓與PM2.5日均值極顯著相關(guān)，非采暖期相對(duì)濕度與PM2.5日均值極顯著相關(guān)。

烏魯木齊 PM2.5氣象要素 相關(guān)性

烏魯木齊市位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣的烏魯木齊河谷中，三面環(huán)山，地勢(shì)呈東南高西北低緩慢坡降之勢(shì)，屬河谷型城市[1]，與平原城市相比污染物容量小，加之冬季采暖和氣象條件的制約，造成了嚴(yán)重的大氣污染問題[2-6]。

2011年，世界衛(wèi)生組織對(duì)全球1 100個(gè)城市的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行排名，烏魯木齊市位于1 052位[7]。近幾年，霧霾天氣越來越多。究其原因除了與污染物排放量、地形地勢(shì)有關(guān)外，更多是受到氣象條件的制約，在不同的氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍[8]。研究發(fā)現(xiàn)：烏魯木齊市大氣污染物濃度與逆溫、風(fēng)速、溫度、氣壓、相對(duì)濕度等氣象要素間存在顯著相關(guān)性[9-10]；烏魯木齊市冬季逆溫多發(fā)，平均月發(fā)生頻率達(dá)到92%[11]21，逆溫嚴(yán)重抑制了污染物的垂直擴(kuò)散；烏魯木齊采暖期風(fēng)速較小，靜風(fēng)(≤0.5 m/s)頻率高[12]，年平均風(fēng)速1.84～1.97 m/s，靜風(fēng)和小風(fēng)(0.5～1.5 m/s)的頻率為27.0%～30.6%，這嚴(yán)重制約了污染物水平擴(kuò)散的能力[13-14]；烏魯木齊市冬季地面常有穩(wěn)定的積雪，雪面蒸發(fā)及降雪天氣增加了水汽，相對(duì)濕度增高，促進(jìn)了大霧天氣的形成，冬季采暖期霧天占全年總大霧天數(shù)的98%[15]，大霧是采暖期重污染天氣形成的重要因素之一[16-18]。

為進(jìn)一步了解和揭示造成烏魯木齊市大氣污染的主要顆粒物PM2.5濃度和氣象要素間的關(guān)系，通過采集獲取2013年10月至2014年10月烏魯木齊市PM2.5的逐時(shí)濃度數(shù)據(jù)及選取同期的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)展開研究。

1 樣品采集與處理

1.1 樣品采集

PM2.5樣品的采集：采用Thermo Scientific TEOM 1405-DF系列顆粒物監(jiān)測(cè)儀采集，該儀器有兩套濾膜測(cè)量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和兩套錐形原件微量振蕩天平傳感器，每6 min更新一次1、24 h平均值。

氣象數(shù)據(jù)采用了同期的國家基準(zhǔn)氣象站烏魯木齊市氣象站的逐日地面氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫、水汽壓和相對(duì)濕度)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，PM2.5日均值通過24 h PM2.5算數(shù)均值得到；采用Grapher 8.0軟件做了風(fēng)速、風(fēng)頻圖和PM2.5小時(shí)濃度變化圖。依據(jù)烏魯木齊市的氣象特征和供暖時(shí)間，劃分了采暖期(2013年10月10日至2014年4月10日)和非采暖期(2014年4月11日至2014年10月9日)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5濃度變化特征

由圖1(a)可見，烏魯木齊市采暖期PM2.5日均值平均達(dá)到84.70 μg/m3，嚴(yán)重超出了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中24 h平均二級(jí)限值(75 μg/m3)，超標(biāo)天數(shù)總計(jì)達(dá)到了92 d，11月超標(biāo)天數(shù)最多，達(dá)到了22 d，12月次之，為20 d，2、3月超標(biāo)天數(shù)較少，分別為8、9 d。PM2.5日均值最高、次高值出現(xiàn)在11月16日和1月4日，分別高達(dá)263.46、244.13 μg/m3，這兩天大氣層結(jié)穩(wěn)定，日均氣溫分別為-3.3、-12.4 ℃，相對(duì)濕度分別為88.54%、78.88%，平均風(fēng)速分別為1.21、1.28 m/s。2月1日、3月26日、11月21日和11月22日PM2.5日均值較低，分別為14.13、14.13、14.10、16.00 μg/m3，氣象資顯示這幾天均有不同程度的降水，降水量分別為3.0、13.0、1.0、0.5 mm。

由圖1(b)可見，非采暖期PM2.5日均值較低，平均為20.66 μg/m3，7月最低，月均值為19.44 μg/m3，PM2.5日均值最低出現(xiàn)在4月14日，為8.32 μg/m3，氣象資料顯示當(dāng)天有降雨，降雨量為15.0 mm，平均風(fēng)速約為3.8 m/s；PM2.5日均值最高、次高值分別出現(xiàn)在7月20日和4月25日，分別是84.33、64.17 μg/m3，這兩天氣象條件相對(duì)較穩(wěn)定，平均氣溫分別為25.6、7.9 ℃，相對(duì)濕度分別約為25%、40%，平均風(fēng)速分別約為2.6、1.3 m/s，夏季持續(xù)的高溫和風(fēng)速相對(duì)較小的天氣，PM2.5反而較高，是由于夏季光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，促進(jìn)了污染物的二次生成。

2.2 氣象要素與PM2.5濃度的相關(guān)分析

由表1可見，采暖期，風(fēng)速與PM2.5日均值的相關(guān)系數(shù)最高，其次是相對(duì)濕度，接下來是氣溫和水汽壓，氣壓與PM2.5日均值的相關(guān)性不顯著。非采暖期，相對(duì)濕度與PM2.5日均值呈極顯著負(fù)相關(guān)，其余氣象要素與PM2.5日均值的相關(guān)性不顯著。

2.3 風(fēng)速、風(fēng)向?qū)M2.5濃度的影響

由圖2可見，采暖期，風(fēng)速<2.5 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增強(qiáng)，PM2.5日均值逐步降低；風(fēng)速為2.5～3.0 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增強(qiáng)，PM2.5日均值迅速降低；風(fēng)速>3.0 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，PM2.5日均值緩慢攀升。這符合氣流的運(yùn)動(dòng)快慢直接影響著污染物的擴(kuò)散和稀釋的自然規(guī)律[19]，但是采暖期平均風(fēng)速小，僅為1.74 m/s，且受靜風(fēng)頻率(4.3%)的影響，污染物不能被及時(shí)地?cái)U(kuò)散、輸送，這是造成采暖期PM2.5濃度偏高的重要外部條件。非采暖期，風(fēng)速<4.0 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，PM2.5日均值呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后緩慢降低又升高的趨勢(shì)；風(fēng)速為4.0～4.5 m/s時(shí)，PM2.5日均值隨著風(fēng)速的增加而急速降低；風(fēng)速>4.5 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增強(qiáng)，PM2.5日均值迅速升高。非采暖期風(fēng)速較大，平均風(fēng)速是2.50 m/s，無靜風(fēng)頻率，對(duì)污染的擴(kuò)散效果較好。

圖1 PM2.5日均值的時(shí)間演變Fig.1 Temporal evolution of 24 h-average PM2.5 concentrations

時(shí)間風(fēng)速氣壓相對(duì)濕度氣溫水汽壓采暖期-0.194**0.9700.160**-0.139**-0.125**非采暖期-0.1090.830-0.233**-0.505-0.031

注：1)**表示在p<0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)；*表示在p<0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖2 風(fēng)速對(duì)PM2.5日均值的影響Fig.2 24 h-average PM2.5 concentrations effected by wind

采暖期主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和偏東風(fēng)(見圖3(a))，然而在烏魯木齊市西南方向、偏南方向和東南方向，分別坐落著一個(gè)水泥廠和兩個(gè)發(fā)電廠，并且西南方向城區(qū)外是大片的采石場(chǎng)，由此產(chǎn)生的污染物嚴(yán)重影響市內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況[20]。非采暖期主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)(見圖3(b))，對(duì)污染的擴(kuò)散效果良好。

由圖3(c)可見，采暖期靜風(fēng)狀態(tài)下，夜間PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度明顯高于白天，尤其是22：00至次日4：00，>300 μg/m3的出現(xiàn)頻率達(dá)到了3.0%；>150～300 μg/m3出現(xiàn)在全天所有時(shí)段，所占比例較大；>75～150 μg/m3主要出現(xiàn)在22：00至次日09：00，達(dá)到了3.0%；0～75 μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量為優(yōu)良級(jí)別，雖然全天所有時(shí)段各有分布，但所占比例較小，僅為1.8%。這主要是在靜風(fēng)狀態(tài)下，擴(kuò)散能力差、加之夜間逆溫增強(qiáng)所導(dǎo)致[21]。

由圖3(d)可見，采暖期非靜風(fēng)狀態(tài)下，PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度較靜風(fēng)狀態(tài)下明顯下降，>300 μg/m3在全天大多數(shù)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，但所占比例很小，僅為0.3%；>75～150 μg/m3在全天各時(shí)間段都有分布，所占比例較大，14：00—18：00出現(xiàn)的幾率最大；0～75 μg/m3在全天各時(shí)間點(diǎn)都有分布，且出現(xiàn)幾率顯著高于靜風(fēng)狀態(tài)時(shí)，說明非靜風(fēng)狀態(tài)對(duì)PM2.5的輸送與擴(kuò)散有極好的效果。

圖3 風(fēng)速、風(fēng)頻及PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度分布Fig.3 Wind speed,wind frequency diagram and the concentration distribution of hourly PM2.5 concentration

2.4 氣溫對(duì)PM2.5濃度的影響

由圖4可見，日均氣溫在0 ℃以上的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的31%，日均氣溫在-5 ℃以下的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的56%。一方面是由于隨著氣溫降低，逆溫層厚度增大、強(qiáng)度增強(qiáng)，抑制了污染物的垂直擴(kuò)散，烏魯木齊市采暖期逆溫出現(xiàn)頻率高，冬季(11月至次年3月)逆溫出現(xiàn)頻率高達(dá)92%[11]21，采暖期污染物大量排放，逆溫持續(xù)穩(wěn)定，風(fēng)速小，使近地層的大氣污染物難以擴(kuò)散，污染物不斷積累，是造成烏魯木齊市采暖期PM2.5高、超標(biāo)嚴(yán)重的主要原因。這與我國冬季逆溫日數(shù)越多，超標(biāo)污染日越多，逆溫強(qiáng)度越大，污染越重的規(guī)律相似[22-24]。另一方面，氣溫對(duì)PM2.5影響，事實(shí)上是由排放量引起的，因?yàn)樵诙倦S著氣溫的驟降，夜晚時(shí)間增長(zhǎng)，取暖和供電所需的耗能量增加，大氣污染物排放量增加。而且，隨著氣溫的降低，交通對(duì)PM2.5濃度貢獻(xiàn)率增高[25]，因?yàn)樵跇O其寒冷的天氣里，汽車?yán)鋯?dòng)、空運(yùn)轉(zhuǎn)、預(yù)熱和短距離的車輛使用量增加，進(jìn)一步研究也表明：冬季交通對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率高達(dá)30%，同時(shí)當(dāng)氣溫從23 ℃降至-20 ℃，車輛的冷啟動(dòng)排放的顆粒物會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)[26]。這與ELMINIR[27]對(duì)開羅、埃及和DAWSON等[28]對(duì)美國東部、阿拉斯加州的研究結(jié)果一致。

圖4 日均氣溫與PM2.5日均值的線性關(guān)系Fig.4 Correlation of temperature and 24 h-average PM2.5 concentration with the trend line

2.5 水汽壓和相對(duì)濕度對(duì)PM2.5濃度的影響

水汽壓和相對(duì)濕度都是表示大氣濕度的指標(biāo)。由圖5和表1可見，63%的超標(biāo)點(diǎn)數(shù)發(fā)生在水汽壓≤4 hPa的條件下，并且PM2.5日均值與水汽壓呈線性相關(guān)。

圖5 水汽壓與PM2.5日均值的線性關(guān)系Fig.5 Correlation of water-vapor pressure and 24 h-average PM2.5 concentration with the trend line

由圖6和表1可見，采暖期，PM2.5與相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)性，且當(dāng)相對(duì)濕度≥70%時(shí)，PM2.5日均值超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的64%；非采暖期，相對(duì)濕度與PM2.5呈極顯著負(fù)相關(guān)性，且當(dāng)相對(duì)濕度≥70%時(shí)，PM2.5日均值達(dá)到最低值。

圖6 相對(duì)濕度和PM2.5日均值的線性關(guān)系Fig.6 Correlation of relative humidity with 24 h-average PM2.5 concentration with the trend line

3 結(jié) 論

(1) 烏魯木齊市采暖期PM2.5日均值平均達(dá)到84.70 μg/m3，超出了GB 3095—2012中24 h平均二級(jí)限值(75 μg/m3)，是非采暖期(20.66 μg/m3)的4倍多。

(2) 采暖期風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、水汽壓與PM2.5日均值極顯著相關(guān)，非采暖期相對(duì)濕度與PM2.5日均值極顯著相關(guān)。

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CouplinganalysisofPM2.5concentrationsandmeteorologicalconditionsinUrumqi

SUNRonghua1，2，CHENXuegang1，2，WEIJiang3，HANWentang1，2.

(1.SchoolofGeographyandTourism，XinjiangNormalUniversity，UrumqiXinjiang830054；2.KeyLaboratoryofAridRegionLakeEnvironmentandResourceofXinjiang，UrumqiXinjiang830054；3.SchoolofResource&Environment，XinjiangUniversity，UrumqiXinjiang830046)

In order to explore the effect of meteorological conditions on the pollutants concentration，PM2.5samples were collected in Urumqi urban area during October 2013 to October 2014，meteorological data were selected from weather stations monitoring on the same time for investigation. Results showed that：(1) the daily average concentrations of PM2.5reached 84.70 μg/m3during the heating period in Urumqi，which exceeded the 24-hour average second-level limit (75 μg/m3) of “Environmental air quality standard” (GB 3095-2012)，and it was more than four times during the non-heating period (20.66 μg/m3). (2) The wind speed，relative humidity，temperature，vapor pressure and the daily average concentrations of PM2.5existed significant relationship during the heating period，relative humidity and PM2.5concentrations were related significantly in non-heating period.

Urumqi; PM2.5; meteorological elements; correlation

孫蓉花，女，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘械乩砼c規(guī)劃。#

。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41161074、No.41161029、No.41461033)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.014

2016-11-22)