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        哈密市空氣質(zhì)量特征及其與氣象因子的關(guān)系

        2021-07-01 06:20:04馮瑤美合日阿依牙里坤張科
        內(nèi)蒙古氣象 2021年2期
        關(guān)鍵詞:哈密市采暖期能見(jiàn)度

        馮瑤,美合日阿依·牙里坤,張科

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

        引言

        隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,城市化進(jìn)程的不斷加快,能源與交通規(guī)模的逐漸擴(kuò)大,城市人口的迅速膨脹,我國(guó)城市大氣污染日益嚴(yán)重,時(shí)刻影響著人們的健康和生活,大氣污染和空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到人們的高度重視[1]??諝赓|(zhì)量指數(shù)(AQI)法[2]是目前我國(guó)城市廣泛采用的評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量和污染程度的方法,它把常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物濃度換算成指數(shù),分指數(shù)最高的即為首要污染物,可以直觀地反映當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的污染狀況。目前,已有許多氣象和環(huán)境工作者對(duì)不同區(qū)域的空氣質(zhì)量和氣象因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了大量研究[3-10],也有學(xué)者針對(duì)不同城市的顆粒物濃度及氣象條件進(jìn)行過(guò)分析[11-13],都得出有意義的結(jié)論。慕彩蕓等[14]、屠月青等[15]雖對(duì)哈密市污染物濃度及氣象條件進(jìn)行過(guò)分析,但環(huán)境資料有限,不能代表哈密市空氣質(zhì)量的整體變化,因此通過(guò)AQI分析研究哈密市空氣質(zhì)量及氣象影響因素的長(zhǎng)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(qū),年降水量少,戈壁荒漠多,隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的高速發(fā)展,主城區(qū)許多地方的舊房改造和道路修建等工程項(xiàng)目的建設(shè),人口密度的增長(zhǎng),城市樓群的增高,機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增加,使哈密市近幾年的空氣質(zhì)量明顯下降。因此,研究分析哈密市空氣污染的現(xiàn)狀及空氣質(zhì)量月、季、采暖期和非采暖期的變化特征,進(jìn)一步探討影響AQI變化的氣象因子,為科學(xué)有效地控制和治理大氣污染提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持,對(duì)改善哈密市空氣質(zhì)量具有極其重要的意義。

        1 資料來(lái)源與分析方法

        AQI(Air Quality Index,下同)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的指標(biāo),參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要污染物有PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等6 項(xiàng),根 據(jù)每項(xiàng)污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出各自的空氣質(zhì)量分指數(shù),取污染指數(shù)最大者報(bào)告該地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù),空氣質(zhì)量指數(shù)對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量的6個(gè)級(jí)別,指數(shù)越大,級(jí)別越高,說(shuō)明空氣污染越嚴(yán)重,空氣質(zhì)量越差,對(duì)人體健康的影響也越明顯[4]。

        文章環(huán)境資料來(lái)自于哈密市環(huán)保局監(jiān)測(cè)站2010—2019年P(guān)M10、SO2、NO2逐日 濃 度 數(shù) 據(jù),2010—2014年11月30日期間環(huán)保局只對(duì)PM10、SO2、NO2進(jìn)行監(jiān)測(cè),從2014年12月1日—2019年12月31日,根據(jù)國(guó)家環(huán)境新標(biāo)準(zhǔn)增加PM2.5、CO和O3監(jiān)測(cè),通過(guò)對(duì)近幾年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(méi)有超標(biāo),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(zhì)量的衡量指標(biāo);氣象資料選用哈密市國(guó)家基準(zhǔn)氣象站同期地面觀測(cè)資料,包括氣溫、降水、氣壓、相對(duì)濕度、極大風(fēng)速、能見(jiàn)度等。季節(jié)采用氣象劃分標(biāo)準(zhǔn):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(guān)分析法對(duì)AQI和氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行分析,通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)確定氣象因子對(duì)AQI的影響。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 哈密市空氣質(zhì)量污染現(xiàn)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(zhì)量主要以Ⅱ級(jí)(良)為主,共2910 d,占總監(jiān)測(cè)數(shù)的79.8%,Ⅰ級(jí)(優(yōu))日數(shù)為312 d,占8.6%,Ⅲ級(jí)(輕度污染)及以上(中度、重度和嚴(yán)重污染)日數(shù)423 d,占總數(shù)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(dá)到兩個(gè)峰值,且3月的指數(shù)值明顯高于11月,為全年最高,AQI平均值為101,空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí),屬輕度污染,是每年空氣質(zhì)量最差的月份,之后4月開始下降,到6月達(dá)到最低值61,降幅為39.6%,6—9月AQI變化相對(duì)平緩,未超過(guò)Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),表明空氣質(zhì)量好,是一年當(dāng)中空氣質(zhì)量最好的時(shí)期,而12月和1月雖有所下降,但還是高于6—9月,這段時(shí)期正好與哈密市供暖期和春季的大風(fēng)、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(shù)變化(圖2)上看,2010—2019年以“單峰型”趨勢(shì)在變化,即先增大再減小的一個(gè)過(guò)程,2013年AQI平均值達(dá)最大,為91,雖然平均指數(shù)未超過(guò)國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí)(輕度污染)及以上的日數(shù)和比例,2011年以后明顯開始增多,2014年輕度污染及以上日數(shù)高達(dá)88 d,為近10年污染日數(shù)最多年,特別是輕度污染增加日數(shù)最明顯,為64 d,占全年污染日數(shù)的24.1%,同時(shí)中度和重度污染日數(shù)也明顯增多,達(dá)到嚴(yán)重污染(Ⅴ級(jí))的日數(shù)11 d,空氣質(zhì)量為近10年最差年;2014年之后幾年輕度污染及以上日數(shù)明顯下降,到2018年最少,為24 d,同時(shí)空氣質(zhì)量達(dá)Ⅰ級(jí)(優(yōu))的日數(shù)明顯增多,為73 d,從近10年比較來(lái)看,2011年輕度及以上污染日數(shù)最少,只有12 d,是近10年空氣質(zhì)量最好年,2019年輕度污染日數(shù)又出現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì),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(xiàn)頻率為60.5%,污染日數(shù)的變化和AQI年值的變化不一致,說(shuō)明輕度及以上污染事件沒(méi)有頻繁出現(xiàn),AQI的增大可能與極端天氣形勢(shì)或氣象條件有關(guān)。

        圖2 2010—2019年哈密市AQI年變化和各級(jí)別污染日數(shù)變化

        2.2 空氣質(zhì)量的季節(jié)及采暖期和非采暖期的變化特征

        由哈密市AQI的季節(jié)變化可以看出(圖3):春季AQI平均值最高(88),是全年空氣質(zhì)量最差的季節(jié),其次是冬季、秋季,夏季AQI平均值最?。?4),說(shuō)明空氣質(zhì)量最好,但全年都未超過(guò)國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從2010—2019年逐年的季節(jié)變化來(lái)看,春季AQI逐年增加,增長(zhǎng)率為8.7/10 a,2014年達(dá)到峰值126,空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí),屬輕度污染,是夏季指數(shù)的2 倍,是近10年中春季空氣質(zhì)量最差的季節(jié),夏季AQI變化比較平穩(wěn),呈緩慢上升趨勢(shì),上升率2.7/10 a,是全年指數(shù)最低,空氣質(zhì)量最好的季節(jié)。秋季是先增大再減小的一個(gè)過(guò)程,呈下降趨勢(shì),變化率為-15.9/10 a,2013年秋季達(dá)最大,AQI為118,空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí),輕度污染,是秋季空氣質(zhì)量最差的一年,冬季AQI逐年在增大,增長(zhǎng)率為 7.6/10 a,夏季和秋季通過(guò)0.10的顯著性檢驗(yàn),春季和冬季未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

        圖3 2010—2019年哈密市AQI季節(jié)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(guò)0.10的顯著性檢驗(yàn),采暖期未通過(guò)檢驗(yàn)。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(dòng)型變化過(guò)程,2013年為AQI峰值(114),空氣質(zhì)量Ⅲ級(jí),輕度污染,表明是采暖期空氣質(zhì)量最差的一年,這和年污染日數(shù)的變化基本一致,采暖期污染日數(shù)最多的為2013年57 d,且AQI連續(xù)9 d達(dá)300以上的嚴(yán)重污染日,其次是2014年52 d,污染日數(shù)最少,為2011年12 d;非采暖期AQI變化平緩相對(duì)穩(wěn)定,除2010年AQI為99外,基本都維持在64~75之間,污染日數(shù)也較少,未超過(guò)國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);分析其原因是哈密市是典型的北方城市,冬季干冷嚴(yán)寒且時(shí)期長(zhǎng),需要燃煤供暖,開春后供暖還在繼續(xù),再加上春季冷空氣活動(dòng)頻繁,風(fēng)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(xiàn),使AQI增大。

        3 空氣質(zhì)量與氣象因子的相關(guān)性分析

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

        本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)法計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象因子的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)>0,表明變量之間正相關(guān),相關(guān)系數(shù)<0,變量之間為負(fù)相關(guān)。

        由表1可以看出:在影響AQI的氣象因子中,降水量、氣溫、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度和AQI呈負(fù)相關(guān),且通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn),從各類氣象因子與AQI相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值可以看出,降水和能見(jiàn)度最大,說(shuō)明降水與能見(jiàn)度、AQI關(guān)系最為密切,對(duì)指數(shù)的影響是最直接的,降水產(chǎn)生時(shí),空氣中的可吸入顆粒物被水汽吸附成云滴或雨滴的凝結(jié)核,或直接被雨水沖刷而清除,使AQI減?。荒芤?jiàn)度是反映空氣中氣溶膠較好的參數(shù),與其它氣象要素相比,它并不能直接對(duì)氣溶膠顆粒物濃度產(chǎn)生影響,能見(jiàn)度的高低直接反映了空氣質(zhì)量的好壞,能見(jiàn)度高,說(shuō)明空氣質(zhì)量好,AQI則低;相反能見(jiàn)度低,說(shuō)明空氣中氣溶膠顆粒物較多,空氣質(zhì)量較差,AQI高;氣溫升高時(shí),大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),加快污染物的擴(kuò)散和稀釋,使其濃度降低,從而降低AQI。而日照時(shí)數(shù)、氣壓、風(fēng)速和極大風(fēng)速與AQI呈正相關(guān),日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速與極大風(fēng)速均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn),在正相關(guān)影響因子中,風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的影響較為密切,一般來(lái)說(shuō),風(fēng)速越大,越有利于大氣中的顆粒物擴(kuò)散,相應(yīng)的濃度就會(huì)降低,反之,濃度會(huì)越高,從而影響AQI,但風(fēng)速增大到一定的閾值時(shí),大風(fēng)會(huì)刮起地面沙塵,使空氣質(zhì)量明顯下降,AQI增大,導(dǎo)致空氣質(zhì)量指數(shù)超標(biāo)[14]。而氣壓沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),分析其原因是氣象因子之間存在共性所致,所以不能準(zhǔn)確描述其與AQI的關(guān)聯(lián)程度。

        表1 哈密市AQI與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

        從表2可以看出:相對(duì)濕度和能見(jiàn)度無(wú)論什么季節(jié)都和AQI呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明相對(duì)濕度和能見(jiàn)度增大會(huì)使AQI減小,空氣質(zhì)量變好,相反,相對(duì)濕度和能見(jiàn)度減小指數(shù)增大使空氣質(zhì)量變差,且大都通過(guò)顯著性檢驗(yàn),春季能見(jiàn)度的相關(guān)性最大,冬季、秋季次之,夏季最小,夏季相對(duì)濕度相關(guān)性最大,是因?yàn)楣苁邢募窘邓?,空氣較濕潤(rùn),濕空氣對(duì)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(zhì)量指數(shù)降低,其它季節(jié)降低的作用不顯著,且沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。春季AQI與日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、極大風(fēng)速呈顯著正相關(guān),與氣溫和能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān),主要原因是春季空氣干燥,地表大多裸露,無(wú)植被覆蓋,氣溫低,日照少,大氣層較為穩(wěn)定,且春季多大風(fēng)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(kuò)散稀釋,使得空氣質(zhì)量指數(shù)升高;夏季AQI與風(fēng)速和極大風(fēng)速呈顯著正相關(guān),與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān);秋季AQI與氣溫、日照時(shí)數(shù)和能見(jiàn)度呈負(fù)相關(guān),與氣壓呈正相關(guān);冬季AQI與氣溫、日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān),與氣壓、風(fēng)速和能見(jiàn)度呈負(fù)相關(guān),且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。綜上所述,不同季節(jié)影響空氣質(zhì)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(jiàn)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和極大風(fēng)速。

        表2 哈密市各季AQI與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

        4 結(jié)論

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

        (2)AQI在不同季節(jié)、不同時(shí)期具有不同的差異性,春季AQI最高,空氣質(zhì)量最差,其次是秋季和冬季,夏季AQI最低,空氣質(zhì)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(jiàn)度、氣溫、相對(duì)濕度均呈負(fù)相關(guān),與風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、極大風(fēng)速、氣壓呈正相關(guān),且大都通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

        (4)不同季節(jié)影響AQI的氣象因子并不完全相同,無(wú)論在什么季節(jié),相對(duì)濕度、能見(jiàn)度均與AQI呈負(fù)相關(guān),且能見(jiàn)度和AQI的相關(guān)性比相對(duì)濕度大。春、夏、秋三個(gè)季節(jié)AQI與風(fēng)速和極大風(fēng)速呈正相關(guān),冬季則呈負(fù)相關(guān),氣溫、日照時(shí)數(shù)、氣壓在不同季節(jié)與AQI呈不同的相關(guān)性。

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