余倩

(青海省海西州氣象局，青海 德令哈 817000)

引言

德令哈市位于柴達木盆地東北邊緣，周邊旅游資源豐富，市區(qū)海拔2980m，德令哈市屬高原大陸性氣候區(qū)，具有高寒缺氧、空氣干燥、少雨多風(fēng)、年內(nèi)四季不分的特點。德令哈市地處青藏高原，日照充足，陽光充沛，全年日照為3 554h，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，公眾環(huán)保意識不斷提高，對大氣污染狀況和空氣質(zhì)量水平日益關(guān)注。文章利用2015～2018年德令哈市每日空氣污染指數(shù)及氣象資料，分析年際變化趨勢，并進一步研究影響其氣象因子，為科學(xué)有效地控制和治理大氣污染提供理論依據(jù)。大氣污染物的濃度由于污染源排放狀況的變化，氣象因子的變化等因素的影響呈現(xiàn)隨機變量的特征，了解這些隨機變量的統(tǒng)計分布對于大氣污染控制、大氣環(huán)境評價以及大氣質(zhì)量標準的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

德令哈市AQI指數(shù)和PM2.5資料來源于德令哈市環(huán)境監(jiān)測站，利用德令哈市2015～2018年空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)(逐日空氣質(zhì)量指數(shù)、首要污染物和空氣質(zhì)量等級)，空氣質(zhì)量等級說明見表1，分析德令哈市2015～2018年空氣質(zhì)量類別為優(yōu)490d、良831d、輕度污染80d、中度污染23d、重度污染8d、缺測21d。選取輕度污染、中度污染、重度污染各4次為例，分析德令哈市空氣污染的水平時空分布特征及變化規(guī)律，通過對比分析得出氣象要素(氣溫、相對濕度、風(fēng)速、降水量)、天氣環(huán)流形勢與空氣質(zhì)量變化的關(guān)系，分析各種天氣系統(tǒng)、氣流的輻合輻散及大氣運動對于大氣稀釋、擴散污染物的能力影響。研究表明：氣象條件和城市大氣污染密切相關(guān)，氣象條件作為影響空氣質(zhì)量環(huán)境重要因素之一，在污染源相對穩(wěn)定的情況下，氣象條件變化對污染物濃度變化影響十分顯著[1]。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)范圍及相應(yīng)的注意事項

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI指數(shù))是指根據(jù)細顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等6項參數(shù)綜合得出的空氣污染程度及空氣質(zhì)量狀況的表述(熟知的PM2.5、PM10就屬于可吸入顆粒物)

2 德令哈市空氣質(zhì)量分析

2.1 德令哈市空氣質(zhì)量指數(shù)分布特征

2015～2018年德令哈市空氣質(zhì)量等級以Ⅱ級(良)為主，達到831d，占56.9%；Ι級(優(yōu))次之，為460d，占33.6%；Ⅲ級(輕度污染)80d，占5.6%；Ⅳ級及以上共計31d，僅占2.1%。

2.2 首要污染物年變化

統(tǒng)計2018年德令哈市首要污染物，主要有臭氧、PM10和PM2.5。全年臭氧天數(shù)為170d，占46.6%，PM10天數(shù)達到85d，占23.2%，而PM2.5天數(shù)僅占6d。首要污染物在春季和夏季主要以臭氧為主(春季首要污染物為臭氧的日數(shù)主要集中在4月和5月，3月以PM10為主)，這可能與4月以后溫度開始回升，對流活動增多以及夏季的持續(xù)高溫和強日照都有利于氧氣向臭氧的轉(zhuǎn)化有關(guān)[1]。在秋季和冬季首要污染物主要為PM10，此外統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，各季空氣質(zhì)量級別在中度污染及以上的首要污染物絕大部分為PM10，這充分說明了德令哈市空氣污染主要由吹風(fēng)沙塵天氣造成。

圖1、圖2、圖3顯示的是AQI指數(shù)、PM2.5、PM10濃度的2015～2018年變化情況(備注：圖1和圖2、圖3異常值經(jīng)處理后作圖)，反映出AQI指數(shù)和PM2.5濃度從2015～2018年的平均值、月均最大值和最小值之間的關(guān)系?？傮w來看，AQI指數(shù)和PM2.5濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，年最大值都出現(xiàn)在2015年，AQI指數(shù)為78，PM2.5濃度為38μg/m3。且2015年重度污染天數(shù)達8d，中度污染天數(shù)達7d，輕度污染天數(shù)34d。原因可能是由于近幾年德令哈市高度重視生態(tài)環(huán)境保護工作，深入推進大氣污染綜合整治，有效改善市區(qū)空氣質(zhì)量。分析2015～2018年AQI指數(shù)、PM2.5濃度發(fā)現(xiàn)，兩者在春季均有比較明顯的一個峰值，進入夏季之后開始逐步走低。

圖1 2015～2018年AQI指數(shù)年變化情況

圖2 2015～2018年P(guān)M2.5年變化情況

圖3 2015～2018年P(guān)M10年變化情況

統(tǒng)計2018年各個季節(jié)AQI指數(shù)及等級，在春季空氣質(zhì)量以Ⅱ級為主，達到56天，I級為16d，Ⅲ級及以上共計14d。夏季和秋季均以Ⅱ級良為主，分別為78d和93d，說明夏、秋兩季德令哈市空氣質(zhì)量良好。冬季雖然空氣質(zhì)量依然以I級優(yōu)為主(51d)，但Ⅲ級及以上天數(shù)逐漸增多。分析發(fā)現(xiàn)春季海西及上游地區(qū)多大風(fēng)沙塵天氣，容易造成局地揚沙或者沙塵遠程輸送[2]，PM10濃度劇增，易出現(xiàn)AQI指數(shù)極值。到了夏季，降水開始增多，對空氣的凈化作用明顯[3]，而10月底至11月期間受冷空氣活動影響，多吹風(fēng)天氣。

2.3 首要污染物月變化

圖4顯示的是AQI指數(shù)和PM2.5、PM10濃度的月變化情況，反映出三者從2015～2018年的月平均值、日均最大值和最小值之間的關(guān)系?？傮w來看，AQI指數(shù)和PM2.5、PM10濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，月均最大值出現(xiàn)在4月，AQI指數(shù)月均最高值為88，而PM2.5濃度月平均最大值達到了40μg/m3，PM10濃度月平均最大值達到118μg/m3，4月AQI指數(shù)日均最大值為116，對應(yīng)PM2.5濃度為42μg/m3，PM10濃度最大達872μg/m3。

原因主要有以下幾個方面：一是該時間段正處于典型春季，氣溫普遍降低，因此機動車燃料的燃燒效率會下降，再加上交通高峰期引擎怠速，從而導(dǎo)致排放量增大[4]；二是4月為德令哈市大風(fēng)沙塵天氣高發(fā)期，沙塵天氣導(dǎo)致空氣重度污染，污染物不易稀釋擴散；此外，這個時期氣候干燥，不利于降水的形成，污染物無法通過濕沉降降落至地面。

利用多參數(shù)對數(shù)正態(tài)曲線對德令哈市2015～2018年P(guān)M2.5濃度、AQI指數(shù)進行擬合，結(jié)果顯示如圖4中。PM2.5濃度在20～30μg/m3之間，AQI指數(shù)在40～50之間出現(xiàn)天數(shù)最多，即為空氣質(zhì)量最佳。從AQI指數(shù)與PM2.5濃度、PM10濃度頻數(shù)分布來看PM2.5占79%，PM10占75%，AQI指數(shù)占73%?？傮w來看，近幾年德令哈市空氣質(zhì)量以優(yōu)和良的天數(shù)居多。

圖4 AQI指數(shù)與PM2.5、PM10濃度的月變化情況

3 氣象要素對空氣質(zhì)量的影響

3.1 氣象因子與AQI指數(shù)相關(guān)性分析

研究表明，氣象條件對污染物的擴散、稀釋和積累有一定作用，在污染源一定的條件下，污染物的濃度主要取決于氣象條件[5]。逐月分析空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)(表2)。1月對德令哈市空氣質(zhì)量起主要作用的氣象因子為平均氣壓、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、水汽壓。2月除平均氣壓外，AQI指數(shù)與相對濕度、平均氣溫、日降水量、水汽壓，成顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.192～0.732；與相對濕度呈正相關(guān)，這可能是因為上游地區(qū)受冷空氣活動易出現(xiàn)吹風(fēng)沙塵天氣，在風(fēng)的引導(dǎo)下沙塵向德令哈市輸入，在降水量不大的情況反而會加重空氣的污染程度。3月AQI指數(shù)與日降水量成正相關(guān)，與相對濕度、水汽壓成負相關(guān)。而4月和5月AQI指數(shù)與最大風(fēng)速呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，進入4月隨著溫度的升高，柴達木低壓開始出現(xiàn)或增強，使得傍晚前后偏東風(fēng)加強，風(fēng)速的增大帶動周邊地面沙塵進入大氣，造成空氣污染在一定的程度上加重。6月、7月AQI指數(shù)并沒有表現(xiàn)出與任一氣象要素有相關(guān)關(guān)系。

表2 2015～2018年德令哈市各月空氣質(zhì)量指數(shù)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

8月、9月AQI指數(shù)則與水汽壓和相對濕度呈顯著相關(guān)關(guān)系，查閱關(guān)于臭氧的生成機理文獻[6]，發(fā)現(xiàn)臭氧的生成與氣象條件密切相關(guān)，容易在高溫、強日照條件下發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)而生成臭氧。德令哈市地處柴達木盆地，8月氣溫偏高、日照時間充足、太陽輻射強，加上對流降水活動，這些因素都有可能促進或造成臭氧的生成，進而導(dǎo)致臭氧濃度的上升，AQI指數(shù)變高。從統(tǒng)計的降水日空氣質(zhì)量等級天數(shù)來看，首要污染物臭氧居多，但空氣質(zhì)量多以良為主，這也說明空氣質(zhì)量狀況依然適合大多數(shù)人的正常出行和生活。進入秋季，每個月AQI指數(shù)分別與不同的氣象要素呈顯著的相關(guān)關(guān)系，到了12月隨著高空環(huán)流形勢的穩(wěn)定，AQI指數(shù)更多的與降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3.2 氣溫對空氣質(zhì)量的影響

氣溫的高低直接影響到空氣的污染程度，空氣污染較重和污染超標現(xiàn)象往往出現(xiàn)在溫度較低的冬季。當氣溫較高時，上層空氣對流旺盛，有助于污染物的向上擴散和輸送，從而緩解空氣污染。夏季氣溫比較炎熱，加之城市中大量機動車運行，所排放的尾氣在夏季高溫天氣影響下，極易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氮氧化物和臭氧，造成夏季的空氣污染嚴重。而在冬季地面氣溫與上層空氣溫度相當，使上層空氣熱力對流不顯著，容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，不利于大氣污染物的擴散和稀釋，從而出現(xiàn)了霧霾等重污染天氣。除此之外，冬季進入采暖期，大量煤炭的燃燒，更加劇了空氣的污染程度。

冬季我國大陸受蒙古高氣壓的控制，氣流呈垂直方向做下沉運動，冷空氣活動頻繁，空氣濕度降低，不利于形成云雨天氣，影響污染物的擴散和稀釋。因此高壓控制的天氣容易加劇空氣污染，這就是為什么往往在冬季空氣污染比較嚴重的原因之一。而在夏季氣溫高但氣壓低，空氣對流較旺盛，極易形成云雨天氣，有利于污染物的稀釋和擴散，因此夏季的空氣質(zhì)量普遍偏優(yōu)。從溫度與AQI指數(shù)的關(guān)系來看，夏季氣溫升高，AQI指數(shù)相對穩(wěn)定。

3.3 降水對空氣質(zhì)量的影響

降水可以改善大氣污染情況，它可以清除和沖刷空氣中存留的污染物，而且又可以有效地抑制地面揚塵出現(xiàn)。不同程度的降水量對于空氣污染的改善有不同的作用，一般小雨并不能改善空氣質(zhì)量，小雨雨量不足以稀釋大氣中的污染物，反而會使空氣濕度增大而吸附更多的污染物懸浮在空氣中，造成霧霾天氣使空氣污染加重，只有達到中雨以上的程度才可以改善空氣質(zhì)量。

2018年德令哈市無降水日為287d，其中Ⅱ級良235d，占81.9%，Ⅲ級輕度污染為12d，占3.3%，Ⅳ級中度污染及以上共計4d。分析首要污染物(其中5d首要污染物并列)，Ⅱ、Ⅲ級中PM10和臭氧占大多數(shù)，Ⅳ級及以上級別主要為PM10。與全年相比可以得出，無降水日更容易出現(xiàn)空氣質(zhì)量Ⅲ級及以上級別，這也從側(cè)面說明降水對空氣的凈化作用。針對春季和夏季首要污染物多為臭氧的情況，參考曲曉黎、張夏琨等人的結(jié)論[5]，通過分類日降水量(分為小于1mm、大于1mm、大于3mm、大于5mm和大于10mm)進行討論。2018年出現(xiàn)有效降水日為78d。統(tǒng)計不同量級下空氣質(zhì)量等級及首要污染物分布，可以得出，隨著降水量的增大，空氣質(zhì)量Ⅱ級也相應(yīng)增多，Ⅳ級及以上空氣質(zhì)量級別出現(xiàn)在量級小于1mm的條件下，且降水量越大，首要污染物就越集中為臭氧。

綜上，德令哈市空氣質(zhì)量在無降水日和降水日均以Ⅱ級良為主，無降水日期間首要污染物集中在PM10和臭氧，而當出現(xiàn)降水且量級大時，首要污染物更多為臭氧。

3.4 相對濕度對空氣質(zhì)量的影響

不同季節(jié)空氣濕度不一樣，在夏季空氣濕度達到最高，夏季降水量大，對大氣濕度貢獻率較高，因此夏季空氣質(zhì)量優(yōu)于其他季節(jié)，而其他季節(jié)大氣濕度不能達到稀釋標準。相對濕度存在明顯的周期變化，春季相對濕度較小，AQI指數(shù)隨之上升，夏季相對濕度較大，AQI指數(shù)反之較小。

3.5 風(fēng)速對空氣質(zhì)量的影響

風(fēng)對污染物的疏散和擴散具有重要作用，也具有雙重性。在春季，風(fēng)速較大可以吹散空氣中的污染物，但對于北方或者干燥且植被覆蓋率低的地方來說，會加劇污染。秋冬兩季，風(fēng)速越小，對空氣的污染就越小，反之則加大。風(fēng)場一直是顆粒物濃度的重要影響因子，對于顆粒物的擴散有很大幫助。有研究表明，風(fēng)速和顆粒物濃度呈U型相關(guān)，即風(fēng)速不是一直和顆粒物濃度呈線性相關(guān)，而是在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速將會對顆粒物起到擴散稀釋作用，風(fēng)速越大，這種作用就越強。反之，顆粒物濃度就會上升，尤其在靜風(fēng)天氣下，更容易造成顆粒物大量累積，所以在這個范圍內(nèi)，風(fēng)速和顆粒物濃度呈負相關(guān)。而當風(fēng)速超過這個范圍之后，便會卷起地面沙塵，增加顆粒物濃度，在這個范圍內(nèi)的風(fēng)速越大，顆粒物濃度就越大。受特殊地形及海拔高度的共同影響，德令哈市常年盛行偏東風(fēng)，這種大風(fēng)會卷起沙塵，造成空氣質(zhì)量污染的情況也頻繁發(fā)生。分析2018年12次個例中有9次過程出現(xiàn)5級以上大風(fēng)，有6次出現(xiàn)浮塵、揚沙天氣，再次說明德令哈市發(fā)生污染天氣是由大風(fēng)沙塵天氣引起。

4 污染過程氣象條件分析

4.1 不同條件下環(huán)流形勢演變特征

大尺度的天氣形勢對氣象要素的分布和變化具有重要的影響作用，環(huán)流形勢的變化極大地影響了大氣地擴散能力、大氣的穩(wěn)定度等[7]。大氣的擴散能力決定了一個地區(qū)的污染物濃度擴散速度，而大氣的穩(wěn)定程度則決定了污染物在該地區(qū)的發(fā)展趨勢，針對污染天氣過程發(fā)展的情況和特點，挑選了2018年共16個典型個例，其中包括空氣質(zhì)量優(yōu)及良的4次，輕度污染4次，中度污染4次，重度污染4次。通過分析發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量優(yōu)和良的環(huán)流背景一般為典型的西北氣流型或高壓脊控制時出現(xiàn)最多；空氣質(zhì)量污染天氣環(huán)流背景歐亞中高緯為兩槽一脊型居多。以2018年2月8～9日、4月4～5日的重度污染天氣為例，對高空環(huán)流形勢演變、地面實況、物理量場進行分析。

地面河西走廊、海西分別有冷鋒過境，冷高壓與熱低壓之間的相互作用，冷鋒前后的正、負ΔP24、ΔP3氣壓場的最新變化，代表了冷暖空氣演變的最新動態(tài)，ΔP3差值越大越有利于大風(fēng)沙塵暴加強，正負ΔP3中心連線的方向代表著冷暖空氣移動的方向，也是大風(fēng)沙塵暴移動的方向，特強沙塵暴出現(xiàn)在地面冷高壓和熱低壓的過渡地帶。正確估計冷鋒過境，也是預(yù)報空氣污染的關(guān)鍵。大風(fēng)沙塵暴多發(fā)生在冷鋒過境時或過境后，冷鋒在午后到前半夜(混合層作用)過境最有利于沙塵暴的發(fā)展加強。大風(fēng)沙塵暴出現(xiàn)前水平溫度梯度、氣壓梯度、變壓梯度越大沙塵暴越強，空氣污染越強。

圖5 2018年4月4日出現(xiàn)天氣現(xiàn)象圖

5 結(jié)語

(1)2018年德令哈市空氣質(zhì)量以Ⅱ級良為主，全年達到235d，占64.4%。AQI指數(shù)有比較明顯的季節(jié)分布特征，春季最高，夏秋兩季空氣質(zhì)量偏好，冬季空氣質(zhì)量多以Ⅰ級優(yōu)為主，但Ⅲ級及以上天數(shù)逐漸增多；首要污染物在春季和夏季主要以臭氧為主，其余時間多以PM10為主，德令哈市空氣質(zhì)量級別在中度及以上首要污染物絕大部分為PM10，說明了主要由吹風(fēng)沙塵天氣造成。

(2)不同月份空氣質(zhì)量指數(shù)與不同氣象要素有比較好的相關(guān)關(guān)系。日降水量在不同月份存在著正、負相關(guān)關(guān)系，這與不同季節(jié)冷空氣活動所帶來得不同天氣現(xiàn)象及其他氣象要素作用有一定的關(guān)聯(lián)。

(3)污染天氣過程等高線密集，梯度大，有明顯的高空急流帶，受動量下傳及冷空氣共同作用，300～700hPa之間形成強烈的輻散下沉，造成地面大風(fēng)天氣，出現(xiàn)沙塵天氣。冷鋒活動是造成污染物濃度日際變化的重要天氣系統(tǒng)，冷鋒過境前，污染物濃度逐漸增高，并達到峰值；冷鋒過境后，污染物濃度迅速降低。