許君利， 韓海東， 王 建

（1.鹽城師范學(xué)院蘇北農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化研究院，江蘇 鹽城 224007；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000）

細(xì)顆粒物（PM2.5）是影響人類健康的關(guān)鍵空氣污染物之一［1］?！?018年歐洲空氣質(zhì)量報(bào)告》指出37個(gè)國(guó)家中有32 個(gè)國(guó)家的68%站點(diǎn)PM2.5濃度超過世界衛(wèi)生組織（WHO)的健康標(biāo)準(zhǔn)(10 μg·m-3)［2］，而正經(jīng)歷工業(yè)化、城市化和汽車產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)的亞洲也是大氣顆粒物污染顯著的地區(qū)［3］。因PM2.5濃度和呼吸系統(tǒng)與心血管等疾病引起的居民超額死亡數(shù)量顯著相關(guān)［4］，估算全球歸因于PM2.5死亡的人數(shù)占比高達(dá)5.25%［5］。所以，當(dāng)前人類不僅面臨PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)的環(huán)境壓力，還遭受其帶來(lái)的潛在健康威脅。

人類活動(dòng)（工業(yè)粉塵、道路揚(yáng)塵和生物與化石燃料燃燒等）和自然演變進(jìn)程（風(fēng)揚(yáng)塵土、火山灰和海鹽等）均會(huì)排放PM2.5，因此，PM2.5既可來(lái)自不同源的直接釋放，也可通過氣體排放物的前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化而間接形成［6］,并受地形條件、氣候因素、排放源和擴(kuò)散模式的影響，濃度時(shí)空分布與演化過程可呈現(xiàn)明顯差異［7］。地處歐亞大陸腹部的新疆高山與沙漠并存，并在遠(yuǎn)離海洋背景下受西風(fēng)帶、大陸高壓、冰川風(fēng)和山谷風(fēng)等相互作用［8］，輔以綠洲和能源產(chǎn)業(yè)分布與開發(fā)不均一，造就了區(qū)域之間PM2.5濃度變化規(guī)律及其來(lái)源途徑差異顯著。目前，關(guān)于新疆PM2.5的研究，如沙塵氣溶膠的組成［9］、健康安全評(píng)價(jià)［3,6］、濃度建模分析［10-12］和潛在源分析［7,13-14］等多限于單個(gè)城市，難以系統(tǒng)了解區(qū)域性PM2.5濃度的時(shí)空分布特點(diǎn)、演化過程及其來(lái)源屬性，限制了控制PM2.5濃度和保護(hù)人類健康的有效策略的制定?；诖耍诶眯陆?6 個(gè)PM2.5站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析以獲得不同特征區(qū)的前提下，對(duì)比分析PM2.5時(shí)空分布狀況及其變化特點(diǎn)；利用因子分析與NO2、SO2和CO的來(lái)源特性［15］，辨別PM2.5的物質(zhì)排放源；進(jìn)一步借助氣團(tuán)后向軌跡模式（Hysplit）確定PM2.5的物質(zhì)輸送路徑，并結(jié)合潛在源區(qū)貢獻(xiàn)函數(shù)（FSCF）和濃度權(quán)重軌跡（CWT）方法探討其潛在貢獻(xiàn)源區(qū)［7］，以期為探究新疆空氣質(zhì)量演化過程提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處歐亞大陸腹部，地貌呈三山（阿爾泰山、天山和昆侖山）夾兩盆（準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地）的特點(diǎn)（圖1），山地面積約占50%，其中現(xiàn)代山岳冰川面積達(dá)2.65×104km2。在西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)作用下，外源水汽主要來(lái)自北大西洋和歐亞大陸［16］，平原與山麓帶年均降水量多不足200 mm，山區(qū)降水量在600 mm以上［8］，在促進(jìn)沙漠與戈壁地貌廣泛分布的同時(shí)，也形成了獨(dú)具特色的山前綠洲經(jīng)濟(jì)帶，尤其是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶集中了全疆83%的重工業(yè)和62%的輕工業(yè)［10］。近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，特別是能源產(chǎn)業(yè)，其大量排放的污染物引發(fā)的環(huán)境質(zhì)量問題備受關(guān)注［6,9,11,17］。

圖1 新疆空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站位置示意圖Fig.1 Location of stations monitoring air pollution in Xinjiang

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

新疆2021 年3 月—2022 年2 月間隔1 h 的近地層空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 和O3），來(lái)自中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，不均勻地分布在塔里木盆地（12 個(gè)站點(diǎn)）和準(zhǔn)噶爾盆地（34 個(gè)站點(diǎn)）邊緣的綠洲區(qū)（圖1）。氣團(tuán)后向軌跡模式使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）0.5°×0.5° 氣 象 數(shù) 據(jù)（ftp://ftp.arl.noaa.gov/pub/archives/gdas1）。

1.3 Hysplit 模式

基于Hysplit 模式的MeteoInfo 軟件包可進(jìn)行氣團(tuán)后向軌跡聚類分析和潛在貢獻(xiàn)源的確定。Hysplit 模式是美國(guó)海洋與大氣研究中心和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的用于計(jì)算和分析氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)、污染物沉降和擴(kuò)散軌跡的氣象模式［7,14,18］。其TrajStat模塊具有軌跡聚類、潛在源貢獻(xiàn)函數(shù)（PSCF）和濃度加權(quán)軌跡（CWT）的計(jì)算分析功能［7,14］。本文氣團(tuán)后向軌跡聚類分析以每天0:00、4:00、8:00、12:00、16:00和20:00 為模擬起始時(shí)間，模擬時(shí)長(zhǎng)48 h，起始高度為500 m［16,19-21］，并使用角距離法對(duì)不同季節(jié)軌跡進(jìn)行聚類。PSCF 是污染物濃度結(jié)合氣團(tuán)后向軌跡來(lái)識(shí)別潛在源的范圍，即PSCFij值定義為經(jīng)過ij網(wǎng)格的污染軌跡（mij）條數(shù)除以同一網(wǎng)格內(nèi)總軌跡條數(shù)（nij），公式如下：

CWT是反映不同軌跡的污染程度，通過計(jì)算潛在源區(qū)氣流軌跡權(quán)重濃度來(lái)獲得，公式如下:

式中：CWTij為ij網(wǎng)格上污染物的平均權(quán)重濃度；M為軌跡總數(shù)；l為某一軌跡；τijl為軌跡l在柵格ij上停留的時(shí)間；cl為軌跡l經(jīng)過ij柵格所對(duì)應(yīng)的污染物濃度。

另外，wij是為了降低nij較小時(shí)PSCFij和CWTij計(jì)算值的不確定性而引入的權(quán)重因子。關(guān)于MeteoInfo 軟件包詳細(xì)的應(yīng)用信息，請(qǐng)?jiān)L問http://www.meteothink.org/docs/trajstat/cluster_cal.html。

2 結(jié)果與分析

區(qū)域內(nèi)阿爾泰山、天山、帕米爾高原和昆侖山等高峻地形的分布在一定程度上可以改變氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡方向和物質(zhì)輸送強(qiáng)度［7］，且不均勻分布的沙漠、戈壁和綠洲等不同下墊面，可能造成區(qū)域間污染物濃度、組成與演化過程存在顯著的分異［22］。為此，對(duì)PM2.5逐時(shí)濃度數(shù)據(jù)經(jīng)Z 分?jǐn)?shù)法標(biāo)準(zhǔn)化后，采用最短距離法進(jìn)行聚類分析表明，新疆監(jiān)測(cè)站可分為4 大類（區(qū)），即額爾齊斯河源區(qū)（NA 區(qū)，1 個(gè)站點(diǎn)）、哈密盆地（NH 區(qū)，2 個(gè)站點(diǎn)）、天山北坡經(jīng)濟(jì)帶（NB 區(qū)，31 個(gè)站點(diǎn)，涵蓋烏魯木齊市、五家渠市、昌吉市、石河子市、克拉瑪依市、塔城市、博爾塔拉蒙古自治州和伊犁哈薩克自治州）和塔里木盆地（S區(qū)，12 個(gè)站點(diǎn)，涵蓋巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇市、和田市、喀什市、克孜勒蘇柯爾克孜自治州）。

2.1 總體水平

整體上，新疆PM2.5年平均濃度為46.13 μg·m-3（變異系數(shù)為69.64%）（表1），遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織（25 μg·m-3）的健康濃度標(biāo)準(zhǔn)［2］，也比我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)濃度限值（35 μg·m-3）偏高31.8%。其中，NA 區(qū)PM2.5平均濃度最低，為9.07 μg·m-3，NB 區(qū)與NH 區(qū)的PM2.5平均濃度分別為41.20 μg·m-3和28.28 μg·m-3，而S 區(qū)PM2.5平均濃度最大，為65.01 μg·m-3，是NA 區(qū)的7 倍多，其中和田地區(qū)PM2.5平均濃度高達(dá)98.12 μg·m-3，是我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2.8倍，對(duì)區(qū)域民眾存在嚴(yán)重的致病風(fēng)險(xiǎn)［23］。

表1 新疆不同區(qū)域PM2.5平均濃度及其變異系數(shù)的季節(jié)性差異Tab.1 Seasonal differences of PM2.5 concentration mean and coefficient of variation in different regions of Xinjiang

2.2 季節(jié)性差異

冬季（12 月至次年2 月）新疆PM2.5平均濃度高達(dá)86.16 μg·m-3（表1），但變異系數(shù)較低，說(shuō)明大陸高壓作用下區(qū)域氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定［24］，高濃度的細(xì)顆粒粉塵擴(kuò)散緩慢，是區(qū)域冬季空氣質(zhì)量差和沙塵暴發(fā)生頻率較低的原因之一。春（3—5 月）秋（9—11月）季節(jié)PM2.5濃度次之，平均分別為40.30 μg·m-3和39.32 μg·m-3，但變異系數(shù)較大，分別為63.27%和52.12%，應(yīng)是太陽(yáng)高度角變化下西風(fēng)帶移動(dòng)性槽、脊明顯增多，導(dǎo)致冷空氣活動(dòng)頻繁［25］，降低了空氣穩(wěn)定度，促進(jìn)污染物擴(kuò)散，但有利于沙塵暴的形成［13］。夏季（6—8 月）PM2.5濃度平均為18.57 μg·m-3，是冬季的21.55%，濃度變異系數(shù)僅為23.95%，應(yīng)是大陸高壓消失與西風(fēng)帶北移，致使孕育沙塵天氣發(fā)生的西北風(fēng)減弱［12］、以及較為集中的降水［16］和較好的植被覆蓋［26］等因素綜合作用的結(jié)果。

具體而言，NA區(qū)、NB區(qū)和NH區(qū)與全疆PM2.5濃度季節(jié)性變化趨勢(shì)類似，也呈現(xiàn)冬季濃度最高，夏季濃度最低，春、秋季濃度波動(dòng)較強(qiáng)（變異系數(shù)較大）的現(xiàn)象（表1）。尤其是NB區(qū)冬季PM2.5濃度高達(dá)96.12 μg·m-3，約是夏季的7 倍，而變異系數(shù)僅約為春秋季的60%，說(shuō)明西風(fēng)帶南移后，NB 區(qū)受大陸冷高壓控制以及準(zhǔn)噶爾盆地西南緣天山的阻擋作用使空氣穩(wěn)定度較高，在一定程度上限制了能源產(chǎn)業(yè)以及生活排放的污染物擴(kuò)散，符合區(qū)域冬季風(fēng)速偏小及其波動(dòng)較弱的氣候背景［24］；而春秋季NB 區(qū)的變異系數(shù)均是夏季的3 倍多，說(shuō)明在西風(fēng)帶南北移動(dòng)和大陸冷高壓的逐漸形成與消退過程中空氣穩(wěn)定度較差，污染物富集與擴(kuò)散過程變化顯著［25］。其次，NH 區(qū)還受到天山阻擋下自西向東運(yùn)移的冷空氣從地勢(shì)低洼的吐哈盆地進(jìn)入塔克拉瑪干沙漠東部（東灌天氣）的作用，并可能促進(jìn)塔里木盆地東部偏東大風(fēng)和沙塵天氣的形成［13］。南疆S區(qū)夏季PM2.5濃度僅約為年均值的50%，而春、秋季和冬季的濃度相近，顯著區(qū)別于北疆各區(qū)。

新疆PM2.5平均濃度逐時(shí)變化整體呈現(xiàn)雙峰型特征（圖2），兩次峰值分別出現(xiàn)在北京時(shí)間10:00—16:00 和21:00—2:00，最低谷值分別出現(xiàn)在5:00—10:00 和15:00—20:00。但NA 區(qū)和NB 區(qū)午時(shí)前后的峰值和隨之的谷值均不顯著，尤其是冬季（圖2a和圖2b），與北疆地區(qū)降水多發(fā)生在下午（14:00—18:00）不一致［27］，這是因?yàn)閰^(qū)域降水量相對(duì)較小，頻次較少，難以有效地降低季節(jié)性時(shí)間尺度上的傍晚時(shí)的PM2.5濃度。區(qū)域夜間PM2.5濃度偏高而白天濃度偏低是因?yàn)楸苯貐^(qū)夜間多穩(wěn)定層結(jié)［28-29］，有效地促進(jìn)來(lái)自人類活動(dòng)的大氣污染物積累，而傍晚和清晨中性層結(jié)占居主導(dǎo)，尤其是中午多呈現(xiàn)弱不穩(wěn)定層結(jié)現(xiàn)象［30］，一定程度上促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散所致。NH 區(qū)和S 區(qū)午夜的PM2.5濃度升高不僅是大氣穩(wěn)定度增強(qiáng)所引起，還受到周圍山區(qū)尤其是青藏高原與盆地之間類山谷風(fēng)的作用，即塔里木盆地夜間地面降溫速率較毗鄰的天山山區(qū)與青藏高原偏小，冷空氣沿坡面下移后致使盆地內(nèi)氣流上升，促進(jìn)地表細(xì)顆粒進(jìn)入大氣［31］。隨后受夜間人類排放量減少和干濕沉降作用影響，PM2.5濃度逐漸降低。7:00—9:00，人類活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，同時(shí)，大氣穩(wěn)定度降低引起揚(yáng)塵，導(dǎo)致PM2.5濃度再次升高。隨著太陽(yáng)高度角增大，周圍天山、昆侖山及青藏高原升溫速率較盆地（尤其是綠洲區(qū)）偏高，（類）山谷風(fēng)［31］和冰川風(fēng)［8］促使熱空氣遷移至盆地上空后沉降，稀釋了PM2.5濃度，使其在傍晚17:00—20:00 達(dá)到低谷值。整體上，NH區(qū)和S區(qū)PM2.5濃度午夜出現(xiàn)峰值和清晨出現(xiàn)低谷值的成因類似于北疆NA區(qū)和NB區(qū)，但傍晚形成低谷值，可能是區(qū)域大氣環(huán)流的結(jié)果。

圖2 不同區(qū)域PM2.5逐時(shí)變化過程Fig.2 Hourly change process of PM2.5 in different regions

2.3 PM2.5排放源

對(duì)新疆不同區(qū)域污染物濃度逐時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，經(jīng)最大方差法旋轉(zhuǎn)后，結(jié)合NO2、SO2、CO和PM10作為判別大氣污染物來(lái)源的“指示劑”，分析PM2.5的排放源（表2）。其中，NO2主要是油、氣和煤等資源利用的排放，SO2主要源自燃煤的排放，CO來(lái)自于碳?xì)湮镔|(zhì)未完全燃燒過程中的排放［15］，而PM10在干旱地區(qū)主要源自大風(fēng)揚(yáng)塵［1,7］。新疆及其各區(qū)域內(nèi)的大氣主要污染物公因子（F1、F2和F3）解釋方差貢獻(xiàn)率為74.22%～93.90%（表2），說(shuō)明結(jié)果具有一定的代表性。

表2 新疆不同區(qū)域大氣主要污染物的因子分析Tab.2 Factor analysis results of major atmospheric pollutants in different regions of Xinjiang

整體上，新疆F1 因子解釋方差貢獻(xiàn)率為41.03%，主要對(duì)O3、NO2和CO荷載，說(shuō)明石油和天然氣等能源燃燒對(duì)空氣質(zhì)量起支配作用，但僅對(duì)部分PM2.5荷載。石油和天然氣燃燒過程除直接排放PM2.5外，其排放的NO2還是間接形成PM2.5的前體物質(zhì)之一［10,32］，與當(dāng)前新疆以石油和天然氣資源開采和加工的現(xiàn)狀相吻合。F2 因子主要對(duì)PM2.5和PM10荷載，解釋方差貢獻(xiàn)率為29.41%，與大風(fēng)揚(yáng)沙的干旱半干旱地區(qū)自然環(huán)境現(xiàn)狀一致［33-34］。F3 因子解釋方差貢獻(xiàn)率為20.51%，荷載顯著的呈現(xiàn)在SO2方面，并對(duì)NO2、CO和PM2.5也有少量荷載，表明區(qū)域電力、金屬礦產(chǎn)提煉以及日常生活等燃煤排放對(duì)污染物的補(bǔ)給作用。這種以大風(fēng)揚(yáng)塵為主、輔以石油與天然氣燃燒排放作用對(duì)區(qū)域PM2.5濃度影響的現(xiàn)象主要呈現(xiàn)在人類活動(dòng)較弱的S區(qū)、NA區(qū)和NH區(qū)。

NB 區(qū)F1NB因子解釋方差貢獻(xiàn)率為41.58%，顯著荷載于PM2.5、PM10、CO 和NO2，應(yīng)是克拉瑪依、獨(dú)山子、瑪北和烏爾禾等大型油、氣田作業(yè)排放后，通過氣流輸送至綠洲區(qū)監(jiān)測(cè)站過程中，大風(fēng)揚(yáng)塵在一定程度上增強(qiáng)了PM2.5和PM10濃度的結(jié)果。F2NB因子解釋方差貢獻(xiàn)率為32.16%，主要荷載于O3和CO 方面，并部分荷載于NO2和PM2.5方面，應(yīng)取決于天山北坡以烏魯木齊-昌吉-石河子-克拉瑪依-伊犁為干線的經(jīng)濟(jì)帶交通（汽車）和日常生活等排放。另外，與新疆其他區(qū)域一樣，煤炭燃燒排放的PM2.5量占比相對(duì)較少。

2.4 潛在貢獻(xiàn)區(qū)分析

受西風(fēng)氣流控制外，因地形、太陽(yáng)高度角和冬季大陸高壓等因素的影響，研究區(qū)PM2.5遷移路徑還受局地氣流的作用［7］（圖3）。其中北疆NA 區(qū)西向路徑（路徑1，2 和3）占比高達(dá)80.81%，輸送PM2.5濃度（以路徑占比為權(quán)重）平均僅為9.36 μg·m-3，略低于局地路徑4（10.20 μg·m-3）（圖3a 和表3），說(shuō)明區(qū)域人類活動(dòng)排放的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響幾乎可以忽略。NB 區(qū)經(jīng)塔城和古爾班通古特沙漠西部的路徑1 占比21.08%（圖3b），輸送PM2.5濃度僅為26.25 μg·m-3，略低于經(jīng)克拉瑪依和奎屯附近占比約50%的路徑2輸送PM2.5濃度（33.85 μg·m-3）；經(jīng)伊犁并翻越天山的路徑3和局地環(huán)流路徑4占比分別為11.44%和16.65%，輸送的PM2.5濃度分別高達(dá)62.77 μg·m-3和67.90 μg·m-3，這與區(qū)域輕、重工業(yè)分別占全疆62%和83%的產(chǎn)業(yè)布局相一致［10］，說(shuō)明人為污染物排放是影響天山北坡經(jīng)濟(jì)帶空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素［35］。需要說(shuō)明的是路徑2輸送PM2.5濃度雖然分別僅約為路徑3 和4 濃度的53.9%和49.9%，但路徑占比分別是二者的4.4 倍和3.1 倍，為此，途經(jīng)石油與天然氣開采區(qū)及泥炭分布區(qū)的路徑2也應(yīng)是區(qū)域PM2.5來(lái)源的重要通道；并且路徑2 輸送PM2.5濃度的變異系數(shù)顯著高于其他路徑，意味著此路徑污染物濃度變化劇烈，既可能稀釋NB區(qū)污染物濃度，也可能促進(jìn)污染物濃度進(jìn)一步升高。

表3 不同區(qū)域與路徑源的PM2.5平均濃度和變異系數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of mean and coefficient of variation of PM2.5 concentration of different route sources

圖3 新疆不同區(qū)域PM2.5的主要來(lái)源通道Fig.3 Main transport channels of PM2.5 in different regions of Xinjiang

NH 區(qū)途經(jīng)古爾班通古特沙漠并翻越天山進(jìn)入吐哈盆地的路徑1和2占比分別為25.18%和41.97%（圖3c），輸送PM2.5濃度分別為27.57 μg·m-3和28.35 μg·m-3（表3），接近世界衛(wèi)生組織（25 μg·m-3）的健康標(biāo)準(zhǔn)［2］，但受西北大風(fēng)頻發(fā)的影響，濃度變異系數(shù)分別高達(dá)147.26%和124.09%，也側(cè)向表明了區(qū)域沙塵暴的成因［36-38］。自塔里木盆地經(jīng)吐哈盆地的路徑3 和東北向路徑4 占比分別為17.90%和14.95%，輸送PM2.5濃度分別為33.92 μg·m-3和22.78 μg·m-3，前者雖然受塔里木盆地?fù)P塵作用，具有較高PM2.5濃度，但變異系數(shù)偏低，顯著區(qū)別于近似反向的S區(qū)路徑4高達(dá)130%的變異系數(shù)，意味著NH區(qū)沙塵暴的形成受塔克拉瑪干沙漠風(fēng)揚(yáng)沙塵作用是有限的，也是導(dǎo)致NH區(qū)與S區(qū)PM10高值段不一致的重要因素［22］。

S 區(qū)中路徑1 與2 占比分別為23.15%和40.11%（圖3d），前者主要途經(jīng)伊塞克湖以及金礦、銅礦和錫礦等工業(yè)地的卡拉科爾后在托木爾峰南側(cè)翻越天山南脈抵達(dá)研究區(qū)，而后者沿昆馬力克河河谷［8］經(jīng)天山南脈山麓帶抵達(dá)研究區(qū)，但前者輸送PM2.5濃度（51.34 μg·m-3）較人類活動(dòng)分布較少的后者（63.43 μg·m-3）低約19%，這是路徑1氣流在翻越天山南脈過程中細(xì)顆粒物干濕沉降的結(jié)果［33］。逆沿塔里木河途經(jīng)阿拉爾市和阿瓦提縣的路徑3和沿天山南麓途經(jīng)庫(kù)車縣、新和縣和卻勒塔格的路徑4 占比分別為17.24%和19.50%，輸送PM2.5濃度分別高達(dá)70.24 μg·m-3和80.67 μg·m-3，是區(qū)域細(xì)顆粒物的重要來(lái)源通道。其中路徑4荷載的PM2.5濃度變異系數(shù)高達(dá)130%，也是天山阻擋下準(zhǔn)噶爾盆地中冷高壓空氣經(jīng)吐哈盆地進(jìn)入塔克拉瑪干沙漠東部造成東北大風(fēng)頻發(fā)的結(jié)果［13］。

進(jìn)一步分析PSCF 表明，NA 區(qū)PM2.5潛在貢獻(xiàn)源區(qū)多限于1000 km 之內(nèi)（PSCF＞0.7，圖4a），而CWT分析表明，主要貢獻(xiàn)源區(qū)的PM2.5濃度顯著偏低（圖5a），進(jìn)一步說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響可以忽略。NB區(qū)PM2.5潛在貢獻(xiàn)源區(qū)局限于800 km之內(nèi)的準(zhǔn)葛爾盆地（圖4b），而CWT 分析表明，濃度偏高的PM2.5主要源自烏魯木齊、昌吉和吐魯番等天山北坡人類活動(dòng)強(qiáng)烈的經(jīng)濟(jì)帶（圖5b），這與區(qū)域PM2.5主要來(lái)源于石油和天然氣產(chǎn)業(yè)排放，并輔以大風(fēng)揚(yáng)塵補(bǔ)給的因子分析結(jié)果相一致。NH區(qū)PM2.5潛在貢獻(xiàn)源區(qū)（PSCF＞0.5）多限于塔里木河下游干燥的孔雀河流域和羅布泊區(qū)域，與CWT分析高濃度細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)區(qū)顯著重疊，說(shuō)明區(qū)域PM2.5主要受風(fēng)沙補(bǔ)給支配，符合上述因子分析中PM2.5主要源于大風(fēng)揚(yáng)塵的結(jié)果。S區(qū)PSCF（PSCF＞0.7）和CWT（＞100 μg·m-3）分析表明，PM2.5潛在貢獻(xiàn)源區(qū)多限于塔克拉瑪干沙漠東緣的孔雀河流域、羅布泊和吐魯番盆地南緣，而非塔里木盆地內(nèi)的廣大沙漠分布區(qū)，與NH 區(qū)存在顯著的重合現(xiàn)象，這可能是因河流泥沙遠(yuǎn)距離輸送的影響，物質(zhì)粒徑相對(duì)較小，造就了區(qū)域細(xì)顆粒物質(zhì)的重要源地；另外，橫貫新疆東西走向的天山山脈在吐庫(kù)鐵路以東地區(qū)逐漸低平，形成塔里木盆地內(nèi)外氣流快速交換的重要通道，也是促進(jìn)區(qū)域沙塵天氣，尤其是沙塵暴形成的重要因素［7,22,36］。

圖4 新疆不同區(qū)域PM2.5潛在源貢獻(xiàn)區(qū)分布Fig.4 Distribution of PM2.5 potential source contribution in different regions of Xinjiang

圖5 新疆不同區(qū)域PM2.5濃度權(quán)重軌跡的空間格局Fig.5 Spatial pattern of PM2.5 concentration weight trajectories in different regions of Xinjiang

2.5 地形因素

地形和下墊面植被覆蓋方式通過改變氣流的方向和速度可以導(dǎo)致大氣污染物輸送過程發(fā)生顯著變化［39］。為此，除了考慮大氣因素外，地形也是分析PM2.5濃度的關(guān)鍵因素之一［14,18］。由圖1 可知，新疆地貌復(fù)雜，整體呈三山夾兩盆格局，其中天山山脈整體呈東西走向的同時(shí)，在兩側(cè)盆地的西緣向南北方向延伸。

受西風(fēng)帶作用外源氣流多源自西向（圖3，表3），翻越天山后形成的焚風(fēng)在一定程度上促進(jìn)盆地氣候干燥［40］，并可引起地表植被覆蓋惡化，加速區(qū)域粉塵源的形成；另一方面，輔以山谷風(fēng)和冰川風(fēng)作用的翻越天山的氣流溫度相對(duì)較低，是促進(jìn)盆地邊緣綠洲區(qū)形成逆溫層概率增大的重要因素，一定程度上抑制了區(qū)域污染物質(zhì)沉降與擴(kuò)散。因此，獨(dú)特的地形因素應(yīng)是導(dǎo)致NB 區(qū)和S 區(qū)PM2.5平均濃度分別高達(dá)41.20 μg·m-3（變異系數(shù)為94.41%）和65.01 μg·m-3（變異系數(shù)為84.55%）的重要因素之一。其次，即使氣團(tuán)污染非常嚴(yán)重，在翻越高大山脈的過程中因沿途干濕沉降，污染物含量一般相對(duì)較低，但NB區(qū)和S區(qū)的西向路徑1，2，3攜帶PM2.5細(xì)顆粒物質(zhì)的濃度分別高達(dá)35.90 μg·m-3和61.41 μg·m-3（路徑占比為權(quán)重），可能是氣流受盆地地形作用而呈現(xiàn)輻合/輻散狀氣流［31］，輔以山谷風(fēng)和冰川風(fēng)作用下，外源氣團(tuán)混合盆地內(nèi)大量自然與人為補(bǔ)給的顆粒物質(zhì)的結(jié)果［41-42］。

需要說(shuō)明的是塔里木盆地東側(cè)羅布泊與吐魯番盆地交匯區(qū)，地勢(shì)相對(duì)平坦，不僅是連接塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地氣流的重要通道［7,31］，也是盆地內(nèi)污染物外溢東進(jìn)而影響哈密地區(qū)PM2.5濃度的重要途徑。

3 結(jié)論

（1）新疆PM2.5濃度顯著偏高，尤其是冬季，對(duì)人類存在嚴(yán)重的健康威脅。受大氣穩(wěn)定度影響，PM2.5濃度呈現(xiàn)晝低夜高的現(xiàn)象，但輔以（類）山谷風(fēng)作用，在哈密盆地和塔里木盆地呈顯著的雙峰型。

（2）PM2.5源于大風(fēng)揚(yáng)塵，輔以油氣燃燒和較少燃煤排放的現(xiàn)象，呈現(xiàn)于人類活動(dòng)較弱的額爾齊斯河源區(qū)、哈密盆地和塔里木盆地，而天山北坡經(jīng)濟(jì)帶PM2.5主要受控于周圍大型油氣田作業(yè)排放及其輸送過程中的大風(fēng)揚(yáng)塵，并輔以交通和日常生活等排放。

（3）新疆PM2.5遷移路徑受西風(fēng)氣流支配外，還受局地氣流的影響。其中天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中途經(jīng)油、氣開采區(qū)，氣流荷載PM2.5的濃度變化劇烈，是導(dǎo)致PM2.5濃度進(jìn)一步升高甚至浮塵天氣的重要成因。另外，天山阻擋下準(zhǔn)噶爾盆地中冷高壓空氣經(jīng)吐哈盆地進(jìn)入塔里木盆地東部造成偏北大風(fēng)頻發(fā)，是塔里木盆地PM2.5濃度偏高及沙塵暴形成的重要因素。