吉木萨尔县11月至次年2月气象要素对大气污染的影响分析

贾思哲，曾雪华，孙志元，袁亚军，顾静恺

（1.吉木萨尔县气象局，新疆 昌吉 831700；2.木垒县气象局，新疆 昌吉 831900）

吉木萨尔县地处准噶尔盆地东南缘，天山北麓丘陵前沿，属典型的大陆性干旱气候，秋季多风，浮尘、扬沙和烟雾出现较多；冬季冷空气下沉堆积，较为寒冷，逆温显著，且强度大，给当地大气污染物的形成创造了条件。大气环境是否受到了污染以及污染的程度如何，不仅取决于地形地物、人口密度、工业布局、污染源的多寡及其性质和强度，而且取决于当时的气象条件，往往气象条件还会上升为决定性的主要因素[1]。根据吉木萨尔县生态环境局提供的空气质量监测数据得出，我县污染天气主要集中在当年11月至次年2月份，通过分析气象要素变化对吉木萨尔县大气污染物的影响，为制定未来的吉木萨尔县大气污染治理措施提供理论依据和决策参考。

1 资料与方法

利用吉木萨尔县2016年～2019年大气污染物在当年11月至次年2月日均浓度及逐小时浓度数据和当地同期气温、相对湿度、降雨量、风速及风向等气象要素，运用SPSS软件对大气污染物浓度与各气象要素的相关性进行探究，并通过显著性检验来确定各气象要素对大气污染物浓度变化的影响程度[2]。

2 分析结果

2.1 吉木萨尔县大气污染物浓度变化特征

通过2016～2019年SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5的日平均浓度得出，PM2.5日均浓度超过国家二级标准浓度（75 μg·m—3）限制有86天，超标率为71.7%，高峰值出现在2019年2月5日，浓度为332 μg·m—3；PM10日均浓度超过国家二级标准浓度（150 μg·m—3）限制有50天，超标率为41.7%，高峰值出现在2018年12月1日，浓度为568 μg·m—3；1月PM10和PM2.5浓度明显增加，且1月严重污染以上的天数占总比的47%，PM2.5日均峰值出现在1月，而PM10在11月下旬至12月上旬、1月这两个时间段浓度达到最大。总体来说，PM10浓度＞PM2.5浓度＞O3浓度＞NO2浓度＞SO2浓度＞CO浓度，表明影响冬季空气质量的主要污染物为PM10和PM2.5，PM2.5和PM10的质量浓度水平越高，AQI值越大，吉木萨尔县大气污染越严重。

通过分析2018年～2019年大气污染物浓度小时数据，从图1可以看出，PM10、PM2.5和NO2曲线近似为一峰一谷呈“U”形，SO2和O3的曲线近似为倒“U”形，CO曲线变化程度不大。PM10和PM2.5曲线走势大致相同，表明有显著相关性（表1）。PM2.5和PM10高峰值出现在23时-00时，主要是由于夜间逆温顶盖抑制PM10、PM2.5扩散，造成地面浓度升高有关；另外，大卡车（燃烧柴油）夜间可以进城，其尾气排放的颗粒物比一般燃烧汽油车辆排放得多，容易造成PM10、PM2.5浓度增高[3]。

图1 2018年-2019年吉木萨尔县大气污染物浓度小时变化

SO2是燃煤排放的主要污染物，随着人们出行，上班，企业工厂运转，SO2浓度开始上升，平均浓度峰值出现时间约在15∶00～17∶00时，SO2的变化恰恰说明了白天人类活动对污染源排放的影响。O3浓度与NO2浓度的曲线变化特征正好相反，白天气温上升，太阳辐射加强，加快NO2转化为O3的光化学反应，O3浓度增加，NO2被消耗则浓度降低。日落后，太阳辐射消失，温度下降，企业工厂停工，人为活动减少，SO2和O3的浓度开始下降。由于CO是惰性气体，它在一天中浮动最小。

2.2 大气污染物浓度与气象要素的关系

2.2.1 气温

表1是吉木萨尔县大气污染物浓度与各种气象要素的相关系数，气温与O3呈显著正相关（P＜0.01），与其他大气污染物浓度有较明显的负相关，其中气温与PM2.5、CO 和PM10相关系数达-0.516、-0.545、-0.462，相关性极显著。臭氧浓度不仅与光分解反应有关，还跟热化学反应关系密切。随着温度的升高，热化学反应速率加快，臭氧前体物的转化速率也加大，这些因素都会导致大气臭氧浓度增加。日出时，温度升高，大气边界层逐渐抬升，近地层对流开始旺盛，有利于大气的垂直运动，能见度上升，CO和PM2.5、PM10浓度下降。而当地面温度降低时，则与之情况相反。

表1 吉木萨尔县大气污染物与气象要素的相关性

2.2.2 相对湿度

相对湿度与PM10、NO2、PM2.5、CO呈正相关，与O3呈显著负相关，相关系数为-0.393，这是由于O3在低湿条件下更容易积累；而湿度增加，空气中的水汽含量升高，通常水汽对大气污染物有较好的吸附作用。但冬季吉木萨尔县常常出现逆温层，相对湿度较大，污染物附着在水汽中，不易扩散，造成大气污染严重[4]。

2.2.3 降水量

降水量对大多数污染物浓度呈微弱负相关，冬季下雪时，可将大气中微弱颗粒溶解或者冲刷下来，使大气中污染物的浓度有所降低。

2.2.4 风速

吉木萨尔县近年同期日平均风速为1.5 m/s，从相关性分析得知，10分钟平均风速和极大风速对NO2、CO、PM10、PM2.5浓度有微弱负相关，对O3浓度呈正相关，对SO2浓度影响不大。通常风速越大越有利于空气中污染物质的稀释扩散，冬季有96.9%集中在1～2级风速范围内；而平均风速3级所占污染频率约为3%；风速4级以上时吉木萨尔县没有出现空气污染。可见风速的大小对污染物的影响是明显的，风速大，有利于空气中污染物质的稀释扩散，风速小，水平输送能力差，扩散能力也差，容易造成污染物在局地的堆积。

2.2.5 风向

风向与污染物的主要关系表现为污染物随风向下风向传输，因此高污染浓度常出现在污染源的下风方，但风速增大超过某一临界值时，大气的扩散能力有时超过水平输送能力。从风玫瑰图（图2）可以看出，吉木萨尔县SSW方向出现的频率最高，其次为NNW、NW、WNW，三者频率相同，主导风向为西南偏南、西北方向。吉木萨尔县位于天山北麓丘陵前沿，西临阜康市，北边为准东工业园区横跨，因此当上空盛行西北风时，污染物由高浓度地区吹向低浓度地区，当西北气流遇到天山山脉阻挡，发生反射作用，风向发生改变，呈SSW风向，使县城污染物浓度增大。

图2 吉木萨尔县11月至次年2月风玫瑰图

2.3 运用HYSPLIT后向轨迹模型探讨大气污染物的来源

2018年12月1日为污染最严重的一天，AQI指数达468，主要污染物为PM10，日均浓度达568 μg·m—3。选取这天，利用HYSPLIT后向轨迹模型对重污染天气期间气团的后向轨迹进行分析，设置气象轨迹向前推进36小时，探究在500米高空中气团的来向。从图中可以看出（图3），500米高度的气团轨迹路径主要来自西北方向，由境外输送至裕民县，途径克拉玛依-阜康一线，最终到达吉木萨尔县。其中大气颗粒物途径阜康、准东工业园区等重工业基地，随气团低空输送至吉木萨尔县，加之气流移动速度缓慢，导致大气中污染物浓度增加，从而影响吉木萨尔县的空气质量[5]。

图3 500米高度36 h后向轨迹

3 结论

（1）影响吉木萨尔县冬季空气质量的2种主要污染物为PM2.5、PM10，日均浓度排序为：PM10＞PM2.5＞O3＞NO2＞SO2＞CO。在小时浓度变化特征中，PM10、PM2.5和NO2曲线近似为一峰一谷呈“U”形，SO2和O3的曲线近似为倒“U”形，CO曲线变化程度不大。

（2）大气污染物（除O3外）与气温、降水量呈负相关，气温升高、有效降水，有利于污染物的扩散和稀释。相对湿度增大，污染物附着在水汽中，不易扩散，PM10、NO2、PM2.5、CO与相对湿度呈正相关，同风速有微弱负相关，O3和SO2与相对湿度呈负相关，因为O3在低湿条件下更容易积累，相对湿度越大，SO2的转化过程越易发生。吉木萨尔县主导风向为西南偏南、西北方向，污染物由高浓度地区吹向低浓度地区，会增加大气污染物的浓度。

（3）500米高度的气团轨迹路径主要来自西北方向，由境外输送至裕民县，途径克拉玛依-阜康一线，最终到达吉木萨尔县。