黄晓慧，曲学斌，王绍云，董志鹏，曲淑艳，刘 丽

(1.满洲里市气象局，内蒙古 满洲里 021400；2.呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008；3.包头市气象局，内蒙古 包头 014000)

1 引言

空气污染是一个复杂的天气现象，在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。其中包括车辆、船舶、飞机的尾气、工业(企业)生产排放、居民生活和取暖、垃圾焚烧等等。城市的发展密度、地形地貌和气候条件等也是影响空气质量的重要因素。空气质量状况的优劣，直接关系到人体健康和经济社会可持续发展。本文利用包头市2014～2018年PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3六项空气污染物浓度数据和同期气象资料，对包头市空气质量时空分布特征和影响空气质量分布的气象因子进行分析，以期为地方政府和环保部门制定相应的治理方案提供科学依据。

2 资料来源与方法

2.1 数据来源

本文中所用PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3数据来源于包头市环境监测站，气象数据来源于包头市气象局自动气象观测站，主要包括气压、气温、最高气温、最低气温、相对湿度、降水量、风速和日照时数等。时间为2014～2018年。

2.2 分析方法

为了改善城市空气质量，防止生态破坏，创造清洁的大气环境，保护人类和动植物的健康，中国环境部于2012年发布《环境空气质量标准》(GB3095 -2012)和《环境空气质量指数(AOI)技术规定(试行) 》(HJ633-2012)以下简称《规定》。空气质量指数(AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲数，空气质量分指数(IAQI)为单项污染物的空气质量指数。根据《规定》将AQI划分为6个等级，对应空气质量的6个级别(表1)。AQI数值越大表明空气污染情况严重，对人类和动植物的健康影响越大。

表1 AQI对应的空气质量

(1)空气质量指数的计算方法。

AQI = max{IAQI1，IAQI2，IAQI3，…，IAQIn}

(1)

式(1)中：IAQI为空气质量分指数;n为污染物项。

(2)空气质量分指数的计算方法

(2)

式(2)中：IAQIP为污染物项目P的空气质量分指数; CP为污染物项目P的质量浓度值; BPHi表示与 CP相近的污染物浓度限值的高位值； BPLo表示与 CP相近的污染物浓度限值的低位值； BPHi与BPLo的具体值详见《规定》，下同； IAQIHi表示与 BPHi对应的空气质量分指数； IAQILo表示与 BPLo对应的空气质量分指数。

(3)季节划分方法。参照气象学季节划分方法，把包头市四季划分为春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月)。

3 结果分析

3.1 AQI的动态变化

3.1.1 AQI的年变化

按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)标准，利用包头市2014～2018年AQI逐日数据，进行分级统计，得到近5a不同等级天数的分布情况(图1)。由图可见，近5a包头市出现频率最高的空气质量等级为二级良，占比61.3%；其次为3级轻度污染，占比22.7%；再其次为优良，占比8.2%；中度污染、重度污染、严重污染出现的频率分别为4.3%、1.6%和0.4%。其中2018年全年各月平均AQI均在优良，其他年份出现不同程度的空气污染等级。且5a之中AQI级别三至六级多集中在每年的冬季，春季3月和秋季11月(图2)。由于每年的10月至次年的5月为冬季取暖期，因此该时段的AQI受到很大程度的影响。总体分析看近5a AQI从2014年的200 d增加到2018年的277 d，且总达标率为70.6%，期间2018年全年均为优良等级。

3.1.2 AQI的日变化

为了细致了解近5a来包头市AQI的状况，基于新实施的AQI的新计算方法，详细分析包头市AQI的逐日动态变化。分析结果显示，包头市AQI总体状况较好，波动范围主要集中在51～150之间(图 3)。近5a内平均AQI达一级优的天数为149 d，占总日数的8.3%；二级良的天数为1118 d，占总日数的62.3%、三级轻度污染的天数为415，占总日数的23.1%；四级中度污染的天数为78，占总日数的4.3%、五级重度污染的天数为29 d，占总日数的1.6%、六级严重污染的天数为7d，占总日数的0.4%(注5年内共缺测30 d，不影响对其的研究)。

图1 2014～2018年 AQI年际变化

图2 2014～2018年 AQI月变化

图3 2014～2018年空气质量AQI逐日变化

3.1.3 AQI的月变化

近5a之中一级优良指数最高出现在9月份，10月份次之；二级良指数最高出现在8月份，9月份次之；三级轻度污染指数最高出现在7月份，1月份次之；四级中度污染指数最高出现在11～12月份和3月份，2月份次之；五级重度污染指数最高出现在12月份，1月份次之；五级严重污染指数最高出现在5月(图2)。因此，近5aAQI最好的月份为9月，优良等级的日数28 d，占优等级日数的18.8%。

由2014～2008年包头市AQI和IAQI月变化图可知(图4)，AQI呈双峰型，峰值分别出现在5月和12月，其峰值为101.6和104.0；9月最低，其值为66.5，8月次之，其值为77.5。

3.1.4 AQI的季节变化

包头市AQI冬季(12月份至次年2月份)最高，春季(3～5月份)次之，这主要与冬季供暖期(10月份至次年的5月份)有关。特别是严寒的冬季，气温达到最低，供暖处于高峰期，取暖燃煤排放出大量的污染物，直接导致冬季空气质量最差。夏季(6～8月份)第三，秋季(9～11月份)最低(表2)。

图4 2014～2018年AQI和IAQI月变化

表2 2014～2018年空气质量AQI季节变化对比

3.2 IAQI的动态变化

3.2.1 IAQI的年际变化

就年平均状况而言，在六种污染物中，IAQIPM10居于首位，也是AQI三至六等级污染出现最多的污染物，污染天数为242 d，占总天数的13.5%；其次是IAQIO3污染天数为119 d，占总天数的6.6%；第三是IAQIPM2.5污染天数为23 d，占总天数的1.3%；第四是IAQISO2污染天数为36 d，占总天数的2.0%；IAQICO、IAQINO2均在良好范围内。

3.2.2 IAQI的月变化

利用逐日监测数据中PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3污染物平均浓度值，分别计算出空气质量分指数IAQI，得到了包头市对应每一种污染物的环境空气质量分指数(图4)，分析可见，首要污染物AQIPM2.5、IAQIPM10、IAQINO3浓度与AQI的变化趋势基本保持一致，均呈现较明显的两边高，中间低，且低值区内有不同的波谷出现；O3呈现与AQI反向，呈单峰型，峰值出现在7月份，1月份、12月份为最低点；CO、SO2采暖期偏大，非采暖期偏小。

3.2.3 IAQI的季节变化

近5a在6种不同污染物IAQI中，首要污染物PM10，IAQI值为77.8，依次为 PM2.5、NO2、O3、CO和SO2，其IAQI值分别为 62.5、52.3、49.6、33.8和33.0 (表3)。在6种污染物排放气体中，除O3外，其余5种空气质量分指数均以冬季最大，春秋季次之，夏季最小。

表3 2014～2018年不同污染物 空气质量分指数IAQI季节变化对比

3.2.4 不同IAQI污染物之间的相关性

本文在上述定性分析的基础上，由表4可知，不同污染物之间有显著关系。之中PM2.5与主要污染物气体PM10、SO2、CO以及NO2的相关系数较高，说明包头市的主要污染物主要以颗粒污染为主。同时PM2.5存在于PM10中，但是在不同气候条件下，p(PM2.5)/p(PM10)是不同的，它可能受气候条件，以及气温、气压、湿度、风速等气象因子的影响。表3中还体现出PM10与污染物气体SO2、CO和NO2的相关系数较高；SO2与污染物气体CO和NO2的相关系数较高；CO与污染物气体NO2的相关系数较高。

表4 2014～2018年不同污染物之间的相关系数

3.3 AQI与气象因子的关系

一个城市空气质量的好坏与季节及天气条件的关系十分密切。包头市作为北方大城市，空气质量的特点具有明显的季节性，在冬季，由于供暖期燃煤增加了大量的污染源，因此，冬季容易出现大气污染。在污染物排放相对稳定的情况下，气象条件对AQI起着主要作用。文中选取包头市2014～2018年逐日AQI数据与对应的气压、气温、相对湿度、降水、风速、日照6种气象因子进行相关分析，探讨AQI与气象因子之间的关系，得出AQI指数与各月气象因子相关系数(表5)。

表5 2014～2018年AQI与各气象因子变化相关系数

3.4 主要污染物IAQI与气象因子的关系

3.4.1 首要污染物IAQI与气象因子的季节关系

本文利用统计方法对2014～2018年近5a的数据分析, 反映出包头市主要污染物与气象因子要素之间的相关，在同一季节气象因子对污染物影响也不同。从表6中可知不同季节首要污染物与气象因子的相关性。冬季PM2.5除降水，其余气象因子呈有极显著关系。与气温、相对湿度、降水为正相关，与气压、风速、日照为负相关；PM10在春秋季与气压、气温和风速呈极显著关系。与气温、降水、风速、日照为正相关，与气压、相对湿度为负相关；夏季O3除相对湿度外与气压、气温、风速、日照呈极显著关系，与降水呈显著关系。与气温、相对湿度、风速、日照为正相关，与气压、降水为负相关。因此，不同的污染物在受到气象因子的影响程度也不一样。

表6 2014～2018年不同季节首要污染物与气象因子的相关性

3.4.2 主要污染物的IAQI与气象因子之间关系

3.4.2.1 IAQIPM2.5的气象因子分析

与IAQIPM2.5相关性较高的气象要素及排序为:相对湿度 、气压 、气温、风速、日照、降水(表5)。图5是从这上述 6 种气象要素选取对PM2.5影响大的湿度、气压、气温、风速气象要素进行分析，从这4 种气象要素随PM2.5等级的变化趋势看，各气象要素是随着IAQIPM2.5等级的增加呈减小趋势。因此，气压偏高、风减小、气温升高、相对湿度增大的天气条件下，大气扩散条件减弱，易造成IAQIPM2.5的累积以致污染加重。因此当平均相对湿度>62%、平均气压<900.7hPa、平均气温≥-1.49 ℃、平均风速在≤2.6 m/s,极易发生PM2.5中度及以上污染。

图5 气象影响因子随 IAQI(PM2.5)等级的变化趋势

3.4.2.2 IAQIPM10与气象因子分析

与 IAQIPM10相关性较高的气象要素及排序为:气温、气压、风速、相对湿度、日照、降水(表5)。图6是从这上述 6 种气象要素选取对IAQIPM10影响大的气温、气压、风速、湿度影响大的因子进行分析。从这4 种气象要素随IAQIPM10等级的变化趋势可见，随着IAQIPM10浓度增大，各气象要素均相对集中。因此当平均气温≥3.6℃、平均气压>860.0 hPa、平均风速在≤2.9 m/s、平均相对湿度>52%时，极易发生PM10中度及以上污染。

图6 气象影响因子随 IAQI(PM10)等级的变化趋势

3.4.2.3 IAQIO3与气象因子对应关系

与 IAQIO3相关性较高的气象要素及排序为:气温、日照、气压、风速、降水、相对湿度(表5)。图7是从这上述 6 种气象要素选取对IAQIO3影响大的气温、日照、气压、风速4种影响大的气象要素进行分析。从这4 种气象要素随IAQIO3等级的变化趋势可见，随着IAQIO3浓度增大，各气象要素均相对集中。因此当平均气温≥24.4 ℃、日照≤9.5 h、平均气压<901 hPa、平均风速在≤3.3 m/s、平均相对湿度>52%时，极易发生O3到中度及以上污染。

图7 气象影响因子随IAQIO3等级的变化趋势

4 结论

(1)研究表明近5a包头市首要污染物为PM10，PM2.5。次之为O3。且空气质量AQI波动范围值主要集中在 51～150 之间，总达标率为70.6%。空气质量达标日数逐年增高，从2014年的200 d增加到2018年的277 d，优良等级的天数为1267 d，占比71.1%。严重污染为7 d，占比0.4%。期间2018年全年均为优、良等级。首要污染物为PM10，PM2.5，次之为O3。

(2)包头市AQI变化具有明显的季节特征明显，冬及污染指数最高，春季次之，秋季最低。在六种污染物排放气体中，除O3外，其余5种空气质量分指数均以冬季最大，春秋季次之，夏季最小。6种污染物对空气污染的程度为PM10> PM2.5>NO2>O3>CO >SO2。其中PM10和PM2.5高于其他4种，可见包头市大气污染属于可吸入颗粒物与颗粒物主导的类型。

(3)AQI的变化与气象条件密切有关，通过Person相关分析表明，气温、气压、相对湿度、风速、降水及日照等是影响空气质量的关键气象因子。冬季PM2.5除降水，其余气象因子呈有极显著关系；PM10在春秋季与气压、气温和风速呈极显著关系；夏季O3除相对湿度外与气压、气温、风速、日照呈极显著关系。总体来说，各污染物在不同季节受气象因子影响程度不同，差异明显，不能简单的概括为某一种气象因子对污染物的作用是一定的。