2021年乌鲁木齐市大气污染时空分布特征.pdf

随着经济社会的快速发展以及人民生活水平的日益提高，人民群众对优美生态环境获得感的要求也明显提升，特别是对良好环境空气质量的期盼更强烈。近年来，随着 新疆打赢蓝天保卫战行动计划（20182020年）1的深入推进，各项决策部署的落地实施，连续三年环境空气质量逐步向好。然而，天山北坡城市群秋冬季重污染天气依然高发、频发，秋冬季PM2.5浓度依然超标，成为新疆大气污染最严重的区域，已成为国家治气攻坚“新”对象。众多学者对我国大气污染防治重点区域如京津冀2、长三角3、汾渭平原4等开展了区域大气污染物的时空变化特征研究，发现不同区域污染物及其时空分布特征有差异。乌鲁木齐市作为天山北坡城市群重点首府城市，空气质量虽逐年改善，但改善幅度不大，大气污染防治工作任重道远。如何正确评估乌鲁木齐市大气环境质量并分析大气污染时空变化特征尤为重要，已有学者对乌鲁木齐市冬季大气污染时空分布特征5、空气污染和气象过程关系6、大气颗粒物中重金属的浓度特征7、空气质量时空变化趋势8等开展研究。本研究基于乌鲁木齐市2021年10个监测站点逐日污染物浓度数据，对大气污染的时空变化特征及气象影响因素进行了分析探讨，以期为城市大气环境质量改善提供一些参考。1数据与方法1.1研究区概况乌鲁木齐市地处亚欧大陆中心，天山山脉中段北麓，准噶尔盆地南缘。全市行政区域土地面积13788km2，三面环山，地势东南高，西北低，海拔680920 m，属于中温带大陆性干旱气候，年平均降水量为194 mm，平均温度6.9。收稿日期：2023-05-19基金项目：自治区大气污染防治专项“重点行业错峰生产研究”；自治区重点研发计划项目（2022B03029-1）作者简介：何静（1984-），女，新疆奇台人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为区域大气污染防治。E-mail：通讯作者：赵志刚（1967-），男，山东荣成人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为自然生态保护。E-mail：2021年乌鲁木齐市大气污染时空分布特征何静1，2，3，4，赵志刚1，2，3，4*，蔺尾燕1，2，3，4，祝婕1，2，3，4，常梦迪1，2，3，4，藏晓芳1，2，3，4，赵强1，2，3，4（1.新疆环境保护科学研究院，新疆乌鲁木齐830011；2.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，新疆乌鲁木齐830011；3.新疆清洁生产工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐830011；4.国家环境保护准噶尔荒漠绿洲交错区科学观测研究站，新疆乌鲁木齐830011）摘要：乌鲁木齐市作为天山北坡城市群重点首府城市，空气质量虽逐年改善，但改善幅度不大，大气污染防治工作任重道远。基于乌鲁木齐市2021年10个监测站点逐日污染物浓度数据，对大气污染的时空变化特征及气象影响因素进行分析探讨。结果表明：O3、PM10和PM2.5有显著的季节变化特征，PM10和PM2.5浓度夏季低、冬季高；O3在夏季浓度较高，冬季浓度较低。米东区处于PM2.5和PM10等大气污染物高浓度分布区。降水越大对PM2.5和PM10的清除作用越强，PM2.5浓度随着风速增大呈降低趋势；特别是风速在5 m/s时，污染物降低的幅度最大。关键词：大气污染；时空分布；空气质量；乌鲁木齐市中图分类号：X513文献标识码：A文章编号：1008-2301（2023）02-0009-07何静，赵志刚，蔺尾燕，祝婕，常梦迪，藏晓芳，赵强.2021年乌鲁木齐市大气污染时空分布特征 J.新疆环境保护，2023，45（01）：9-15.第 45 卷 第2期2023 年6 月新疆环境保护Environmental Protection of XinjiangVol.45No.2Jun.2023新疆环境保护第 45卷市区三面环山，北部平原开阔，东部有喀拉塔格山，西部有喀拉扎山，南部有伊连哈比尔尕山东段（天格尔山）等，三面环山的地形，使冷空气往往滞留在盆地内，近地面易建立逆温层，导致污染物积累，冬季静稳、深厚逆温层、相对湿度较大等气象因素相叠加，造就了有利于重污染形成的不利气象条件，容易使空气污染加重。2021年，乌鲁木齐市空气质量改善显著，二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）符合国家二级标准；PM2.5年均浓度为39g/m3，较2017年下降25g/m3；优良天数比例达到 80.8%，较 2017 年上升10.7个百分点；重污染天数比例3.3%，较2017年减少9.0个百分点。1.2数据来源本文研究数据主要源于乌鲁木齐市10个国控环境空气质量监测站点2021年各污染物的日均数据，监测站点分布图，见图1。参考 环境空气质量标准：GB3095-2012 环境空气质量指数（AQI）技术规定进行月、季节不同时间尺度的分析9，季节划分为春（35 月）、夏（68 月）、秋（911 月）、冬（122月）。通过中国气象科学数据共享服务网（http:/），获取2021年乌鲁木齐逐日降水、风速等地面气象观测数据。米东区新市区头屯河区乌鲁木齐市水磨沟区沙依巴克区天山区乌鲁木齐县达坂城区图 例空气质量监测站点图1乌鲁木齐市10个国控监测点示意图Fig.1Schematic diagram of 10 national control monitoringpoints in Urumqi1.3研究方法反距离权重插值法（IDW）是ARCGIS在环境污染研究中应用比较广泛成熟，进行区域环境污染物空间分布的插值方法10，是在一定范围内，两个任意点位的距离存在差异，即以监测点位的距离衡量插值数值，距离越短，空间模拟的插值数就相对接近，反之，距离越远则差别较大7。计算公式如下：ZS0=i=1NiZ(si)（1）式中：ZS0是研究区插值预测值；N是区域内预插值观测点的数目；i是插值计算中赋予预插值观测点的权重，权重大小与观测点与预测点的距离相反，距离越远权重越小；Z(si)是某个预插值观测点Si的观测值。本研究利用ARCGIS 10.3软件，对6项污染物浓度空间分布情况进行插值分析。2结果与分析2.1大气污染物月变化特征根据乌鲁木齐市2021年10个站点的监测日均值数据整理，绘制6项大气污染物的月均变化图，得到12个月的空气质量浓度变化，见图2。浓度（g/m3）1401201008060402001.81.61.41.210.80.60.40.20CO浓度（mg/m3）1月2月3月4月5月 6月7月8月9月 10月 11月 12月SO2NO2PM10O3-8hPM2.5CO图22021年乌鲁木齐市6项污染物月均浓度Fig.2Monthly average concentration of six pollutants inUrumqi in 2021CO月均浓度最高值1.565 mg/m3出现在1月，低值出现在6月，整体呈“U形”曲线；最高值与最低值之间差距较大，最低值占最高值的25.4%，变化幅度明显。49月，CO浓度处于相对平缓的状态，波动幅度不大，这主要是因为CO与人类活动密切相关，浓度峰值出现在冬季，特别是在12月到2月，这时煤炭需求10第2期增加、温度变化等一系列原因导致 CO 浓度变化。NO2浓度变化曲线整体和CO相似，峰值61.976 g/m3出现在1月，然后呈持续下降趋势，在 6月出现谷值，57月相对平稳。SO2则相对保持在基本稳定的状态，月均值均低于10 g/m3。从O3浓度的总体变化趋势来看，浓度曲线呈“M”型，呈现出冬季低、夏季高的规律。13 月以及1012月浓度处于同年较低水平，尤其是1月和12月；月均浓度较高出现在49月，峰值127.637 g/m3出现在7月。主要原因是由于4月开始气温逐渐回升，随之紫外线辐射增强等相互作用，大气光化学反应作用加强，加速了O3的合成及积累，导致了O3浓度的持续升高11。PM2.5月均浓度呈现“减小-增大”的变化过程，峰值在1月108.197 g/m3，谷点出现在67月，从变化趋势来看，24月下降幅度较为明显，采暖季细颗粒物污染突出。PM10月均浓度变化趋势与PM2.5一致，整体看来从16月缓缓下降，68月相对平稳，再从912月有一个更小幅度的增加趋势。乌鲁木齐市作为天山北坡城市群重点城市之一，人口、能源消耗和污染排放的空间分布极为不均匀，存在污染排放高值区，局地性污染相对突出，同时，高浓度 PM2.5污染气团形成后，存在明显的区域污染传输现象，同时秋冬季不利气象条件不利于颗粒污染物的扩散。2.2大气污染物季节变化特征根据2021年10个站点的监测值整理，各污染物季节浓度变化如图3所示。浓度（g/m3）140120100806040200CO浓度（mg/m3）1.61.41.21.00.80.60.40.20.0春季夏季秋季冬季SO2NO2PM10O3-8hPM2.5CO图32021年乌鲁木齐市6项污染物季均浓度Fig.3Seasonal average concentration of six pollutantsin Urumqi in 2021从季节变化来看，乌鲁木齐市PM10和PM2.5平均浓度呈夏季低、冬季高的季节变化特征，冬季均值最高91.31 g/m3，空气质量状况最差，这与国内其他城市和已有研究相似1214。这主要是因为：一方面，冬季采暖期化石燃料燃烧导致PM2.5前体物排放量上升，增大了污染负荷15，加上天山北坡地区的地形地貌容易造成大气扩散条件整体不利，静风频率较高，有利于污染物的累积，低温静稳的大气条件共同导致二次污染物转化加剧；另一方面，夏季扩散条件较好，且降水较多，有利于污染物的去除。CO和NO2浓度季节变化一致，均为冬季秋季春季夏季；SO2则季节变化不是很明显，保持基本稳定的态势，四季浓度都处于较低水平。O3浓度的变化趋势与其他污染物存在显著差异，在夏季浓度较高，冬季浓度较低。这主要是由于夏季光照较强，紫外线充足，易发生光化学反应生成O315；而冬季光照较弱，不利于生成O3。对乌鲁木齐市超标天数的首要污染物进行分析，发现乌鲁木齐市的首要污染物以PM2.5、PM10和O3为主，因此在夏季NO2、SO2、PM2.5、PM10等污染物浓度相对较低的情况下，O3对空气质量的影响也是未来大气污染控制工作中需要加强关注的重点。2.3采暖季PM2.5污染特征2021 年，天山北坡城市群所辖乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市和五家渠市四个城市PM2.5年均浓度分别为 39、51、54和58 g/m3，平均为50.5 g/m3，同比下降5.6%，较2017年下降23.8%。区域空气质量虽呈改善趋势，但秋冬季PM2.5污染仍然相对突出，以2021年采暖季为例（13月、1012月），乌鲁木齐市、昌吉市、石河子市和五家渠市PM2.5浓度表现为五家渠（114 g/m3）石河子（103 g/m3）昌吉州（101 g/m3）乌鲁木齐（73 g/m3），乌鲁木齐在区域四个城市中采暖季PM2.5浓度最低，但是和全国大气污染防治重点区域相比，均显著高于重点区域的最高值（汾渭平原为63 g/m3）；春夏季（49月），乌鲁木齐市PM2.5浓度均值为173 g/m3，四个城市PM2.5浓度水平整体低于各重点区域，空气质量较好。天山北坡城市群已成为全国秋冬季PM2.5污染最严重区域之一。见图4。何静，等：2021年乌鲁木齐市大气污染时空分布特征11新疆环境保护第 45卷浓度（g/m3）120100806040200114211910310117177361633128442243212021年10-3月2021年4-9月五家渠市石河子市昌吉市乌鲁木齐市2加26城市汾渭平原长三角地区339城市PM2.5平均浓度图42021年乌鲁木齐市和全国重点区域秋冬季与其他时间PM2.5浓度对比Fig.4Comparison of PM2.5concentrations in Urumqi and keyregions of China in Autumn and Winter and other times in 20212.4大气污染物空间分布特征从点位尺度分析乌鲁木齐市大气污染物空间变化特征，得到CO、NO2、O3、SO2、PM10、PM2.5浓度的空间分布变化。见图5。2021年，CO浓度分布区域特征为米东区、沙依巴克区部分区域呈相对较高浓度状态，乌鲁木齐县、达坂城区、头屯河区处于低浓度状态，新市区、天山区、水磨沟区呈中等CO浓度状态，年均浓度最高为1.05 mg/m3，最低为0.46 mg/m3。NO2浓度分布的区域特征为米东区、沙依巴克区、新市区、天山区、水磨沟区空气质量监测站点所在区域处于高浓度地区，乌鲁木齐县、达坂城区整体处于低浓度分布，NO2年平均最高浓度值为53.44 g/m3，最低值为9.44 g/m3。O3年平均浓度最高为108.16 g/m3，乌鲁木齐县、达坂城区呈高浓度地区分布，米东区、沙依巴克区、新市区、天山区、水磨沟区空气质量监测站点所在区域处于低浓度分布地区。米东区、水磨沟区处于SO2高浓度地区，达坂城区、天山区、沙依巴克区、乌鲁木齐县为SO2低浓度地区，SO2年平均最高值为9 g/m3，最低值为6.5 g/m3，全市均达到SO2国家二级标准（60 g/m3）。PM10年均浓度较高地区为米东区、新市区及水磨沟区监测点位，头屯河区呈中等浓度分布，其余地区基本呈 PM10低浓度分布，PM10年平均浓度最高值为91.58 g/m3，最低值为28.47 g/m3。PM2.5年平均浓度较高地区为米东区及新市区监测点位，头屯河区、水磨沟区呈中等浓度分布，整体分布情况与PM10相似，PM2.5年平均浓度最高值为 55.18 g/m3，最低值为10.64 g/m3，仅乌鲁木齐县和达坂城区监测站点满足国家二级标准（35 g/m3）。总体上来说，大气污染物浓度南部低于北部，主要和乌鲁木齐市南高北低的地势及北部区域大量工业企业布局有关。吉木萨尔县米东区阜康市呼图壁县昌吉市乌鲁木齐县达坂城区沙依巴克区天山区乌鲁木齐市头屯河区水磨沟区新市区高昌区托克逊县和静县图例福海县O3（g/m3）74.09-8080-9090-100100-108.16乌鲁木齐市O3空间分布图米东区呼图壁县昌吉市阜康市高昌区托克逊县和静县图例CO（mg/m3）0.46-0.600.60-0.800.80-1.001.00-1.05乌鲁木齐县达坂城区沙依巴克区天山区乌鲁木齐市头屯河区水磨沟区新市区吉木萨尔县福海县乌鲁木齐市CO空间分布图吉木萨尔县米东区阜康市呼图壁县昌吉市乌鲁木齐县达坂城区沙依巴克区天山区乌鲁木齐市头屯河区水磨沟区新市区高昌区托克逊县和静县图例NO2（g/m3）9.44-2020-3030-4040-5050-53.44福海县乌鲁木齐市NO2空间分布图12第2期2.5气象因素对空气质量的影响较多的研究表明：降水、风速、湿度等气象因素均能对大气污染物浓度产生影响；本研究统计了乌鲁木齐市米泉站2021年气象数据，分析降水、风速等气象因素对各污染物质量浓度的影响。统计2021年不同等级范围74次日累计降水（共218.3 mm）和日最大降水对米东区环保局监测站点主要大气污染物浓度的影响情况，见表1和图6。从不同等级范围降水看，PM2.5、PM10均随着降水等级增大，其质量浓度呈递减变化，说明降水越大对PM2.5和PM10的清除作用越强；但在降水范围在25 mm时，PM2.5和PM10的浓度稍高，主要原因是发生这样强度降水的天气共19次，发生时间上主要在采暖季（103月）和春季（45月），采暖季由于化石燃料的燃烧和污染物的累积作用，春季由于沙尘天气的影响，颗粒物浓度值处于高位。吉木萨尔县米东区阜康市呼图壁县昌吉市乌鲁木齐县达坂城区沙依巴克区天山区乌鲁木齐市头屯河区水磨沟区新市区高昌区托克逊县和静县图例福海县PM2.5（g/m3）10.64-3535-4040-4545-5050-55.18乌鲁木齐市PM2.5空间分布图乌鲁木齐市SO2空间分布图吉木萨尔县米东区阜康市呼图壁县昌吉市乌鲁木齐县达坂城区沙依巴克区天山区乌鲁木齐市头屯河区水磨沟区新市区高昌区托克逊县和静县福海县图例SO2（g/m3）6.5-7.07.0-7.57.5-8.08.0-9.0吉木萨尔县米东区阜康市呼图壁县昌吉市乌鲁木齐县达坂城区沙依巴克区天山区乌鲁木齐市头屯河区水磨沟区新市区高昌区托克逊县和静县图例福海县PM10（g/m3）28.47-4040-5555-7070-8585-91.58乌鲁木齐市PM10空间分布图图52021年乌鲁木齐市点位尺度六项污染物浓度空间分布Fig.5Spatial distribution of six pollutant concentrations at point scale in Urumqi in 2021表1不同降水等级范围对空气质量的影响Table 1Impact of different precipitation levels on air quality降水范围/mm等于0（0，0.5（0.5，2（2，5（5，10（10，最大值）降水次数29121231966PM2.5（g/m3）55.2392530.620.219.3PM10（g/m3）91.663.349533827.5NO2（g/m3）34.527.0919.6821.815.519.3O3（g/m3）89.491.68386.793.572.6AQI102.275.8576.26679.541.5图6日最大降水对PM2.5浓度的影响Fig.6Impact of daily maximum precipitation on PM2.5concentrationCOPRE Time 2020PM2.5浓度（g/m3）500日最大降水量（mm）201816141210864202021.1.12021.1.122021.1.232021.2.32021.2.142021.2.252021.3.82021.3.192021.3.302021.4.102021.4.212021.5.22021.5.132021.5.242021.6.42021.6.152021.6.262021.7.72021.7.182021.7.302021.8.102021.8.212021.9.12021.9.122021.9.232021.10.52021.10.162021.10.272021.11.72021.11.182021.11.292021.12.102021.12.21何静，等：2021年乌鲁木齐市大气污染时空分布特征13新疆环境保护第 45卷PM2.5浓度（g/m3）43.532.521.510.50风速（m/s）98765432102021.1.12021.1.132021.1.252021.2.62021.2.182021.3.22021.3.142021.3.262021.4.72021.4.192021.5.12021.5.132021.5.252021.6.62021.6.182021.6.302021.7.122021.7.242021.8.62021.8.182021.8.302021.9.112021.9.232021.10.62021.10.182021.10.302021.11.112021.11.232021.12.52021.12.172021.12.29COWIN S Max从日最大风速来看，米东区站点日最大风速在1.48.1 m/s之间，在24 m/s之间的天数最多，5 m/s的天数最少，仅为31天，主要发生在48月。PM2.5浓度随着风速增大呈降低趋势；特别是风速在5 m/s时，污染物降低的幅度最大。见图7。图7日最大风速对污染物浓度的影响Fig.7Impact of daily maximum wind speed on pollutant concentration3结论与讨论对2021年乌鲁木齐市6项大气污染物CO、NO2、O3、SO2、PM10、PM2.5进行时空变化特征分析，主要结果如下：1）从月均变化来看，SO2变化幅度较小；CO 和NO2浓度为“U形”变化曲线；O3呈“M”型变化曲线；PM2.5和PM10呈“减小-增大”的变化过程。分析各污染物的峰谷值，CO、NO2、PM2.5和 PM10峰值出现在 1月，低值出现在6月；O3峰值出现在7月，低值出现在12月。从季节变化来看，O3、PM10和PM2.5有显著的季节变化特征，PM10和PM2.5浓度夏季低、冬季高；O3在夏季浓度较高，冬季浓度较低；CO和NO2季节浓度为冬季秋季春季夏季；SO2则保持基本稳定，四季都处于较低水平。2）从空间分布特征来看，除O3外，米东区均处于PM2.5和PM10等大气污染物高浓度分布区，其次为新市区；乌鲁木齐县和达坂城区处于大气污染物低浓度分布区，是仅有的PM2.5均值满足国家二级标准的区域。3）从气象因素影响来看，PM2.5、PM10均随着降水等级增大，浓度呈递减变化，降水越大对PM2.5和PM10的清除作用越强；PM2.5浓度随着风速增大呈降低趋势；特别是风速在5 m/s时，污染物降低的幅度最大。参考文献：1 新疆维吾尔自治区人民政府.新疆打赢蓝天保卫战行动计划（20182020 年）EB/OL.（2018-09-20）2018-10-08.http:/ 张忠地，邵天杰，黄小刚，等.2017年京津冀地区PM2.5污染特征及潜在来源分析J.环境工 程，2020，38（02）:99-106，134.3 佘倩楠，徐茜，周陶冶，等.长三角地区2015年大气重污染特征及其影响因素J.环境科学学报，2018，38（08）:3185-3196.4 李慧，王涵，严沁，等.汾渭平原秋冬季PM2.5化学组分特征及其来源J.环境科学研究，2023，36（03）:449-459.5 赵克明，李霞，孙鸣婧，等.乌鲁木齐冬季浅薄型焚风对大气扩散条件及空气质量的影响J.沙漠与绿洲气象，2019，13（01）:13-20.6 Mamtimin B.，Meixner F.X.Air pollution and meteorological processesin the growing dryland city of Urumqi（Xinjiang，China）（Article）J.Science of the Total Environment.2011，409（7）：1277-1290.7 帕丽达牙合甫，杨鹏月.乌鲁木齐市近几年大气颗粒物中重金属的浓度特征J.干旱区地理，2019，42（03）:492-498.8 藏晓芳，邓文叶，帕丽达牙合甫，等.近20年来乌鲁木齐空气质量时空变化趋势分析J.新疆环境保护，2021，43（2）:492-498.9 GB3095-2012，环境空气质量指数（AQI）技术规定 S.2012.10 盛永财，孜比布拉司马义，王英鹏，等.乌鲁木齐市空气污染时14第2期Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Air Pollutionin Urumqi in 2021HE Jing1，2，3，4，ZHAO Zhigang1，2，3，4*，LIN Weiyan1，2，3，4，ZHU Jie1，2，3，4，CHANG Mengdi1，2，3，4，ZANG Xiaofang1，2，3，4，ZHAO Qiang1，2，3，4（1.Xinjiang Academy of Environmental Protection Science，Urumqi Xinjiang 830011，China；2.XinjiangKey Laboratory for Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning，Urumqi Xinjiang 830011，China；3.Xinjiang Engineering Technology Research Center for Cleaner Production，Urumqi Xinjiang830011，China；4.Junggar Desert-oasis Ecotone Station for Scientific Observation and Research of NationalEnvironmental Protection，Urumqi Xinjiang 830011，China）Abstract：As the key capital city of the city cluster on the northern slope of Tianshan，Urumqis air qualityhad been improving year by year，but the improvement was not significant.There was a long way to go in theprevention and control of air pollution.Based on the daily pollutant concentration data of 10 monitoringstations in Urumqi City in 2021，the temporal and spatial characteristics and meteorological influencing factors ofairpollution were analyzed and discussed.The results showed that O3，PM10，and PM2.5had significant seasonalvariation characteristics.PM10and PM2.5concentrations were low in summer and high in winter，while O3concentrations were higher in summer and lower in winter.Midong District was located in a high concentrationdistribution area of atmospheric pollutants such as PM2.5and PM10.The greater the precipitation，the strongerthe scavenging had effect on PM2.5and PM10，and the concentration of PM2.5decreased with the increase ofwind speed.Especially when the wind speed was5 m/s，the maximum reduction in pollutants occurs.Keyword：air pollution，space and temporal distribution，air quality，Urumqi空分布特征及其与气象因素相关分析J.地球环境学报，2018，9（4）:323-333.11 Burrough P A.Principles of geographical information systems for landresources assessmentM.Oxford:Oxford university press，1998.12 聂单南光.江西省大气污染物时空分布及影响因子分析D.南昌：东华理工大学，2021.13 李淑婷，李霞，毛列尼阿依提看，等.20172019年中天山北坡城市群大气污染及污染天气类型特征.J.干旱区地理，2022，45（04）:1082-1092.14 吴虹，张彩艳，王静，等.青岛环境空气PM10和PM2.5污染特征与来源比较.J.环境科学研究，2013，26（6）:583-589.15 郝吉明.京津冀大气复合污染防治联发联控战略及路线图M.北京：科学出版社，2017.何静，等：2021年乌鲁木齐市大气污染时空分布特征15