峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征_赵克明

第37卷第6期

2014年11月ARID LAND GEOGRAPHY Vol.37No.6 Nov.

2014

峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征

赵克明1,2,李霞1,卢新玉2,王磊3,任泉3,冯志敏4,马超2(1中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐830002;2新疆气象台,新疆乌鲁木齐830002;

3乌鲁木齐市气象局,新疆乌鲁木齐830002;4新疆维吾尔自治区气候中心,新疆乌鲁木齐830002)

摘要:基于2013年1~3月每日发布的6类污染物(PM10、SO2、NO2、PM2.5、CO和O3)逐时数据和同期气象数据,对乌鲁木齐污染物的时空分布变化规律进行了分析。结果表明:乌鲁木齐污染物浓度空间分布型可分为两种,即城区中心-外围过渡型和南北过渡型。PM10是城区中心-外围递增型,SO2和CO则是城区中心-外围递减型。南北递增型是PM2.5和O3,南北递减型为NO2;乌鲁木齐冬季六类污染物污染指数级别由小到大依次是:O3<SO2<NO2<CO<PM10<PM2.5;污染物日变化曲线大致为双峰结构(PM10、PM2.5和SO2)单峰结构(CO、NO2和O3);PM2.5超标率很高(88.7%),其与相对湿度、能见度、风速、降水呈反相关关系,与逆温差呈显著的正相关。当PM2.5的AQI值逐步升高时,低空型东南大风出现频率和逆温层厚度、温差等总体上也呈现增加趋势,说明低空型东南风对于峡口城市的空气质量存在重要的影响。

关键词:峡口城市;乌鲁木齐;污染物;时空变化规律;低空型东南风

中图分类号:X51文献标识码:A文章编号:1000-6060(2014)06-1108-11(1108~1118)

乌鲁木齐是新疆政治、经济、文化中心,地处中天山北麓、准噶尔盆地南缘。城区东南高、西北低(图1),海拔680~920m,且东、南、西三面环山,北部连接着准噶尔盆地,大体为开口朝北的“喇叭口”地形。同时乌鲁木齐还处在中天山峡谷北端的开口处,峡谷南端连接着吐鲁番盆地,著名的风口达坂城则位于峡谷的中部。因此准确来说,乌鲁木齐是“峡口城市”。受山脉、峡谷复杂地形及气候的影响,造成乌鲁木齐经常遭受焚风—东南大风(当地命名)的侵袭[1-2]。

乌鲁木齐的特殊地形和气象条件[3-9]极不利于大气污染物的扩散,加之能源结构以燃煤为主,造成了严重的大气污染,特别是冬季采暖期间[10-13]。1999年乌鲁木齐市名列世界十大污染城市第四(太原、米兰、北京之后)[14];2000年以来乌鲁木齐在全国46个城市环境综合整治考核中排列倒数第一(2000年、2002年)、倒数第三(2003年)。各级政府

及广大民众极为关注乌鲁木齐的大气环境问题。1999年开始,乌鲁木齐连续实施了3个“蓝天工程”治理大气污染。2011年,乌鲁木齐在全球1083个城市的空气质量排名为1053名(以年平均PM10浓度由小到大)[15]。恶劣的空气质量已经危害到当地人民的身体健康[16-17]。2012年,乌鲁木齐市再次斥资121×108元,完成了189家单位冬季采暖的“煤改气”工程,已逐步取用天然气采暖,改变以燃煤为主的能源结构。这预计减少燃煤消耗约500×104t、烟尘少排放1.7×104t,开创了全国城市大气污染治理的历史先河。与此同时,乌鲁木齐同全国73个城市于2012年1月1日率先实施新修订的《环境空气质量标准》(GB3095-2012,下文简称新标准)[18],空气质量预报和日报针对的主要污染物增加至6项(PM10、SO2、NO2、PM2.5、CO和O3),空气质量等级开始以六级空气质量指数(Air Quality Index,简称AQI)衡量优劣。因此,2012年这个冬季的空气质量对乌

收稿日期:2013-12-08;修订日期:2014-02-14

基金项目:新疆自然科学基金(2011211A102);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(IDM2008003)

作者简介:赵克明(1983-),男,硕士研究生,工程师,主要从事短期天气预报和研究工作.Email:zhaokeming_1983@https://www.360docs.net/doc/1918047826.html, 通讯作者:李霞,女,博士,副研究员,主要从事大气环境和天气气候研究.Email:susannaryy@https://www.360docs.net/doc/1918047826.html,

DOI:10.13826/https://www.360docs.net/doc/1918047826.html,65-1103/x.2014.06.003

6期

赵克明等:

峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征

图1乌鲁木齐城市地形和空气质量监测站、主要污染源地理位置分布图

Fig.1Topography of Urumqi city and geographical distribution of the sites for monitoring air pollutants and

important industrial pollution emission sources

(备注:图上黑色实心圆点代表空气质量监测站;①~⑨是乌鲁木齐国控级企业,分别对应:①宝钢集团新疆八一钢铁有限公司;②中石油乌鲁

木齐石化分公司;③新疆华泰重化工有限责任公司;④神华神东电力米东热电厂;⑤新疆众和股份有限公司;⑥华电新疆苇湖梁电厂;⑦华电新疆乌鲁木齐热电厂;⑧国电新疆红雁池电厂;⑨华电新疆红雁池电厂;三个“*”表示3家水泥厂)

鲁木齐来说是个严峻考验期和历史性的转折期。

到目前为止,对于乌鲁木齐市大气污染变化规律的研究多基于全市3个监测站(收费所、监测站和铁路局)的平均监测数据。如PM 10浓度采暖期在中午12∶00~16∶00时之间最大,22∶00~02∶00时出现次峰值;SO 2浓度变幅和PM 10相当,主次峰值出现时间与PM 10也较一致;NO 2也呈现双峰结构[10]。全市采暖期SO 2浓度空间分布为南部市区(收费所站为代表)>市中心(监测站为代表)>北部市区(铁招站为代表);全市NO 2日平均浓度超过国家日平均浓度二级标准(GB3095-1992)0.05倍,且空间分布为南部市区>北部市区>市中心[12]。随着城市快速化的发展,采暖期PM 10浓度值为国家二级标准平均浓度的2.3倍,市区PM 10浓度变化为南部市区>北部市区

>市中心(2010年)[13]。2013年伊始,乌鲁木齐不仅

环境监测站点加密,且污染物种类也相应增加;加之冬季采暖大规模使用天然气,大大降低了城市污染物排放,因此以前的研究结果与现状已经不符,污染物的空间分布也会随着站点的密度而发生变化,所以在新国标下乌鲁木齐的大气环境现状值得

进一步研究。这有助于我们更加清楚地认识城市大气污染时空变化规律,为大气环境监测和污染治理措施提供更为细致的科学依据。

1数据、方法和环境监测站介绍

1.1数据和方法

2013年1月1日0∶00时起,乌鲁木齐市环境保护局通过网络(http ∶//https://www.360docs.net/doc/1918047826.html,/)向公众发布全市大气污染监测站的六类污染物(PM 10、SO 2、NO 2、PM 2.5、CO 和O 3)的逐时监测数据,本文使用的6个监测站由南到北分别是收费所、31中、监测站、铁招、74中、实验农场,具体地理分布位置见图1和表1。乌鲁木齐市环保局环境质量自动监测系统由监测子站、中心计算机室、质量保证实验室、系统支持实验室四部分组成。从各监测子站监测设备、数据采集、数据质量控制等方面都严格遵照国家行业标

准“GB3095-2012”[18]和“HJ/T193-2005”[19]

。由于

PM 2.5、CO 和O 3这三类污染物才开始进行业务监测,因此偶尔会出现数据缺测、错误等现象,网上则不

1109

干旱区地理37卷

表1乌鲁木齐大气污染物监测站点地理信息

Tab.1Geographical information of seven sites for

monitoring air pollution in Urumqi

站点

经度/°

纬度/°

海拔高度/m 收费所

87.61

43.77

917

31中

87.65

43.83

837

监测站

87.59

43.84

805

铁招

87.56

43.87

752

74中

87.42

43.87

738

实验农场

87.50

43.94

634

发布。统计某站或者全市某种污染物日均值的前提是:该站某类污染物24h有效监测数据≥18h;对于全市某类污染物某小时的平均浓度值,则是6个子站点至少≥3个站点存在有效监测值。依照上述规定,2013年1月6日~3月13日期间,累积得到了全市大约62d、六类污染物的日均值。

为了分析气象要素和大气污染的关系,本文同时还采用了同期乌鲁木齐市气象局地面相对湿度、能见度、风速、降水等逐时监测数据。同时利用每日8∶00的常规探空数据,计算了每日的逆温层厚度、强度、温差等,并且还采纳了乌鲁木齐市气象站的固定式边界层风廓线雷达(CFL-03型)数据,以此监测东南大风状况。

1.2大气污染监测站及其周边环境

乌鲁木齐的大气环境监测站布局见图1,图中编号①~⑨为乌鲁木齐主要的工业排放源—九大国控级重点企业。由图可见,收费所站处于乌鲁木齐城南,历来代表南部城区大气环境。该站建立在以前的动物园内,周围树木茂密,但是距离这个观测站东南方5km左右就矗立着红雁池2座热电厂,而距离正南方3.3km为天山水泥厂。31中学位于乌鲁木齐东部城区—水磨沟区,其南边的水塔山海拔超过920m,比测站高70m以上,而其正北方仅2km距离就坐落着苇湖梁热电厂,神华水泥厂和市水泥厂距离31中直线距离仅有3.2km和1.8km。监测站代表城市中心地带,铁招则代表北部城区。从这两站周围道路密集状况不难看出,它们都处在城区交通要道附近,周边高楼林立,交通也比较拥挤。如铁招距离乌鲁木齐最繁忙十字路口直线距离仅300m左右。74中位于乌鲁木齐西边的头屯河区,代表西部城区。从地理位置可见,74中已经处在三面环山的峡口地形以外,南部背靠山脉。实验农场位于乌鲁木齐和昌吉两座城市之间,处在新疆农业大学的试验田里,周围地势比较平坦,被耕地和一些村落环绕。

2结果分析

2.1污染物的空间分布特征

图2是2013年1~3月乌鲁木齐6类污染物的空间分布图。图2(a)、图2(b)分别显示了PM10、PM2.5的空间分布状况。全市冬季PM10浓度总体上是城市中心低、四周高的特点。最高浓度出现在东部城区31中(296μg·m-3),最低值在监测站(224μg·m-3)。与PM10比较可见,细颗粒物PM2.5空间分布差异较大,其呈现南北递增型,但是最大值仍然在31中,为202μg·m-3。实验农场紧随其后,为195μg·m-3。收费所浓度相对最小,为145μg·m-3。从图3可见,乌鲁木齐市区盛行山谷风,且白天的谷风风速明显大于夜间的山风。因此水塔山可一定程度上阻挡31中北部热电厂、水泥厂等污染物向南部的传输扩散,造成该站颗粒物浓度较高。而74中PM10污染严重与八钢关系可能很大。农科院则受米东区化工生产的影响很大。按照新标准,乌鲁木齐全市冬季PM10污染指数介于151~200,达到四级中度污染水平;PM2.5污染指数介于200~300之间,为五级重度污染。

图2(c)是乌鲁木齐冬季SO2的空间分布图,表现为城区中心-外围逐步递减型,类似这一分布型的还有CO(图2(e))。比较看来,SO2污染最严重的地点在铁招(为109μg·m-3),污染较轻的站点位于城南收费所(为47μg·m-3)。依据新标准,SO2污染指数为50~100,属于二级良。CO浓度最高值中心在监测站(见图2(e)),为8mg·m-3;最小值在31中,为3mg·m-3。如此全市的CO污染指数介于100~150,属于轻度污染。

NO2(图2(d))与O3(图2(f))在空间分布上近乎反向。如NO2浓度大体呈现南北递减型,即中心城区监测站(96μg·m-3)和南部市区收费所(92μg·m-3)往北部逐步递减,至农科院试验农场为75μg·m-3,城市中部、南部的NO2浓度几乎为北部的1.2~1.3倍。通常空气中NO2除自然来源外,主要来自于燃料的燃烧、城市汽车尾气。NO2高值区(铁招、监测站和收费所)都分布在城市交通的主干道附近,与汽车保有量的激增有很大关联。O3浓度空间分布(图2

1110

6期

赵克明等:峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征

(f ))为南北递增型,这是因为NOx 等是产生O 3的前体物。乌鲁木齐中心城区和南郊收费所NO 排放多,白天对臭氧的产生有明显抑制作用,夜间对臭氧的消耗也很充分,因此南部收费所只有18μg ·m -3,研究区北部稍大些,也只有27μg ·m -3。依据新标准,乌鲁木齐全市NO 2污染指数为50~150,介于二级(良)~三级(轻度污染);乌鲁木齐冬季没有出现O 3污染。

2.2污染物的日变化特征

图4显示了2013年1~3月乌鲁木齐全市和6个站点及其6类污染物浓度日变化曲线,各类污染物6个站点的日变化曲线比较一致。从全市平均值来看,污染物日变化幅度最大的是O 3(55.6%),SO 2(33.8%)、PM 10(32.8%)随其后,日变幅最小的污染物是NO 2(17.2%

)。图4(a )、图4(b )表明PM 10、PM 2.5

的日变化曲线

图2乌鲁木齐2013年1月6日~3月13日期间各类污染物浓度空间分布图(a )PM 10、(b )PM 2.5、(c )SO 2、(d )NO 2、(e )CO 和(f )O 3

Fig.2Spatial distribution of six air pollutants in Urumqi from January 6to March 13in 2013

(a )PM 10,

(b )PM 2.5,(c )SO 2,(d )NO 2,(e )CO and(f )O 31111

干旱区地理37

图3乌鲁木齐2013年1月~3月13日(a )温度和相对湿度、(b )风速和风矢量日变化图Fig.3Diurnal variation of(a )temperature and relative humidity,(b )wind speed and wind vectors in

Urumqi from January 6to March 13in 2013

极其相似,都为双峰结构。凌晨8∶00时之后,PM 10、PM 2.5浓度逐步增加,到中午15∶00~16∶00时达到全天的第一个峰值,各为319μg ·m -3、213μg ·m -3;此后逐步下降,20∶00时点达到一个低谷。子夜0∶00时达到第二个峰值,这个峰值比白天要小很多。凌晨6∶00~8∶00之间出现全天另外一个低谷,PM 10最低值为214μg ·m -3(7∶00时),PM 2.5日最小值为148μg ·m -3(8∶00时)。

近30a 来,国内诸多城市都先后开展了颗粒物等日变化规律研究[20-27]。污染物这种双峰型的日变化基本特征与大气稳定度、气象条件的日变化有很大的关系。通常认为,早晨污染物浓度出现峰值与上班高峰造成车流量较大以及清晨易出现逆温现象导致扩散不利有关。中午近地面层温度高,热力对流旺盛,湍流活动逐渐增强,空气的扩散能力强,因而污染物浓度出现谷值。傍晚前后出现的峰值和下班高峰造成的车流量较大有关。此时大气对流开始减弱,大气层结趋于稳定,扩散能力变差,但是白天产生的颗粒物还累积在大气中,加之人类活动再次频繁,污染物浓度又出现一个小高峰。午夜大气的垂直输送基本停止,人类活动很少,车流量也小,污染物排放少,污染物的浓度逐渐降低[25-26]。但是,比较山地城市[20-22]和平原城市[23-27],可以看到平原城市上午污染物的峰值与早高峰人类活动的时间比较吻合,而山地城市污染物的第一个峰值却延后至中午。对于乌鲁木齐来说(图3),中午温度增加,热对流旺盛,乌鲁木齐风速在中午16∶00时左右几乎达到全天最高值,稳定度也比较低[8],而颗粒物浓度却达到全天最大值。山地城市独特的气象

条件影响了污染物第一个峰值的出现时间。这极有可能与当地复杂的局地环流有关。

乌鲁木齐全市SO 2

(图4(c ))表现为双峰型,且6站日变化曲线相对比较离散。全市SO 2浓度凌晨8∶00点以后开始缓慢增加,中午13∶00时左右出现最大值(82μg ·m -3)后,逐步减小,22∶00时再次出现一个峰值但值很小,直至凌晨7∶00时达到全天最小值(55μg ·m -3)。铁招SO 2日变化曲线为双峰型,2个峰值不仅值很大且差别甚小,各自出现在12∶00时、0∶00时,浓度分别为124μg ·m -3和125μg ·m -3;收费所SO 2浓度日变化明显为单峰型,日变幅相对最大。2012年冬季,乌鲁木齐主要先对铁招站以南的市区进行了大规模煤改气工程,铁招站所在的城北区一方面由于改造没有进行彻底,加之城乡结合部私人架设的小锅炉散煤采暖比较普遍,因此SO 2浓度值比其它5站显著偏高。SO 2主要来源是化石燃料(煤、石油和天然气)的燃烧,已有研究结果表明煤燃烧产生的SO 2要远高于其他燃料[28]。图4(c )显示只有铁招SO 2日变化曲线明显为双峰型,是否由此说明由于煤改气工程污染排放量的减少而改变了城市SO 2浓度的日变化规律呢?这需要积累更多数据进一步研究。

全市6站CO 变化几乎同步(图4(e ))(收费所站例外),单峰结构较为明显。CO 浓度最大值出现在上午11∶00时(5.9mg ·m -3),最小值则在18∶00时(4.7mg ·m -3)。CO 有较长的生命时间可以进行区域输送,然而在城市地区和小时间尺度上,局地的机动车源对CO 浓度的贡献占主导地位并决定了其基本表现特征[29]。但是乌鲁木齐CO 的日变化曲线并

1112

6期

赵克明等:峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征

没有出现如上海地区CO 浓度峰值与人们交通出行时间同步的双峰结构现象[29],说明还有其它因素影响着市区CO 浓度的变化。

NO 2以及挥发性有机物VOCs 是对流层光化学反应产生O 3的前体物,城市污染地区近地层O 3浓度变化主要受局地光化学作用控制。由图4(d )、图4(f )可见,NO 2、O 3浓度日变化有些反位相,单峰结构较明显。全市NO 2浓度从夜间2∶00时到凌晨8∶00时一直维持较低值(7∶00时最低为83μg ·m -3),8∶00时以后缓慢增加,12∶00时的峰值(88μg ·m -3)不显著,到6∶00时左右为谷值(83μg ·m -3),晚上23∶00时NO 2浓度达到最大值(103μg ·m -3)。与东部城市NOx 显著的双峰结构区别较大[29-30]。而O 3浓度也是

子夜之后到凌晨期间值很低,凌晨10∶00时出现最小值(15μg ·m -3);11∶00~14∶00时快速上升,午后16∶00时左右为最高值(34μg ·m -3),随后18∶00~22∶00时再次骤减。NO 2、O 3浓度发生这样的日变化是由于白天随着太阳辐射增强,气温逐渐升高,再加上人类活动频繁,使O 3前体物排放增加,O 3光化学反应逐步加强,产生大于消耗,O 3达到峰值,而这阶段O 3前体物NO 2浓度则相对较低;午后辐射减弱,气温也开始降低,边界层的降低积累了大量NO 2等,O 3消耗逐步占据主导地位,浓度逐渐降低;日落之后,O 3光化学过程完全停止,NO 2浓度逐步达到峰值。夜晚排放减小,NO 2浓度就一直维持低值。收费所NO 2浓度日变化和其它5站差异很大(图4(d ))

图4乌鲁木齐2013年1月6日~3月13日期间7个站点及全市平均各类污染物的日变化曲线

(a )PM 10、(b )PM 2.5、(c )SO 2、(d )NO 2、(e )CO、(f )O 3

Fig.4Diurnal variations of six kinds of air pollutants in Urumqi from January 6to March 13in 2013

(a )PM 10,(b )PM 2.5,(c )SO 2,(d )NO 2,(e )CO and(f )O 3

1113

干旱区地理37卷

白天16∶00时不仅NO 2浓度比较高,且O 3浓度也达到了全天最高值,再次说明这个站附近局地的气象条件、周边污染源可能和城市其它地区有明显不同。2.3峡口地形城市冬季空气质量综合评价2.3.1

全市和各站点污染物超标日统计表2给出

了2013年1~3月各类污染物超标日数(AQI >100)的统计结果。可见乌鲁木齐主要污染物是PM 2.5和PM 10,且PM 2.5的超标天数为55d,频率为88.7%,明显高于PM 10(42d )。同时不能忽视CO,其超标日数也达到了41d,仅比PM 10少1d。说明乌鲁木齐下一步大气污染的重点治理目标是严控PM 2.5,不能放松PM 10,同时要警惕CO。

表2还对这段时期各监测站六类污染物的超标日进行了粗略地累加,以此来衡量城市不同地区污染的严重程度。从总超标日可见,城区中心最为严重,达到208d;城市西区74中、城市南区收费所相对较轻,都是146d。

2.3.2冬季PM 2.5浓度与气象要素的关系图5显示了2013年1月6日~3月13日期间乌鲁木齐日平均PM 2.5浓度、能见度、温度和相对湿度逐日演变图。可见PM 2.5浓度与相对湿度、能见度、风速、降水呈反相关关系(图5),与逆温呈正相关,尤其与逆温差为

显著正相关(表3)。PM 2.5浓度出现高值时,新疆处于高压脊控制,且逆温较强;PM 2.5浓度下降期往往与冷空气入侵、降水和大风天气相联系。

冬季乌鲁木齐在静稳天气下经常出现低空型东南风,这种焚风性质的东南风多停滞在城市南郊,部分气流穿越城市上空,市区近地层较少探测

到[2,3,31]

。低空型东南风对乌鲁木齐边界层的结构

影响很大,显著地改变了逆温层厚度和强度[3,31]。结合同期的风廓线雷达监测数据判断低空型东南风发生与否,且统计了PM 2.5浓度在不同AQI 级别下的多种气象条件平均状况(表4)。可见,62d 中低空

表22013年1月6日~3月13日乌鲁木齐

各类污染物的超标天数

Tab.2

air polluted days of six air pollutants in Urumqi from January 6to March 13in 2013

类别PM 10PM 2.5SO 2NO 2CO O 3

总超标日

31中4255139150152

74中3450334250146

监测站4056051610208

农科院3858025580179

收费所3950043140146

铁招35481437390173

全市4255019410

157

图52013年1月6日~3月13日乌鲁木齐(a )PM 2.5和能见度、(b )温度和相对湿度逐日演变图

Fig.5Evolution of daily average value(a )PM 2.5concentration and visibility,(b )temperature and relative humidity in Urumqi from January 6to March 13in 2013

1114

6期赵克明等:峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征

表3乌鲁木齐日均值PM2.5浓度与气象要素的相关系数

Tab.3Correlation between daily average concentration of

PM2.5and some meteorological factors in Urumqi

相关系数相对湿度

~0.143

能见度

~0.176*

风速

~0.12

逆温厚度

0.164

逆温差

0.392**

逆温强度

0.116

备注:“*”表示通过了90%的信度检验,“**”表示通过了99%的信度检验

型东南风出现了47d,频率为75.8%。随着AQI级别的上升,低空型东南风的出现频率总体上逐步攀升,以至于当AQI达到五级时,低空型东南风的出现频率达到80.8%。六级AQI只有一日,低空型东南风也是伴随出现的。同时可见,逆温层的厚度、顶底温差等总体上也是随着AQI的增加而逐步增加。综合来看,说明低空型东南风对于乌鲁木齐冬季的大气污染尤其重污染天气来说是一个绝对不能忽视的天气现象。观测表明低空型东南风持续时间长度、气流的厚度、强度、最大风速及其所在高度变化多端,和大气环流及局地中小尺度系统有关[31],它如何通过影响边界层气象条件进而导致空气质量的转折和突变,将是下一步的研究重点。

表4乌鲁木齐PM2.5不同AQI级别下的气象条件统计

Tab.4Statistics of meteorological conditions under different levels of AQI corresponding to PM2.5concentration in Urumqi

AQI级别

二级三级四级五级六级合计出现日数/d

7

11

17

26

1

62

东南风日数/

频率d/%

3/42.9%

7/63.6%

10/58.8%

21/80.8%

1/100%

47/75.8%

逆温厚度

/m

445.8

809.9

584.0

668.6

853.0

637.3

温度差/℃

3.6

9.0

7.2

8.7

13.7

7.8

逆温强度

/℃·(100m)-1

1.3

1.1

1.6

1.5

1.6

1.4

无逆温日数

/d

2

3

1

6

3结论与讨论

(1)受峡口地形、污染排放源及气象条件的共同影响,乌鲁木齐冬季六类污染物的空间分布形态各有不同:PM10浓度呈城市中心-外围递增型,SO2和CO则是城市中心-外围递减型,南北递增型为PM2.5和O3,南北递减型是NO2。NO2和O3空间分布近乎相反。综合来看,乌鲁木齐冬季六类污染物污染指数级别由轻到重依次是:O3空气质量指数达到优水平,SO2为Ⅱ级良,NO2属于Ⅱ、Ⅲ级良~轻度污染之间,CO为Ⅲ级轻微污染,PM10达到Ⅳ级中度污染水平,PM2.5则为Ⅴ级重度污染水平。

(2)乌鲁木齐冬季六类污染物日变幅最大的是O3(55.6%),最小的是NO2(17.2%)。日变化分为双峰结构(PM10、PM2.5和SO2)、单峰结构(CO、NO2和O3)。乌鲁木齐中午时段13~16点是一天中污染最为严重的时段,三类污染物PM10、PM2.5和SO2浓度都达到了全天最高值;相反,凌晨7~8点左右是一天中空气质量较好的时段,六类污染物浓度都相对较低。

(3)乌鲁木齐大气环境整体形势依然比较严峻,尤其是PM2.5为首的细颗粒物污染超标率很高,达88.7%。PM2.5浓度与相对湿度、能见度、风速、降水呈反相关关系,与逆温差呈显著的正相关关系。当与PM2.5浓度对应的AQI值逐步升高时,低空型东南大风出现频率和逆温层厚度、温差等总体上也呈现增加趋势,说明低空型东南风对于峡口城市的空气质量存在重要的影响。

参考文献(References)

[1]潘守文.现代气候学原理[M].北京:气象出版社,1994.[PAN Shouwen.Modern climatic principle[M].Beijing:Meteorological

Press,1994:548.]

[2]张家宝.新疆短期天气预报指导手册[M].乌鲁木齐:新疆人民出版社,1986:341-347.[ZHANG Jiabao.The guidance handbook

of short-term weather forecasting in Xinjiang[M].Urumqi:Xinji-

ang People’s Press,1986:341-347.]

[3]LI Xia,XIA Xiangao,XIN Yu,et al.An investigation of boundary layer structure under the influence of the gap wind in Urumqi,

China,during air pollution episode in winter[J].Air&Waste

Management Association,2012,62(1):26-37.DOI∶10.1080/

10473289.2011.6176280.

1115

干旱区地理37卷

[4]吴彦,王旭,黄成荣.乌鲁木齐市区低空风特征及其对空气污染的影响[J].沙漠绿洲气象,2007,1(1):39-41.[WU Yan,

WANG Xu,HUANG Chengrong.Characteristic of low-level wind

and its influence on air pollution in Urumqi City[J].Desert and

Oasis Meteorology,2007,1(1)∶39-41.]

[5]李霞,杨静,麻军,等.乌鲁木齐重污染日的天气分型和边界层结构特征研究[J].高原气象,2012,31(5):1414-1423.[LI Xia,

YANG Jing,MA Jun,et al.Researches of weather pattern and bo-

undary layer structure characteristic on serious air pollution days

in Urumqi[J].Plateau Meteorology,2012,31(5):1414-1423.][6]赵克明,李霞,杨静.乌鲁木齐最大混合层厚度变化的环境响应[J].干旱区研究,2011,28(3):509-513.[ZHAO Keming,LI

Xia,YANG Jing.Environmental response to variation of the atmo-

spheric maximum mixing depth in Urumqi[J].Arid Zone Rese-

arch,2011,28(3):509-513.]

[7]吴占华,任国玉,徐卫丽,等.我国北方沙尘天气的气候成因分析[J].干旱区地理,2011,34(3):429-435.[WU Zhanhua,REN

Guoyu,XU Weili,et al.Climatic controls of dust storm events in

northern China[J].Arid Land Geography,2011,34(3)∶429-435.][8]杨静,李霞,李秦,等.乌鲁木齐近30a大气稳定度和混合层高度变化特征及其对空气污染的影响[J].干旱区地理,2011,28

(3):747-752.[YANG Jing,LI Xia,Li Qin,et al.Variation char-

acteristics of atmospheric stability and mixed layer thickness and

their relation to air pollution in recent30years in Urumqi[J].Arid

Land Geography,2011,28(3):747-752.]

[9]李景林,郑玉萍,刘增强.乌鲁木齐市低空温度层结与采暖期大气污染的关系[J].干旱区地理,2007,30(4):519-525.[LI

Jinglin,ZHENG Yuping,LIU Zengqiang.Relation between the low

altitude temperature stratification and the heating period atmosp-

heric pollution in Urumqi City[J].Arid Land Geography,2007,30

(4):519-525.]

[10]李东方.乌鲁木齐市环境空气中主要污染物24h变化特征[J].

干旱环境监测,2003,17(4):233-235.[LI Dongfang.The24h

change character of main pollutant ill environmental air of Urumqi

[J].Arid Environmental Monitoring,2003,17(4):233-235.][11]马丽云,曹磊,李扬,等.乌鲁木齐市不同区域PM10的监测与分析[J].干旱区地理,2010,33(2):231-235.[MA Liyun,CAO Lei,

LI Yang,et al.Monitoring and analysis of PM10at different districts

of Urumqi City[J].Arid land Geography,2011,28(3)∶231-235.][12]钱翌,巴雅尔塔.乌鲁木齐市大气污染物时空分布特制研究[J].新疆农业大学学报,2004,27(4):51-55.[QIAN Yi,BA Ya-

erta.Study on temporal and spatial distribution character of air po-

llutant in Urumqi[J].Journal of Xinjiang Agricultural University,

2004,27(4):51-55.]

[13]魏毅,孟亮,李朝阳.2004-2010年乌鲁木齐市可吸入颗粒物污染特征[J].气象与环境学报,2012,28(1):82-85.[WEI Yi,

MENG Liang,LI Chaoyang.Pollution characteristics of inhalable

particles from2004to2010in Urumqi[J].Journal of Meteorology

and Environment,2012,28(1):82-85.]

[14]李新琪,海热提·涂尔逊.乌鲁木齐市大气环境容载力及污染防治对策研究[J].干旱区资源与环境,2001,15(3):17-24.

[LI Xinqi,HAI Reti.Studies on the air environmental bering ca-

pacities and the countermeasures of air pollution prevention and

control in Urumqi[J].Journal of Arid Land Resources and Envi-

ronment,2001,15(3):17-24.]

[15]The urban air pollution database,by country and city(corrected version)[EB/OL].http∶//www.who.int/phe/health_topics/outdo-

orair/databases/en/index.html.

[16]王晓雯,王锋,刘鹏,等.乌鲁木齐市儿科7年住院病例分析[J].

实用临床医学,2005,6(5):115-117.[WANG Xiaowen,WANG

Feng,LIU Peng,et al.Analysis of pediatrics inpatient during seven

years in Urumqi Department of Pediatrics Peoples Hospital of Xin-

jiang Autonomous Region[J].Practical Clinical Medicine,2005,6

(5):115-117.]

[17]李明霞,郭艳芳,朱艳萍.乌鲁木齐市维、汉族孕妇及新生儿脐血铅与环境因素的关系[J].新疆医科大学学报,2002,25(4):

394-396.[LI Mingxia,GUO Yanfang,ZHU Yanping.Uygur and

Han nationality maternal and neonatal cord blood lead relation-

ship with environmental factors in Urumqi[J].Journal of Xinjiang

Medical University,2002,25(4):394-396.]

[18]中华人民共和国环境保护部.环境质量空气标准(GB3095-2012)[S].北京:中国环境科学出版社出版,2012.[Ministry of

Environmental Protection.Ambient air quality standards(GB30-

952012)[S].Beijing:China Environmental Science Press,2012.][19]国家环境保护总局.环境空气质量自动监测技术规范(HJ/ T193-2005)[S].北京:中国环境科学出版社出版,2006.[The

State Environmental Protection Administration.Ambient air quali-

ty monitoring technical specifications(HJ/T193-2005)[S].Bei-

jing:China Environmental Science Press,2006.]

[20]周国兵,王式功.重庆市主城区空气污染天气特征研究[J].长江流域资源于环境,2010,19(11):1349-1345.[ZHOU Guobing,

WANG Shigong.Research on weather characteristics of air pollu-

tion in chongqing[J].Resources and Environment in the Yangtze

Basin,2010,19(11):1349-1345.]

[21]王式功,杨德保,陈长和.兰州市不同季节大气污染物时空变化规律的对比分析[J].兰州大学学报:自然科学版,1994,30

(3):150-155.[WANG Shigong,YANG Debao,CHEN Changhe.

An analysis and comparison on time-space changing regularity of

air pollutant CO n centration in different season in Lanzhou[J].Jo-

urnal of Lanzhou University(Natural Sciences),1994,30(3):

150-155.]

1116

6期赵克明等:峡口城市乌鲁木齐冬季大气污染的时空分布特征

[22]田裘学,周伶芝,王瑞,等.兰州市空气污染物的变化规律与特征[J].中国环境监测,2001,17(特刊):14-18.[TIAN Qiuxue,

ZHOU Lingzhi,WANG Rui,et al.The law and the characteristic

of changes of air pollutants in Lanzhou[J].Environmental Moni-

toring in China,2001,17(Special issue):14-18.]

[23]穆珍珍,赵景波,徐娜,等.西安市雁塔区冬季可吸入颗粒物时空变化研究[J].环境科学学报,2011,31(7):1509-1516.[MU

Zhenzhen,ZHAO Jingbo,XU Na,et al.Vertical and temporal

variation of PM10in Yanta District,Xi’an during winter[J].Acta

Scientiae Circumstantiae,2011,31(7)∶1509-1516.]

[24]孙玫玲,穆怀斌,吴丹朱,等.天津城区秋季PM2.5质量浓度垂直分布特征研究[J].气象,2008,34(10):60-66.[SUN Meiling,

MU Huaibin,WU Danzhu,et al.Vertical distribution characteris-

tics of PM2.5mass concentration in the atmosphere over Tianjin

[J].Meteorological Monthly,2008,34(10):60-66.]

[25]王京丽,谢庄,张远航,等.北京市大气细粒子的质量浓度特征研究[J].气象学报,2004,62(1):104-111.[WANG Jingli,XIE

Zhuang,ZHANG Yuanhang,et al.Study on the characteristics of

mass concentration of atmospheric fine particles in Beijing[J].

Journal of Meteorology,2004,62(1):104-111.]

[26]王淑英,张小玲.北京地区PM10污染的气象特征[J].应用气象学报,2002,13(特刊):177-184.[WANG Shuying,ZHANG Xiao-

ling.Meteorological features of PM10pollution in Beijing[J].Jour-

nal of Applied Meteorological Science,2002,13(Special issue):

177-184.]

[27]张海霞,董占强,杨玲珠,等.邯郸市可吸入颗粒物的污染现状及相关气象条件分析[J].气象与环境科学,2009,32(增刊):

134-137.[ZHANG Haixia,DONG Zhanqiang,YANG Lingzhu,et

al.Pollution status of inhalation particles and relative meteorologi-

cal conditions in Handan[J].Meteorological and Environmental

Sciences,2009,32(Supplement):134-137.]

[28]北京市环境保护局.1997-2006年北京市环境状况公报[EB/ OL].2006.[Beijing Municipal Environmental Protection Bureau.

1997-2006State of the Environment in Beijing[EB/OL].2006.][29]冉靓.上海地区与天津地区地面臭氧光化学研究[D].北京:北京大学物理学院,2012.[RAN Liang.Ozone photochemical for-

mation in Shanghai and Tianjin,China[D].Beijing:Peking Uni-

versity,2012.]

[30]安俊琳,王跃思,李昕,等.北京大气O3与NOx的变化特征[J].

生态环境,2008,l7(4):1420-1424.[AN Junlin,WANG Yaosi,

LI Xin,et al.Characteristics of atmospheric O3and NOx concen-

trations in the urban area[J].Ecology and Environment,2008,l7

(4):1420-1424.]

[31]李霞.峡口城市乌鲁木齐冬季重污染的机理研究[D].北京:中国科学院大学,2013.[LI Xia.The research on formation mecha-

nism of the severe air pollution in gap town Urumqi in winter[D].

Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2013.]

Wintertime temporal-spatial distribution characteristics of

air pollutants in mountain gap town Urumqi

ZHAO Ke?ming1,2,LI Xia1,LU Xin?yu2,WANG Lei3,REN Quan3,FENG Zhi?min4,MA Chao2(1Institute of Desert and Meteorology,Urumqi,China Meteorological Administration,Urumqi830002,Xinjiang,China;

2Xinjiang Meteorological Observatory,Urumqi830002,Xinjiang,China;3Urumqi Meteorological Bureau,Urumqi830002,Xinjiang,China;

4Xinjiang Climatic Center,Urumqi830002,Xinjiang,China)

Abstract:The mountain gap town Urumqi is one of the most heavily air-polluted cities in the world over14years due to climatic background related to surrounding complex terrain.The previous characteristics researches of air pol-lution were almost based on data from three environmental monitoring stations.At the beginning of January1st,2013,the number of monitoring stations increased in urban area while the air pollutants such as PM2.5,O3and CO be-gan to list on daily operation besides the previous pollutants(PM10,SO2and NO2).It is should be noted that large-scale coal-gas heating engineering came into effect in urban area since last October,which implied that the amount of air pollution emission could remarkably go down as well as urban air quality could improve to a certain de-gree during the last winter.In order to better understand the general public concern,the tempo-spatial distribution disciplines of air pollutants were analyzed in the light of hourly pollutants data including PM10,SO2,NO2,PM2.5,CO and O3in combination with homochronous meteorological data during January6-March13,2013.The results show that the models of pollutants’spatial distribution can be broken down into two types,namely urban center-suburb

1117

干旱区地理37卷

model and south-north model.The concentration of PM 10increases from suburb to urban center but the ones of SO 2and CO decrease from suburb to center.The concentrations of PM 2.5and O 3go up from the south to the north area while NO 2exhibits the inverse model.Judging by the new Ambient Air Quality Standard(GB3095-2012),the air quality indices of six air pollutants(O 3,SO 2,NO 2,CO,PM 10and PM 2.5)ranking from low to high are Ⅰ,Ⅱ,Ⅱ-Ⅲ,Ⅲ,Ⅳand Ⅴ,respectively.The diurnal variations shapes of air pollutants display two classes including the dou-ble-peak structure(PM 10、PM 2.5and SO 2)and the single-peak structure(NO 2、CO and O 3).The air qualities during two periods of 13∶00-16∶00and 7∶00-8∶00are the poorest and the best all day,respectively.It is notewor-thy that the over standard rate caused by PM 2.5is relatively high with value of 88.7%.There are positive relationships between the concentration of PM 2.5and relative humidity,visibility,wind speeds and rainfall,as well as significant inverse relationship between the frequency and the inverse temperature difference.In addition,the occurrence fre-quency of the elevated southeasterly gale,inversion depth and the temperature difference between top and bottom of inversion all tend to increase with the AQI rising corresponding to PM 2.5concentration,which indicate that the ele-vated southeasterly gale has great impacts on the local air quality.

Key Words:mountain gap town;Urumqi;air pollutants;temporal-spatial variation features;the elevated

southeasterly gale

首届西部青年地学论坛在兰州召开

2014年10月31至11月2日,首届西部青年地学论坛暨2014年中国科学院寒区旱区环境与工程研究所“丝路文明与寒旱区科学”学术论坛在兰州召开。本次论坛由中国科学院西部研究所的青年创新促进会会员共同发起,来自中科院新疆生态与地理研究所、寒区旱区环境与工程研究所、

地球环境研究所、成都山地灾害与环境研究所、水利部水土保持研究所、院青海盐湖研究所、兰州文献情报中心以及兰州大学、西北师范大学等单位的100余位青年科研人员参加。

新疆生地所马龙博士、凌红波博士和李凯辉博士分别做了题为“天山地区湖泊沉积记录的百年来环境演变信息”、“基于水资源变化的干旱区典型流域绿洲适宜规模研究”和“新疆天山高寒草原生态系统对大气氮沉降的响应”的学术报告,并与参会的青年科研人员展开了充分的交流和讨论。

为加深西部科研院所(高校)的年青人对新疆的认识,促进新疆生地所与西部地区青年科研人员的交流和学习,李凯辉同与会人员还详细介绍了新疆生地所的发展历程、近期取得的重要成果和未来发展的战略重点。并生动描述了大美新疆的人文、地理和风景。经论坛组织委员会一致表决,第二届西部青年地学论坛由新疆生地所青年创新促进会承办,将于2015年9月在乌鲁木齐召开,李凯辉博士担任第二届西部青年地学论坛的执行理事长,马龙博士担任理事。

1118

相关文档
最新文档