2016—2020年乌海空气污染特征及其气象条件分析

白 鑫，刘婉清，马文迪，刘昕悦，赵旭春

（乌海市气象局，内蒙古 乌海 016000）

近年来，空气污染问题受到公众普遍关注。党的十九大将污染防治作为3大攻坚战之一，实施大气污染防治行动，打赢蓝天保卫战。乌海市把大气污染防治作为环境治理的重点，直面问题、铁腕整治，推进全市环境空气质量持续改善。

气象条件与污染物含量密切相关，一段时间内在排放源相对固定的情况下，气象条件的改变可以使污染物含量增加或减少，因此了解污染物分布特征及其与气象条件的关系对于污染治理意义重大。

1 区域概况

乌海是重要的化工基地。乌海及周边地区分布着众多工业园区（乌海经济技术开发区所属海勃湾工业园区、乌达工业园区、海南工业园区及低碳产业园区，鄂托克经济开发区所属棋盘井工业园区、蒙西高新技术工业园区及阿拉善高新技术产业开发区），且与宁夏石嘴山经济技术开发区毗邻。

乌海东部、中部和西部分布着桌子山、甘德尔山和五虎山，山脉成南北走向排列。地势东西两边高、中间低。地处3大沙漠交汇处，自然环境、生态环境脆弱。属于温带大陆性气候，春季干旱少雨，夏季炎热高温，降水量少，蒸发量大。主导风向为东南风。

企业集群式的分布，脆弱的生态环境和干旱少雨风大的气候条件，致使乌海地区结构性污染突出、交叉污染严重。

2 研究现状

很多学者在空气污染物分布特征、气象因子相关性分析及污染来源方面进行过大量的研究。祝禄祺等[1-3]利用后向轨迹模式和气象再分析资料，对各个季节抵达天祝县的后向气流轨迹进行聚类，结合大气污染物数据，分析影响天祝县空气质量的污染来源。结果得出不同来源气团影响下的污染物含量有较大差异，河谷地形内的工业园区无组织的面源排放通过气流输送影响县城的空气质量。祁栋林[4-6]等利用西宁市城市空气质量日报资料，结合气象资料对空气质量变化特征和影响因素进行分析得到西宁市空气质量季节变化特征，气象要素对大气污染物有制约关系，沙尘日数、降水量、相对湿度和气温是起主要作用的气象因子。王郭臣等[7-8]结合HYSPLIT模型，利用后向轨迹聚类、PSCF和CWT方法研究了北京市冬季地面和高空方向上气流轨迹对PM2.5含量的影响。李杏茹[9-10]结合HYSPLIT模型，利用后向轨迹聚类，分析得出，城市PM10及PM2.5受到大陆气溶胶影响大，陆地为潜在区域。

学者对空气质量的变化空间特征及来源情况分析多集中在京津冀等地区，对乌海的污染物变化特征和污染传输路径的分析较少。

3 数据与方法

3.1 数据来源

PM2.5、PM10、SO2、CO和NO2污染物含量资料来源于乌海市生态环境局3个国控空气质量监测点（聚英学校、林业局和中海勃湾学校），温度、气压、降水量和相对湿度等基本气象要素来自乌海国家一般站。后向轨迹模式采用的是NCEP的全球资料同化系统（GDAS）数据。

3.2 方法

利用2016—2020年监测的乌海市3个国控空气质量监测点主要污染物小时含量的数据，结合GB 3095—2012《环境空气质量标准》，分析了乌海市大气污染时间变化特点、首要污染物含量空间分布特征；利用后向轨迹模式对气流轨迹来向进行聚类，识别对乌海影响较大的污染输送路径。利用SPSS对各污染物之间、污染物与气象要素之间的相关性进行分析。

4 结果与讨论

4.1 空气质量占比分析

通过乌海市生态环境局发布的《乌海市环境质量状况公报》，对空气质量各级天数进行统计，如图1所示，统计得出2016—2020年5年间乌海空气质量以良为主，天数达到1 230 d，占比67.32%，轻度污染天数352 d，占比19.27%，中度到重度污染天数占比4.43%。

图1 2016—2020年乌海市环境空气质量各级天数占比

4.2 污染物月变化特征

2016—2020年间各污染物月平均含量大致呈“正U型”分布，如图2所示，呈现夏季污染物含量低，冬、春季污染物含量高的规律，因冬季北方地区为取暖期及冬季大气层结较稳定污染物不易扩散，使空气质量变差，PM10在春季有个极大值，由于春季沙尘影响。

图2 空气污染月变化特征

4.3 污染物年际变化特征

乌海市2016—2020年空气污染物年际变化如图3所示，各污染物含量均呈逐年下降趋势，首要污染物主要为PM10。空气质量指数（AQI）近5年的下降趋势明显；NO2含量下降趋势不明显。

图3 空气污染年际变化特征

4.4 首要污染物PM10空间分布特征

利用arcgis反距离权重法，将5年首要污染物（PM10）含量进行平均做海勃湾区空间含量分布图，如图4所示得到PM10存在明显的东部高西部低的现象，高含

图4 海勃湾区PM10平均含量空间分布

量主要分布在市区东部地区（聚英学校附近）；相较于2016年（145 μg/m3），高值区含量已大幅下降（103 μg/m3）。

4.5 污染物区域输送分析

后向轨迹模型是用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型，目前已被广泛应用于各类污染物在某个地区的传输和扩散的研究中。

选取污染较严重的冬季，以39.67°N，106.82°E为模拟起点，高度选500 m，对在此期间到达乌海的后向气团轨迹进行聚类分析，如图5所示对污染事件的潜在源区进行分析从而探讨污染物跨区域传输特征。轨迹长说明气团移动迅速，轨迹短说明气团移动缓慢。

图5 乌海2016—2020年冬季轨迹聚类结果

2016年冬季，第1类气流占比36%，流经区域最广，轨迹长移动速度快，不是污染物主要传输来源路径；第2类轨迹占比达41%，轨迹较短，移动速度慢，高度在500 m附近，水平跨度较小，易造成污染物聚集和短距离输送，是对乌海污染影响最大的方向路径；第3类轨迹占比16%，高度集中在500 m附近，气流弯折，轨迹较短，是污染输送的主要路径。

2017年冬季，第3类气流从蒙古西北部出发经内蒙古境内抵达乌海，垂直方向高度在1 000～1 500 m，气流输送稳定，轨迹长，移动速度快，不是污染物主要传输来源路径；第2，4类轨迹，占比为33%，轨迹水平跨度大，移动速度较快，对乌海污染的贡献率较小。第1类轨迹高度主要集中在500 m以下，轨迹短，气流传输出现几次弯折，说明气流移动缓慢，易携带污染物到乌海附近汇集，是造成污染重要方向路径。

2018年冬季，第2类轨迹来自东南方向，高度在500 m以下，气团水平运动速度慢，风速稳定，携带污染物到乌海附近区域汇集，是造成污染重要方向路径。

2019年冬季，第2—4类气流，由于高度基本在1 000～1 500 m，轨迹长，移动速度快，不是造成污染的主要路径；来自东南方向的第1类气团垂直方向高度在500 m以下，占比24%，气流稳定且移动缓慢，有明显的轨迹偏移，易携带污染物到乌海附近汇集，是造成污染的主要方向路径。

2020年冬季第2、4类气流占比较大，移动速度快，对污染传输影响小，主要影响污染传输的路径是第1类偏南方向气流，气流移动缓慢，存在多处弯折，易造成污染的输送及聚集。

2016—2020年冬日受西伯利亚高压影响，存在一条基本为西北方向气流轨迹从蒙古国进入内蒙古到乌海；在偏西方向上的气流高度基本在1 000～1 500 m，流经地区轨迹长，移动速度快，不是造成冬季污染的主要路径；对污染贡献大的路径是偏南及偏东南方向的周边气流，高度在500 m左右，轨迹短移动缓慢，移动过程中存在多处弯折，污染不易扩散，易造成污染物含量升高，空气质量变差。

4.6 污染物与气象因子相关性分析

由表1可知，气压与污染物含量呈正相关，平均气压高，水汽不易凝结，加之地形影响，导致空气质量变差；气温与各污染物含量呈正相关，气温较高时，气流垂直运动频繁，污染物易扩散，污染物含量较低；相对湿度与降水量与污染物含量呈负相关，适当的降水对污染物具有清洗和冲刷作用；风速与NO2含量呈负相关，与其他污染含量呈正相关，风速大，污染物含量高，强风将地面沙尘吹起，加大了空气里颗粒物的污染含量。

表1 污染物与气象要素的相关性

5 结论

（1）乌海2016—2020年间各污染物月平均含量大致呈夏季污染物含量低，冬、春季污染物含量高的“正U型”分布变化规律。

（2）空气污染物含量呈逐年下降趋势，首要污染物PM10含量空间分布规律相似，高含量主要分布在市区东部地区。

（3）通过聚类分析，受西伯利亚高压影响，稳定存在一条西北或偏西方向气流到乌海，对污染贡献较多的是来自500 m高度下的周边东南及南边的气流。

（4）气压、气温与污染物含量之间呈正相关，相对湿度与降水量与污染物含量呈负相关，风速与NO2含量呈负相关，与PM10、SO2、PM2.5、CO含量呈正相关。