新疆地区大气环境容量系数的气候特征及其在空气质量变化中的作用

　　摘要：新疆在我国属于冬半年大气环境容量系数(A值)显著偏低的区域.研究了1975—2019年新疆大气环境容量系数的时空变化特征.新疆的低A值区主要分布在塔里木盆地北部和新疆东部;研究期间新疆的大气环境容量系数在随机波动中整体呈下降趋势，这与新疆平均风速的变化较为一致，主要是由气候变化引起.新疆A值的季节差异大，春夏高、秋冬低;A值的冬季均值远小于年均值，说明新疆冬季的大气自净能力很弱.新疆4个地级市的月均A值与PM2.5浓度具有显著的负相关，A值能够较好地反映当地空气污染的气象条件特征.南疆城市则由于沙尘天气的影响，大气颗粒物浓度很高，但A值与PM2.5浓度的相关性较差.还基于A值，利用城市大气环境荷载指数对新疆4个地级市的大气污染排放变率进行了评估.

　　关键词：大气环境容量系数;空气质量变化特征;排放变率;新疆地区

　　1引言(Introduction)

　　大气污染程度取决于污染物排放量与大气环境容量之间的平衡.大气环境容量一直是我国制定大气环境管控措施和空气质量管理的重要依据(柴发合等，2006;田其云等，2014;许艳玲等，2018).近年来全国各地发生的一些大气污染事件说明了大气环境容量的变化正在影响着人体健康和区域经济的发展模式，研究大气环境容量的变化趋势对有效控制大气污染排放、促进区域大气环境的改善是非常重要的(Yangetal.，2016;Zhouetal.，2017;Lietal.，2017;饶清华等，2018;Zhouetal.，2020).大气环境容量核算的常见方法有A值法、线性优化法、数值模型模拟等(钱跃东等，2011;Wangetal.，2012;Zhangetal.，2014;薛文博等，2014;许艳玲等，2018;李敏辉等，2018;鲁洋等，2019;张稼轩等，2020)，其中A值法确定大气环境容量的重要环境参数A就是大气环境容量系数(中国国家标准GB/T3840⁃91).

　　大气环境容量系数A是气象站常规观测要素的显函数，可由气象站观测资料计算获得，同时A值也是大气污染物在物理和化学清除过程中的浓度的物理衰减指数(徐大海等，2016;2019)，可以作为表征大气污染物稀释或累积气象条件的指标.大气环境容量系数像其他气象要素一样是随机变动的(徐大海等，2013)，其大小会因气候变化、气象条件等因素影响而动态变化，对多年大气环境容量系数的分析有助于大气污染物浓度变化成因分析.

　　相对全国而言，新疆属于年均A值偏低的区域，在污染高发的秋冬季节更是A值显著偏低(徐大海等，2018).近年来，新疆各城市的空气质量问题也越发严峻，一些城市成为PM2.5重污染区域(李沈鑫等，2017;姜磊等，2018;王跃思等，2020).因此，本文从近几十年来新疆大气环境容量系数的变化特征入手定量分析气候变化和近年来新疆典型城市排放率变化对新疆城市大气环境质量的影响.

　　2资料与方法(Dataandmethods)

　　2.1A值计算方法和所用气象资料

　　大气环境容量系数A，也是国家标准GB/T34299—2017《大气自净能力等级》中定义的大气自净能力指数，还是中国气象局国家气候中心预测大气污染潜势指数中的重要参变量(朱蓉等，2018).A值的具体计算方法可参考文献(徐大海等，2016)或国标GB/T34299—2017.在计算A值时，考虑到所需观测资料的一致性和完备性，经过筛选使用了新疆29个气象站1975—2019年逐时记录中可用的数据，计算得到各站小时、日、年平均的A值.2.2大气颗粒物监测资料本文所用的PM2.5和PM10的质量浓度监测资料来自中国环境监测总站网上公开的实时监测数据，是对原始数据进行处理后得到的月平均数据.

　　由于新疆各城市对PM2.5和PM10的同期监测起始时间不一，本文所用的8个城市的大气颗粒物(PM2.5和PM10)监测数据的时段如下：乌鲁木齐为2013.2—2019.12，克拉玛依和库尔勒为2014.1—2019.12，哈密、吐鲁番、和田、阿克苏、喀什则均为2015.1—2019.12.3新疆大气环境容量系数的变化特征(VariationcharacteristicsofatmosphericenvironmentalcapacitycoefficientinXinjiang)

　　3.1新疆大气环境容量系数的年际变化特征

　　21975—2019年新疆大气环境容量系数的年际变化Fig.2AnnualvariationofAvaluesinXinjiangfrom1975to2019各站数据经过面积加权平均可得到1975—2019年新疆的年均大气环境容量系数.这45年来新疆的大气环境容量系数在随机波动中整体呈下降趋势，虽然近几年新疆的大气环境容量系数出现大幅回升，但在2019年又明显回落.新疆大气环境容量系数的变化与新疆平均风速的变化是比较一致的.

　　这是因为新疆大气自净能力中通风作用大于雨洗作用，在城市尺度A值主要取决于城市通风量的大小(徐大海等，2013;徐大海等，2018)，也就是取决于平均风速.本文所用29站的年平均风速在1975—2019年间是在波动中整体呈下降趋势;且有研究指出自20世纪六七十年代以来新疆地区年平均风速呈显著的下降趋势，大气环流变化和全球气候变暖是影响新疆风速变化的主要原因(何毅等，2015;贾诗超等，2019).1975—2019年新疆的年均A值在5.80～9.22之间变化，较国家标准GB/T3840⁃91的规定值7.00～8.40(按1991年以前的数据)的范围略宽.

　　新疆的年均A值在1992年出现一个明显的低值(A=6.23)后，在2005年降到了这45年的最低值5.80;2005—2013年是新疆年均A值的一个低值区，这9年的A值都在6上下波动;虽然在2014—2018年新疆的A值大幅回升到8以上，但2019年新疆的A值又降到6.79.新疆冬季平均A值在3.08～5.59之间变化，虽与年均A值的变化趋势相同，但其大小及变化幅度远低于年均A值.

　　新疆年均A值与冬季均值的差值在20世纪80年代初曾经高达4以上，从1987年开始这个差值有缩小的趋势，但2014—2018年这一差值又迅速拉开.新疆冬季平均A值的年际变化较小，新疆年均A值从2018年的9.06降到2019年的6.79时，降幅达25%;而冬季均值仅从4.85降到4.28，降幅仅11.7%.徐大海等(2018)的研究指出我国大部分地区的A值分布在2～10之间，全国气候平均A值为6.8;在污染高发的秋冬季节全国气候平均A值为5.4.新疆1975—2019年的平均A值为7.2，高于全国气候平均A值;但冬季平均A值仅4.1，低于污染高发季的全国气候平均A值.可见新疆大气自净能力的季节差异大，而且新疆冬季的大气自净能力弱.

　　3.2新疆大气环境容量系数的季节变化特征

　　新疆四季的大气环境容量系数均在起伏中整体呈下降趋势，虽然2014—2018年四季A值均有大幅回升，但2019年A值又明显回落到与2005—2013年相近的水平.新疆A值的季节变化大，春夏高、秋冬低;春季A值最高，冬季A值最低，且春季A值是冬季的两倍以上.

　　这45年来，新疆春夏季节的A值高，降幅大;春夏季节的A值最高时都超过12，20世纪80年代末新疆春夏季节的A值首次降到10以下，此后也大多保持在8以上，可见春夏季节新疆的大气自净能力很强.新疆秋冬季节A值低，秋季A值大都在8以下，冬季A值都在6以下.秋冬季节A值降幅虽然比春夏季节小，但秋季A值从20世纪80年代末就降到了6以下;冬季A值则从20世纪80年代中期就降到了4左右，且在2005年出现了这45年间的最低冬季A值(3.08).

　　这说明新疆秋冬季节的大气自净能力较弱，大气污染扩散条件较差.新疆冬季A值是四季中最低的，年变化幅度也最小，但2005年之后新疆冬季A值呈缓慢上升趋势.虽然2019年新疆四季A值都有明显下降，但冬季A值降幅最小，且仍高于1995—2013年的冬季A值.

　　说明近年来新疆冬季大气自净能力在逐渐增强，这也主要是由气候变化引起的新疆冬季平均风速变化所致(何毅等，2015;韩柳等，2018).何毅等(2015)研究指出1991—2013年，北疆的平均风速下降幅度剧烈减小，其中冬季平均风速的减小最低，而南疆风速则转降为升，近年来西风环流的加强可能对1990年以来南疆风速增加有重要贡献.

　　3.3新疆大气环境容量系数的空间分布特征

　　新疆1975—2019年平均的四季A值空间分布，可见新疆的低A值区主要在塔里木盆地北部和新疆东部地区;新疆的大气自净能力季节差异大：春夏季节大部分区域A值都很高，仅个别地区A值低于4，大气自净能力强;到了秋季则大部分地区的A值都在7以下，冬季则是大部分地区的A值都在4以下了，大气自净能力弱，易发生污染天气.新疆A值的空间分布有很明显的年代际变化.20世纪80年代新疆北部和东南部的A值都很高，其他大部分地区的A值虽然在8以下，但仅有塔里木盆地和新疆东部个别地区的A值低于4.

　　九十年代相比八十年代变化不大，但是在新疆东部与甘肃省相接处出现了一片低A值区，而且新疆东南部的高A值区面积明显收缩.21世纪初10年新疆平均A值的分布出现较明显变化：新疆西南部地区的A值升高到8以上;塔里木盆地A值小于4的面积却持续扩张;新疆东部大部分区域的A值降到了4以下，且新疆中东部的低A值区与新疆甘肃相接处的低A值区连成了一片，其A值降到3以下.最近十年新疆平均A值的分布变化更加显著：新疆南部和中部地区的A值大幅回升到8以上;塔里木盆地的低A值区收缩到西北一带;新疆东部地区的A值也大都回到4以上.

　　可以看出，近40年塔里木盆地和新疆东部与甘肃相接地区的大气自净能力是越来越弱的，21世纪初10年是这两个区域A值最低的时期.这种变化虽然主要是由于气候变化引起，但城市化的影响也不能忽视，高层建筑的兴起大大改变了城市的下垫面，使得城市风速减弱更显著(江滢等，2007;王毅荣等，2007;道然·加帕依等，2008;赵宗慈等，2016).

　　4新疆典型城市大气环境容量系数的变化

　　(ChangesofatmosphericenvironmentalcapacitycoefficientoftypicalcitiesinXinjiang)近40年是我国经济高速发展、城市不断扩张的阶段，经济和人口的密集，势必对大气环境造成影响.

　　新疆有乌鲁木齐、克拉玛依、哈密和吐鲁番4个地级市：乌鲁木齐和克拉玛依为北疆城市，气候相对湿润;吐鲁番、哈密为东疆城市，气候相对干燥，受沙尘影响较明显.库尔勒、阿克苏、喀什、和田4个南疆城市位于沙尘暴高发区塔克拉玛干沙漠边缘(王旭等，2003;程红霞等，2014)，沙尘天气对南疆城市的空气质量影响极大.对这些新疆典型城市A值长期变化的分析有助于了解新疆各地城市的大气污染扩散条件的变化.

　　1975—2019年新疆4个地级市的年均A值的变化曲线，乌鲁木齐和克拉玛依的A值是高于哈密和吐鲁番的.但乌鲁木齐的A值在20世纪80年代初就降到8以下，虽在2000—2002年间A值又短暂突增到12以上，但之后又降到8以下.克拉玛依的年均A值是4个地级市中最高的，在20世纪90年代之前呈现阶梯状的下降趋势，1991年A值低至7.58;之后克拉玛依的A值变化波动较大.相比乌鲁木齐和克拉玛依，哈密的A值是比较低的.

　　1998年之前哈密的年均A值呈持续下降状态，1998年达最低值2.92，此后哈密的年均A值则呈现缓慢回升的态势.由于吐鲁番气象站在2016年迁站，故吐鲁番的A值具有长期连续可比性的时段为1975—2015年.吐鲁番是新疆4个地级市中A值最低的，其年均A值的长期变化趋势与哈密比较一致，其A值也是在1998年到达最低值(1.39)，之后开始回升.

　　5新疆典型城市

　　A值与大气污染的关系(RelationshipbetweenAvalueandairpollutionoftypicalcitiesinXinjiang)大气环境容量与大气污染物排放量决定了城市大气污染的程度.

　　近年来新疆各地的空气质量问题越发严峻.李沈鑫等(2017)指出乌鲁木齐城市群和喀什等地严重污染天数相对较多，喀什和吐鲁番地区成为新的PM2.5重污染区域.姜磊等(2018)的研究显示新疆西部是空气污染的主要聚集区.王跃思等(2020)在对2013—2017年中国重点区域颗粒物质量浓度和化学成分变化趋势的分析中也指出新疆乌昌地区成为大气PM2.5重污染区域.对新疆典型城市A值与大气颗粒物浓度之间关系的分析有助于了解大气环境容量系数在新疆各地城市空气质量变化中的作用.

　　6结论(Conclusions)

　　1)在1975—2019这45年间新疆的大气环境容量系数在随机波动中整体呈下降趋势，虽然近几年新疆的年均A值大幅回升，但在2019年又明显回落.新疆大气环境容量系数的这一变化特征与新疆平均风速的变化较为一致，主要是由气候变化引起的.

　　2)新疆的大气自净能力季节差异大，其A值的季节变化很大，春夏高、秋冬低.新疆冬季平均A值远低于年均A值;其变化趋势与年均值相同，但冬季均值的变化幅度远小于年均A值;冬季新疆的大气自净能力很弱.塔里木盆地北部和新疆东部是新疆的低A值区.新疆A值的空间分布具有明显的年代际变化特征.

　　3)新疆4个地级市的PM2.5/PM10比值偏高，乌鲁木齐和吐鲁番的大气颗粒物浓度也较高.乌鲁木齐1—3月和11—12月PM2.5/PM10的比值都大于0.6，冬季PM2.5污染严重，二次污染特征明显.南疆城市由于受到沙尘天气影响，大气颗粒物质量浓度普遍很高，且春季常会出现极高的PM10浓度，但南疆城市PM2.5在PM10中的占比低.

　　4)4个地级市的A值能够较好地反映空气污染的气象条件特征.但4个南疆城市空气质量受到强风沙尘天气的高PM2.5浓度严重影响，A值与PM2.5浓度的相关性较差，A值法在这些地方不适用.本文还基于A值对新疆4个地级市大气污染排放变率进行了评估，从数据整体看来新疆这些城市已经采取有效减排措施，但尚需稳定地加大力度.

　　参考文献(References)：

　　柴发合，陈义珍，文毅，等.2006.区域大气污染物总量控制技术与示范研究[J].

　　环境科学研究，19(4)：163⁃171陈洪武，王旭，马禹.2003.大风对新疆沙尘暴的影响[J].

　　北京大学学报(自然科学版)，39(2)：187⁃193程红霞，胡列群，林粤江.2014.近50a新疆沙尘暴冷热点的时空分布特征[J].

　　干旱区资源与环境，28(7)：100⁃104道然·加帕依，车罡.2008.新疆东部地区风速的年代际变化及其成因[J].

　　干旱气象，26(3)：14⁃21谷超.2017.新疆环境空气中PM2.5/PM10比值特征分析[J].干旱环境监测，31(2)：77⁃74

　　作者：王郁∗，徐大海，孙俊英