1. 引言
近年来，随着我国经济的快速发展，人们的生产、生活活动的不断加大，城市大气污染问题愈加凸显，不仅体现在大气污染造成城市空气质量不断恶化，而且大气污染也严重影响着人体的健康。因此，城市大气环境的防治也越来越引起社会各个阶层的广泛关注 [1] 。不同城市因其地理位置、气候特征、经济规模、工业布局、人口数量等情况差别较大，造成了不同城市大气环境中颗粒物的特征污染物存在较大差异 [2] [3] [4] 。因此，研究不同城市环境空气中气载颗粒物的污染特性，分析其与其他污染物、气象参数之间的关系，对提出针对性的污染防治措施、提升环境空气质量具有十分重要的意义 [5] [6] [7] 。
阿拉尔市正趋向于城市化和工业化，在经济快速发展的同时，城市空气质量状况并不乐观，同时对该城市的大气颗粒物污染特征研究尚不充分。基于此，本文以阿拉尔市2021年度城市环境空气质量自动监测站的监测数据为研究对象，系统性地分析阿拉尔市大气颗粒物PM10和PM2.5浓度的月、季度和全年的变化特征，探究其与其他污染物(NO2、SO2、CO、O3)、气象参数之间的关联性分析，以期为该市大气颗粒物污染防治决策提供技术参考。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况
阿拉尔市，位于新疆阿克苏地区境内，北起天山南麓山地，南至塔克拉玛干沙漠北缘，地理位置介于东经80˚30'至81˚58'，北纬40˚22'至40˚57'之间，属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候。极端最高气温35℃，极端最低气温−28℃。雨量稀少，冬季少雪，光照时间长，年均降水量为40.1~82.5毫米，年均蒸发量1876.6~2558.9毫米 [8] [9] 。2019年，阿拉尔市地区常住人口40.9万人，比上年年末增加3.7万人，增长9.9%，实现生产总值309.5亿元，比上年增长4.4%。第一、第二和第三次产业增加值占生产总值比重分别为42.4%、21.8%和35.8%。阿拉尔市万元生产总值能耗比上年增长26.0%
2.2. 数据来源
空气质量数据和气象数据均来自阿拉尔市环境空气质量自动监测站。其中，污染物项目为PM10、PM2.5、NO2、SO2、CO、O3共6项，气象参数为风速、风向、气温、湿度、气压共5项。
2.3. 分析方法
本文基于大气污染物以及气象参数观测数据，通过使用Microsoft Excel 2010、SPSS 25.0数据分析软件，对阿拉尔市空气质量数据进行了月平均、四季以及全年统计，分析了阿拉尔市2021年空气质量总体特征；然后分析了PM10、PM2.5与其他污染物以及气象参数之间的相关性，并对其中部分气象参数进行了线性回归分析 [10] [11] 。阿拉尔市空气质量评价标准统一采用国家环境空气质量标准(GB3095-2012)二级标准，PM10、PM2.5日均质量浓度限值分别为150 μg/m3、75 μg/m3。根据气象上采用的候平均气温划分法，本研究设定3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12、1、2月为冬季。
PM10的分析方法为β射线法，分析流程：恒定的流量样品空气由采样器吸入采样管，经过滤膜后排出，PM10沉淀在滤膜上，当β射线照射沉积了PM10的滤膜时，β射线的能量衰减，根据衰减量就可求出PM10质量浓度。
PM2.5的分析方法为β射线法，分析流程：恒定的流量样品空气由采样器吸入采样管，经过滤膜后排出，PM2.5沉淀在滤膜上，当β射线照射沉积了PM2.5的滤膜时，β射线的能量衰减，根据衰减量就可求出PM2.5质量浓度。
NO2的分析方法为化学发光法，分析流程：恒定的流量样品空气经过颗粒物过滤器后，绕过或通过钼炉转化器，进入反应室进行NO测定，钼炉转化器可使气体中的NO2转化为NO，交换测量得到NO值及NOX值后排出，经计算就可得出NO2质量浓度。
SO2的分析方法为紫外荧光法，分析流程：恒定的流量样品空气经过颗粒物过滤器、除烃器后，进入反应室进行SO2测定后排出，经计算就可得出SO2质量浓度。
CO的分析方法为气体滤波相关红外吸收法，分析流程：恒定的流量样品空气经过颗粒物过滤器后，进入装有旋转的气体过滤相关轮的反应室进行CO测定后排出，经计算就可得出SO2质量浓度。
O3的分析方法为紫外吸收法，分析流程：恒定的流量样品空气经过颗粒物过滤器、臭氧涤除器后，进入玻璃测量池体进行O3测定后排出，根据计算就可得出SO2质量浓度。
3. 结果分析
3.1. 阿拉尔市环境空气质量总体特征
阿拉尔市2021年每月的空气质量类别统计值如表1所示，全年空气质量为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染的天数分别为6、187、80、39、16、37天，分别占全年总天数的1.7%、51.2%、21.9%、10.7%、4.4%、10.1%。2021年阿拉尔市空气质量总体以良为主，优良天数占全年52.9%，但空气污染依然严重，其中中度污染、重度污染和严重污染总天数为92天，达到25.2%，总污染率为47.1%。
Table 1. Statistics of monthly air quality index category days in Alar City in 2021 (Unit: Days)
表1. 2021年阿拉尔市每月空气质量指数类别天数统计(单位：天)
阿拉尔市空气质量指数类别的季节变化特征由图1所示。由图1可知，空气质量为优和良的天数夏季居多，冬季次之；轻度污染和严重污染主要分布在春季，中度污染在春秋两季分布居多。春、夏、秋、冬四季污染率分别为71.74%、21.74%、52.75%和42.22%，空气污染在轻度污染及以上的情况多发生在春季，并且春秋两季以中度及以上污染为主，冬夏两季以轻度污染为主。
Figure 1. Seasonal variation characteristics of air quality index categories in Alar City in 2021
图1. 2021年阿拉尔市空气质量指数类别的季节变化特征
3.2. 大气颗粒物浓度的时间变化特征
3.2.1. 年度总体特征
阿拉尔市2021年度大气颗粒物PM10、PM2.5的质量浓度总体特征如表2所示。由表2可知，阿拉尔市2021年度大气颗粒物PM10日平均质量浓度超出二级标准限值的天数占比为16.99%，大气颗粒物PM2.5日平均质量浓度超出二级标准限值的天数占比仅为0.27%；大气颗粒物PM10、PM2.5年平均质量浓度均超过对应的年平均二级浓度限值(PM10：70 μg/m3；PM2.5：35 μg/m3)。以上分析表明，阿拉尔市的大气环境质量主要受颗粒物PM10影响为主，年度污染天数占比较大，颗粒物年均质量浓度较高，污染形势依然严峻。
Table 2. Mass concentration of PM10 and PM2.5 in Alar City in 2021 and the number of days it exceeds the standard
表2. 阿拉尔市2021年度PM10和PM2.5的质量浓度及其超标天数
注：环境空气质量标准(GB 3095-2012)的日均二级浓度限值(PM10：150 μg/m3；PM2.5：75 μg/m3)。
3.2.2. 月均浓度变化特征
阿拉尔市2021年度大气颗粒物PM10、PM2.5月平均质量浓度随月份的变化，如图2所示。由图2可知，大气颗粒物PM10、PM2.5的月平均质量浓度的变化范围分别为77~228 μg/m3和26~52 μg/m3；大气颗粒物PM10、PM2.5的主峰值都出现在3月，次峰值均出现在11月，谷值均出现在7月。此外，由PM2.5/PM10随月份的变化趋势可知，在大气颗粒物PM10质量浓度出现主峰值的3月和11月，颗粒物PM2.5在颗粒物PM10中的占比不高，4、5两个月份的占比也较低，这表明春季(3~5月)的环境空气污染主要是由颗粒物PM10引起的。
Figure 2. Monthly average mass concentrations of PM10 and PM2.5 and monthly variation characteristics of PM2.5/PM10 in Alar City in 2021
图2. 2021年度阿拉尔市PM10、PM2.5月平均质量浓度及PM2.5/PM10的月变化特征
3.2.3. 四季变化特征
阿拉尔市2021年度大气颗粒物PM10、PM2.5质量浓度随季节的变化，如图3所示。由图3可知，春季大气颗粒物PM10、PM2.5的季平均质量浓度最高，其次为秋季和冬季，最低出现在夏季。2021年度阿拉尔市发生沙尘天气的天数在四季分别为41、28、33和18天，由此推断该市春季的大气颗粒物PM10、PM2.5质量浓度较高的原因可能是受到了沙尘天气的影响。阿拉尔市夏季受沙尘天气的影响减少，同时降水量较多，对大气颗粒物PM10、PM2.5有明显沉降作用，可能是夏季颗粒物浓度较低的原因。秋冬季的质量浓度再次增加可能与当地燃煤供暖排放废气有关。
Figure 3. Quarterly variation characteristics of the seasonal average mass concentration of atmospheric particulate matter PM10 and PM2.5 in Alar City in 2021
图3. 2021年阿拉尔市大气颗粒物PM10、PM2.5季平均质量浓度随季度变化特征
3.3. 大气颗粒物与其他空气污染物的相关分析
2021年度阿拉尔市大气颗粒物PM10、PM2.5的日平均质量浓度与NO2、SO2、CO的日平均质量浓度，以及与O3日最大8小时平均质量浓度进行皮尔逊双尾相关性分析，分析结果如表3所示。由表3可知，
Table 3. Correlation analysis results between PM10 and PM2.5 and other air pollutants
表3. PM10和PM2.5与其他空气污染物的相关性分析结果表
注：**.在0.01级别(双尾)，相关性极显著；
*.在0.05级别(双尾)，相关性显著。
大气颗粒物PM10和PM2.5之间存在极显著的相关性，皮尔逊相关性分析结果为0.846；大气颗粒物PM10与SO2和O3两者间均双尾相关，PM10与SO2皮尔逊分析结果为正，具有极显著的正相关，而PM10与O3皮尔逊分析结果为负，具有极显著的负相关；PM10与NO2皮尔逊相关性分析结果为正，具有显著正相关。PM2.5与这四种空气污染物的相关性与PM10基本一致，不同的是，PM2.5与CO之间具有显著的相关性，皮尔逊相关性分析结果为0.247。此外，研究发现NO2与CO呈极显著正相关；O3与其他所有污染物均呈极显著负相关，说明这些污染物浓度越高可能会抑制O3的生成。
3.4. 大气颗粒物与气象参数的相关分析
将2021年度阿拉尔市大气颗粒物PM10、PM2.5的日平均质量浓度与风速、气温、湿度、气压和风向共5项气象参数进行皮尔逊双尾相关性分析，分析结果表4所示。由表4可知，大气颗粒物PM10与风速呈现显著负相关，与气温、湿度呈现极显著负相关，与气压呈现极显著正相关；大气颗粒物PM2.5与风速、气温呈现极显著负相关，与气压呈现极显著正相关。此外，气温与风速呈现极显著的正相关，与湿度、气压呈现极显著的负相关；湿度与气压呈现极显著的正相关；气压与风速呈现极显著的负相关。基于以上分析，后续将对大气颗粒物PM10、PM2.5质量浓度与风速和气温之间展开进一步的回归分析研究。
Table 4. Correlation analysis results of PM10 and PM2.5 and meteorological conditions
表4. PM10和PM2.5与气象条件的相关性分析结果表
注：**.在0.01级别(双尾)，相关性极显著；
*.在0.05级别(双尾)，相关性显著。
通过2021年度阿拉尔市大气颗粒物PM10和PM2.5的日平均浓度与风速和气温之间进行利用线性回归分析，分析结果如图4和图5所示。由图4可知，大气颗粒物PM10、PM2.5日平均浓度与风速之间呈现负相关。产生负相关的主要原因可能在于：随着风速增大，有利于颗粒物在大气环境空间的迁移扩散，使得PM10、PM2.5的质量浓度有所稀释，从而使得大气颗粒物PM10、PM2.5日平均质量浓度与风速呈现负相关。
(a) 
(b)
Figure 4. Linear regression relationship between daily average mass concentration of atmospheric particulate matter PM10 (a) and PM2.5 (b) and daily average wind speed in Alar City in 2021
图4. 2021年度阿拉尔市大气颗粒物PM10 (a)和PM2.5 (b)日平均质量浓度与日平均风速的线性回归关系
由图5可知，大气颗粒物PM10、PM2.5日平均质量浓度与日平均气温之间呈现负相关。产生这种现象的原因，可能是地面温度增高，有利于产生对流运动，使大气污染物更有利于向上空扩散，从而使PM10和PM2.5的日平均浓度有所降低。
(a) 
(b)
Figure 5. Linear regression relationship between daily average mass concentration of atmospheric particulate matter PM10 (a) and PM2.5 (b) and daily average temperature in Alar City in 2021
图5. 2021年度阿拉尔市大气颗粒物PM10 (a)和PM2.5 (b)日平均质量浓度与日平均气温的线性回归关系
4. 结论
(1) 阿拉尔市2021年总体空气质量以良为主，优良天数占全年52.9%；但空气污染依然严重，其中中度污染、重度污染和严重污染总天数为92天，达到25.2%，总污染率为47.1%；空气污染多发生在春季，并且春秋两季以中度及以上污染为主，冬夏两季以轻度污染为主。
(2) 阿拉尔市的大气环境质量主要受颗粒物PM10影响为主，年度污染天数占比较大，颗粒物年均质量浓度较高，污染形势依然严峻。对大气颗粒物PM10和PM2.5的日平均质量浓度、月平均质量浓度以及四季质量浓度变化研究发现，月平均质量浓度出现两个峰值、一个谷值。大气颗粒物浓度的变化具有明显的季节性，大气颗粒物PM10和PM2.5的浓度变化在四季中排名为：春季 > 秋季 > 冬季 > 夏季。因此在春季需要加大对大气污染物排放的管理及对大气污染的治理。
(3) 大气颗粒物PM10与SO2呈现极显著的正相关，与O3呈现极显著的负相关，与NO2呈现显著正相关。PM2.5与这四种空气污染物的相关性与PM10基本一致，不同的是，PM2.5与CO之间具有显著的正相关。大气颗粒物PM10与风速呈现显著负相关，与气温、湿度呈现极显著负相关，与气压呈现极显著正相关；大气颗粒物PM2.5与风速、气温呈现极显著负相关，与气压呈现极显著正相关。
(4) 阿拉尔市大气环境质量状况并不乐观，主要受颗粒物PM10影响，后续需要开展颗粒物的特征污染元素及溯源研究，以期为该市大气污染防治决策提供依据。
基金项目
新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市科技计划项目(项目编号：2022HB01)。
参考文献
NOTES
*通讯作者。