2014年西安市PM_2.5濃度的時(shí)空變化特征研究

陳旭彤 趙先貴 朱泓錚 姚小涵 游優(yōu) 胡雪萍 馬偉東

摘要：本文通過(guò)對(duì)西安市13個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)位2014年P(guān)M2.5濃度數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，研究西安市PM2.5濃度的時(shí)間變化特征、空間分布特征。結(jié)果表明：PM2.5濃度的季節(jié)變化規(guī)律：冬季、春季、秋季和夏季的PM2.5濃度依次減少，平均濃度分別為165.7μg/m3、96.4μg/m3、89.6μg/m3和58.3μg/m3；四類監(jiān)測(cè)站中，交通站、區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站的PM2.5濃度依次降低，平均濃度依次是106.9μg/m3、103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。PM2.5月均濃度呈雙峰型模式，節(jié)日的煙花燃燒能造成瞬間的PM2.5嚴(yán)重污染；全年來(lái)看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，其他三類站點(diǎn)呈雙峰型模式；分地區(qū)來(lái)看，年均PM2.5濃度由高到低依次是城區(qū)、西北部、東部及東北部、南部及東南部和西南部。

關(guān)鍵詞：PM2.5濃度；時(shí)間變化；空間分布；影響因素

1.引言

近年來(lái)，由于西安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化進(jìn)展快速、能源消耗日益增多，致使可吸入顆粒物成為西安市環(huán)境污染的首要因子，其中細(xì)顆粒物PM2.5對(duì)人類身體健康以及交通造成嚴(yán)重影響。與PM2.5相關(guān)的研究日漸增多。楊宇軒等研究了西安市PM2.5的污染現(xiàn)狀及其對(duì)人們健康的影響，得出西安市采暖季PM2.5污染濃度顯著高于非采暖季；PM2.5的污染加劇是西安市居民心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)疾病的死亡率升高的原因之一。陶李等在高分辨率下分析PM2.5的濃度變化，結(jié)果表明PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度變化起伏較大。杜新黎等通過(guò)對(duì)2011年9月1日到2012年2月29日西安市城市化經(jīng)空氣PM2.5試點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深入分析，初步摸清區(qū)域PM2.5污染水平及分布規(guī)律。孟小絨等利用西安市7個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)1970-2012年的霧日和霾日觀測(cè)資料，得出西安市城區(qū)霧霾出現(xiàn)次數(shù)多，且霧霾天氣主要發(fā)生在冬季。

目前，關(guān)于西安市PM2.5濃度的研究甚多，但是以較長(zhǎng)尺度（1年）為期限，以不同點(diǎn)位、區(qū)域?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)的研究較為缺乏。本文主要從時(shí)間、空間角度，對(duì)西安市13個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)位2014年全年的PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和分析，希望得到具有代表性的西安市PM2.5濃度的時(shí)間變化特征、空間分布特征及其影響因素，為西安市空氣污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

2.站點(diǎn)和觀測(cè)

西安市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)位共有13個(gè)，分別為12個(gè)趨勢(shì)點(diǎn)位：高壓開(kāi)關(guān)廠、興慶小區(qū)、小寨、市人民體育場(chǎng)、紡織城、高新西區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)和廣運(yùn)潭，一個(gè)清潔對(duì)照點(diǎn)位：草灘。

根據(jù)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)職能的不同，將13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分為四類，分別是城區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)（城區(qū)站：高壓開(kāi)關(guān)廠、興慶小區(qū)、紡織城、高新西區(qū)、曲江文化集團(tuán)）、郊區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)（郊區(qū)站：臨潼區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)、閻良區(qū)）、交通污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)（交通站：小寨、市人民體育場(chǎng)），以及對(duì)照點(diǎn)與區(qū)域點(diǎn)（區(qū)域站：草灘、廣運(yùn)潭）。

本文分析所用數(shù)據(jù)均為PM2.5的小時(shí)平均濃度，根據(jù)日均值求得月均值，再根據(jù)月均值求得季均值。

3.結(jié)果與分析

3.1 PM2.5濃度的季節(jié)變化規(guī)律及影響因素

春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為1、2、12月。

如圖1所示，從季節(jié)方面來(lái)看，西安市冬季PM2.5平均濃度明顯高于其他三個(gè)季節(jié)，達(dá)165.7μg/m3，約是春秋季節(jié)PM2.5平均濃度的1.78倍，是夏季PM2.5平均濃度的2.84倍；春秋季節(jié)PM2.5濃度水平較為接近，分別為96.4μg/m3、89.6μg/m3；夏季最低，為58.3μg/m3?？赡苁怯捎诙緸椴膳竟?jié)，燃燒大量化石燃料，或者是冬季氣候干燥、降水少等原因造成的，西安全市燃煤鍋爐占有量較高，致使其產(chǎn)生的煙氣中煙塵、SO2、NO2的年排放量較大，約占PM2.5總量的1/4。

從站點(diǎn)方面來(lái)看，交通站的PM2.5濃度水平最高106.9μg/m3，其他三類點(diǎn)位平均濃度較低，按年平均濃度大小排列由高到低是區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站，年均濃度分別為103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3?？赡苁艿降缆窊P(yáng)塵、汽車尾氣等因素的影響，西安全市較高的機(jī)動(dòng)車保有量，致使其排放的尾氣中的CO、（CH）n和顆粒物的年排放量共計(jì)30萬(wàn)噸，約占PM2.5總量的1/3，汽車尾氣成了西安市PM2.5濃度高的重要影響因素。

各點(diǎn)位在各季節(jié)的PM2.5標(biāo)準(zhǔn)差均處于較高的濃度水平，甚至接近于平均濃度，表明西安市PM2.5濃度在時(shí)間序列上非均勻化分布，在短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)較大的濃度波動(dòng)。這主要是由于西安市特殊的地理位置和氣象條件、巨大的本地污染物排放量以及周邊地區(qū)較高的污染水平等因素的影響。

3.2 PM2.5濃度的月變化規(guī)律及影響因素

由圖2可以看出，在月份方面，2014年西安市PM2.5的月均濃度變化規(guī)律明顯，大致均呈雙峰型模式。有兩個(gè)峰值，高峰值點(diǎn)出現(xiàn)在2月份，峰尖比較尖銳；低峰值點(diǎn)出現(xiàn)在11月份，峰尖比較平緩。全年最大值出現(xiàn)在2月份，達(dá)到227μg/m3（交通站）。高峰值主要是由于2月仍處在冬季采暖高峰期，且也是春節(jié)期間（2014年春節(jié)為2月19日），人們?nèi)挤糯罅繜熁ㄅ谥?。峰尖比較尖銳是由于節(jié)日的煙花燃燒能造成瞬間的PM2.5嚴(yán)重污染。低峰值可能是由于11月份為秋季，西安周邊有些地方大量燃燒秸稈、居民開(kāi)始采暖，燃燒化石燃料等影響因素。有兩個(gè)谷值，最低值出現(xiàn)在7月，為44.6μg/m3；次低值出現(xiàn)在9月，為52.6μg/m3。可能是由于夏季的氣溫條件不宜發(fā)生逆溫，而且較頻繁的降雨及大風(fēng)天氣，有利于PM2.5的擴(kuò)散和清除。從站點(diǎn)方面來(lái)看，月變化曲線同樣能夠體現(xiàn)出交通站濃度最高，其他站點(diǎn)濃度相對(duì)較低的特征。

3.3 PM2.5濃度的日變化規(guī)律及影響因素

如圖3所示，從全年方面來(lái)看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，白天基本處于較為平緩的低谷區(qū)，峰值出現(xiàn)在22時(shí)，達(dá)118.3μg/m3。其他三類站點(diǎn)呈雙峰型模式，高峰值點(diǎn)出現(xiàn)在21時(shí)或22時(shí)，低峰值點(diǎn)出現(xiàn)在10時(shí)；最低值出現(xiàn)在15時(shí)左右，次低值出現(xiàn)在07時(shí)左右。需要注意的是，白天PM2.5濃度的峰值從大到小依次是區(qū)域站、郊區(qū)站和城區(qū)站，而夜間的峰值濃度從大到小依次卻是城區(qū)站、郊區(qū)站和區(qū)域站，表明夜間西安市城區(qū)的PM2.5更容易積累或二次生成，可能與夜間城區(qū)PM2.5排放源強(qiáng)度和化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。

從季節(jié)方面來(lái)看，春季交通站、區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站PM2.5濃度的日變化曲線呈現(xiàn)波浪型模式，一天之內(nèi)有三次較明顯的峰值，分別是08時(shí)或09時(shí)、15時(shí)或16時(shí)、22時(shí)；白天的PM2.5濃度與夜間相近。夏季交通站、區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站PM2.5濃度的日變化曲線大致呈現(xiàn)雙峰型模式，有兩個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在09時(shí)和21時(shí)；有兩個(gè)谷值，分別出現(xiàn)在4時(shí)或5時(shí)、16時(shí)或17時(shí)；白天PM2.5濃度略高于夜間。春季和夏季交通站PM2.5濃度最高，其次是城區(qū)站，區(qū)域站與郊區(qū)站相近。秋冬季節(jié)PM2.5的日變化規(guī)律與全年日變化規(guī)律較為接近，PM2.5峰值濃度晝夜差值較大，夜晚明顯高于白天。秋季和冬季日變化曲線的峰值濃度由高到低依次是區(qū)域站、郊區(qū)站、交通站和城區(qū)站。

3.4 PM2.5濃度的空間分布規(guī)律

將西安市按照行政區(qū)劃分為5個(gè)地區(qū)，分別是城區(qū)（碑林區(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)）、西北部（未央?yún)^(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)）、南部及東南部（雁塔區(qū)、曲江新區(qū)）、西南部（長(zhǎng)安區(qū)、高新區(qū)）、東部及東北部（灞橋區(qū)、臨潼區(qū)、閻良區(qū)）。將13個(gè)點(diǎn)位中位于各區(qū)的點(diǎn)位的平均濃度作為每個(gè)區(qū)的PM2.5濃度。

如圖4，從季節(jié)方面來(lái)看，西安市各區(qū)域PM2.5濃度最高的均為冬季，最低的為夏季。從地區(qū)方面來(lái)看，年均PM2.5濃度由高到低依次是城區(qū)、西北部、東部及東北部、南部及東南部和西南部。春季、冬季PM2.5濃度最高的地區(qū)為城區(qū)，夏季PM2.5濃度最高的地區(qū)為西北部，秋季PM2.5濃度最高的東部及東北部；除春季PM2.5濃度最低地區(qū)為東部及東北部，其他季節(jié)PM2.5濃度最低的地區(qū)均為西南部。從同一季節(jié)不同地區(qū)的濃度差異來(lái)看，春季、夏季、秋季和冬季PM2.5濃度最高地區(qū)和最低地區(qū)的差值分別為25.1μg/m3、15.5μg/m3、20.5μg/m3和28.2μg/m3，濃度越高的季節(jié)空間分布的差異越大。從同一地區(qū)不同季節(jié)的濃度差異來(lái)看，城區(qū)、西北部、南部及東南部、西南部和東部及東北部PM2.5濃度最高的季節(jié)和最低季節(jié)的差值分別是123.4μg/m3、106.9μg/m3、105.9μg/m3和96μg/m3，濃度越高的地區(qū)時(shí)間分布的差異越大。

4.結(jié)論

（1）PM2.5濃度的季節(jié)變化規(guī)律：冬季、春季、秋季和夏季的PM2.5濃度依次減少，平均濃度分別為165.7μg/m3、96.4μg/m3、89.6μg/m3和58.3μg/m3；四類監(jiān)測(cè)站中，交通站、區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站的PM2.5濃度依次降低，平均濃度依次是106.9μg/m3、103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。各站點(diǎn)在各季節(jié)的PM2.5標(biāo)準(zhǔn)差一直維持在較高濃度水平，表明西安市PM2.5在時(shí)間序列上非均勻化分布，在短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)較大的濃度波動(dòng)。

（2）PM2.5濃度的月變化規(guī)律：2014年西安市PM2.5月均濃度呈雙峰型模式。有兩個(gè)峰值，高峰值出現(xiàn)在2月份，為227μg/m3；低峰值出現(xiàn)在11月份，為114.7μg/m3。有兩個(gè)谷值，最低值出現(xiàn)在7月，為44.6μg/m3；次低值出現(xiàn)在9月，為52.6μg/m3。從站點(diǎn)方面來(lái)看，月變化曲線也能顯示出四類監(jiān)測(cè)站中交通站PM2.5濃度高于其他站點(diǎn)的特征。

（3）PM2.5濃度的日變化規(guī)律：2014年全年方面來(lái)看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，其他三類站點(diǎn)呈雙峰型模式；春季交通站、區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站PM2.5濃度的日變化曲線呈現(xiàn)波浪型模式，一天之內(nèi)有三次較明顯的峰值，且交通站明顯高于其他三個(gè)站點(diǎn)；夏季交通站、區(qū)域站、城區(qū)站和郊區(qū)站PM2.5濃度的日變化曲線大致呈現(xiàn)雙峰型模式，有兩個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在09時(shí)和21時(shí)，且交通站明顯高于其他三個(gè)站點(diǎn)；秋冬季節(jié)PM2.5的日變化規(guī)律與全年日變化規(guī)律較為接近，PM2.5峰值濃度晝夜差值較大，夜晚明顯低于白天。

（4）從地區(qū)方面來(lái)看，年均PM2.5濃度由高到低依次是城區(qū)、西北部、東部及東北部、南部及東南部和西南部；濃度越高的季節(jié)空間分布的差異越大，濃度越高的地區(qū)時(shí)間分布的差異越大。

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作者簡(jiǎn)介：陳旭彤（1993-），女，河北石家莊人，陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院2012級(jí)地理科學(xué)專業(yè)本科生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目（14XKS019）