2014年西安市PM2.5濃度的時空變化特征研究

陳旭彤 趙先貴 朱泓錚 姚小涵 游 優(yōu) 胡雪萍 馬偉東

(陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710119)

1.引言

近年來，由于西安市的經濟發(fā)展迅速、城市化進展快速、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，其中細顆粒物PM2.5對人類身體健康以及交通造成嚴重影響。與PM2.5相關的研究日漸增多。楊宇軒等研究了西安市PM2.5的污染現狀及其對人們健康的影響，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，結果表明PM2.5小時質量濃度變化起伏較大。杜新黎等通過對2011年9月1日到2012年2月29日西安市城市化經空氣PM2.5試點監(jiān)測數據深入分析，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個觀測站點1970-2012年的霧日和霾日觀測資料，得出西安市城區(qū)霧霾出現次數多，且霧霾天氣主要發(fā)生在冬季。

目前，關于西安市PM2.5濃度的研究甚多，但是以較長尺度(1年)為期限，以不同點位、區(qū)域為出發(fā)點的研究較為缺乏。本文主要從時間、空間角度，對西安市13個環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)點位2014年全年的PM2.5濃度數據進行收集、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依據。

2.站點和觀測

西安市環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)點位共有13個，分別為12個趨勢點位:高壓開關廠、興慶小區(qū)、小寨、市人民體育場、紡織城、高新西區(qū)、經開區(qū)、長安區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、曲江文化產業(yè)集團和廣運潭，一個清潔對照點位:草灘。

根據點位監(jiān)測職能的不同，將13個監(jiān)測點位分為四類，分別是城區(qū)環(huán)境監(jiān)測點(城區(qū)站:高壓開關廠、興慶小區(qū)、紡織城、高新西區(qū)、曲江文化集團)、郊區(qū)環(huán)境監(jiān)測點(郊區(qū)站:臨潼區(qū)、長安區(qū)、經開區(qū)、閻良區(qū))、交通污染監(jiān)測點(交通站:小寨、市人民體育場)，以及對照點與區(qū)域點(區(qū)域站:草灘、廣運潭)。

本文分析所用數據均為PM2.5的小時平均濃度，根據日均值求得月均值，再根據月均值求得季均值。

3.結果與分析

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)方面來看，西安市冬季PM2.5平均濃度明顯高于其他三個季節(jié)，達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。可能是由于冬季為采暖季節(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。

從站點方面來看，交通站的PM2.5濃度水平最高106.9μg/m3，其他三類點位平均濃度較低，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塵、汽車尾氣等因素的影響，西安全市較高的機動車保有量，致使其排放的尾氣中的CO、(CH)n 和顆粒物的年排放量共計30 萬噸，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。

各點位在各季節(jié)的PM2.5標準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濃度在時間序列上非均勻化分布，在短時間內可能出現較大的濃度波動。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。有兩個峰值，高峰值點出現在2月份，峰尖比較尖銳;低峰值點出現在11月份，峰尖比較平緩。全年最大值出現在2月份，達到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)，人們燃放大量煙花炮竹。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、居民開始采暖，燃燒化石燃料等影響因素。有兩個谷值，最低值出現在7月，為44.6μg/m3;次低值出現在9月，為52.6μg/m3?？赡苁怯捎谙募镜臍鉁貤l件不宜發(fā)生逆溫，而且較頻繁的降雨及大風天氣，有利于PM2.5的擴散和清除。從站點方面來看，月變化曲線同樣能夠體現出交通站濃度最高，其他站點濃度相對較低的特征。

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)，峰值出現在22 時，達118.3μg/m3。其他三類站點呈雙峰型模式，高峰值點出現在21 時或22 時，低峰值點出現在10 時;最低值出現在15 時左右，次低值出現在07 時左右。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排放源強度和化學反應強度有關。

從季節(jié)方面來看，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波浪型模式，一天之內有三次較明顯的峰值，分別是08 時或09 時、15 時或16 時、22 時;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雙峰型模式，有兩個峰值，分別出現在09 時和21 時;有兩個谷值，分別出現在4 時或5 時、16 時或17 時;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(未央區(qū)、經開區(qū))、南部及東南部(雁塔區(qū)、曲江新區(qū))、西南部 (長安區(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個點位中位于各區(qū)的點位的平均濃度作為每個區(qū)的PM2.5濃度。

如圖4，從季節(jié)方面來看，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)時間分布的差異越大。

4.結論

(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。各站點在各季節(jié)的PM2.5標準差一直維持在較高濃度水平，表明西安市PM2.5在時間序列上非均勻化分布，在短時間內可能出現較大的濃度波動。

(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。有兩個峰值，高峰值出現在2月份，為227μg/m3;低峰值出現在11月份，為114.7μg/m3。有兩個谷值，最低值出現在7月，為44.6μg/m3;次低值出現在9月，為52.6μg/m3。從站點方面來看，月變化曲線也能顯示出四類監(jiān)測站中交通站PM2.5濃度高于其他站點的特征。

(3)PM2.5濃度的日變化規(guī)律:2014年全年方面來看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，其他三類站點呈雙峰型模式;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波浪型模式，一天之內有三次較明顯的峰值，且交通站明顯高于其他三個站點;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雙峰型模式，有兩個峰值，分別出現在09 時和21 時，且交通站明顯高于其他三個站點;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)時間分布的差異越大。

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