西安市空氣質(zhì)量與氣象要素的相關(guān)性分析

高賽男

(西北大學 地質(zhì)學系 大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069)

空氣的質(zhì)量狀況直接或間接地影響到人類的工作、學習以及其他生活的方方面面，當空氣遭到污染時，人們將會出現(xiàn)各種生理以及心理的疾病，心肺患者癥狀加劇、煩躁感加劇[1-4].近幾年來，進行空氣質(zhì)量特征相關(guān)的研究，一般是基于空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)以及氣象資料，研究區(qū)域既有大都市圈[5-9]，也有較小的城市[10-12]，既有多個城市，也有某個單一城市；研究內(nèi)容既有單獨污染的事件分析，也有特定時段的空氣質(zhì)量總體的特征分析.綜合地分析能夠很好地反映了某一地區(qū)的區(qū)域性以及時間空間變化等各方面特征.

西安市深處內(nèi)陸，空氣污染也較為嚴重.空氣質(zhì)量的好壞不僅影響城市發(fā)展，還有市民的身體健康.幾十年來，我國環(huán)保部門、各個研究所、高校等都在空氣質(zhì)量的檢測分布以及氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系等方面做了大量工作.胡琳等[13]研究表明，西安市污染較為嚴重的污染物為PM10，較大濃度值出現(xiàn)在冬季采暖期，雨水對污染物能起到有效的濕清除作用.陳渤黎等[14]分析了常州市空氣質(zhì)量與氣象要素關(guān)系，結(jié)果表明：風向、風速、降水、氣溫對空氣質(zhì)量皆有一定影響，其中風向?qū)ξ廴疚锏妮斔陀兄匾绊?，風速對污染物的擴散作用明顯，降水對空氣污染具有顯著凈化作用，而氣溫則與空氣質(zhì)量直接關(guān)系較小.李九彬等[15]分析了2001—2011年重慶市空氣質(zhì)量特征，表明空氣質(zhì)量狀況在8月時最好，在12月和1月最差；年度質(zhì)量在2011年為最優(yōu)，2002年為最差，6月、7月、8月為最優(yōu)、12月、1月、2月為最差.API與平均氣溫、降水量及日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)，與平均溫度呈正相關(guān)關(guān)系.翟萌等[16]分析了西安市近10年空氣污染指數(shù)(API)，結(jié)果顯示西安市大氣環(huán)境質(zhì)量正向良好的趨勢發(fā)展.經(jīng)大氣污染與氣象因素相關(guān)性分析顯示，西安市大氣污染與溫度和降水量呈顯著的負相關(guān)，與氣壓也有顯著的負相關(guān).鄧霞君等[17]分析了中國47個主要城市日監(jiān)測API數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著污染治理工作的展開，近10年API值呈下降趨勢，由2001年年均82.75下降至2011年的66.1.

綜上所述，這些研究都很好地反映了城市空氣質(zhì)量等特征，但是時間跨度略小.本文根據(jù)西安市1996—2015年空氣質(zhì)量狀況的日報數(shù)據(jù)，通過運用Excel軟件處理空氣質(zhì)量日數(shù)據(jù)，得出污染天數(shù)、污染程度等數(shù)據(jù)，詳細地得出了10年AQI的年、季、月的尺度特征以及首要污染物特征，還有空氣質(zhì)量與風速、溫度、濕度等氣象要素的相關(guān)性，這樣可以全面又準確地反映西安市10年來空氣質(zhì)量特征與氣象要素之間的關(guān)系，為建設(shè)國家森林城市、更好地創(chuàng)建“一帶一路”、發(fā)展綠色經(jīng)濟提供科學可行的依據(jù)，又可為治理環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)來源以及研究方法

本文用中國環(huán)保網(wǎng)所提供的西安市1996—2015年的十年逐日空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù).其中2006—2012年數(shù)據(jù)完整，屬性分別為日期、污染指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級別、空氣質(zhì)量狀況.2013年只有1月1日至1月15日的數(shù)據(jù)，其他月份數(shù)據(jù)缺失，屬性同上.2014年缺失1月份數(shù)據(jù)，2月1日至3月5日屬性分別為日期、AQI指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級別、空氣質(zhì)量狀況；從3月6日開始，屬性數(shù)據(jù)又變?yōu)槿掌凇QI指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級別.2015年只有1月1日至1月22日數(shù)據(jù)，其他天數(shù)數(shù)據(jù)均缺失，屬性分別是日期、AQI指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級別.空氣質(zhì)量指數(shù)AQI(air quality index)等級標準嚴格按照國家環(huán)保局指定的5個主要污染標準：地面臭氧，顆粒污染物(也稱顆粒物)，一氧化碳，二氧化硫，二氧化氮.AQI是定量地描述空氣質(zhì)量狀況的參數(shù)，也是是報告每日空氣質(zhì)量的參數(shù)，它一共分為六級：一級優(yōu)，二級良，三級輕度污染，四級中度污染，直到五級重度污染，六級嚴重污染.其中AQI值大于100即達到污染級別(表1).

表1 國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準

氣象要素來自國家氣象網(wǎng)站(http://www.weather.com.cn/)，所選取的氣象指標有降水、風速、氣溫、風向等.

2 西安市空氣質(zhì)量統(tǒng)計匯總

2.1 AQI年變化

由2006年1月～2012年1月AQI的10年均值折線統(tǒng)計圖可知(圖1)，大多數(shù)年份AQI值在85～95之間作輕微波動，2006—2012年空氣質(zhì)量都屬于良.2009年AQI值最低.2013年AQI值最高，是因為2013年僅有1月份數(shù)據(jù)，而1月份剛好是燃煤高峰期.再加上陜西省是我國重要的煤炭大省，以火力發(fā)電為主，所以2013年1月AQI均值約為201.5，達到了五級重度污染.2014年均值115.8，也較高，到2015年再次升高為133.2.從時間角度看，空氣質(zhì)量指數(shù)總體呈波動性上升.分析2006年1月～2015年1月時段內(nèi)AQI均值年變化可知，西安市2009年空氣污染最輕，2013年空氣污染最嚴重.低值區(qū)與高值區(qū)以2013年為界，2013年以前AQI值總體下滑，但中間略有上升；高值區(qū)走勢上升幅度較大，空氣質(zhì)量未見好轉(zhuǎn).2011年亦屬于3個低值期中的一個，這可能與2011年西安市舉辦世園會有一定的關(guān)系.世園會強調(diào)“城市與自然和諧共生”的理念 ，此期間建設(shè)成一座座低排低耗的生態(tài)建筑群，再加上700余種花卉和植物的引進，空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn).

2.2 AQI月分布

由圖2可知，西安市各年份空氣質(zhì)量從1月至12月的月分布大致都呈現(xiàn)出中間低、兩邊高的形態(tài).這與西安市地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)、冷暖干濕分明有著密不可分的關(guān)系.西安市夏季雨熱同期，降水對顆粒物、揚塵等都有或多或少的凈化作用.所以，月最低值基本都在7～9月.9月出現(xiàn)月最小值，主要是由于“夏雨洗天”的作用，即我國大部分地區(qū)到了夏天是雨季，西安也是.大量的降水會清潔空氣，使大氣中的雜質(zhì)塵埃大大地減少.再加上夏季過后，南方暖氣流減弱，大陸上氣壓由低值系統(tǒng)向高值系統(tǒng)轉(zhuǎn)變；而高空副熱帶高壓的南撤往往緩于地面高值系統(tǒng)南移，所以往往使高低空同受高氣壓控制，使整個大氣皆表現(xiàn)為下沉運動，故而少雨多晴，天高云淡，空氣質(zhì)量好.而5月份也是一個低值期，月平均值在2009年5月達到了最低，僅為57.46.

圖1 2006—2015年AQI均值分布圖

圖2 2006—2015年10年期間AQI月分布折線統(tǒng)計圖

月最大值的出現(xiàn)往往在冬季，在12月、1月、2月皆有分布，2014年2月污染尤為嚴重，竟高達220.07.這是因為西安市處于北方地區(qū)，冬季寒冷，供暖時間較長，產(chǎn)生較多的粉塵等原因是分不開的.再加上天氣寒冷，人們大多數(shù)愿意選擇乘車而不是步行或者騎自行車，所以，由交通工具制造的污染排放也是冬季出現(xiàn)月最大值的一個重要原因.

2006年到2015年中(其中2015年AQI數(shù)據(jù)缺失)，2010年月平均AQI值最小，其中月極差為34，方差為46.3，標準差為6.8.統(tǒng)計10年內(nèi)所有5月份的AQI均值發(fā)現(xiàn)，2009年最低值為57.4,2010年為101.0，說明并不是所有年份的AQI值在5月份都能達到最低.5月是一個天氣多變的月份，AQI值基本在70～90之間波動.而9月份的AQI值的波動范圍相對于5月份而言較為穩(wěn)定，最低值為58，而最大值也僅為78.因為9月份大氣環(huán)流較穩(wěn)定，所以每年9月份的AQI值波動性也較小.

2.3 AQI日分布

由表2和表3可知，日最值分布與月最值分布大多數(shù)不重合，尤其是日最小值和月最小值.日最小值極差最大的是2012年，在12月15日AQI值為314，而在同年9月11日僅為37.日最小值極差最小的是2010年，在3月20日AQI值為163，而在同年2月11日僅為47.日最大值從2006年到2010年處于整體處于下降趨勢，但在2007年AQI值偶爾急劇上升，到2011年又處于緩慢上升.AQI日最小值基本在40左右波動，從2006年的45變到2014年的35，整體處于下降趨勢，說明西安市的空氣清潔度正在變高，態(tài)勢良好.

表2 2006—2014年AQI月最值統(tǒng)計表

表3 2006—2014年AQI日最值統(tǒng)計表

日最小值以9月居多，這也和秋季隨副熱帶高氣壓的向南擴散、大陸上只剩下單一的高氣壓有關(guān).最大值只出現(xiàn)在冬季，即1月、2月、12月，其中2006—2011年呈波動性下降，但是從2012年開始，急劇升高，在12月16日出現(xiàn)314的高值.

3 空氣質(zhì)量與氣象要素相關(guān)性分析

由于部分年份氣象數(shù)據(jù)缺失，無法全部進行相關(guān)性分析，所以本次分析選取的數(shù)據(jù)都是來自2007—2008年的.其中空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)選自出現(xiàn)頻次最高的、空氣污染指數(shù)為Ⅱ級的月平均數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)則為平均風速、氣溫、平均相對濕度、日照時數(shù)、平均本站氣壓和最大風速風向.本文中定義的季節(jié)統(tǒng)一為春季(3月、4月、5月)，夏季(6月、7月、8月)，秋季(9月、10月、11月)，冬季(12月、次年1月、次年2月).以下圖中x軸都代表自變量AQI值，y軸分別代表因變量風速、平均氣溫、平均相對濕度、日照時數(shù)、平均本站氣壓、最大風速風向和降水.

3.1 空氣質(zhì)量與風速的相關(guān)性分析

將每年的逐日風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，全年的平均風速是1.5 m/s，其中冬季的平均風速是1.4 m/s，春季為1.9 m/s，夏季為1.6 m/s，秋季為1.4 m/s.全年風速出現(xiàn)在在0～2 m/s的頻段較大.

通過對西安市2007—2008年空氣質(zhì)量與風速相關(guān)性分析顯示(圖3)，西安市空氣質(zhì)量與月平均風速成正相關(guān).經(jīng)相關(guān)分析后得出線性相關(guān)系數(shù)為0.62，即風小則空氣質(zhì)量差；風大則空氣質(zhì)量好.因為風速大時大氣容易擴散、能夠稀釋更多的污染物，可以提高空氣質(zhì)量；相反，風速小的時候大氣不容易擴散，稀釋能力差，污染物堆積，空氣質(zhì)量也就相對較差.

對比2007年和2008年空氣質(zhì)量與風速的相關(guān)性可知，2007年的相關(guān)性比2008年的大，處于緩慢減小的狀態(tài).

圖3 空氣質(zhì)量與月平均風速的相關(guān)性

3.2 空氣質(zhì)量與氣溫的相關(guān)性分析

將每年的逐日氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，全年平均溫度為15.6 ℃，其中冬季的平均氣溫為4.3 ℃，春季為17.6 ℃，夏季為25.9 ℃，秋季為14.5 ℃.

本次所用的氣溫數(shù)據(jù)為近地面影響下的平均氣溫.通過對西安市2007—2008年空氣質(zhì)量與氣溫相關(guān)性分析顯示(圖4)，空氣質(zhì)量與月平均溫度呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)高達0.85.

這可以說明，空氣質(zhì)量受溫度的影響特別大.當平均溫度越高的時候，空氣質(zhì)量就好，反之，平均溫度越低，空氣質(zhì)量越差.因為氣溫高的時候，空氣活動增強，而活動指數(shù)越高，凈化能力也就越強、質(zhì)量也會提高；相反，氣溫降低的時候，流體活動性減弱，容易滯留，從而造成污染.

對比2007—2008年空氣質(zhì)量與氣溫的相關(guān)性可知，2007年的相關(guān)性比2008年的大，也處于緩慢減小的狀態(tài).

3.3 空氣質(zhì)量與平均相對濕度的相關(guān)性分析

圖4 空氣質(zhì)量與氣溫的相關(guān)性

圖5 空氣質(zhì)量與平均相對濕度的相關(guān)性

將每年的逐日平均相對濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，全年平均濕度為0.58 Pa，其中冬季的平均濕度為0.55 Pa，春季為0.64 Pa，夏季為0.67 Pa，秋季為0.67 Pa.

通過對西安市2007—2008年空氣質(zhì)量與平均相對濕度相關(guān)性分析顯示(圖5)，西安市空氣質(zhì)量與平均相對濕度成負相關(guān)，其線性相關(guān)系數(shù)很小，2007年線性相關(guān)系數(shù)為0.092,2008年為0.19，即平均相對濕度越小，空氣質(zhì)量就會越好；平均相對濕度越大，空氣質(zhì)量就會越差.這與我國很多地方的情況相似.

對比2007年和2008年空氣質(zhì)量與平均相對濕度的相關(guān)性可知，2007年的相關(guān)性比2008年的大，處于緩慢減小的狀態(tài).

3.4 空氣質(zhì)量與日照時數(shù)的相關(guān)性分析

將每年的逐日日照時數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，全年平均日照時數(shù)為38，其中冬季的平均時數(shù)為39.5，春季為40.0，夏季為34.4，秋季為35.1. 統(tǒng)計2007—2008年氣象數(shù)據(jù)顯示(圖6)，西安市空氣質(zhì)量與日照時數(shù)成正相關(guān)，其線性相關(guān)關(guān)系較小，當平均日照時數(shù)變大時，空氣質(zhì)量便會提高；反之，平均日照時數(shù)變小時，空氣質(zhì)量就會變差.對比2007年和2008年空氣質(zhì)量與日照時數(shù)的相關(guān)性可知，2007年的相關(guān)性比2008年的大，處于緩慢減小的狀態(tài).

圖6 空氣質(zhì)量與日照時數(shù)變化的相關(guān)性

圖7 空氣質(zhì)量與平均本站氣壓變化的相關(guān)性

3.5 空氣質(zhì)量與平均本站氣壓的相關(guān)性分析

將每年的逐日平均本站氣壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，全年平均本站氣壓為968.9 hPa，其中冬季的平均風速為977.8 hPa，春季為967.6 hPa，夏季為959.3 hPa，秋季為974.1 hPa.春夏季節(jié)的氣壓低于秋冬季節(jié)的氣壓.極差很小，僅為18 hPa.

本次所用的氣壓數(shù)據(jù)為平均本站氣壓.由圖7可知，空氣質(zhì)量與平均本站氣壓呈顯著的負相關(guān).由此說明，空氣質(zhì)量受氣壓的影響較大，如2007年相關(guān)性系數(shù)竟然高達0.85.這說明平均本站氣壓越高，空氣質(zhì)量就會越差，反之，平均本站氣壓越低，空氣質(zhì)量越好.因為氣壓低的時候，空氣容易對流，而對流越旺盛，空氣的自凈能力也就越強、質(zhì)量也就會越好；相反，氣溫越低，污染物不易擴散，容易滯留、造成污染.對比2007年和2008年空氣質(zhì)量與平均本站氣壓的相關(guān)性可知，2007年的相關(guān)性比2008年的大，處于緩慢減小的狀態(tài).

3.6 空氣質(zhì)量與最大風速風向的相關(guān)性分析

風向?qū)諝赓|(zhì)量的影響一般主要表現(xiàn)在下風向的位置.風向共16個方位，分別是N,NEN,EN,EEN;E,EES,ES,SES;S,SWS,WS,WWS;W,WWN,WN,NWN.經(jīng)分析，風向在0～5和10～15之間的最多，即風向為EN和WS最多.其中12月至次年5月多北風，6月至11月多西南風.本次所用的氣壓數(shù)據(jù)為最大風速風向.由圖8可知，空氣質(zhì)量與最大風速風向有時候呈正相關(guān)，也有的候呈負相關(guān)，并且相關(guān)性都很小.這說明，空氣質(zhì)量受最大風速的風向的影響一般.

3.7 空氣質(zhì)量與降水的相關(guān)性分析

圖8 空氣質(zhì)量與最大風速風向變化的相關(guān)性

圖9 空氣質(zhì)量與降水量的相關(guān)性

將每年的逐日降水數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知(圖9)，西安市空氣質(zhì)量與降水成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.57，即降水量的增多可以使空氣質(zhì)量變好；反之則變差.因為大量降水可以帶走和稀釋更多的污染物，反之則清潔能力差，被污染的幾率也就相對增加.對比2007年和2008年空氣質(zhì)量與平均本站氣壓的相關(guān)性可知，2007年的相關(guān)性比2008年的大，處于緩慢減小的狀態(tài).

綜上，空氣質(zhì)量與氣溫的相關(guān)性最大，為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.85，與風速的相關(guān)性次之，也為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.65.因此，以后的空氣污染治理不妨多從風速和氣溫這兩方面來考慮.

4 結(jié)論

(1)西安市10年間空氣質(zhì)量等級以Ⅱ、Ⅲ級為主，首要污染物為可吸入顆粒物(PM10)，質(zhì)量良好.污染物季節(jié)分配不均，大致呈單峰型波動.

(2)AQI值呈下降的趨勢，值由2006年的91.7下降到2012年的85.0，這得益于各種污染治理工程的開展.

(3)西安市10年間AQI平均值為86，狀況良好.AQI整體呈不規(guī)則的減少.2007年是西安市空氣質(zhì)量最差的一年，平均值為92.3；2009年是西安市空氣質(zhì)量最好的一年，AQI平均值為81.3，年平均值極差為11.0.

(4)西安市10年間AQI季節(jié)變化平均值為214，在2014年冬季平均值達到最大，其他年份的季節(jié)均值在100左右.春季和秋季的AQI值次之，夏季最低，為64.

(5)西安市10年間AQI月均值變動呈不規(guī)則的“V”字型變化，冬季變化最大，秋季變化最小.大多數(shù)情況下12月、1月、2月最差，5月、7月、9月最好.2006年到2015年中，2010年月平均AQI值最小，其中月極差為34，方差為46.3.10年內(nèi)所有5月份的AQI均值在2009年最低，為57.4.2010年為101.0，說明并不是所有年份的AQI值在5月份都能達到最低.5月AQI值基本在70～90之間波動.而9月份的AQI值的波動范圍相對于5月份而言較為穩(wěn)定，最低值為58，而最大值也僅為78，由于氣壓系統(tǒng)逐漸由低壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向高壓系統(tǒng)，所以秋高氣爽，空氣質(zhì)量好.

(6)西安市10年間AQI日均值的最小值在2009年5月23日達到了最低，為34，在2012年12月16日達到了最高，為314，日均值極差為280.

(7)空氣質(zhì)量與風速、溫度均呈顯著的正相關(guān)，與平均相對濕度、日照時數(shù)、平均本站氣壓呈負相關(guān)，與最大風速的風向的相關(guān)性則不明顯，說明風速對空氣質(zhì)量的影響很復雜.而且每種氣象要素與空氣質(zhì)量的相關(guān)性從2007年到2008年都是逐年減小的，即單一要素影響空氣質(zhì)量的比例越來越小.

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