關中區(qū)域主要大氣污染物時空分布特征分析

王紅軍，何曉嬡，蘇 靜，馬耀絨

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣候中心，西安 710014； 3.陜西省大氣探測中心，西安 710014；4.渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

21世紀以來，我國城市化進程加快，污染日趨嚴重[1]，嚴重影響人們的身心健康。目前，我國的空氣污染問題已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域化特征，區(qū)域內和區(qū)域間的傳輸也成為治理的重要難題之一[2]。國內對于單個城市或局部區(qū)域大氣污染物時空變化特征的研究比較多，但對區(qū)域性和較大范圍大氣污染物時空變化特征的研究比較少。胡琳[3]等分析了1998—2006年西安市區(qū)PM10污染物質量濃度的特征及與氣象要素之間的關系，發(fā)現(xiàn)PM10平均質量濃度冬季較大、夏季較小，其變化與降水、風速呈顯著負相關，取暖期污染物排放增加是影響PM10質量濃度的重要因素。曹梅[4]等分析了SO2、NO2、PM10等3種主要污染物不同時間尺度的變化規(guī)律，認為2006—2015年西安市SO2年平均質量濃度呈緩慢下降趨勢，NO2和PM10年平均質量濃度呈逐年緩慢上升的趨勢。寧海文[5]等分析了西安市SO2、NO2和PM10時空分布特征及其與氣象條件的關系，表明1998—2003年西安市主要污染物質量濃度逐年遞減，空氣質量得到逐步改善。張麗華[6]等分析得出2013年1月1日—4月26日西安市PM2.5的濃度呈現(xiàn)冬季高、春季低的特點，并且從西到東遞減。胡江波[7]等分析了漢中市空氣質量與氣象條件之間的關系，發(fā)現(xiàn)2015年漢中市空氣質量指數(shù)和空氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5及CO質量濃度變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為夏季最低，冬季最高。杜怡心[8]等統(tǒng)計評價了2016年西安市氣象條件較2015年對大氣污染的影響情況。近年來，隨著大氣污染治理措施的不斷落實和管理政策的進一步趨嚴，以及風能、太陽能等清潔能源的開發(fā)利用，煤炭消費逐年造成的SO2和NOX的排放減少，但城市化的發(fā)展和汽車保有量的增加，施工揚塵、交通揚塵、汽車尾氣等排放量不斷增大，又會造成顆粒物和NOX排放增加，大氣污染出現(xiàn)新的特征。王海鯤和郝吉明等的研究表明，在北京、上海、廣州等大城市，機動車排放已經(jīng)成為城市的第一大污染源[9-10]。本文試圖通過分析關中區(qū)域重點城市近年來主要大氣污染物時間變化特征和區(qū)域分布特征，為政府開展區(qū)域大氣環(huán)境治理和推進聯(lián)防聯(lián)控提供科學依據(jù)。

1 資料來源及分析方法

利用2014—2018年《陜西省(生態(tài))環(huán)境狀況公報》和陜西省環(huán)境監(jiān)測站關中區(qū)域西安、咸陽、渭南、銅川、寶雞五市主要大氣污染物PM2.5、PM10、SO2和NO2逐日平均質量濃度，采用常規(guī)統(tǒng)計方法計算分析其時間變化特征和區(qū)域分布特征。

根據(jù)《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)，將空氣污染指數(shù)劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六檔，對應空氣質量狀況為一級優(yōu)、二級良、三級輕度污染、四級中度污染、五級重度污染和六級嚴重污染，分析2014—2018年中度及以上污染日數(shù)特征。

2 主要大氣污染物質量濃度時間變化特征

利用關中區(qū)域五個主要城市近5年主要大氣污染物年和月平均質量濃度，分別分析關中區(qū)域以及各主要城市環(huán)境空氣質量的年際變化和月變化特征。

2.1 年際變化特征

2.1.1 關中區(qū)域 從表1可以看出：近5年關中區(qū)域顆粒物PM2.5和PM10質量濃度呈明顯的下降趨勢，2014—2015年有所下降，2016年略有增加，2017—2018年顯著下降；年均質量濃度占標率由204.3%和187.4%下降到142.7%和131.0%，平均每年下降5.4 μg/m3和9.9 μg/m3。SO2年均質量濃度逐年下降顯著，年均質量濃度占標率由50.8%下降到22.8%，平均每年下降4.2 μg/m3。NO2年均質量濃度呈逐年上升趨勢，年均質量濃度占標率由95.5%上升到107.6%，年均增長1.2 μg/m3，2016—2018年NO2年均質量濃度均超過國家空氣質量二級標準，其中2017年超標達22.5%?？梢姡S著近年來大氣環(huán)境治理的推進，除了因汽車保有量的逐年快速增加，NO2年均質量濃度有所增加外，關中區(qū)域大氣環(huán)境質量總體在不斷改善。

表1 2014—2018年關中區(qū)域主要大氣污染物平均質量濃度年際變化

2.1.2 各主要城市 從圖1可看出：各主要城市顆粒物PM10和PM2.5年平均質量濃度呈下降趨勢，西部的寶雞和中北部的銅川下降更為明顯，而中部的西安和咸陽、以及東部的渭南2016年有所升高，隨后開始下降；各市SO2年均質量濃度逐年下降趨勢較為顯著，寶雞明顯低于其它4個城市；西安、咸陽和渭南NO2年均質量濃度呈逐年上升趨勢，其中2017年最高，寶雞和銅川相對較低且變化趨勢不明顯?？梢姡P中區(qū)域中部和東部主要大氣污染物質量濃度較西部和北部明顯偏高，尤其是2016年以后顆粒物和NO2質量濃度偏高更為明顯，這可能與城市化發(fā)展有關。

圖1 2014—2018年關中五個城市主要大氣污染物平均質量濃度年變化

2.2 月變化特征

2.2.1 關中區(qū)域 從圖2可知：PM10、PM2.5各月變化顯著，SO2、NO2各月變化幅度相對較小，4—10月尤其是夏季6—9月空氣質量狀況明顯較好，7月最好；11月至次年3月采暖期空氣污染較為突出，其中1月環(huán)境空氣質量最差，其次是2月。可見，4—10月特別是夏季太陽輻射強烈，大氣對流和湍流旺盛，降水量大，降水日數(shù)相對較多，有利于大氣污染物的擴散和稀釋，空氣質量明顯較好；采暖期大氣層結相對穩(wěn)定，對流和湍流較弱，且降水較少，不利于大氣污染物的擴散和稀釋，加之采暖造成污染排放大，空氣質量明顯較差。

圖2 2014—2018年關中區(qū)域主要大氣污染物平均質量濃度月變化

2.2.2 各主要城市 從圖3可看出：關中五市PM2.5質量濃度4—10月較低，尤其是6—9月；采暖期明顯較高，其中1月最高，其次是12月。從城市比較來看，咸陽各月基本最高，采暖期PM2.5污染尤其明顯，其次是西安，渭南第三，銅川最低，PM10質量濃度6—9月較低，采暖期明顯較高，其中1月最高，其次是12月。從城市比較來看，全年西安、咸陽、渭南明顯高于寶雞和銅川，其中12月至次年4月西安最高，5—11月咸陽最高，6—9月寶雞最低，其余月份銅川最低。SO2質量濃度4—10月較低，采暖期明顯較高，其中1月最高，其次是2月。從城市比較來看，全年銅川、渭南、西安、咸陽明顯高于寶雞，其中10月—次年3月銅川明顯偏高，4—9月咸陽最高，渭南次之，全年寶雞相對較低。NO2質量濃度5—10月較低，7月和8月偏低明顯，采暖期明顯較高，其中12月最高，其次是1月，從城市比較來看，全年西安、渭南、咸陽明顯高于寶雞和銅川，全年西安明顯最高，11月—次年2月渭南高于咸陽居第二，其余月份渭南高于咸陽，除11月寶雞略高于銅川外，其余月份均以銅川為最低?？梢姡?年關中區(qū)域6—9月空氣質量較好，采暖期主要大氣污染物質量濃度明顯較高，從區(qū)域來看，中部的咸陽和西安、以及東部的渭南空氣質量相對較差，西部的寶雞和北部的銅川相對較好。

圖3 2014—2018年關中五個城市主要大氣污染物質量濃度月變化

3 主要大氣污染物質量濃度空間分布特征

3.1 平均質量濃度空間分布

從表2可看出：關中五市近5年顆粒物PM2.5和PM10質量濃度均超過國家二級標準，其中PM2.5質量濃度以咸陽為最高，占標率達200.3%，西安略高于渭南，銅川最低；PM10質量濃度西安略高于咸陽，渭南第三，銅川最低。SO2年平均質量濃度均明顯低于國家二級標準，其中銅川最高，其次是渭南，咸陽略高于西安，寶雞明顯較低；西安、咸陽和渭南NO2年平均質量濃度均超過國家二級標準，西安最大占標率達125.8%，渭南略高于咸陽，寶雞略高于銅川。

關中中部PM2.5質量濃度明顯最高，其次是關中東南部，東北部和西部明顯較低；PM10質量濃度以關中中南部最高，其次是東南部，北部和西部相對較低；SO2質量濃度以關中北部為最高，其次是中部和東南部，西部明顯較低；NO2質量濃度以中南部為最高，北部和西部相對較低?？傮w來看，關中區(qū)域近5年以顆粒物PM2.5和PM10為主要污染物，年均值均超標，SO2質量濃度相對較低。從區(qū)域分布看，中部環(huán)境空氣質量最差，其中PM2.5和PM10及NO2質量濃度明顯較高，東部次之，北部最好，表明城市化水平越高大氣環(huán)境質量越差。

表2 2014—2018年關中五個城市主要大氣污染物平均質量濃度和國家二級標準濃度 單位：μg/m3

3.2 中度及以上污染日數(shù)空間分布

依據(jù)空氣質量指數(shù)(AQI)級別劃分標準，對關中五個城市AQI進行分級，得到2014—2018年中度及以上污染日數(shù)(見表3)。從表3可看出：近5年咸陽中度以上污染日數(shù)明顯較多，年均75.4 d，約占全年的20.7%，其次為西安的64.6 d，渭南居第三，銅川最少為36.2 d；咸陽、渭南和西安中度以上污染日數(shù)呈逐年增加趨勢，咸陽增加趨勢最為顯著，而寶雞和銅川呈逐年減少趨勢。

表3 2014—2018年關中五個城市中度及以上污染日數(shù)統(tǒng)計 單位：d

4 結論

(1)近5年關中區(qū)域PM10、PM2.5和SO2年平均質量濃度呈逐年下降趨勢，尤其是西部的寶雞和中北部的銅川PM10和PM2.5質量濃度下降更為明顯；西安、咸陽和渭南NO2年均質量濃度呈逐年上升趨勢，寶雞和銅川相對較低且變化趨勢不明顯。除NO2年均質量濃度有所增加外，關中區(qū)域大氣環(huán)境質量總體在不斷改善。

(2)近5年關中區(qū)域4—10月尤其是夏季6—9月空氣質量狀況明顯較好，7月最好；采暖期空氣污染較為嚴重，其中1月環(huán)境空氣質量最差，其次是2月。從區(qū)域比較來看，全年中部的咸陽、西安以及東部的渭南空氣質量相對較差，西部的寶雞和北部的銅川相對較好，采暖期區(qū)域差異尤為顯著。

(3)關中區(qū)域近5年以PM2.5和PM10為主要污染物，年均質量值均超標，SO2質量濃度相對較低；從區(qū)域分布來看，中部環(huán)境空氣質量最差，其中PM2.5、PM10及NO2質量濃度明顯較高，東部次之，北部和西部相對較好，表明城市化水平越高大氣環(huán)境質量越差。

(4)近5年咸陽中度以上污染日數(shù)明顯較多，約占全年的20.7%，其次為西安，渭南居第三，銅川最少。從變化趨勢來看，咸陽、西安和渭南中度以上污染日數(shù)呈逐年增加趨勢，咸陽增加趨勢最為顯著，而寶雞和銅川呈逐年減少趨勢。