2014—2017年西安市PM2.5污染特征及影響因子

黃 蕾，畢 旭，楊曉春，翟 園，金麗娜，高宇星

(陜西省西安市氣象臺(tái)，陜西 西安 710016)

引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染問題與日俱增。多種大氣污染物中，直徑小于等于2.5 μm的PM2.5由于粒徑小，可以深入到人體細(xì)支氣管和肺泡的位置，且?guī)в写罅康挠卸?、有害物質(zhì)，在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境的影響更大[1]；同時(shí), PM2.5也是造成城市大氣能見度下降的主要原因之一[2]，因此PM2.5污染更受公眾關(guān)注。2012年2月，國(guó)家環(huán)境保護(hù)部與國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的《環(huán)境環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[3]增設(shè)了PM2.5質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。近年來，我國(guó)部分中心城市常出現(xiàn)影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的PM2.5重污染情況，城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和地形因素是導(dǎo)致PM2.5嚴(yán)重污染的重要原因[4]，且PM2.5在城區(qū)和郊區(qū)的分布存在差異，其質(zhì)量濃度變化具有明顯的日、月和季節(jié)特征[5-6]，同時(shí)氣象條件對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的變化有不同影響[6-8]。

西安位于關(guān)中腹部，介于陜北高原與秦嶺山地之間，為東寬西窄的喇叭口地形，其特殊地形使得西安大氣污染物自然擴(kuò)散能力較弱，西安常年平均風(fēng)速較小，2005—2013年年平均風(fēng)速為2.5 m·s-1，近年來西安風(fēng)速逐漸減小，2014及2015年平均風(fēng)速為2.3 m·s-1，2017年僅為2.1 m·s-1，這使得西安大氣擴(kuò)散能力變差。過去10 a西安經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車尾氣、建筑施工、冬季取暖燒煤等排放的有害物質(zhì)明顯增多且難以擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣污染越發(fā)嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5為西安大氣污染期間的主要污染物，在大氣重污染與無污染期間氣象要素差異明顯，氣溫、風(fēng)速、降水及冷空氣強(qiáng)度對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響明顯，穩(wěn)定的大氣層結(jié)、地面低風(fēng)速及高相對(duì)濕度有利于污染天氣持續(xù)；弱降水對(duì)污染物的濕沉降作用不明顯，反而加劇空氣污染[9-13]，同時(shí)關(guān)中喇叭口地形以及關(guān)中東部持續(xù)的強(qiáng)東風(fēng)使得西安本地污染疊加傳輸污染累積加強(qiáng)[14]。

近年來西安持續(xù)的城市化發(fā)展，導(dǎo)致污染日益加重。由于2013年以前西安PM2.5監(jiān)測(cè)資料缺失，本文利用2014—2017年P(guān)M2.5監(jiān)測(cè)資料及地面氣象要素觀測(cè)資料，對(duì)西安市近幾年P(guān)M2.5污染特征進(jìn)行分析，并探討PM2.5污染狀況及其與氣象要素的關(guān)系，以期為西安大氣污染防治政策提供一定參考。

1 資 料

采用2014—2017年西安市涇河國(guó)家基本氣象站的逐日平均氣溫、相對(duì)濕度、降水、平均風(fēng)速等觀測(cè)資料；2014—2017年西安市PM2.5日平均質(zhì)量濃度資料，取自中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，用于分析西安市PM2.5質(zhì)量濃度的年變化特征；2017年分站點(diǎn)的PM2.5逐時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自西安市環(huán)境保護(hù)局設(shè)置在市內(nèi)和郊區(qū)的13個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)國(guó)控點(diǎn)，用于分析西安地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布差異及日變化特征。西安市涇河氣象站與環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站位置見圖1。

圖1 西安市涇河氣象站及13個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置Fig.1 The location of the Jinghe meteorological station and 13 environmental monitoring stations in Xi’an

2 結(jié)果分析

2.1 PM2.5質(zhì)量濃度的年際和月際變化

從西安市PM2.5質(zhì)量濃度的年平均變化(圖2)可以看出，2014—2017年期間，年均PM2.5質(zhì)量濃度都較高，且均超過GB3095—2012中的二級(jí)要求(35 μg·m-3)。其中2014年年均值為75 μg·m-3，2015年明顯下降至57.9 μg·m-3，2016年又回升至71.4 μg·m-3，2017年與2016年差別不大。PM2.5超標(biāo)日數(shù)的年變化與其質(zhì)量濃度趨勢(shì)相似，2014年超標(biāo)日數(shù)為298 d，2015年為260 d，2016和2017年略有增加，分別為266 d和262 d。

圖2 2014—2017年西安市PM2.5質(zhì)量濃度及其超標(biāo)日數(shù)年際變化Fig.2 Annual change of mean PM2.5 concentration and days exceeding standard of PM2.5 pollution in Xi’an during 2014-2017

從月平均PM2.5質(zhì)量濃度變化(圖3)可知，PM2.5質(zhì)量濃度在一年內(nèi)呈現(xiàn)明顯的“U”型特征，冬季較高，夏季相對(duì)較低。2014—2017年，不同年份PM2.5質(zhì)量濃度差異主要表現(xiàn)在1、2月及11、12月，2017年1月、2014年2月及2016年12月的PM2.5質(zhì)量濃度均明顯高于其他年份對(duì)應(yīng)月份，而4—10月各年相差不大。

圖3 2014—2017年西安市PM2.5平均質(zhì)量濃度月際變化Fig.3 Monthly change of mean PM2.5 concentration in Xi’an during 2014-2017

秋冬季節(jié)污染嚴(yán)重且降水較少，在假定污染源不變的情況下，大氣污染物的擴(kuò)散和清除主要依賴于冷空氣帶來的大風(fēng)和降水。為探討不同年份PM2.5污染差異的影響因素，統(tǒng)計(jì)2014—2017年1—2月、11—12月平均風(fēng)速及冷空氣活動(dòng)情況(表1)。從表1可看出，2015年1—2月、11—12月平均風(fēng)速和48 h降溫幅度4 ℃以上的冷空氣活動(dòng)均高于其他年份，這是2015年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度較低的原因之一；而2017年1—2月、11—12月平均風(fēng)速、降水量、冷空氣活動(dòng)次數(shù)均低于其他年份，PM2.5質(zhì)量濃度最高，可見不同年份PM2.5污染狀況差異與氣象條件有一定關(guān)系。

2.2 采暖期與非采暖期PM2.5質(zhì)量濃度變化

西安市集中采暖期為每年的11月15日至次年3月15日。計(jì)算可知2014—2017年采暖期的平均PM2.5質(zhì)量濃度為106.3 μg·m-3，非采暖期則為48.7 μg·m-3，采暖期PM2.5質(zhì)量濃度是非采暖期的兩倍多。對(duì)比西安采暖期與非采暖期PM2.5質(zhì)量濃度的年變化(圖4)，可以看出，2015年采暖期與非采暖期的PM2.5質(zhì)量濃度均為最小，2017年采暖期及2014年非采暖期PM2.5質(zhì)量濃度最高，非采暖期的PM2.5質(zhì)量濃度年變化與全年特征相似。

從采暖期和非采暖期的PM2.5超標(biāo)日數(shù)及其所占全年P(guān)M2.5超標(biāo)日的百分比(圖4)可以看出，2014—2017年采暖期PM2.5超標(biāo)日數(shù)及其所占百分比均有逐年增加趨勢(shì)，而非采暖期的PM2.5超標(biāo)日數(shù)及所占百分比則逐年下降，表明西安市PM2.5污染日越來越集中在采暖期。因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注采暖期的大氣污染治理，逐步改進(jìn)傳統(tǒng)低效高耗的供熱方式，推廣清潔供熱能源的發(fā)展。

表1 2014—2017年1—2月、11—12月PM2.5質(zhì)量濃度及氣象條件統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistics of PM2.5 concentration and meteorological conditions in January，F(xiàn)ebruary，November and December during 2014-2017

圖4 2014—2017年西安市采暖期(a)和非采暖期(b)PM2.5質(zhì)量濃度及其超標(biāo)日數(shù)所占全年P(guān)M2.5超標(biāo)日的百分比變化Fig.4 The annual variation of PM2.5 concentration and the percentage of days exceeding standard of PM2.5 pollution in heating (a) and non-heating (b) seasons during 2014-2017

2.3 PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布

雖然大氣污染有明顯的區(qū)域化特征，但不同站點(diǎn)間的PM2.5質(zhì)量濃度仍存在一定差異，這與城區(qū)郊區(qū)布局、地理及氣象條件均有一定關(guān)系，利用西安地區(qū)13個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)國(guó)控點(diǎn)2017年1月1日至12月31日的實(shí)況監(jiān)測(cè)資料分析西安市PM2.5質(zhì)量濃度的空間分布特征。

圖5為2017年西安市年及四季的PM2.5質(zhì)量濃度空間分布。整體來看，工業(yè)聚集區(qū)(經(jīng)開區(qū)、高壓開關(guān)廠、閻良區(qū))PM2.5質(zhì)量濃度高于生態(tài)旅游區(qū)(臨潼、長(zhǎng)安、廣運(yùn)潭)，其中經(jīng)開區(qū)、閻良區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度整年均處于相對(duì)較高水平，而以旅游業(yè)為主導(dǎo)的臨潼區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度則一直維持較低水平，說明工業(yè)污染對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)較大，也說明即使PM2.5污染有明顯的區(qū)域化特征，各地不同的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)PM2.5污染狀況仍有比較明顯的影響。夏季西安各地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度差異相對(duì)較小，最高值與最低值相差10 μg·m-3左右，春秋季最高值與最低值相差17 μg·m-3左右，冬季各地區(qū)差異明顯較大，最高值與最低值相差達(dá)35 μg·m-3。這與大氣擴(kuò)散條件有關(guān)，夏季近地面層大氣湍流混合活動(dòng)頻繁，污染物易分散稀釋；冬季近地面大氣長(zhǎng)期維持靜穩(wěn)狀態(tài)，不利于污染物的擴(kuò)散輸送，這樣不同區(qū)域的PM2.5質(zhì)量濃度差異就更為明顯。值得注意的是，冬季除經(jīng)開區(qū)、高壓開關(guān)廠外，曲江PM2.5質(zhì)量濃度也較高，這與曲江作為城市發(fā)展新區(qū)，土地開發(fā)強(qiáng)度較高有一定關(guān)系，地面揚(yáng)塵、建筑揚(yáng)塵對(duì)PM2.5污染也有一定貢獻(xiàn)。

圖5 2017年西安市年(a)及春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)季PM2.5質(zhì)量濃度(單位: μg·m-3)空間分布Fig.5 The spatial distribution of annual PM2.5 concentration (a) and PM2.5 concentration in spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e) in Xi’an in 2017

2.4 PM2.5質(zhì)量濃度日變化

圖6為2017年西安地區(qū)13個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站(國(guó)控站)監(jiān)測(cè)到的PM2.5質(zhì)量濃度日變化，其中紅線為13站平均。整體來看，PM2.5質(zhì)量濃度存在明顯的日變化，其晝夜變化呈升高、降低再升高的趨勢(shì)，10:00—12:00(北京時(shí)，下同)、23:00—02:00為相對(duì)高值期，16:00—18:00達(dá)到最低值。相對(duì)來說，白天變化較劇烈，夜間較為平緩。這是由于早晨到午間，人類活動(dòng)增加使得PM2.5排放增加，且西安的盆地地形導(dǎo)致其大氣污染物自然擴(kuò)散能力較弱，不利于顆粒物擴(kuò)散；午后地面接受太陽(yáng)輻射升溫顯著，近地面湍流得以發(fā)展，上下層空氣動(dòng)量交換加強(qiáng)，近地面PM2.5質(zhì)量濃度逐漸減??；而夜間地面因輻射冷卻降溫，與地面接近的氣層冷卻降溫最強(qiáng)烈，上層空氣冷卻降溫緩慢，低層大氣容易形成逆溫，污染物無法擴(kuò)散，污染加重。

值得注意的是經(jīng)開區(qū)、高壓開關(guān)廠、高新西區(qū)這些位于工業(yè)聚集區(qū)的站點(diǎn)在02:00—07:00有一高峰值，同時(shí)這幾個(gè)站點(diǎn)的年平均PM2.5質(zhì)量濃度也相對(duì)較高；而位于生態(tài)旅游區(qū)的站點(diǎn)如臨潼、廣運(yùn)潭、長(zhǎng)安、興慶小區(qū)對(duì)應(yīng)時(shí)間段則為低谷期，相應(yīng)地這些站點(diǎn)年均PM2.5質(zhì)量濃度也相對(duì)較低。13個(gè)站點(diǎn)的PM2.5質(zhì)量濃度白天變化相差不大，夜間差距較大，表明不同區(qū)域的PM2.5污染差異主要在夜間，這也與大氣擴(kuò)散條件有關(guān)，夜間近地面層容易形成逆溫層，不利于污染物的擴(kuò)散輸送，這樣不同區(qū)域的PM2.5質(zhì)量濃度差異就更為明顯。

圖6 2017年西安市PM2.5質(zhì)量濃度日變化Fig.6 Diurnal variation of PM2.5 concentration in Xi’an in 2017

2.5 氣象要素對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響

氣象條件對(duì)空氣污染有一定影響[15-21]，選取涇河站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)代表西安氣象要素特征，表2列出2014—2017年涇河氣象站各氣象因子與西安市PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系(表2)?？偟膩砜矗瑲鉁?、風(fēng)速、降水量與PM2.5質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，而相對(duì)濕度則為正相關(guān)，但降水、濕度與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性不明顯。不同季節(jié)各氣象要素與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性不同，氣溫在春、秋兩季與PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于春、秋兩季，溫度越高時(shí)，大氣相對(duì)濕度較低，不利于污染物的吸濕增長(zhǎng)，同時(shí)氣溫較高代表近地面層大氣湍流混合活動(dòng)越頻繁，污染物更易分散稀釋；而在夏季，高溫日往往代表著無降水日，沒有降水的清除作用，PM2.5質(zhì)量濃度則相對(duì)高，所以夏季氣溫與PM2.5含量呈正相關(guān)；冬季冷空氣的活動(dòng)是影響大氣污染物累積和消散的主要?dú)庀髼l件之一，冬季氣溫越高代表冷空氣活動(dòng)較弱甚至無冷空氣影響，大氣污染物易積聚在本地，故冬季氣溫與PM2.5質(zhì)量濃度呈弱的正相關(guān)。相對(duì)濕度在春、秋兩季與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性不明顯，而在夏季呈明顯負(fù)相關(guān)，冬季則呈明顯正相關(guān)，這是由于夏季作為西安主要的雨季，高濕度往往代表著降水日，降水的清除作用使PM2.5質(zhì)量濃度降低；而在冬季降水較少，濕度較高有利于細(xì)顆粒污染物吸濕增長(zhǎng)，故相對(duì)濕度與PM2.5質(zhì)量濃度呈明顯正相關(guān)。風(fēng)對(duì)大氣污染物的稀釋和清除作用較明顯，全年均與PM2.5質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，尤其在秋冬兩季，高風(fēng)速有利于大氣污染物的擴(kuò)散稀釋。眾所周知，降水對(duì)大氣污染物有清除作用，但在西安冬季，降水與PM2.5質(zhì)量濃度呈弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于冬季的降水過程往往較弱，弱降水天氣情形下氣象條件不利于擴(kuò)散，而弱降水的濕沉降清除作用較弱，前者作用大于后者，此時(shí)對(duì)應(yīng)較重的空氣污染。

表2 2014—2017年西安市PM2.5平均質(zhì)量濃度與涇河站各氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.2 The correlation coefficients between PM2.5 concentration and local surface meteorological elements in Xi’an during 2014-2017

注: *表示通過0.01的顯著性檢驗(yàn)

為了解風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)西安空氣污染的影響，進(jìn)一步分析2014—2017年涇河站不同風(fēng)向出現(xiàn)頻率及各方向污染系數(shù)(表3)。污染系數(shù)是該地區(qū)某一方位風(fēng)向頻率與該方向平均風(fēng)速的比值，可定量地說明該方位下風(fēng)方向空氣污染程度，對(duì)城市工業(yè)廠址選擇是一項(xiàng)重要參考，污染系數(shù)越大說明將高污染工廠設(shè)在該方位的上風(fēng)向時(shí)，對(duì)研究區(qū)的影響程度越大[22-23]。

從表3中可知，西安主要盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)及相鄰風(fēng)向(北東北、東東北)，出現(xiàn)頻率為32%；西安地區(qū)北東北及東北方向污染系數(shù)較大，分別為0.061及0.056。而東南及東東南方向染系數(shù)較小，均在0.015以下。說明在西安地區(qū)東北及相鄰方向上建設(shè)高污染工廠，西安出現(xiàn)空氣污染的概率較高。同時(shí)統(tǒng)計(jì)可得，西安地區(qū)靜風(fēng)出現(xiàn)頻率為14%，靜風(fēng)條件下出現(xiàn)重度及以上污染的概率為87%。

表3 2014—2017年涇河站不同風(fēng)向出現(xiàn)頻率及污染系數(shù)Tab.3 Frequency and pollution coefficients of each wind direction at Jinghe station during 2014-2017

2012年發(fā)布的新環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3]中規(guī)定了定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)——空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，簡(jiǎn)稱“AQI”)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可利用各項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)濃度值計(jì)算空氣質(zhì)量分指數(shù)(individual air quality index，簡(jiǎn)稱“IAQI”)，用來描述不同污染物的污染狀況。利用2014—2017年P(guān)M2.5日平均質(zhì)量濃度計(jì)算其IAQI，對(duì)照AQI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定PM2.5空氣質(zhì)量級(jí)別并統(tǒng)計(jì)分析不同等級(jí)PM2.5污染日各氣象要素的變化特征。

表4為2014—2017年各等級(jí)PM2.5污染日的氣象參數(shù)均值及范圍?？梢钥闯龅蜏馗邼?、小風(fēng)速及無降水日出現(xiàn)PM2.5污染的可能性較高，西安出現(xiàn)嚴(yán)重PM2.5污染時(shí)日均氣溫在0.1～11.8 ℃，相對(duì)濕度為50%～80%，日均風(fēng)速在0.9～2.1 m·s-1，這對(duì)西安PM2.5污染的城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

表4 2014—2017年各等級(jí)PM2.5污染日的氣象參數(shù)均值及范圍Tab.4 Mean value and range of each meteorological parameter on pollutant days of PM2.5 with different pollution levels in Xi’an during 2014-2017

3 結(jié) 論

(1)2014—2017年西安年均PM2.5質(zhì)量濃度都超過GB3095—2012的二級(jí)要求。其中2015年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度相對(duì)較低，其他年份均在70 μg·m-3以上。2014—2017年西安PM2.5超標(biāo)日數(shù)的年變化與其質(zhì)量濃度趨勢(shì)相似。PM2.5質(zhì)量濃度全年呈現(xiàn)出明顯的“U”型特征，冬季PM2.5質(zhì)量濃度較高，夏季相對(duì)好轉(zhuǎn)。PM2.5污染狀況差異與氣象條件有關(guān)，2017年1、2月及11、12月平均風(fēng)速、降水量、冷空氣活動(dòng)次數(shù)均低于其他年份，PM2.5質(zhì)量濃度相對(duì)最高，而2015年同時(shí)段平均風(fēng)速和冷空氣活動(dòng)次數(shù)較高，PM2.5質(zhì)量濃度較低。供暖期PM2.5超標(biāo)日數(shù)及其所占百分比均有逐年增加趨勢(shì)，非供暖期則有逐年下降趨勢(shì)。

(2)西安市工業(yè)聚集區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度高于生態(tài)旅游區(qū)，其中以旅游業(yè)為主導(dǎo)的臨潼區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度為全市最低。由于大氣擴(kuò)散條件的差異，夏季各地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度差異相對(duì)較小，冬季則差異較大。

(3)西安PM2.5質(zhì)量濃度晝夜變化規(guī)律為升高、降低再升高的“M”型趨勢(shì)。

(4)西安主要盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)及相鄰風(fēng)向(北東北、東東北)，北東北及東北方向污染系數(shù)較高，而東南及東東南污染系數(shù)較小。

(5)不同季節(jié)各氣象要素與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性不同，春、秋季氣溫與PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，而夏、冬季則呈正相關(guān)；風(fēng)對(duì)大氣污染物的稀釋和清除作用較明顯，四季的風(fēng)速均與PM2.5質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)；冬季相對(duì)濕度與PM2.5質(zhì)量濃度呈明顯正相關(guān)。低溫高濕、小風(fēng)速及無降水日出現(xiàn)高等級(jí)PM2.5污染的可能性較高。