大氣污染特征及相關氣象因素分析
——以2020 年秦巴山區(qū)安康市為例

張淑蘭，方麗霞，王正榮，張海軍，朱 妮

（1. 安康學院 陜西省科協(xié)院士專家工作站，陜西 安康 725000；2. 安康市生態(tài)環(huán)境局，陜西 安康 725000）

隨著社會經濟的快速發(fā)展以及生活水平的日益提高，人們對城市生態(tài)環(huán)境的質量要求也明顯提升，特別是優(yōu)質的空氣質量。以往有關空氣質量或大氣污染方面的研究更多地關注于發(fā)達的城市群或重點城市[1-5]，而對于欠發(fā)達地區(qū)或中小型城市的報道不多；然而，近些年地方經濟的快速發(fā)展，很多中小型城市的空氣質量也相繼出現(xiàn)較多的污染超標現(xiàn)象[6-10]。位于秦巴山區(qū)的安康市，是秦巴深處典型的中小型城市。近些年，城市新區(qū)的開發(fā)、機場的建成和9 縣1 市高速公路的普及使得該市的基礎建設及交通設施得到極大的改善；同時，汽車數(shù)量的劇增、全域旅游的開發(fā)及工農業(yè)的發(fā)展，這些使得該市的交通與環(huán)境發(fā)生了顯著變化，特別是近些年空氣質量出現(xiàn)重度、嚴重污染情況。因此，本研究對該地區(qū)大氣污染的時空變化特征及氣象影響因素進行了分析、探討，以期為秦巴山區(qū)城市生態(tài)環(huán)境建設和社會經濟協(xié)調發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安康市位于陜西省東南部，地處秦嶺和巴山之間，屬于河谷盆地，總面積23 534.5 km2。氣候濕潤，雨水豐富，四季分明，夏季高溫多雨并多伴有伏旱，冬季寒冷少雨，屬北亞熱帶季風氣候；年平均降雨量930 mm，主要集中在6～9 月；年平均氣溫在15～17 ℃之間，高溫天氣主要集中在5～7 月；無霜期年平均長達253 d。該地區(qū)屬于南北過渡帶山地區(qū)，其環(huán)境具有高度的復雜性、多樣性和異質性；同時該市位于南水北調中線水源地，基本無大型的工業(yè)企業(yè)。市區(qū)被漢江分割為2 個區(qū)，漢江南岸的漢濱區(qū)，屬于老城區(qū)，人口稠密，交通道路狹窄，綠地面積較少；漢江北岸大多屬于國家高新開發(fā)區(qū)，人口較少，并進行了大量的開發(fā)建設，綠地面積和濕地相對較多；同時，安康市周邊具有森林覆蓋率較高的香溪洞風景區(qū)，屬于省4A 級景區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

安康市共有3 個大氣監(jiān)測點，見圖1。香溪洞測點位于市周邊香溪洞風景區(qū)（森林覆蓋率80%）、檢察院測點位于安康市高新開發(fā)區(qū)、解放路測點位于安康市漢濱區(qū)（老城區(qū)）。研究數(shù)據(jù)來源于網絡平臺(http://www.tianqihoubao.com/aqi/ankang.html)，收集了2020 年1 月1 日～12 月31 日安康市3 個大氣監(jiān)測點（香溪洞、檢察院和解放路）的數(shù)據(jù)，包括逐日空氣質量指數(shù)AQI 值，以及6 種污染物PM2.5、PM10、NO2、O3、SO2和 CO 的質量濃度資料，并參考《環(huán)境空氣質量標準：GB3095—2012》《環(huán)境空氣質量指數(shù)( AQI) 技術規(guī)定》進行周、月、季不同時間尺度的統(tǒng)計分析[1]，其中季節(jié)劃分為春（3～5 月）、夏（6～8 月）、秋（9～11 月）、冬（12～2 月）。

圖1 安康市3 個大氣監(jiān)測點示意圖

通過中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網（http: //cdc.cma.gov.cn)，獲取了有關2020 年的降水、風速及風向等地面氣象觀測數(shù)據(jù)，并對氣象因素劃分不同等級范圍進而深入分析各氣象因素對大氣污染物作用。

3 結果與分析

3.1 安康市大氣污染總體概述

安康市3 個站點的平均AQI 值為52.4±24.5，范圍為19～180，各站點大小依次為：解放路（59.2）＞檢察院（58.6）＞香溪洞（55.5）；空氣為優(yōu)的平均比例為43.2%，良為51.5%，輕度、中度污染為4.8%；冬季污染最為嚴重，以輕度污染為主。以香溪洞空氣質量為優(yōu)的天數(shù)最多，共167 d；其次是解放路，共144 d；最后是檢察院，共132 d。3 個站點的PM2.5日均濃度為（31.1±21.0） μg/m3，變化范圍為 2.0～133.0 μg/m3；PM10日均濃度為（53.0±27.5） μg/m3，變化范圍為7.0～164.0 μg/m3；SO2的日均濃度為（8.3±3.7） μg/m3，變化范圍為3.0～21.0 μg/m3；NO2的日均濃度（18.4±9.1）μg/m3，變化范圍為4～51 μg/m3，CO 的日均濃度為（0.6±0.2） mg/m3，變化范圍為0.25～1.53 mg/m3，O3的日均濃度為（43.5±19.4） μg/m3，變化范圍為5.0～112.0 μg/m3（圖1）。因此，從大氣污染物的變化范圍看，安康市的SO2和CO 無超標情況；而對于其他污染物來說，依據(jù)我國GB3095—2012，按日平均濃度標準統(tǒng)計各污染物的超標天數(shù)，超過一級空氣質量標準天數(shù)最多的是PM10，為175 d，其次是PM2.5，為127 d，第三是O3，為68 d，最后是NO2，為10 d；而超過二級標準最多是PM2.5，為21 d，其次是O3，為3d ，最后是PM10，為2 d。由此可見，安康市主要的大氣污染物是PM2.5、PM10和O3。

3.2 不同監(jiān)測點首要污染物的季節(jié)分布特征

安康市的首要污染物主要是PM2.5、PM10和O3；冬季的首要污染物為PM2.5和PM10，且以PM2.5為主；春、秋季的首要污染物為PM2.5、PM10和O3，以PM10和O3為主；夏季的首要污染物基本為PM10和O3，以O3為主，見表1。

表1 安康市不同監(jiān)測點首要污染物的季節(jié)分布d

從不同監(jiān)測點看，首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)在3 個監(jiān)測點存在明顯差異，香溪洞的首要污染物出現(xiàn)天數(shù)依次為：O3（80 d）＞PM2.5（72 d）＞PM10（30 d）；檢察院的依次為：PM2.5（86 d）＞PM10（68 d）＞O3（58 d）；解放路的依次為：PM2.5（86 d）＞O3（67 d）＞PM10（61 d）。從不同季節(jié)看，不同監(jiān)測點的首要污染物情況也不同，春秋季節(jié)香溪洞O3為首要污染物的天數(shù)明顯多于檢察院和解放路，而PM10為首要污染物的天數(shù)則明顯少于檢察院和解放路；冬季香溪洞出現(xiàn)PM2.5和PM10的天數(shù)明顯少于檢察院和解放路；夏季3 個監(jiān)測點的首要污染物以O3為主且天數(shù)差異不大，香溪洞未出現(xiàn)首要污染物PM10，而檢察院和解放路有少許天數(shù)出現(xiàn)PM10為首要污染物。

3.3 主要污染物時空分布特征

安康市的大氣污染濃度變化具有明顯的季節(jié)特征，見圖2。

圖2 安康市不同地區(qū)監(jiān)測點污染物季節(jié)分布特征

PM10和PM2.5的濃度季節(jié)變化具有一致性，均為冬季＞春季＞秋季＞夏季，而O3的濃度則為春季＞夏季＞秋季＞冬季。從不同區(qū)域監(jiān)測點看，香溪洞的PM10和PM2.5的濃度四季均最低，春、夏季檢察院略高于解放路，而秋冬季解放路略高于檢察院；對O3濃度的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)香溪洞在春、秋和冬季明顯高于檢察院和解放路，而后兩者在此3 個季節(jié)差異不明顯（P＜0.05），夏季3 個監(jiān)測點的O3濃度幾乎相同（P＜0.05）。

安康市3 個站點監(jiān)測的大氣污染物月變化趨勢均具有一致性。其中，PM2.5和PM10的平均濃度在12 月和1 月均較高且以12 月最高，而在8 月最低；因此月變化呈“V”和“U”變化。O3的月平均濃度較高值在5 月和9 月且以5 月最高，而較低值在12 月和1 月且以12 月最低，因此O3濃度的月變化類似“M”形狀。從不同站點看，香溪洞PM2.5和PM10的各月平均濃度均明顯低于其他2 個站點，而O3的各月平均濃度均明顯高于其他2 個站點；其他2 個站點3 種大氣污染物的各月平均濃度差異不大；其中，自8～12 月及1 月期間PM2.5和PM10的月平均濃度是解放路略高于檢察院，而其他月份則表現(xiàn)出解放路略低于檢察院，而O3的月平均濃度自3～10 月是解放路略高于檢察院，11～12 月和1～2 月則是解放路略低于檢察院，不同監(jiān)測點位污染物月變化特征情況，見圖3。

圖3 安康市不同地區(qū)監(jiān)測點污染物月分布特征

從3 個監(jiān)測點的周循環(huán)看，安康市存在一定的周末效應，PM10和PM2.5的濃度在周六、周日兩天均低于平時的，兩者的濃度自周一至周五均有所增加，說明安康市周末出行沒有平時上班期間頻繁，不同監(jiān)測點位污染物周變化特征情況，見圖4。

圖4 安康市不同地區(qū)監(jiān)測點污染物周末效應特征

3.4 氣象因素對空氣質量的影響

較多的研究表明溫度、濕度、降水、氣壓和風速等氣象因素均能對大氣污染物濃度產生影響；本文只對降水、風速和風向進行深入地探討，旨在能夠定量化分析氣象因素對各污染物質量濃度的影響。

（1）降水。按等級范圍統(tǒng)計了安康市2020 年的120 次當日降水（共811.8 mm）對大氣污染物的影響情況，見表2。

表2 安康市不同降水等級范圍對空氣質量的影響

從降水的不同等級范圍看，PM2.5、PM10及AQI 均隨著降水等級增大，其質量濃度和AQI 值呈遞減變化，說明降水越大對PM2.5和PM10的清除作用越強；而 SO2、NO2和CO 在降水等級為(0，1)到[20,40)之間，隨降水等級增大，其質量濃度呈減少趨勢，而當降水范圍為[40,61.3]則明顯增大；O3的質量濃度隨降水量增大沒有明顯的變化規(guī)律，在降水等級（0，1)至[10,20)之間，與0 降水時差異不大，但降水范圍為[20,40)時則明顯增大，在[40,61.3]時又略有所降低。

與0 降水時空氣質量和大氣污染質量濃度相比，AQI 值隨著降水增大，明顯改善21.0%～61.6%；PM2.5的質量濃度隨降水等級增大降低的比例范圍為24.4%～82.3%；PM10的質量濃度降低的比例范圍為29.1%～76.2%；而SO2、NO2和CO 的質量濃度降低的比例范圍分別為9.8%～32.6%、20.1%～53.2%和0.3%～29.0%；O3的質量濃度在降水量＞20 mm 時增大的最大比例為35.3%。

另外，安康地處北亞熱帶季風氣候區(qū)，具有較豐沛的降水，但是大多分布在夏、秋季且降水量較大，而春季大多為小雨，冬季降水很少，因此這可能是冬、春季顆粒物物濃度較高的原因。

（2）最大風速。安康市的最大風速在1.3～6.5 m/s之間，在2～3 m/s 之間的天數(shù)最多，＞4 m/s 的天數(shù)最少，僅為22 d。，AQI 值及PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 的質量濃度均隨著風速增大呈降低趨勢；特別是風速在2～3 m/s 之間時，除SO2以外其他污染物降低的幅度最大，分別為26.9%、38.6%、28.0%、30.4%和25.0%；而相對于上一級風速，風速＞3 m/s 時降低幅度明顯變小。O3受風速的影響與其他污染物正好相反，風速在2～3 m/s 之間其濃度明顯增大，變化幅度為65.2%；而當風速＞4 m/s時其濃度又略降低，風速對空氣質量影響情況，見表3。

表3 安康市日最大風速對空氣質量的影響

（3）風向。安康市的主導風向為東風、東南風、南風和西風時，空氣質量均出現(xiàn)輕度污染，其中東南風時輕度污染出現(xiàn)比例最大，正南風時出現(xiàn)嚴重污染1 次；其他主導風向時空氣質量均為優(yōu)、良等級。說明雖然安康地區(qū)的風速不大，但風向對污染仍具有一定的影響。其中，東風、東南風、南風往往受亞熱帶暖濕氣流影響，使空氣濕度變大，從而有利于大氣顆粒物吸收水分膨脹，從而加重大氣污染；而北風、東北風和西北風受北方的大陸性的干冷空氣影響則往往比較干燥，利于大氣污染物驅散，從而空氣質量較好。不同風向對空氣質量影響情況，見表4。

4 討論

安康市在氣候上屬北亞熱帶氣候，四季分明，空氣質量及主要污染物的濃度具有明顯的月、季節(jié)變化；與我國較多地方相同，冬春季大氣污染物濃度高，夏秋季降低[11-14]。然而，從周循環(huán)看，安康市存在污染物濃度降低的周末效應，這與汾渭平原、合肥市、西安市和京津冀地區(qū)等[1,12,15-16]存在明顯的周末效應具有相似性；同時，也說明近些年隨著社會經濟的發(fā)展，中小城市人們出行特點、污染排放等人類活動因素與大城市越來越相似。其次，該市位于秦巴山區(qū)，屬典型的河谷盆地，北依秦嶺，南靠巴山，漢江貫穿東西；因此，從地形地貌看，盡管安康市基本沒有大型的工業(yè)企業(yè)，但是可能由于其處于河谷地帶容易形成逆溫而不利于污染物的擴散，特別是冬春季節(jié)更明顯，且研究中也發(fā)現(xiàn)安康市全年空氣質量為良的天數(shù)比例較高，為51.5%，并具有較多的輕度污染。另外，安康市3 個監(jiān)測站對應監(jiān)測的漢濱區(qū)、高新區(qū)和香溪洞區(qū)空氣質量變化趨勢具有一致性，但可明顯看出香溪洞區(qū)的空氣質量明顯好于其他2 個區(qū)域；這主要是因為香溪洞區(qū)森林覆蓋率較高，森林對大氣污染具有吸收、消減和滯塵的作用[17]；盡管漢濱區(qū)與高新區(qū)的空氣質量變化差異不大，但是漢濱區(qū)主要是人口多、車輛多以及人們生活排放等引起的污染，而高新區(qū)更多的是因為新區(qū)建設、來往車輛較多引起的污染。

從氣象因素對各大氣污染物質量濃度的影響看，O3質量濃度與氣象因素的關系似乎總是與其他污染物相反，為此進一步對各污染物之間的相互影響關系進行了分析，見表5。

表5 安康市污染物濃度之間的相關關系

表5 可知，O3質量濃度與其他大氣污染物質量濃度呈負相關關系，這說明其他污染物濃度的降低在某種程度上可能有利于O3的形成，如PM2.5和PM10質量濃度的降低可能有利于太陽光照射，有利于NOx與O3之間的轉化；且從風對O3質量濃度的影響看，可能風通過對PM2.5和PM10的驅散作用而間接有利于O3的形成。

5 結論

（1）安康市的空氣質量優(yōu)良率較高，可達94.7%，以良的比例（51.5%）最高；首要污染物主要是PM2.5、PM10、O3及三者的混合，具有明顯的季節(jié)和空間分布差異。

（2）安康市主要大氣污染物質量濃度具有明顯的月、季節(jié)變化特征，且存在周末效應；雖然其空間差異不大，但相對于是周邊香溪洞區(qū)的空氣質量，該區(qū)的大氣質量還需要進一步加強改善。

（3）安康市大氣污染受到降水量、風速和風向各氣象因素的影響。PM2.5和PM10的質量濃度隨著降水量和風速的增大呈明顯的減??；而O3的質量濃度則隨降水量和風速增大有增大現(xiàn)象。主導風向為東風、東南風、南風和西風時，空氣質量較差；而北風、西北風時，空氣質量較好。