張文靜，孫 嫻，王 琦，胡 琳，丁 琦

（1.陜西省氣候中心，西安710014；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市不斷擴(kuò)張，城市空氣污染日益嚴(yán)重，灰霾天氣頻繁出現(xiàn)，極大的影響了大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康。有關(guān)研究表明，空氣污染程度不僅取決于污染源的數(shù)量和分布、地形的簡(jiǎn)單或復(fù)雜，更與當(dāng)時(shí)氣象條件密切相關(guān)。為了清楚的認(rèn)識(shí)各種氣象條件下的城市污染分布及污染程度，確定城市區(qū)域的大氣環(huán)境容量，本文利用2010年西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)資料及同期氣象資料，對(duì)氣象場(chǎng)影響下的城市大氣污染狀況及大氣環(huán)境容量進(jìn)行分析，以期尋求氣象與大氣污染之間的關(guān)系和變化規(guī)律，為大氣污染防治提供有價(jià)值的參考。

1 大氣環(huán)境污染分布特征

西安位于中國(guó)大陸腹地黃河流域中部的關(guān)中盆地，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量適中，四季分明，2010年降水量為504.4mm，年平均濕度為69.6%。以東北風(fēng)和西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。轄境東西204 km，南北116km；總面積9 983km2，其中市區(qū)面積1 066km2。隨著西安市城市化進(jìn)程的加快，人口的增加，基礎(chǔ)建設(shè)不斷加快，城市下墊面發(fā)生了巨大的變化，使城市的熱容量增加，能耗加大，有效蒸發(fā)減少，增溫明顯，從而導(dǎo)致城市風(fēng)速減小，大氣污染物濃度增加［1］。

1.1 資料和方法

本文所使用的2010年污染因子濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于西安市環(huán)保局，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位共5處，分別為開(kāi)關(guān)廠(chǎng)、興慶小區(qū)、紡織城、小寨、草灘。分別代表了西安市的工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、輕工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和城市邊界區(qū)，監(jiān)測(cè)因子包括SO2，NO2，PM10，數(shù)據(jù)齊全，準(zhǔn)確度高。所用地面氣象資料為2010年西安市自動(dòng)站的常規(guī)氣象觀(guān)測(cè)資料，包括每天逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、總云、低云等；高空資料采用中尺度氣象模式MM5模擬取得。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》（GB／T13201—91），本文采用箱式模型推導(dǎo)出的A—P值法中的A值法計(jì)算大氣環(huán)境容量。把城市上空的大氣層看作一個(gè)箱體，并假設(shè)污染物在此箱體混合層內(nèi)處處相等，整個(gè)城市具有相同的面源強(qiáng)度，則在控制周期T時(shí)間內(nèi)，整個(gè)箱體內(nèi)允許排放的污染物總量為［2］：

式中：Qd——某種大氣污染物的允許排放量（104t／a）；u——平均風(fēng)速（m／s）；Wr——清洗比；R——年降水量（mm／a）；ud——干沉降速度；SO2，NO2，PM10干 沉 降 速 度 分 別 取 0.003 5，0.000 7，0.004 4 m／s［3］；H——混合層平均高度（m）；Cs——相應(yīng)的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值（mg／m3）；S——區(qū)域面積（km2）。

1.2 時(shí)空分布

1.2.1 時(shí)間變化特征分析 根據(jù)國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—1996），西安市為二類(lèi)區(qū)（城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、一般工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū)），執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（日均濃度標(biāo)準(zhǔn)：SO2為0.15mg／m3，NO2為0.12mg／m3，PM10為0.15mg／m3）。2010年西安市SO2，NO2，PM10月平均濃度變化趨勢(shì)較為一致，基本呈單峰型分布，特別是SO2，PM10月平均濃度隨季節(jié)變化的規(guī)律較明顯，體現(xiàn)在冬季采暖及春季干旱、多風(fēng)沙階段濃度增大，其中PM10在11月、12月出現(xiàn)濃度超標(biāo)現(xiàn)象，成為影響西安市大氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染物（圖1）。

圖1 2010年各污染物月平均濃度變化

1.2.2 空間變化特征分析 根據(jù)西安市各環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，作出了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)要素月平均濃度分布圖（圖2）。

圖2 2010年各監(jiān)測(cè)點(diǎn)月平均濃度分布

由圖2可見(jiàn)，SO2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)呈單峰型，夏季各站點(diǎn)濃度最小，尤其以草灘站點(diǎn)濃度最?。欢杭緷舛绕?，尤以冬季明顯。NO2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)亦以夏季濃度最小，冬春季濃度變化較大；從全年的變化情況看，草灘成為全年濃度最小的站點(diǎn)，其次為興慶小區(qū)。PM10除草灘監(jiān)測(cè)點(diǎn)4月份濃度變化突兀外，其他各站點(diǎn)全年變化幅度較為一致，基本呈現(xiàn)兩頭高中間低的變化趨勢(shì)。

為了更好地解釋各空氣污染物濃度變化在各個(gè)站點(diǎn)的分布情況，本文選擇節(jié)假日和工作日進(jìn)行分析。節(jié)假日選擇有代表性的10月1—7日和春節(jié)（2月13—19日），以興慶小區(qū)和小寨為例；工作日選擇冬季和夏季，以開(kāi)關(guān)廠(chǎng)和紡織城為例。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)假日期間興慶小區(qū)和小寨SO2、PM10變化趨勢(shì)基本一致，小寨要略高于興慶小區(qū)，而NO2在小寨整體偏高，特別在十一期間異常明顯，出現(xiàn)10月6日和7日均濃度高出興慶小區(qū)2倍的現(xiàn)象。分析其原因主要與節(jié)假日期間商業(yè)區(qū)人流、車(chē)流量大，揚(yáng)塵及汽車(chē)尾氣排放有關(guān)；工作日期間冬季和夏季開(kāi)關(guān)廠(chǎng)SO2均明顯高于紡織城，這主要與開(kāi)關(guān)廠(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)周?chē)I(yè)區(qū)分布比較集中有關(guān)，冬季NO2濃度紡織城要略高于開(kāi)關(guān)廠(chǎng)，夏季趨勢(shì)不明顯，這主要與紡織城監(jiān)測(cè)點(diǎn)周?chē)植嫉拇罅枯p工業(yè)批發(fā)市場(chǎng)及客貨運(yùn)市場(chǎng)等車(chē)流集中有關(guān)，PM10冬季和夏季均為開(kāi)關(guān)廠(chǎng)高于紡織城，主要與開(kāi)關(guān)廠(chǎng)附近大量工業(yè)生產(chǎn)排放有關(guān)。

1.3 空氣污染指數(shù)

空氣污染指數(shù)是將常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物濃度簡(jiǎn)化為單一的概念性數(shù)值形式，并分級(jí)表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度，適用于表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢(shì)［4］。

空氣污染指數(shù)的確定原則：空氣質(zhì)量的好壞取決于各種污染物中危害最大的污染物的污染程度。是根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和污染物對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響來(lái)確定污染指數(shù)分級(jí)及相應(yīng)的污染物濃度限值。目前，我國(guó)所用的空氣指數(shù)分級(jí)及相應(yīng)的污染物濃度限值見(jiàn)表1。

空氣污染指數(shù)與各項(xiàng)污染物濃度的關(guān)系是分段線(xiàn)性函數(shù)，用內(nèi)插法計(jì)算各污染物的分指數(shù)In，取各項(xiàng)污染物分指數(shù)中最大者代表該區(qū)域或城市的污染指數(shù)。該指數(shù)所對(duì)應(yīng)的污染物即為該區(qū)域或城市的首要污染物［4］。本文通過(guò)計(jì)算確定PM10為西安市區(qū)首要空氣污染物。表2給出了2010年西安市空氣質(zhì)量等級(jí)狀況。

表1 空氣污染指數(shù)及相應(yīng)的污染物濃度值

表2 2010年環(huán)境空氣質(zhì)量狀況（1－12月） d

表2顯示，西安市區(qū)6—8月空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，其余各月均有不同程度的污染。特別指出，4月26日西安市空氣污染嚴(yán)重，8：00和20：00能見(jiàn)度僅為6km和12km，為嚴(yán)重污染。根據(jù)典型日定義（地面出現(xiàn)最大日均濃度）本文選擇4月25—27日作為典型日，結(jié)合該時(shí)段氣象條件對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2 大氣污染與氣象條件的關(guān)系

不同氣象條件下，同一個(gè)污染源排放所造成的空氣污染狀況可能會(huì)相差甚遠(yuǎn)，這主要是由于在不同的氣象條件下大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)污染物的稀釋、擴(kuò)散規(guī)律不同造成的。氣象條件是影響污染物擴(kuò)散的主要因子之一，包括風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、降水、太陽(yáng)輻射等。

2.1 與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系

邊界層內(nèi)氣溫的垂直分布與空氣污染有密切的關(guān)系，而大氣穩(wěn)定度是反映大氣溫度垂直分布的重要參數(shù)。當(dāng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)，熱力湍流發(fā)展旺盛，對(duì)流強(qiáng)烈，污染物易擴(kuò)散。當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)，湍流受到抑制，污染物不易擴(kuò)散稀釋?zhuān)瑢?duì)城市空氣質(zhì)量將產(chǎn)生不利影響［5］。

根據(jù)帕斯奎爾穩(wěn)定度分級(jí)法，本文計(jì)算了2010年全年逐日24：00大氣穩(wěn)定度，結(jié)果表明：西安市全年大氣以較穩(wěn)定—穩(wěn)定為主；全年強(qiáng)不穩(wěn)定時(shí)次共計(jì)122h，主要集中在中午12：00—14：00；不穩(wěn)定時(shí)次共計(jì)1 522h，主要集中在下午15：00—18：00。

圖3 2010年大氣穩(wěn)定度與污染物濃度變化情況

大氣穩(wěn)定度的頻率隨月份變化比較明顯，穩(wěn)定類(lèi)在春夏季節(jié)頻率較低，冬季頻率最高，到12月份出現(xiàn)極大值，7月份出現(xiàn)極小值；不穩(wěn)定類(lèi)在冬季頻率最低，1月份出現(xiàn)極小值，而夏季出現(xiàn)頻率最高，6月份出現(xiàn)極大值。如圖3所示，2010年3—9月間西安市大氣不穩(wěn)定類(lèi)概率約29.6%，穩(wěn)定類(lèi)概率約13.6%，以不穩(wěn)定類(lèi)為主，而污染物的濃度隨不穩(wěn)定度頻率的增加而減小，以SO2、PM10變化較為明顯，1月、2月、10—12月西安市大氣以穩(wěn)定類(lèi)為主，此間各污染物的濃度相對(duì)較高，污染相對(duì)嚴(yán)重。

2.2 與風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)對(duì)污染物濃度的影響是非常顯著的，在風(fēng)力作用下排放到大氣中的污染物質(zhì)會(huì)逐漸被擴(kuò)散和稀釋?zhuān)?］。本文利用西安市2010年地面逐時(shí)風(fēng)速實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得出春、夏、秋、冬四季靜風(fēng)和小風(fēng)（0.3m／s≤V＜1.5m／s）頻率分別為50.7%，47.9%，69.2%，65.6%（秋季因缺測(cè)54個(gè)時(shí)次造成頻率偏高），秋、冬季靜風(fēng)和小風(fēng)的頻率在一年中偏大。在靜風(fēng)和小風(fēng)條件下，空氣擾動(dòng)小，同樣污染源排放的污染物質(zhì)不易被擴(kuò)散，造成在同等條件下，空氣中污染物濃度略大。為了定量說(shuō)明各污染物濃度變化與風(fēng)速之間的關(guān)系，本文計(jì)算了各污染物濃度與日均風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，在α＝0.01的置信水平下，SO2、NO2與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為－0.324，－0.241），α＝0.1時(shí)，PM10與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為－0.042）。此外春季是陜西一年當(dāng)中沙塵天氣較多的時(shí)期，文章著重對(duì)春季進(jìn)行了相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)SO2、NO2與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為－0.09，－0.19），而PM10則與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.15），分析其原因主要與春季北方沙塵天氣自北向南帶來(lái)大量顆粒物有關(guān)。

2.3 與降水之間的關(guān)系

降水對(duì)空氣中的污染物質(zhì)有一定的沖洗作用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2010年有降水出現(xiàn)的天數(shù)中，降水對(duì)SO2，NO2，PM10的稀釋影響分別能夠達(dá)到62%、55.7%和68.3%，有較強(qiáng)的稀釋作用。本文將2010年降水分為4個(gè)等級(jí)，即0.1≤R＜1，1.0≤R＜5.0，5.0≤R＜10，10≤R，分別與降水當(dāng)天污染物SO2、NO2、PM10濃度和此后一天的濃度差值進(jìn)行比較（表3）。發(fā)現(xiàn)1 mm以下的日降水對(duì)污染物的稀釋作用不明顯，甚至出現(xiàn)濃度反彈現(xiàn)象；日降水在1～5mm之間時(shí)對(duì)SO2、PM10稀釋作用很強(qiáng)，NO2次之；日降水在5～10 mm之間時(shí)對(duì)PM10稀釋作用最強(qiáng)；日降水量大于10 mm時(shí)反而對(duì)各污染物的稀釋作用都相對(duì)減弱。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因需要綜合考慮其他影響污染的氣象因子的作用，例如7月15日降水量為28.7mm，7月16日未出現(xiàn)降水，各污染物濃度均增加。7月15日氣壓為961.5hPa，相對(duì)濕度99%，氣溫22.2℃，風(fēng)速1.6 m／s，7月16日氣壓降低、濕度減小、氣溫升高、風(fēng)速減小，造成白天蒸發(fā)量大，大氣擴(kuò)散能力減弱，污染加重。

表3 降水對(duì)污染物濃度稀釋影響

2.4 典型日氣象條件分析

本文根據(jù)典型日定義，選擇4月25—27日作為典型時(shí)段進(jìn)行分析。4月25—27日陜西出現(xiàn)一次大風(fēng)、沙塵天氣過(guò)程。25日在甘肅西部和內(nèi)蒙西部以及新疆北部到西伯利亞有一南北向的冷高壓，內(nèi)蒙古自治區(qū)的錫林郭勒盟附近有一低壓中心，錫林郭勒盟經(jīng)華北到四川為一東北西南向的低壓帶，陜西處于低壓線(xiàn)密集帶前沿，氣壓梯度大，同時(shí)高低空明顯的急流和強(qiáng)的風(fēng)速垂直切變及低空切變線(xiàn)的存在，為大風(fēng)天氣的形成提供了動(dòng)力機(jī)制［7］。大風(fēng)攜帶沙塵自北向南，增加了西安地區(qū)空氣中的顆粒物濃度，這點(diǎn)可以很好地解釋在空間分布上草灘站點(diǎn)（位于西安市最北的監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的PM10在4月份異常偏高的原因（圖1）。而這一時(shí)段西安市大氣主要以穩(wěn)定為主。期間日均風(fēng)速自3.1m／s降至1.6m／s，受本地氣象條件限制，外來(lái)污染物并未得到有效的稀釋和擴(kuò)散，造成這一時(shí)段西安地區(qū)空氣污染嚴(yán)重。

同時(shí)4月25日西安出現(xiàn)小雨（1.5mm），但因北方大風(fēng)沙塵影響，PM10污染物的濃度不降反升，并在26日迅速升至全年最高。

由此可見(jiàn)，一個(gè)地區(qū)的空氣污染現(xiàn)狀不僅取決于本地污染源，還受外地源的影響［8］。而在本地不利氣象條件的制約下，相同污染源和排放量對(duì)環(huán)境空氣的影響程度會(huì)更加嚴(yán)重。

3 大氣環(huán)境容量

大氣環(huán)境容量與污染性質(zhì)、氣象條件等有密切關(guān)系。本文采用前述方法估算西安市的理想大氣環(huán)境容量，計(jì)算周期為1a。根據(jù)氣象條件，西安市混合層平均高度取769m［2］，取2010年降水量為504.4mm／a；2010年均風(fēng)速取1.4m／s。SO2，NO2，PM10年平均環(huán)境質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.06，0.08，0.1mg／m3。

經(jīng)計(jì)算，2010年西安市SO2，NO2，PM10理想環(huán)境容量分別為9.6×104，12.06×104，16.31×104t／a。SO2年排放量遠(yuǎn)大于其環(huán)境容量，處于超負(fù)荷狀態(tài)，NO2略有盈余（參考西安市人民政府關(guān)于下達(dá)我市“十二五”主要污染物總量削減任務(wù)的通知（市政發(fā)（2011）102號(hào)）），PM10暫無(wú)可參考依據(jù)。由于年內(nèi)靜風(fēng)和小風(fēng)頻率較高，降水日數(shù)及降水量較多年均值偏少，排放到大氣中的污染物得不到及時(shí)擴(kuò)散與稀釋?zhuān)斐森h(huán)境容量的高利用率甚至超負(fù)荷現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）2010年西安市SO2，NO2，PM10月平均濃度變化趨勢(shì)基本一致，呈兩頭高中間低的趨勢(shì)，其中PM10在11月、12月出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象（二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。從空間分布看，以小寨為代表的商業(yè)區(qū)在節(jié)假日各污染物濃度高于以興慶小區(qū)為代表的居住區(qū)；以開(kāi)關(guān)廠(chǎng)為代表的工業(yè)區(qū)在工作日SO2，PM10均高于以紡織城為代表的輕工業(yè)區(qū)，而NO2則出現(xiàn)紡織城濃度高于開(kāi)關(guān)廠(chǎng)的現(xiàn)象；從全年的變化情況看，草灘成為全年濃度最小的站點(diǎn)。

（2）通過(guò)大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速與污染物濃度變化相關(guān)分析表明，大氣穩(wěn)定度越強(qiáng)，風(fēng)速越小，污染物越不易被稀釋擴(kuò)散。風(fēng)速與SO2、NO2呈顯著負(fù)相關(guān)；與PM10負(fù)相關(guān)性略弱，而在春季有較明顯正相關(guān)。

（3）降水對(duì)SO2，NO2，PM10的稀釋影響分別能夠達(dá)到62%，55.7%，68.3%，有較強(qiáng)的稀釋作用。在日降水量小于1mm時(shí)污染物濃度出現(xiàn)增大現(xiàn)象，日降水量大于10mm時(shí)對(duì)各污染物的稀釋作用都相對(duì)減弱。通過(guò)典型日分析，發(fā)現(xiàn)受本地不利氣象條件限制，外來(lái)污染源將加重污染程度。

（4）計(jì)算大氣環(huán)境容量。受氣象條件的綜合影響，西安市污染物排放造成環(huán)境容量的高利用率甚至超負(fù)荷現(xiàn)象。

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