黃 蕾，畢 旭，楊曉春，翟 園，金麗娜，高宇星

(陜西省西安市氣象臺，陜西 西安 710016)

引 言

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展、城市化進程的加快，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)，在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境的影響更大[1]；同時, 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，國家環(huán)境保護部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的《環(huán)境環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[3]增設(shè)了PM2.5質(zhì)量標準。近年來，我國部分中心城市常出現(xiàn)影響范圍大、持續(xù)時間長的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]，同時氣象條件對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，這使得西安大氣擴散能力變差。過去10 a西安經(jīng)濟高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、機動車尾氣、建筑施工、冬季取暖燒煤等排放的有害物質(zhì)明顯增多且難以擴散，導(dǎo)致空氣污染越發(fā)嚴重。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、降水及冷空氣強度對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)速及高相對濕度有利于污染天氣持續(xù)；弱降水對污染物的濕沉降作用不明顯，反而加劇空氣污染[9-13]，同時關(guān)中喇叭口地形以及關(guān)中東部持續(xù)的強東風(fēng)使得西安本地污染疊加傳輸污染累積加強[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)測資料缺失，本文利用2014—2017年P(guān)M2.5監(jiān)測資料及地面氣象要素觀測資料，對西安市近幾年P(guān)M2.5污染特征進行分析，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年西安市涇河國家基本氣象站的逐日平均氣溫、相對濕度、降水、平均風(fēng)速等觀測資料；2014—2017年西安市PM2.5日平均質(zhì)量濃度資料，取自中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺，用于分析西安市PM2.5質(zhì)量濃度的年變化特征；2017年分站點的PM2.5逐時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自西安市環(huán)境保護局設(shè)置在市內(nèi)和郊區(qū)的13個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測國控點，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)測站位置見圖1。

圖1 西安市涇河氣象站及13個環(huán)境監(jiān)測站點位置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超標日數(shù)的年變化與其質(zhì)量濃度趨勢相似，2014年超標日數(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2014—2017年1—2月、11—12月平均風(fēng)速及冷空氣活動情況(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超標日數(shù)及其所占全年P(guān)M2.5超標日的百分比(圖4)可以看出，2014—2017年采暖期PM2.5超標日數(shù)及其所占百分比均有逐年增加趨勢，而非采暖期的PM2.5超標日數(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)重點關(guān)注采暖期的大氣污染治理，逐步改進傳統(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)量濃度及其超標日數(shù)所占全年P(guān)M2.5超標日的百分比變化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個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測國控點2017年1月1日至12月31日的實況監(jiān)測資料分析西安市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、長安、廣運潭)，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PM2.5質(zhì)量濃度的貢獻較大，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35 μg·m-3。這與大氣擴散條件有關(guān)，夏季近地面層大氣湍流混合活動頻繁，污染物易分散稀釋；冬季近地面大氣長期維持靜穩(wěn)狀態(tài)，不利于污染物的擴散輸送，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)強度較高有一定關(guān)系，地面揚塵、建筑揚塵對PM2.5污染也有一定貢獻。

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個空氣質(zhì)量監(jiān)測站(國控站)監(jiān)測到的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，10:00—12:00(北京時，下同)、23:00—02:00為相對高值期，16:00—18:00達到最低值。相對來說，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散能力較弱，不利于顆粒物擴散；午后地面接受太陽輻射升溫顯著，近地面湍流得以發(fā)展，上下層空氣動量交換加強，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)的站點在02:00—07:00有一高峰值，同時這幾個站點的年平均PM2.5質(zhì)量濃度也相對較高；而位于生態(tài)旅游區(qū)的站點如臨潼、廣運潭、長安、興慶小區(qū)對應(yīng)時間段則為低谷期，相應(yīng)地這些站點年均PM2.5質(zhì)量濃度也相對較低。13個站點的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PM2.5質(zhì)量濃度的影響

氣象條件對空氣污染有一定影響[15-21]，選取涇河站氣象觀測數(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?，氣溫、風(fēng)速、降水量與PM2.5質(zhì)量濃度呈負相關(guān)，而相對濕度則為正相關(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)量濃度呈顯著負相關(guān)，這是由于春、秋兩季，溫度越高時，大氣相對濕度較低，不利于污染物的吸濕增長，同時氣溫較高代表近地面層大氣湍流混合活動越頻繁，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)；冬季冷空氣的活動是影響大氣污染物累積和消散的主要氣象條件之一，冬季氣溫越高代表冷空氣活動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，濕度較高有利于細顆粒污染物吸濕增長，故相對濕度與PM2.5質(zhì)量濃度呈明顯正相關(guān)。風(fēng)對大氣污染物的稀釋和清除作用較明顯，全年均與PM2.5質(zhì)量濃度呈負相關(guān)，尤其在秋冬兩季，高風(fēng)速有利于大氣污染物的擴散稀釋。眾所周知，降水對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，此時對應(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

為了解風(fēng)向、風(fēng)速對西安空氣污染的影響，進一步分析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，對城市工業(yè)廠址選擇是一項重要參考，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，對研究區(qū)的影響程度越大[22-23]。

從表3中可知，西安主要盛行風(fēng)向為東北風(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。同時統(tǒng)計可得，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)量評價標準[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，簡稱“AQI”)及其分級標準，同時可利用各項污染物的實測濃度值計算空氣質(zhì)量分指數(shù)(individual air quality index，簡稱“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)量濃度計算其IAQI，對照AQI分級標準，確定PM2.5空氣質(zhì)量級別并統(tǒng)計分析不同等級PM2.5污染日各氣象要素的變化特征。

表4為2014—2017年各等級PM2.5污染日的氣象參數(shù)均值及范圍?？梢钥闯龅蜏馗邼瘛⑿★L(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)嚴重PM2.5污染時日均氣溫在0.1～11.8 ℃，相對濕度為50%～80%，日均風(fēng)速在0.9～2.1 m·s-1，這對西安PM2.5污染的城市空氣質(zhì)量預(yù)報有一定的指示意義。

表4 2014—2017年各等級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的二級要求。其中2015年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度相對較低，其他年份均在70 μg·m-3以上。2014—2017年西安PM2.5超標日數(shù)的年變化與其質(zhì)量濃度趨勢相似。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、冷空氣活動次數(shù)均低于其他年份，PM2.5質(zhì)量濃度相對最高，而2015年同時段平均風(fēng)速和冷空氣活動次數(shù)較高，PM2.5質(zhì)量濃度較低。供暖期PM2.5超標日數(shù)及其所占百分比均有逐年增加趨勢，非供暖期則有逐年下降趨勢。

(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。由于大氣擴散條件的差異，夏季各地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度差異相對較小，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。

(4)西安主要盛行風(fēng)向為東北風(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)量濃度呈顯著負相關(guān)，而夏、冬季則呈正相關(guān)；風(fēng)對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)量濃度呈負相關(guān)；冬季相對濕度與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PM2.5污染的可能性較高。