宝鸡市区大气污染物浓度特征及与气象要素的关系

武洋洋，周变红*，赵阿玲 ，陈代妍，王晓涛，闫 昕

(1.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院，陕西 宝鸡 721013; 2.陕西省环境科学研究院，陕西 西安 710061)

宝鸡市区大气污染物浓度特征及与气象要素的关系

武洋洋1，周变红1*，赵阿玲1，陈代妍1，王晓涛2，闫 昕1

(1.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院，陕西 宝鸡 721013; 2.陕西省环境科学研究院，陕西 西安 710061)

根据宝鸡市区2014～2016年大气污染物的监测数据，分析了宝鸡市区大气污染物浓度变化特征，并探讨了气象要素与大气污染物浓度的相关性，以期为宝鸡市大气污染防治提供科学依据。结果表明：PM2.5和PM10浓度变化与AQI呈显著负相关，PM2.5和PM10为首要污染物，PM2.5/PM10浓度比值越大，宝鸡市大气污染越严重。AQI和大气污染物(除O3外)的浓度年际变化基本呈“U”型变化特征，O3的年际和季节浓度变化特征则与其他大气污染物相反。大气质量的季节变化从差到好依次为冬季、春季、秋季、夏季。大气污染物(除O3外)与气温、风速呈负相关，气温高和风速大有利于大气污染物的扩散稀释。相对湿度的增加可减缓污染物的扩散，致使污染物的堆积。PM10、SO2与相对湿度呈负相关，相对湿度越大，PM10的沉降和SO2转化过程也越易发生。O3与气温、风速呈正相关，与相对湿度呈负相关。宝鸡市区的季节风频变化以西风、西北及北风为主，冬季东南风频的增加会加重市区冬季的大气污染。

大气污染物；变化特征；气象要素；宝鸡市

近年来，大气污染倍受人们关注。国内学者对不同区域的大气污染做了大量研究[1-13]，但研究区域基本上都位于我国四大雾霾重灾区。随着关天经济区的发展，关中地区也逐渐成为霾区之一，但关中除西安被大量学者作为研究重点外[14-15]，对关中其他城市的大气污染研究较少。宝鸡市位于关中西部，不仅是典型的河谷型城市，湿度较大，扩散条件差，而且还是我国重要的重工业基地。由于工业的快速发展，能源和物资消耗不断增长，导致污染物的排放量急剧攀升，大气污染问题日益严重。为此，宝鸡市相关部门制定了“治污降霾·保卫蓝天”五年行动计划(2013～2017)，并采取了一系列措施加强大气污染的防治工作，使得环境空气质量有所改善。但目前对于宝鸡市大气污染物的研究大多集中于个别污染物的研究，且研究的时间连续性较差[18-21]。因此，本文对宝鸡市区2014～2016年大气污染物变化特征进行分析，并探讨了其与气象要素的关系，以期为相关部门开展大气污染防治工作提供依据。

1 资料与方法

分析数据包括2014～2016年宝鸡市区8个国控点监测的大气污染物(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3)的日平均数据，以及常规地面观测的逐日气象数据(气温、风速、风向及相对湿度)。各空气质量监测站点周围地势平坦开阔，周围无明显的局部大气污染物排放源，能够有较好的代表性。在2014～2016年的监测统计中，大气污染物数据的有效率为100%，气象资料的有效率为96.9%。以《环境空气质量标准》[22](GB 3095─2012)为评价标准。为便于分析，分别以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～次年2月为冬季。

2 结果与分析

2.1 宝鸡市区大气污染物变化特征

图1为2014～2016年宝鸡市区空气质量指数(AQI)、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3的日变化特征。在监测期间，AQI小于100的天数占69.5%，轻度污染的占18.5%，中度和重度污染的各占5.3%，严重污染的占1.4%。AQI季节变化从大到小次序为冬季>春季>秋季>夏季(图2)，AQI值越小表明空气质量越好，这是由于夏季气温高，对流运动旺盛，有利于污染物的扩散；冬季气温低，对流运动弱，且河谷对污染物扩散的限制和冬季采暖的叠加，加重了大气污染；在秋季宝鸡市有较长的降水期，降水对大气污染物有沉降和冲刷作用，能够有效降低污染浓度并改善空气质量；春季降水少，气温变率大且多沙尘天气，颗粒物浓度较高。

图1 2014～2016年宝鸡市AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3的日变化特征

AQI、PM2.5和PM10呈“U”型的年变化特征，表明有显著相关性(表1)，也说明PM2.5和PM10的质量浓度水平越高，AQI值越大，空气质量越差。大气污染物中细粒子(PM2.5)与粗粒子(PM10)的浓度比值与大气污染程度呈正相关[10]，AQI与PM2.5/PM10浓度比值的相关性分析(图3)，相关性达0.632，表明宝鸡市区PM2.5/PM10浓度比值越大，AQI值越大，宝鸡市大气污染越严重。

在监测期间，PM2.5日均浓度超过国家二级标准浓度限制有254 d，超标率为23.2%，其高浓度值集中于冬、秋两季。PM10日均浓度超过国家二级标准浓度限制的240 d，超标率为21.9%，其高浓度值集中于冬、春及秋季，表明PM2.5和PM10为宝鸡市区首要大气污染物。PM2.5和PM10呈现的两边高中间低的“U”型变化特征，以及冬季最高，夏季最低，春秋季介于冬夏之间的季节变化特征，与重庆、杭州、深圳等研究结论一致[8,10,12]。但不同的是，宝鸡市区春季PM10浓度要高于秋季，而秋季的PM2.5浓度高于春季(图2)，原因可能是地处西北地区，春季多风沙天气，大气颗粒物中粗粒子含量较高；秋季市周边多秸秆燃烧，秋季降水对粗粒子的沉降作用及重化工企业的废气排放等因素，致使细粒子含量较高。

图2 宝鸡市大气污染物的季节变化

图3 AQI与PM2.5/PM10相关性

在监测时段，SO2年平均、日平均及小时平均都符合国家二级标准浓度限制。日平均浓度16.8 μg/m3，达到国家一级标准浓度限制。从图1可得，SO2浓度年变化呈先下降后升高趋势，年初和年底为高值时段，4～11月的浓度值处于谷底，波动平缓；从2014～2016年SO2的浓度值不论是峰值还是平均值都在逐年降低，这得益于我国近些年来对SO2排放综合治理。SO2浓度的季节变化(图2)，从高到低依次为冬季>春季>秋季>夏季，夏、秋两季气温较高氧化作用强，易转化为硫酸盐，以及降水的清洁作用，使得SO2浓度较低。

2014年CO浓度有4 d未达到国家二级浓度标准限制，最高浓度值为4.28 mg/m3。2015和2016年的日平均浓度全部达到国家二级标准浓度限制。由图1可知，2014～2016年CO年均浓度呈递减趋势(1.81>1.38>1.11 mg/m3)，高浓度值主要集中于11、12、1、2月，其余变化较为平缓。结合CO浓度的季节变化(图2)，得出冬季最高，夏季最低。夏季太阳辐射强，气温高，使得CO的光化学反应转化效率高于其他季节，转化后CO的浓度降低。

NOx主要来源于燃烧排放和机动车尾气[23]，NO2为NOx的重要组成部分。2014和2015年NO2浓度分别各有1 d未达到国家二级浓度标准限制，2016年全部达标；NO2浓度最高值为90 μg/m3，最低值为2 μg/m3。NO2浓度的季节变化呈现冬高夏低的态势(图2)，夏季NO2在高温、强辐射的条件下，光化学反应效率高，浓度低；冬季则相反。Zhang Q[24]等研究表明，NO2浓度最高值出现在夏季，为自然源排放占主导；NO2浓度最高值出现在冬季，则为人为源排放占主导，表明宝鸡市区NO2污染以人为排放为主。

O3浓度与NO2浓度的变化特征相反(图1)，呈倒“U”型的变化特征，O3高浓度值集中在5～8月，低值集中于1月。O3浓度的季节变化为夏高冬低(图2)。这可能与NO2是O3的前体物之一有关。从表1可知，两者是随气温的变化呈相反的变化趋势，夏季的高温和强辐射，加剧NO2转化为O3的光化学反应，O3浓度增加，NO2被消耗则浓度降低。这与其他学者对杭州、重庆等地的研究结果一致[8,10]。不同的是宝鸡市秋季O3浓度比春季低(图2)，这主要是由于宝鸡市秋季降水较多，相对湿度的增加抑制了光解效率。

2.2 与气象要素的关系

垂直方向上逆温层的产生以及水平方向上静风天气的连续发生，导致污染物不能及时扩散稀释，从而在近地面大量堆积，造成大气污染。因此，气象要素对大气污染物浓度的变化有着重要影响。

由表1可知，气温越高，太阳辐射越强，光化学反应的效率也越高，而相对湿度越大，对太阳辐射削弱作用越强，进而对光解效率的抑制作用也越大。由表1可知，近地面O3浓度的变化与气温、相对湿度都有显著的相关性，受气温的影响最大，表明在高温、湿度小的天气状况下O3的浓度会更高。O3产生的最根本原因是NO2的光解[25]，光解会消耗前体物NO2，则NO2与气象要素的相关性与O3相反，即气温越高，湿度越小，NO2浓度越小。PM2.5、PM10、SO2、CO与气温和风速均呈一致的负相关，气温的显著性更强，表明在气温高和风速大的条件下，大气污染物的扩散稀释能力越强，空气质量也越好，但O3的浓度变化与风速呈正相关，这也说明O3的另一来源可能是大气的动力输送，在宝鸡市区近地面形成堆积使浓度增大。相对湿度大与河谷地形的叠加，限制了污染物的扩散，但PM10、SO2与相对湿度呈负相关，表明相对湿度越大，粗粒子PM10易发生沉降，SO2易转化为硫酸盐物质，使得两者的浓度降低。PM2.5、CO与相对湿度的正相关性不显著，可能与宝鸡市区的植被覆盖较好，相对湿度的变化较小有关；也可能在不同的大气环境条件下，气象要素对各种污染物的排放、传输扩散及转化等过程的影响机制不同[26]。

在城市的水平方向上，不但风速的大小影响城市大气污染物的扩散稀释，而且风向的来源和风频的变化也是影响污染物输送、浓度变化的重要因素。从宝鸡市不同季节的风频变化可知(图4)，宝鸡市区常年风向以西风、西北及北风为主；春季多以西风、西北风为主，带来大量的沙尘且降水少，悬浮于大气中；秋季以北风、西风及西北风为主，北风的贡献率最大，但宝鸡市秋季的降水较多，这可进一步解释宝鸡市春季大气污染较秋季严重的现象。夏季仍以西风、西北风为主，但西风风频较高，冬季以西北风为主，北风及西风为辅，但冬季东南风的风频比其他季节要高，宝鸡市区在渭河谷地中呈东西分布，东部陈仓区分布有大量的重化工业，东南风频的增加，可能致使东部的大气污染物动力输送至宝鸡市区，加重市区冬季的大气污染。这与宝鸡市各季节大气污染状况相符合。

表1 宝鸡市区大气污染物与气象要素的相关性

注:*、**分别表示在0.05、0.01水平(双侧)上的显著相关性。

图4 宝鸡市区各季节风频

3 结论

(1)PM2.5和PM10为首要污染物，其次为CO和NO2，SO2达到国家二级标准。PM2.5和PM10浓度变化与AQI呈显著负相关，PM2.5对PM10的贡献较大，PM2.5/PM10浓度比值越大，宝鸡市大气污染越严重。

(2)AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2的浓度变化都呈“U”型变化特征，空气质量的季节变化从好到差依次为夏季、秋季、春季、冬季。O3的年际和季节浓度变化特征则与其他大气污染物相反。

(3)大气污染物(除O3外)与气温、风速呈负相关，气温高和风速大，有利于大气污染物在垂直和水平方向上的扩散稀释。O3与气温、风速成正相关，与相对湿度呈负相关，动力输送为其重要来源之一。相对湿度的增加也会减缓污染物的扩散，致使污染物的堆积，加重污染程度，但PM10、SO2与相对湿度呈负相关，可能相对湿度越大，PM10的沉降和SO2转化过程越易发生；

(4)宝鸡市的季节风频变化以西风、西北及北风为主，冬季东南风频的增加，可能会加重市区冬季的大气污染。

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(责任编辑：曾小军)

Characteristics of Atmospheric Pollutant Concentration in Urban Area of Baoji and Their Relationship with Meteorological Factors

WU Yang-yang1, ZHOU Bian-hong1*, ZHAO A-ling1, CHEN Dai-yan1, WANG Xiao-tao2, YAN Xin1

(1. Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China; 2. Shaanxi Academy of Environmental Sciences, Xi’an 710061, China)

According to the monitoring data of atmospheric pollutants in Baoji city from 2014 to 2016, we analyzed the change characteristics of atmospheric pollutant concentration in the urban area of Baoji, and probed the correlation between meteorological factors and atmospheric pollutant concentration, in order to provide a scientific basis for the prevention and control of air pollution in Baoji city. The results showed that the concentration of main pollutants PM2.5and PM10was significantly negatively correlated with AQI. The bigger the PM2.5/PM10concentration ratio was, the more serious the air pollution in Baoji city was. The annual changes in both AQI and concentration of atmospheric pollutants (except for O3) basically revealed a U-shaped curve, while the annual and seasonal changes in O3concentration were opposite to those of other atmospheric pollutants. The seasonal changes in atmospheric quality displayed the followed order: winter < spring < autumn < summer. The concentration of atmospheric pollutants (except for O3) had a negative correlation with air temperature and wind speed, and high air temperature and great wind speed were favorable for the diffusion and dilution of atmospheric pollutants. The increase in relative humidity could retard the diffusion of atmospheric pollutants, resulting in their accumulation. The concentration of PM10and SO2was negatively correlated with relative humidity, and the sedimentation of PM10and the conversion process of SO2easily occurred when relative humidity was high. The concentration of O3had a positive correlation with air temperature and wind speed, and a negative correlation with relative humidity. The seasonal winds in Baoji city were mainly west wind, northwest wind and north wind, and the increase in southeast wind frequency in winter could increase the urban air pollution in winter.

Atmospheric pollutants; Change characteristics; Meteorological elements; Baoji city

2017-02-23

大学生创新训练项目(201610721045、201610721049、2085)。

武洋洋(1991─),男,山西沁水人,硕士研究生,研究方向:资源与环境。*通讯作者：周变红。

X511

A

1001-8581(2017)06-0100-05