西安市气象参数对PM2.5浓度变化的影响

赵乾 狄育慧

摘要：采用西安市环境监测站2016年大气污染物PM2.5浓度数据作为分析资料，同时结合各监测点的位置，对市内和郊区进行了划分，分析了2016年西安市市内和郊区的PM2.5浓度的变化，并进行了污染物浓度与气象条件、温度、湿度等的相关性分析。结果表明：其PM2.5的质量浓度大气压以及相对湿度呈正相关，与温度和风速呈负相关。对于不同的季节，郊区与市区的PM2.5的质量浓度与气象因素的相关性不同。

关键词：细颗粒物;气象因素;气体污染物浓度

中图分类号：X16

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0123-05

1 引言

随着我国西北地区经济的快速发展，环境问题已经成为未来经济发展和国民生活的最大难题。西安作为西北地区的中心城市，地处关中平原中部，是一个污染情况很严重的城市[1]，温室效应，大气污染等问题已经困扰着当地居民。虽然目前大量的学者对西安市的空气污染状况与气象参数的关系进行了研究，但是针对同一种污染物，对于市区和郊区不同生活环境的区别性研究并不多。孟小绒等[2]对西安市气象参数与PM10的关系进行了探讨，并提出部分气象条件的预报方法，王珊等[3]通过分析一次霾的生成过程发现了低的混合层高度是促成霾的重要因素，宁海文等[4]分析了部分污染物的时间变化，并探索了不同季节与污染物浓度之间的关系。笔者以2016年西安市空气污染物PM2.5的监测数据和统计年鉴为依据，通过SPSS软件对西安市市区和郊区的空气质量进行量化分析以及气象参数与污染物浓度之间的关系进行了研究。以更清晰地了解西安市市区和郊区的污染情况以及影响因素，对未来西安市环境质量的解决有着重要的意义。

2 西安2016年PM2.5市区和郊区浓度变化分析

PM2.5是影响西安市空气质量的主要污染物[7]，其危害主要是降低城市的可见度和损害人体的健康[5]，因此对西安市区和郊区PM2.5的分析尤为重要。

2.1 西安市区与郊区PM2.5浓度日变化

对西安市小寨监测点以及临潼监测点2016年的污染物PM2.5的浓度的小时样本按照24 h进行统计分析，分别得到其全年平均的24 h浓度变化曲线图，如图1和图2所示。

从图1和2可以看出，西安市市区和郊区的PM2.5浓度的变化特性基本上相似，但郊区的浓度值较市区来说较高一些。可能的原因是临潼附近工厂的作业，同时市内污染物受到风向的影响，最后沉淀在郊区范围内，最终导致了郊区的PM2.5浓度会高于市内的情况。对于市内和郊区来说，颗粒物PM2.5质量浓度的日变化总体上有所差异。市区的呈现双峰分布特征，其谷值分别出现在早晨和傍晚之间，峰值则出现在中午和午夜左右。该变化规律主要与人们的生活习性有所关联，其中，第一个谷值的出现大约是在7：00～8：00，这是由于当日的生产活动并未开始，而前一日所积累的颗粒物在污染物来源减少的前提下逐渐消散所形成的。随着一天人们生产、生活的开始，颗粒物的各种来源增多，从而导致空气中颗粒物的浓度开始逐渐增加，一直到中午时间达到最高峰，达到一天中的第一个峰。午后，随着空气条件的变化，由于午后环境有利空气扩散，污染物的扩散速率逐渐增加，最后达到顶峰，因此午后颗粒物的浓度开始逐渐下降，在下午时段形成一天中的第二个谷值。下班之后，人们晚上活动时间比较多，各种活动量也较大，因此交通量会较下午大幅增加，同时伴随着下班高峰期的到来，导致污染源增加以及第二个污染物排放高峰时段的到来，而此时，空气的逆温现象逐渐增强，从而形成较为稳定的空气层结构，这不利于污染物的扩散[6]，随着时间的推移，污染物在近地面空气中开始慢慢积累，到午夜时分，该积累过程也达到顶峰，出现第二个峰值。而郊区的PM2.5浓度的变化基本上呈现出单峰特征，上午和下午的PM2.5的质量浓度基本处于微波动状态，只有在11：00～12：00出现明显的峰值，这是受到郊区人口密度，产业结构的影响。

2.2 西安市区与郊区PMz.s浓度周变化

西安市小寨监测点年大气可吸入颗粒物PM2.5日平均质量浓度的总体变化趋势如图3所示，从图中的变化规律可以看出，从周一到周三是逐渐上升的过程，到周三时达到最高峰，之后开始有一个迅速下降的过程。而周四和周五基本保持相近水平。从周五到周六有个上升的趋势，周六到周日又急速下降。周三的PMz.s的浓度在67 μg/m³3左右，周一、周四、周五的浓度在63μg/m³左右，而周日为最低值60 μg/m³附近。从图中PM2.5浓度的误差线来看，从周一到周日西安市市区的PM2.5存在明显的变化。这主要是由于PM2.5受到人為活动的影响。而西安市郊区临潼监测点PM2.5浓度的总体变化趋势如图4所示，整体上波动较大，从周一到周二是下降过程，再到周三是一个上升过程，之后到周五期间一直呈明显的下降过程。从周五到周六又有一个急速上升的过程，直到达到一周中PM2.5浓度的顶峰值，70.2 μg/m³，之后降低到周日的66 μg/m³左右。通过对比上述2图，可以发现市内与郊区的变化规律并不相似，同时周内PM2.5浓度最高的时间点也不相同。其原因是市内和郊区的人口密度不同，活动强度也不相同，同时生活生产结构也有较大的差异，再加上气象因素对二者所带来的影响也不尽柏同[7]。

通过探讨，发现对于不同季节的工作日和周末的PM2.5浓度也会存在显著的区别。表1、2分别是西安市市区小寨监测点和临潼监测点的工作日和周末的PM2.5浓度的描述性统计表。从表中可以看出，市区和郊区春季和冬季的工作日的PM2.5的浓度要高于周末的，而夏季和秋季的工作日小于周末的。从标准差的结果来看，秋季和冬季的PM2.5的浓度波动程度剧烈，冬季尤为明显，这要要是受到当地气候以及供暖的影响。

之后进一步根据T检验发现，如表3、4，市区一年四季的PM2.5的浓度在工作日和周末期间不存在显著差异，原因可能是由于小寨地区的人流量和交通量都比较大，在周末和工作日的时候也没有太大区别。而郊区的PM2.5的浓度在春季，秋季以及冬季时，工作日和周末不存在显著差异，但在夏季时存在显著差异。

2.3 西安市区与郊区PM2.5浓度的全年性变化

西安市市区与郊区大气可吸人颗粒物PM2.5的日平均浓度变化如图5、6所示，二者的变化趋势较为相同，总体上呈现出较宽的“U”字型变化，1月、2月、11月、12月中PM25的浓度较高，5～10月相对较低，但整体污染情况仍不容乐观。2016年市内小寨站点所监测到的颗粒物（ PM2.5）年平均浓度值为74 ）μg/m³，超过国家环境空气质量二级标准[8]（35μg/m³）1.05倍左右。同时临潼监测点所监测到的平均浓度为66.97 μg/m³，这都与季节性污染及相关的气象因素有关。西安地处北方，是典型的燃煤供暖城市。西安的秋季和冬季较为寒冷，为了解决生活供暖问题，个人住户和公共建筑的燃煤量增多，这便加重了颗粒物的污染来源。尤其在春节期间的大气中颗粒物浓度较高，这主要是除夕夜西安市民燃放烟花炮竹造成的大气颗粒物污染事件引起的。秋季浓度均值高于春季而与冬季接近，说明秋季的污染来源除持续的交通源排放外，周边地区频繁的农事活动对西安市PM2.5也有一定的影响。此外，西安市属于大陆性季风气候，这就意味着秋季和冬季气温较低，容易形成逆温，有利于颗粒物的生成和堆积，稳定的大气环境不利于颗粒物的扩散。同时冬季也存在不利于污染物扩散的气象条件使PM25高浓度值较多。春季燃煤排放通量的减少使PM2.5浓度有所下降。而夏季质量浓度数值较为集中，且呈现较低水平，这是由于夏季气温高，空气流动加快，有利于颗粒物的扩散。

3 西安2016年PM2.5市区和郊区浓度与气象参数的相关性分析

为了研究西安市市区与郊区的PM2.5的质量浓度的影响因素，将2016年西安市市区与郊区的PM2.5质量浓度的全年日平均值分季节和全年进行了相关性分析（表5）。

从表5的结果可以看出，从全年来看，市区PM2.5的质量浓度与大气压以及相对湿度呈正相关，与温度和风速呈负相关。其中温度对PM2.5的质量浓度的影响最大，压力其次，相关系数分别为- 0.488和0.339。从季节情况来看，春季PM2.5的质量浓度与温度呈显著负相关，与其他气象因素无显著相关性。主要是因为西安市区春季的冷热空气交换频繁，造成温度变化较大，当温度低时候，大气出现逆温层，这就造成了PM2.5的聚集，反之当温度高时，大气的活动性增强，从而降低了PM2.5的浓度。在夏季，影响PM2.5质量浓度的主要因素为风速，并且是显著正相关，因为夏季非采暖期，燃煤的污染几乎不存在，因此当市区内风速较大时，会加剧周边污染源向市内的扩散传播，因此夏季PM2.5与风速呈显著正相关。在秋季，PM2.5的质量浓度只与温度呈显著正相关，而与压力，相对湿度和风速无显著相关，并且相关系数极小。在冬季，PM2.5的质量浓度与压力和相对湿度，风速呈显著相关，其中与压力和风速呈负相关，与相对湿度呈正相关，并且相对湿度对PM2.5的影响最大。主要原因是当相对湿度较大时，说明西安市内没有大量的冷空氣侵入，相对而言，大气层的环境较为稳定，这便导致了PM2.5颗粒物的不易扩散，造成聚集现象，从而使得颗粒物浓度升高。

对于西安郊区的PM2.5的相关性分析来看，根据表12可知，从全年来看，郊区PM25的质量浓度与气象参数的相关性与市区并没有差异，与大气压以及相对湿度呈正相关，与温度和风速呈负相关，但主要影响因素为温度和风速。按照四季来看，春季PM2.5的质量浓度仍然是与温度呈显著负相关，与其他气象因素无显著相关性。在夏季，郊区的PM2.5的质量浓度与本次研究的四个气象参数均无显著相关，可能受到其他气象因素，例如太阳辐射，混合层高度等的影响[10]。在秋季，PM2.5的质量浓度与温度，压力以及风速呈显著负相关，并且温度和压力的相关程度一致，而与相对湿度无显著相关性。在冬季，郊区PM2.5的质量浓度与市区的相关性较为相似，与压力和风速呈显著负相关，与相对湿度呈显著正相关。与市区相比，冬季郊区的风速对PM2.5的质量浓度的影响更大，因为受到郊区城市结构的影响，风更易打破空气的稳定状态，从而更好地起到稀释和扩散作用。

4 结论

（1）市区和郊区PMz.s的质量浓度的日变化趋势存在显著差异，市区呈现双峰曲线状，郊区呈单峰曲线状。

（2）市区和郊区的PM2.5的浓度在一周内的情况有所差异。对于市区而言，PM2.5的质量浓度在周一到周三持续上升，周三达到一周内浓度最大的时刻，周四与周五基本相近，到周六有一个小幅上升过程，之后又回落到周日的浓度。而郊区PM2.5的质量浓度有较大的波动，呈现出增减，增减的趋势，在周六达到一周浓度最高的一天。

（3）对于全年的市区与郊区的PM2.5质量浓度的变化趋势较为相同，总体上呈现出较宽的“U”字型变化，在1月、2月、11月、12月中PM2.5的浓度较高，5～10月相对较低。

（4）在气象参数中，按照整年来说，市区与郊区的PM2.5的质量浓度与各因素之间的相关性相似，都是与大气压以及相对湿度呈正相关，与温度和风速呈负相关。而按照季节来说，市区和郊区的春季PM2.5的质量浓度与温度呈显著负相关，与其他气象因素无显著相关性。在夏季，市区PM25质量浓度与风速呈显著正相关，郊区则不予任何上述气象因素相关。在秋季，市区PMz.s的质量浓度只与温度呈显著正相关，而与压力，相对湿度和风速无显著相关，郊区PM2.5的质量浓度与温度，压力以及风速呈显著负相关，而与相对湿度无显著相关性。在冬季，郊区与市区的PM2.5的质量浓度与气象因素的相关性较为相似，与压力和相对湿度，风速呈显著相关。

参考文献：

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[8]环境保护部.环境空气质量标准[R].[2017/12/08] http：//kjs.mep. gov. cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/201203/t20120302一224165.htm.

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