2014—2017年西安市PM2.5污染特征及影响因子

黄 蕾，毕 旭，杨晓春，翟 园，金丽娜，高宇星

(陕西省西安市气象台，陕西 西安 710016)

引 言

随着我国经济高速发展、城市化进程的加快，环境污染问题与日俱增。多种大气污染物中，直径小于等于2.5 μm的PM2.5由于粒径小，可以深入到人体细支气管和肺泡的位置，且带有大量的有毒、有害物质，在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境的影响更大[1]；同时, PM2.5也是造成城市大气能见度下降的主要原因之一[2]，因此PM2.5污染更受公众关注。2012年2月，国家环境保护部与国家质量监督检验检疫总局颁布的《环境环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[3]增设了PM2.5质量标准。近年来，我国部分中心城市常出现影响范围大、持续时间长的PM2.5重污染情况，城市产业结构和地形因素是导致PM2.5严重污染的重要原因[4]，且PM2.5在城区和郊区的分布存在差异，其质量浓度变化具有明显的日、月和季节特征[5-6]，同时气象条件对PM2.5质量浓度的变化有不同影响[6-8]。

西安位于关中腹部，介于陕北高原与秦岭山地之间，为东宽西窄的喇叭口地形，其特殊地形使得西安大气污染物自然扩散能力较弱，西安常年平均风速较小，2005—2013年年平均风速为2.5 m·s-1，近年来西安风速逐渐减小，2014及2015年平均风速为2.3 m·s-1，2017年仅为2.1 m·s-1，这使得西安大气扩散能力变差。过去10 a西安经济高速发展，工业生产、机动车尾气、建筑施工、冬季取暖烧煤等排放的有害物质明显增多且难以扩散，导致空气污染越发严重。研究发现PM2.5为西安大气污染期间的主要污染物，在大气重污染与无污染期间气象要素差异明显，气温、风速、降水及冷空气强度对PM2.5质量浓度影响明显，稳定的大气层结、地面低风速及高相对湿度有利于污染天气持续；弱降水对污染物的湿沉降作用不明显，反而加剧空气污染[9-13]，同时关中喇叭口地形以及关中东部持续的强东风使得西安本地污染叠加传输污染累积加强[14]。

近年来西安持续的城市化发展，导致污染日益加重。由于2013年以前西安PM2.5监测资料缺失，本文利用2014—2017年PM2.5监测资料及地面气象要素观测资料，对西安市近几年PM2.5污染特征进行分析，并探讨PM2.5污染状况及其与气象要素的关系，以期为西安大气污染防治政策提供一定参考。

1 资 料

采用2014—2017年西安市泾河国家基本气象站的逐日平均气温、相对湿度、降水、平均风速等观测资料；2014—2017年西安市PM2.5日平均质量浓度资料，取自中国空气质量在线监测分析平台，用于分析西安市PM2.5质量浓度的年变化特征；2017年分站点的PM2.5逐时质量浓度数据来自西安市环境保护局设置在市内和郊区的13个环境空气质量监测国控点，用于分析西安地区PM2.5质量浓度的空间分布差异及日变化特征。西安市泾河气象站与环境空气质量监测站位置见图1。

图1 西安市泾河气象站及13个环境监测站点位置Fig.1 The location of the Jinghe meteorological station and 13 environmental monitoring stations in Xi’an

2 结果分析

2.1 PM2.5质量浓度的年际和月际变化

从西安市PM2.5质量浓度的年平均变化(图2)可以看出，2014—2017年期间，年均PM2.5质量浓度都较高，且均超过GB3095—2012中的二级要求(35 μg·m-3)。其中2014年年均值为75 μg·m-3，2015年明显下降至57.9 μg·m-3，2016年又回升至71.4 μg·m-3，2017年与2016年差别不大。PM2.5超标日数的年变化与其质量浓度趋势相似，2014年超标日数为298 d，2015年为260 d，2016和2017年略有增加，分别为266 d和262 d。

图2 2014—2017年西安市PM2.5质量浓度及其超标日数年际变化Fig.2 Annual change of mean PM2.5 concentration and days exceeding standard of PM2.5 pollution in Xi’an during 2014-2017

从月平均PM2.5质量浓度变化(图3)可知，PM2.5质量浓度在一年内呈现明显的“U”型特征，冬季较高，夏季相对较低。2014—2017年，不同年份PM2.5质量浓度差异主要表现在1、2月及11、12月，2017年1月、2014年2月及2016年12月的PM2.5质量浓度均明显高于其他年份对应月份，而4—10月各年相差不大。

图3 2014—2017年西安市PM2.5平均质量浓度月际变化Fig.3 Monthly change of mean PM2.5 concentration in Xi’an during 2014-2017

秋冬季节污染严重且降水较少，在假定污染源不变的情况下，大气污染物的扩散和清除主要依赖于冷空气带来的大风和降水。为探讨不同年份PM2.5污染差异的影响因素，统计2014—2017年1—2月、11—12月平均风速及冷空气活动情况(表1)。从表1可看出，2015年1—2月、11—12月平均风速和48 h降温幅度4 ℃以上的冷空气活动均高于其他年份，这是2015年PM2.5质量浓度较低的原因之一；而2017年1—2月、11—12月平均风速、降水量、冷空气活动次数均低于其他年份，PM2.5质量浓度最高，可见不同年份PM2.5污染状况差异与气象条件有一定关系。

2.2 采暖期与非采暖期PM2.5质量浓度变化

西安市集中采暖期为每年的11月15日至次年3月15日。计算可知2014—2017年采暖期的平均PM2.5质量浓度为106.3 μg·m-3，非采暖期则为48.7 μg·m-3，采暖期PM2.5质量浓度是非采暖期的两倍多。对比西安采暖期与非采暖期PM2.5质量浓度的年变化(图4)，可以看出，2015年采暖期与非采暖期的PM2.5质量浓度均为最小，2017年采暖期及2014年非采暖期PM2.5质量浓度最高，非采暖期的PM2.5质量浓度年变化与全年特征相似。

从采暖期和非采暖期的PM2.5超标日数及其所占全年PM2.5超标日的百分比(图4)可以看出，2014—2017年采暖期PM2.5超标日数及其所占百分比均有逐年增加趋势，而非采暖期的PM2.5超标日数及所占百分比则逐年下降，表明西安市PM2.5污染日越来越集中在采暖期。因此应重点关注采暖期的大气污染治理，逐步改进传统低效高耗的供热方式，推广清洁供热能源的发展。

表1 2014—2017年1—2月、11—12月PM2.5质量浓度及气象条件统计Tab.1 The statistics of PM2.5 concentration and meteorological conditions in January，February，November and December during 2014-2017

图4 2014—2017年西安市采暖期(a)和非采暖期(b)PM2.5质量浓度及其超标日数所占全年PM2.5超标日的百分比变化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质量浓度的空间分布

虽然大气污染有明显的区域化特征，但不同站点间的PM2.5质量浓度仍存在一定差异，这与城区郊区布局、地理及气象条件均有一定关系，利用西安地区13个环境空气质量监测国控点2017年1月1日至12月31日的实况监测资料分析西安市PM2.5质量浓度的空间分布特征。

图5为2017年西安市年及四季的PM2.5质量浓度空间分布。整体来看，工业聚集区(经开区、高压开关厂、阎良区)PM2.5质量浓度高于生态旅游区(临潼、长安、广运潭)，其中经开区、阎良区的PM2.5质量浓度整年均处于相对较高水平，而以旅游业为主导的临潼区PM2.5质量浓度则一直维持较低水平，说明工业污染对PM2.5质量浓度的贡献较大，也说明即使PM2.5污染有明显的区域化特征，各地不同的产业结构对PM2.5污染状况仍有比较明显的影响。夏季西安各地区PM2.5质量浓度差异相对较小，最高值与最低值相差10 μg·m-3左右，春秋季最高值与最低值相差17 μg·m-3左右，冬季各地区差异明显较大，最高值与最低值相差达35 μg·m-3。这与大气扩散条件有关，夏季近地面层大气湍流混合活动频繁，污染物易分散稀释；冬季近地面大气长期维持静稳状态，不利于污染物的扩散输送，这样不同区域的PM2.5质量浓度差异就更为明显。值得注意的是，冬季除经开区、高压开关厂外，曲江PM2.5质量浓度也较高，这与曲江作为城市发展新区，土地开发强度较高有一定关系，地面扬尘、建筑扬尘对PM2.5污染也有一定贡献。

图5 2017年西安市年(a)及春(b)、夏(c)、秋(d)、冬(e)季PM2.5质量浓度(单位: μg·m-3)空间分布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质量浓度日变化

图6为2017年西安地区13个空气质量监测站(国控站)监测到的PM2.5质量浓度日变化，其中红线为13站平均。整体来看，PM2.5质量浓度存在明显的日变化，其昼夜变化呈升高、降低再升高的趋势，10:00—12:00(北京时，下同)、23:00—02:00为相对高值期，16:00—18:00达到最低值。相对来说，白天变化较剧烈，夜间较为平缓。这是由于早晨到午间，人类活动增加使得PM2.5排放增加，且西安的盆地地形导致其大气污染物自然扩散能力较弱，不利于颗粒物扩散；午后地面接受太阳辐射升温显著，近地面湍流得以发展，上下层空气动量交换加强，近地面PM2.5质量浓度逐渐减小；而夜间地面因辐射冷却降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，上层空气冷却降温缓慢，低层大气容易形成逆温，污染物无法扩散，污染加重。

值得注意的是经开区、高压开关厂、高新西区这些位于工业聚集区的站点在02:00—07:00有一高峰值，同时这几个站点的年平均PM2.5质量浓度也相对较高；而位于生态旅游区的站点如临潼、广运潭、长安、兴庆小区对应时间段则为低谷期，相应地这些站点年均PM2.5质量浓度也相对较低。13个站点的PM2.5质量浓度白天变化相差不大，夜间差距较大，表明不同区域的PM2.5污染差异主要在夜间，这也与大气扩散条件有关，夜间近地面层容易形成逆温层，不利于污染物的扩散输送，这样不同区域的PM2.5质量浓度差异就更为明显。

图6 2017年西安市PM2.5质量浓度日变化Fig.6 Diurnal variation of PM2.5 concentration in Xi’an in 2017

2.5 气象要素对PM2.5质量浓度的影响

气象条件对空气污染有一定影响[15-21]，选取泾河站气象观测数据代表西安气象要素特征，表2列出2014—2017年泾河气象站各气象因子与西安市PM2.5质量浓度的相关关系(表2)。总的来看，气温、风速、降水量与PM2.5质量浓度呈负相关，而相对湿度则为正相关，但降水、湿度与PM2.5质量浓度的相关性不明显。不同季节各气象要素与PM2.5质量浓度的相关性不同，气温在春、秋两季与PM2.5质量浓度呈显著负相关，这是由于春、秋两季，温度越高时，大气相对湿度较低，不利于污染物的吸湿增长，同时气温较高代表近地面层大气湍流混合活动越频繁，污染物更易分散稀释；而在夏季，高温日往往代表着无降水日，没有降水的清除作用，PM2.5质量浓度则相对高，所以夏季气温与PM2.5含量呈正相关；冬季冷空气的活动是影响大气污染物累积和消散的主要气象条件之一，冬季气温越高代表冷空气活动较弱甚至无冷空气影响，大气污染物易积聚在本地，故冬季气温与PM2.5质量浓度呈弱的正相关。相对湿度在春、秋两季与PM2.5质量浓度的相关性不明显，而在夏季呈明显负相关，冬季则呈明显正相关，这是由于夏季作为西安主要的雨季，高湿度往往代表着降水日，降水的清除作用使PM2.5质量浓度降低；而在冬季降水较少，湿度较高有利于细颗粒污染物吸湿增长，故相对湿度与PM2.5质量浓度呈明显正相关。风对大气污染物的稀释和清除作用较明显，全年均与PM2.5质量浓度呈负相关，尤其在秋冬两季，高风速有利于大气污染物的扩散稀释。众所周知，降水对大气污染物有清除作用，但在西安冬季，降水与PM2.5质量浓度呈弱的负相关关系，这是由于冬季的降水过程往往较弱，弱降水天气情形下气象条件不利于扩散，而弱降水的湿沉降清除作用较弱，前者作用大于后者，此时对应较重的空气污染。

表2 2014—2017年西安市PM2.5平均质量浓度与泾河站各气象要素的相关系数Tab.2 The correlation coefficients between PM2.5 concentration and local surface meteorological elements in Xi’an during 2014-2017

注: *表示通过0.01的显著性检验

为了解风向、风速对西安空气污染的影响，进一步分析2014—2017年泾河站不同风向出现频率及各方向污染系数(表3)。污染系数是该地区某一方位风向频率与该方向平均风速的比值，可定量地说明该方位下风方向空气污染程度，对城市工业厂址选择是一项重要参考，污染系数越大说明将高污染工厂设在该方位的上风向时，对研究区的影响程度越大[22-23]。

从表3中可知，西安主要盛行风向为东北风及相邻风向(北东北、东东北)，出现频率为32%；西安地区北东北及东北方向污染系数较大，分别为0.061及0.056。而东南及东东南方向染系数较小，均在0.015以下。说明在西安地区东北及相邻方向上建设高污染工厂，西安出现空气污染的概率较高。同时统计可得，西安地区静风出现频率为14%，静风条件下出现重度及以上污染的概率为87%。

表3 2014—2017年泾河站不同风向出现频率及污染系数Tab.3 Frequency and pollution coefficients of each wind direction at Jinghe station during 2014-2017

2012年发布的新环境空气质量评价标准[3]中规定了定量描述空气质量状况的无量纲指数——空气质量指数(air quality index，简称“AQI”)及其分级标准，同时可利用各项污染物的实测浓度值计算空气质量分指数(individual air quality index，简称“IAQI”)，用来描述不同污染物的污染状况。利用2014—2017年PM2.5日平均质量浓度计算其IAQI，对照AQI分级标准，确定PM2.5空气质量级别并统计分析不同等级PM2.5污染日各气象要素的变化特征。

表4为2014—2017年各等级PM2.5污染日的气象参数均值及范围。可以看出低温高湿、小风速及无降水日出现PM2.5污染的可能性较高，西安出现严重PM2.5污染时日均气温在0.1～11.8 ℃，相对湿度为50%～80%，日均风速在0.9～2.1 m·s-1，这对西安PM2.5污染的城市空气质量预报有一定的指示意义。

表4 2014—2017年各等级PM2.5污染日的气象参数均值及范围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 结 论

(1)2014—2017年西安年均PM2.5质量浓度都超过GB3095—2012的二级要求。其中2015年PM2.5质量浓度相对较低，其他年份均在70 μg·m-3以上。2014—2017年西安PM2.5超标日数的年变化与其质量浓度趋势相似。PM2.5质量浓度全年呈现出明显的“U”型特征，冬季PM2.5质量浓度较高，夏季相对好转。PM2.5污染状况差异与气象条件有关，2017年1、2月及11、12月平均风速、降水量、冷空气活动次数均低于其他年份，PM2.5质量浓度相对最高，而2015年同时段平均风速和冷空气活动次数较高，PM2.5质量浓度较低。供暖期PM2.5超标日数及其所占百分比均有逐年增加趋势，非供暖期则有逐年下降趋势。

(2)西安市工业聚集区的PM2.5质量浓度高于生态旅游区，其中以旅游业为主导的临潼区PM2.5质量浓度为全市最低。由于大气扩散条件的差异，夏季各地区PM2.5质量浓度差异相对较小，冬季则差异较大。

(3)西安PM2.5质量浓度昼夜变化规律为升高、降低再升高的“M”型趋势。

(4)西安主要盛行风向为东北风及相邻风向(北东北、东东北)，北东北及东北方向污染系数较高，而东南及东东南污染系数较小。

(5)不同季节各气象要素与PM2.5质量浓度的相关性不同，春、秋季气温与PM2.5质量浓度呈显著负相关，而夏、冬季则呈正相关；风对大气污染物的稀释和清除作用较明显，四季的风速均与PM2.5质量浓度呈负相关；冬季相对湿度与PM2.5质量浓度呈明显正相关。低温高湿、小风速及无降水日出现高等级PM2.5污染的可能性较高。