2019年陕西省地级市PM2.5变化特征比较及驱动力分析

王永丽，张子月，郭 颖

(南阳师范学院 自然灾害遥感监测河南省高校重点实验室，河南 南阳 473061)

1 引言

大气环境质量是城市环境质量的重要组成部分，也是城市可持续发展的基础。随着社会经济的发展，城市化进程加快，机动车保有量持续增加，大气环境问题日益突出，特别是重污染天气频发严重危害人类的健康[1]。大气中的细颗粒物通过人体呼吸进入肺部，可导致呼吸系统和心脑血管等疾病[2]。随着经济的快速发展以及全球的气候变化，环境问题接踵而至，我国大气污染防治前期主要针对二氧化硫、二氧化氮、总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物进行控制，防治成效显著[3]。目前，我国空气质量总体上已得到了较大改善，但大气污染形势仍然不容乐观，个别地区污染较重，冬季重污染问题依然突出[4]。中华人民共和国生态环境部公布的数据显示，PM2.5是导致城市大气污染各项指标中的首要污染物[5～7]，近些年来，对PM2.5的研究越来越多；樊建勇、黄玲[8]等对江西省PM2.5污染时空变化特征和气象成因进行了分析，南国卫、孙虎、朱一梅[9]对陕西省PM2.5时空分布规律和影响因素进行了探究，黄亚林、刘超、曾克峰[10]对武汉市PM2.5的时空变化特征和气象成因进行了分析，赵卉伊褶、周卫健[11]等对西安市的PM2.5时空变化特征和影响因素进行了分析，李亚亚[12]对咸阳市的空气污染原因和治理措施进行了总结，任彦卿、曹国良、涂娟[13]等对陕西省延安市、西安市、宝鸡市、渭南市4个地级市的空气污染指数进行了分析。

陕西省是中华民族及华夏文化的重要发祥地之一，目前对PM2.5浓度的变化特征以及影响因素的研究有很多，并且取得了很多成果，但是研究区域主要集中在北京、天津、河北省和长三角等区域，对陕西省的研究相对较少，因此，本文利用2019年陕西省各个地级市的PM2.5观测数据，对陕西省PM2.5质量浓度的空间分布特征以及各个地级市PM2.5质量浓度的时间变化特征进行了分析，希望能够为陕西省建设生态文明和防治大气污染提供一些依据。

2 研究区域概况

陕西，简称“陕”或者“秦”，位于中国西北地区东部的黄河中游，地处东经105°29′～111°15′，北纬31°42′～39°35′。陕西省地势具有南北高，中部低的特点。此外，地势有明显由西向东倾斜的特点。陕西省有多种气候类型，陕北主要是温带大陆性气候，并且具有沙漠气候特征；关中平原温带季风气候比较突出，四季分明，温度适中；在纬度上陕南还是属于北方，但是因为秦岭和汉中盆地对它产生了影响，所以它体现出亚热带的气候风貌，降水比较明显，湿度和同纬度的地区相比会偏高一些，冬季暖和湿润。截至2019年末，陕西省常住人口3876.21万人，其中城镇人口2303.63万人，乡村人口1572.5人。面对国内外越来越多的风险挑战，陕西省省委政府带领着全省人民，深入贯彻党的十九大和十九届二中全会精神，大力发展“三个经济”，2020年，陕西省实现生产总值26181.86亿元，比2019年增长2.2%，居民消费水平提高。目前，陕西省有5个机场、七条高速铁路、6条普速铁路、8条公路，其中陇海铁路横贯东西，宝成、襄渝等线连通南北。

3 数据资料来源及处理

3.1 监测数据来源

本研究所应用到的原始数据为2019年陕西省各地级市PM2.5的日平均浓度值；该数据来自中华人民共和国环境保护部数据中心、中国气象局国家气候中心与生态环境部中国环境监测总站。

3.2 数据处理

本研究首先运用Excel对2019年陕西省各个地级市PM2.5数据进行统计分析，计算得出2019年各个地级市的PM2.5月均浓度和年均浓度，并做出各个地级市的PM2.5月变化图和年均浓度比较图；然后使用ArcGIS对陕西省的矢量范围进行可视化处理，得到陕西省PM2.5浓度空间分布图。首先，打开Arcmap,添加陕西省矢量地图和陕西省2019年PM2.5年均浓度Excel数据，将PM2.5的Excel数据链接到地图，然后对PM2.5数据进行合理的分组，最后切换到Layout view,添加图例和指北针，在地图上显示出各个地级市的名字。

4 数据分析

4.1 时间变化特征

4.1.1 年均浓度比较分析

如图1所示，2019年西安市、咸阳市、铜川市、渭南市、宝鸡市、汉中市、延安市、榆林市、安康市、商洛市10个地级市的PM2.5年均浓度分别为61 μg/m3，65 μg/m3，49 μg/m3，59 μg/m3，54 μg/m3，47 μg/m3，32 μg/m3，34 μg/m3，39 μg/m3，33 μg/m3，由此可知，延安市、榆林市、商洛市三个地级市的年均浓度低于环境空气污染物年浓度限值国家二级标准(35 μg/m3)，达到国家空气质量二级标准，但是都高于国家一级标准。其中，咸阳市的PM2.5年均浓度最高，达到65 μg/m3，西安市PM2.5年均浓度位居第二，达到61 μg/m3，延安市和商洛市PM2.5年均浓度最低，仅33 μg/m3，两者相差32 μg/m3，咸阳市的PM2.5浓度基本上是延安市和商洛市PM2.5浓度的2倍。

4.1.2 月均浓度变化特征

由图2可知，2019年西安市1月到8月份PM2.5质量浓度呈下降趋势，8月到12月份呈上升趋势，其中1月、2月、11月、12月的PM2.5浓度明显高于其它月份，也就是除了11月之外冬季的PM2.5浓度偏高；铜川市1月到3月份PM2.5浓度呈下降趋势，4月份突然回返，4月到7月份呈下降趋势，7月到12月份呈上升趋势，7月份PM2.5浓度最低；宝鸡市PM2.5质量浓度1月到7月份逐渐降低，7月到12月份逐渐升高；咸阳市1月到7月份PM2.5浓度呈下降趋势，7月到8月份轻微升高，8月到9月份轻微降低，9月到12月份呈升高趋势；渭南市除了3月到4月份PM2.5浓度有轻微的升高外，和宝鸡市PM2.5浓度变化基本一致；延安市、汉中市、榆林市、商洛市、安康市1月到4月份PM2.5浓度呈下降趋势，5月份突然回升，5月到8月呈下降趋势，8月到12月基本呈上升趋势。除了汉中市PM2.5浓度在12月份达到峰值，其余地级市峰值均在1月份。以上是陕西省地级市的月变化趋势。

图1 2019年陕西省地级市PM2.5年均浓度变化

图2 2019年陕西省地级市PM2.5月均浓度变化

现将陕西省地级市PM2.5的月变化趋势在一张图中进行比较分析。如图3，陕西省各个地级市的PM2.5浓度月变化趋势基本一致，变化曲线总体呈现“U”字型变化。有着冬季高夏季低的变化特征，这和中国一些地区PM2.5质量浓度季节变化特征一致[1]。虽然陕西省各地级市PM2.5浓度整体变化趋势基本一致，但是根据图示可以看出各个地级市的PM2.5浓度值在相同时间段内还是存在着明显差别。整体来看，咸阳市、西安市、渭南市的PM2.5浓度明显高于其它地级市，1月份，西安市PM2.5浓度为138 μg/m3，达到全省最高，渭南市位居第二，咸阳市位居第三，12月份，咸阳市PM2.5浓度为112 μg/m3，居全省最高，西安市位居第二，渭南市位居第三，2月到10月份咸阳市的PM2.5浓度均比其它地级市高。那么相对来说，延安市，榆林市，商洛市的PM2.5浓度相对来看就比较低，除了商洛市1月份的PM2.5浓度高于70 μg/m3，延安市和榆林市1月到12月份的PM2.5月均浓度全部低于60 μg/m3，而铜川市、宝鸡市、安康市、汉中市4个地级市的PM2.5浓度就相对来说比较居中。

图3 2019年陕西省地级市PM2.5月均浓度变化

4.2 空间分布特征

从图4中可以看出：陕西省地级市的PM2.5浓度差异明显，整体来看北部偏低，中部较严重，南部略微减轻。另外可以看出陕西省的PM2.5浓度具有明显的空间聚集性，中部地区PM2.5高浓度值比较集中。关中地区的主导产业是能源重化工，盆地面积小，人口多，生产总值高，污染物排放量超过了区域环境承载力[2]。就各个地级市来说，咸阳市PM2.5质量浓度最高，西安市和渭南市较高，铜川市、宝鸡市、汉中市、安康市偏低，商洛市、延安市、榆林市较低。

5 驱动力分析

通过本研究的研究结果可以得知，2019年陕西省各地级市的PM2.5浓度无论从时间上还是空间上都具有明显的差异性。

5.1 驱动力分析与控制措施

整体上来看，PM2.5污染物浓度变化受气象条件、能源结构调整、产业结构调整等综合因素影响[3]。PM2.5质量浓度峰值出现在1月份和12月份，冬季气温气压都比较低，降雨量较少。逆温层较强较厚，污染物聚集在大气中很难扩散，还会产生二次反应，所以导致PM2.5浓度升高[4,5]。除了这个原因之外，北方在冬季长期的供暖也是导致污染物排放量增加的重要原因。

能源产业结构调整，能源化工产业多，这是咸阳市污染严重的主要原因。咸阳市周边有很多化工、水泥等大型企业，这些企业会排放大量的污染物。另外咸阳市能源结构一直以煤为主，没有有效治理城市扬尘，过度开发房地产，有很多小的污染源，还有很多外来污染因子[6]。其次，与咸阳市的地理位置也有关，咸阳市南有秦岭，北有黄土高原，导致污染物聚集，很难扩散。西安市作为陕西省省会，各方面的发展相对其它地级市会好一些，经济发展必定会对环境有所污染，这是西安市PM2.5浓度偏高的主要原因之一；此外，西安属于暖温带季风气候，冬季降水量少，空气流动性较差，这样就很容易导致污染物累积。此外西安会常有东北风，而陕南有很多像三门峡、临汾这样的重污染城市，进而会被东北风夹带来大量的空气污染物，这也是导致PM2.5浓度偏高的原因。

延安市首要污染物是SO2，并且延安城区没有对大气污染严重的企业，像大型化工、冶金、水泥等企业[7]。此外延安三面环山，西南方向是凤凰山，东北方向是清凉山，东南坐落着宝塔山，延河和南川河贯穿整个延安城，所以延安市不容易受到周边城市的影响。

商洛市与西安市、渭南市相邻，但是商洛市的PM2.5年均浓度却达到了国家空气质量二级标准。商洛市地形和地貌结构都很复杂，有“八山一水一分田”之称，地势具有西北高，东南低的特点，南北部气候不同，南部气候属于亚热带，北部气候属于暖热带。从商洛市生态环境局获悉：2020年商洛市中心城区空气质量优良天数达到347 d，优良天数连续8年都位于全省第一，连续4年都是环境空气质量达标城市。

5.2 控制措施

陕西省特殊的地理位置、气候特征、产业结构以及北方冬季的供暖，这些都对PM2.5的浓度有一定的影响。本研究根据研究结果，从下面几个方面提出了控制措施。

(1)控制PM2.5的源头，对工业粉尘进行加强治理。加强组织和领导，制定相关规章制度，做好防尘的宣传工作。另外对防尘相关技术地提高，可以有效地降低粉尘的产生和释放。

(2)改善能源消耗的结构。提高能源的利用效率，制定有关政策，调整能源消耗结构，对清洁能源进行大力开发利用，针对传统能源领域，可以通过推行循环经济来延长化石燃料使用效率，并减少使用煤炭，另外有效减低环境危害也很重要。风光水电，来于自然，针对自然能源的特性，通过改善存储和运输的技术，提高能源转化率。

(3)控制机动车尾气排放。汽车尾气的排放也会对空气造成严重污染，想要减少汽车有害气体的排放可以使用较好品质的燃料，使用重金属含量少的汽油，开发汽车尾气处理技术。在日常生活中，尽量减少使用私家车，多乘坐公共交通工具。

图4 2019年陕西省各地级市PM2.5年均浓度空间分布

6 结论

陕西省各个地级市PM2.5质量浓度随时间变化显著,月均浓度呈现“U”字型变化趋势,有明显的季节变化特征,冬季偏高夏季低，特别是1月，2月，11月，12月偏高。

陕西省PM2.5质量浓度空间分布差异明显。整体上，PM2.5年均浓度值北部较低，中南部偏高，其中中部最高，具有空间聚集性。整体来看，咸阳市PM2.5浓度最高，西安市和渭南市较高，商洛市和延安市的PM2.5浓度较低。

陕西省各个地级市的PM2.5质量浓度变化趋势虽有所相同，但是各个地级市之间的PM2.5浓度值有着明显的差异，经研究分析，产生差异的原因和每个地级市所处的特殊地形以及它们各自的气候特征分不开，另外，各个地级市不同的产业结构也是重要原因之一。