大气污染特征及相关气象因素分析——以2020 年秦巴山区安康市为例

张淑兰，方丽霞，王正荣，张海军，朱 妮

（1. 安康学院 陕西省科协院士专家工作站，陕西 安康 725000；2. 安康市生态环境局，陕西 安康 725000）

随着社会经济的快速发展以及生活水平的日益提高，人们对城市生态环境的质量要求也明显提升，特别是优质的空气质量。以往有关空气质量或大气污染方面的研究更多地关注于发达的城市群或重点城市[1-5]，而对于欠发达地区或中小型城市的报道不多；然而，近些年地方经济的快速发展，很多中小型城市的空气质量也相继出现较多的污染超标现象[6-10]。位于秦巴山区的安康市，是秦巴深处典型的中小型城市。近些年，城市新区的开发、机场的建成和9 县1 市高速公路的普及使得该市的基础建设及交通设施得到极大的改善；同时，汽车数量的剧增、全域旅游的开发及工农业的发展，这些使得该市的交通与环境发生了显著变化，特别是近些年空气质量出现重度、严重污染情况。因此，本研究对该地区大气污染的时空变化特征及气象影响因素进行了分析、探讨，以期为秦巴山区城市生态环境建设和社会经济协调发展提供科学依据。

1 研究区概况

安康市位于陕西省东南部，地处秦岭和巴山之间，属于河谷盆地，总面积23 534.5 km2。气候湿润，雨水丰富，四季分明，夏季高温多雨并多伴有伏旱，冬季寒冷少雨，属北亚热带季风气候；年平均降雨量930 mm，主要集中在6～9 月；年平均气温在15～17 ℃之间，高温天气主要集中在5～7 月；无霜期年平均长达253 d。该地区属于南北过渡带山地区，其环境具有高度的复杂性、多样性和异质性；同时该市位于南水北调中线水源地，基本无大型的工业企业。市区被汉江分割为2 个区，汉江南岸的汉滨区，属于老城区，人口稠密，交通道路狭窄，绿地面积较少；汉江北岸大多属于国家高新开发区，人口较少，并进行了大量的开发建设，绿地面积和湿地相对较多；同时，安康市周边具有森林覆盖率较高的香溪洞风景区，属于省4A 级景区。

2 数据来源和方法

安康市共有3 个大气监测点，见图1。香溪洞测点位于市周边香溪洞风景区（森林覆盖率80%）、检察院测点位于安康市高新开发区、解放路测点位于安康市汉滨区（老城区）。研究数据来源于网络平台(http://www.tianqihoubao.com/aqi/ankang.html)，收集了2020 年1 月1 日～12 月31 日安康市3 个大气监测点（香溪洞、检察院和解放路）的数据，包括逐日空气质量指数AQI 值，以及6 种污染物PM2.5、PM10、NO2、O3、SO2和 CO 的质量浓度资料，并参考《环境空气质量标准：GB3095—2012》《环境空气质量指数( AQI) 技术规定》进行周、月、季不同时间尺度的统计分析[1]，其中季节划分为春（3～5 月）、夏（6～8 月）、秋（9～11 月）、冬（12～2 月）。

图1 安康市3 个大气监测点示意图

通过中国气象科学数据共享服务网（http: //cdc.cma.gov.cn)，获取了有关2020 年的降水、风速及风向等地面气象观测数据，并对气象因素划分不同等级范围进而深入分析各气象因素对大气污染物作用。

3 结果与分析

3.1 安康市大气污染总体概述

安康市3 个站点的平均AQI 值为52.4±24.5，范围为19～180，各站点大小依次为：解放路（59.2）＞检察院（58.6）＞香溪洞（55.5）；空气为优的平均比例为43.2%，良为51.5%，轻度、中度污染为4.8%；冬季污染最为严重，以轻度污染为主。以香溪洞空气质量为优的天数最多，共167 d；其次是解放路，共144 d；最后是检察院，共132 d。3 个站点的PM2.5日均浓度为（31.1±21.0） μg/m3，变化范围为 2.0～133.0 μg/m3；PM10日均浓度为（53.0±27.5） μg/m3，变化范围为7.0～164.0 μg/m3；SO2的日均浓度为（8.3±3.7） μg/m3，变化范围为3.0～21.0 μg/m3；NO2的日均浓度（18.4±9.1）μg/m3，变化范围为4～51 μg/m3，CO 的日均浓度为（0.6±0.2） mg/m3，变化范围为0.25～1.53 mg/m3，O3的日均浓度为（43.5±19.4） μg/m3，变化范围为5.0～112.0 μg/m3（图1）。因此，从大气污染物的变化范围看，安康市的SO2和CO 无超标情况；而对于其他污染物来说，依据我国GB3095—2012，按日平均浓度标准统计各污染物的超标天数，超过一级空气质量标准天数最多的是PM10，为175 d，其次是PM2.5，为127 d，第三是O3，为68 d，最后是NO2，为10 d；而超过二级标准最多是PM2.5，为21 d，其次是O3，为3d ，最后是PM10，为2 d。由此可见，安康市主要的大气污染物是PM2.5、PM10和O3。

3.2 不同监测点首要污染物的季节分布特征

安康市的首要污染物主要是PM2.5、PM10和O3；冬季的首要污染物为PM2.5和PM10，且以PM2.5为主；春、秋季的首要污染物为PM2.5、PM10和O3，以PM10和O3为主；夏季的首要污染物基本为PM10和O3，以O3为主，见表1。

表1 安康市不同监测点首要污染物的季节分布d

从不同监测点看，首要污染物出现的天数在3 个监测点存在明显差异，香溪洞的首要污染物出现天数依次为：O3（80 d）＞PM2.5（72 d）＞PM10（30 d）；检察院的依次为：PM2.5（86 d）＞PM10（68 d）＞O3（58 d）；解放路的依次为：PM2.5（86 d）＞O3（67 d）＞PM10（61 d）。从不同季节看，不同监测点的首要污染物情况也不同，春秋季节香溪洞O3为首要污染物的天数明显多于检察院和解放路，而PM10为首要污染物的天数则明显少于检察院和解放路；冬季香溪洞出现PM2.5和PM10的天数明显少于检察院和解放路；夏季3 个监测点的首要污染物以O3为主且天数差异不大，香溪洞未出现首要污染物PM10，而检察院和解放路有少许天数出现PM10为首要污染物。

3.3 主要污染物时空分布特征

安康市的大气污染浓度变化具有明显的季节特征，见图2。

图2 安康市不同地区监测点污染物季节分布特征

PM10和PM2.5的浓度季节变化具有一致性，均为冬季＞春季＞秋季＞夏季，而O3的浓度则为春季＞夏季＞秋季＞冬季。从不同区域监测点看，香溪洞的PM10和PM2.5的浓度四季均最低，春、夏季检察院略高于解放路，而秋冬季解放路略高于检察院；对O3浓度的监测发现香溪洞在春、秋和冬季明显高于检察院和解放路，而后两者在此3 个季节差异不明显（P＜0.05），夏季3 个监测点的O3浓度几乎相同（P＜0.05）。

安康市3 个站点监测的大气污染物月变化趋势均具有一致性。其中，PM2.5和PM10的平均浓度在12 月和1 月均较高且以12 月最高，而在8 月最低；因此月变化呈“V”和“U”变化。O3的月平均浓度较高值在5 月和9 月且以5 月最高，而较低值在12 月和1 月且以12 月最低，因此O3浓度的月变化类似“M”形状。从不同站点看，香溪洞PM2.5和PM10的各月平均浓度均明显低于其他2 个站点，而O3的各月平均浓度均明显高于其他2 个站点；其他2 个站点3 种大气污染物的各月平均浓度差异不大；其中，自8～12 月及1 月期间PM2.5和PM10的月平均浓度是解放路略高于检察院，而其他月份则表现出解放路略低于检察院，而O3的月平均浓度自3～10 月是解放路略高于检察院，11～12 月和1～2 月则是解放路略低于检察院，不同监测点位污染物月变化特征情况，见图3。

图3 安康市不同地区监测点污染物月分布特征

从3 个监测点的周循环看，安康市存在一定的周末效应，PM10和PM2.5的浓度在周六、周日两天均低于平时的，两者的浓度自周一至周五均有所增加，说明安康市周末出行没有平时上班期间频繁，不同监测点位污染物周变化特征情况，见图4。

图4 安康市不同地区监测点污染物周末效应特征

3.4 气象因素对空气质量的影响

较多的研究表明温度、湿度、降水、气压和风速等气象因素均能对大气污染物浓度产生影响；本文只对降水、风速和风向进行深入地探讨，旨在能够定量化分析气象因素对各污染物质量浓度的影响。

（1）降水。按等级范围统计了安康市2020 年的120 次当日降水（共811.8 mm）对大气污染物的影响情况，见表2。

表2 安康市不同降水等级范围对空气质量的影响

从降水的不同等级范围看，PM2.5、PM10及AQI 均随着降水等级增大，其质量浓度和AQI 值呈递减变化，说明降水越大对PM2.5和PM10的清除作用越强；而 SO2、NO2和CO 在降水等级为(0，1)到[20,40)之间，随降水等级增大，其质量浓度呈减少趋势，而当降水范围为[40,61.3]则明显增大；O3的质量浓度随降水量增大没有明显的变化规律，在降水等级（0，1)至[10,20)之间，与0 降水时差异不大，但降水范围为[20,40)时则明显增大，在[40,61.3]时又略有所降低。

与0 降水时空气质量和大气污染质量浓度相比，AQI 值随着降水增大，明显改善21.0%～61.6%；PM2.5的质量浓度随降水等级增大降低的比例范围为24.4%～82.3%；PM10的质量浓度降低的比例范围为29.1%～76.2%；而SO2、NO2和CO 的质量浓度降低的比例范围分别为9.8%～32.6%、20.1%～53.2%和0.3%～29.0%；O3的质量浓度在降水量＞20 mm 时增大的最大比例为35.3%。

另外，安康地处北亚热带季风气候区，具有较丰沛的降水，但是大多分布在夏、秋季且降水量较大，而春季大多为小雨，冬季降水很少，因此这可能是冬、春季颗粒物物浓度较高的原因。

（2）最大风速。安康市的最大风速在1.3～6.5 m/s之间，在2～3 m/s 之间的天数最多，＞4 m/s 的天数最少，仅为22 d。，AQI 值及PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 的质量浓度均随着风速增大呈降低趋势；特别是风速在2～3 m/s 之间时，除SO2以外其他污染物降低的幅度最大，分别为26.9%、38.6%、28.0%、30.4%和25.0%；而相对于上一级风速，风速＞3 m/s 时降低幅度明显变小。O3受风速的影响与其他污染物正好相反，风速在2～3 m/s 之间其浓度明显增大，变化幅度为65.2%；而当风速＞4 m/s时其浓度又略降低，风速对空气质量影响情况，见表3。

表3 安康市日最大风速对空气质量的影响

（3）风向。安康市的主导风向为东风、东南风、南风和西风时，空气质量均出现轻度污染，其中东南风时轻度污染出现比例最大，正南风时出现严重污染1 次；其他主导风向时空气质量均为优、良等级。说明虽然安康地区的风速不大，但风向对污染仍具有一定的影响。其中，东风、东南风、南风往往受亚热带暖湿气流影响，使空气湿度变大，从而有利于大气颗粒物吸收水分膨胀，从而加重大气污染；而北风、东北风和西北风受北方的大陆性的干冷空气影响则往往比较干燥，利于大气污染物驱散，从而空气质量较好。不同风向对空气质量影响情况，见表4。

4 讨论

安康市在气候上属北亚热带气候，四季分明，空气质量及主要污染物的浓度具有明显的月、季节变化；与我国较多地方相同，冬春季大气污染物浓度高，夏秋季降低[11-14]。然而，从周循环看，安康市存在污染物浓度降低的周末效应，这与汾渭平原、合肥市、西安市和京津冀地区等[1,12,15-16]存在明显的周末效应具有相似性；同时，也说明近些年随着社会经济的发展，中小城市人们出行特点、污染排放等人类活动因素与大城市越来越相似。其次，该市位于秦巴山区，属典型的河谷盆地，北依秦岭，南靠巴山，汉江贯穿东西；因此，从地形地貌看，尽管安康市基本没有大型的工业企业，但是可能由于其处于河谷地带容易形成逆温而不利于污染物的扩散，特别是冬春季节更明显，且研究中也发现安康市全年空气质量为良的天数比例较高，为51.5%，并具有较多的轻度污染。另外，安康市3 个监测站对应监测的汉滨区、高新区和香溪洞区空气质量变化趋势具有一致性，但可明显看出香溪洞区的空气质量明显好于其他2 个区域；这主要是因为香溪洞区森林覆盖率较高，森林对大气污染具有吸收、消减和滞尘的作用[17]；尽管汉滨区与高新区的空气质量变化差异不大，但是汉滨区主要是人口多、车辆多以及人们生活排放等引起的污染，而高新区更多的是因为新区建设、来往车辆较多引起的污染。

从气象因素对各大气污染物质量浓度的影响看，O3质量浓度与气象因素的关系似乎总是与其他污染物相反，为此进一步对各污染物之间的相互影响关系进行了分析，见表5。

表5 安康市污染物浓度之间的相关关系

表5 可知，O3质量浓度与其他大气污染物质量浓度呈负相关关系，这说明其他污染物浓度的降低在某种程度上可能有利于O3的形成，如PM2.5和PM10质量浓度的降低可能有利于太阳光照射，有利于NOx与O3之间的转化；且从风对O3质量浓度的影响看，可能风通过对PM2.5和PM10的驱散作用而间接有利于O3的形成。

5 结论

（1）安康市的空气质量优良率较高，可达94.7%，以良的比例（51.5%）最高；首要污染物主要是PM2.5、PM10、O3及三者的混合，具有明显的季节和空间分布差异。

（2）安康市主要大气污染物质量浓度具有明显的月、季节变化特征，且存在周末效应；虽然其空间差异不大，但相对于是周边香溪洞区的空气质量，该区的大气质量还需要进一步加强改善。

（3）安康市大气污染受到降水量、风速和风向各气象因素的影响。PM2.5和PM10的质量浓度随着降水量和风速的增大呈明显的减小；而O3的质量浓度则随降水量和风速增大有增大现象。主导风向为东风、东南风、南风和西风时，空气质量较差；而北风、西北风时，空气质量较好。