西安市氣象參數對PM2.5濃度變化的影響

趙乾 狄育慧

摘要：采用西安市環境監測站2016年大氣污染物PM2.5濃度數據作為分析資料，同時結合各監測點的位置，對市內和郊區進行了劃分，分析了2016年西安市市內和郊區的PM2.5濃度的變化，并進行了污染物濃度與氣象條件、溫度、濕度等的相關性分析。結果表明：其PM2.5的質量濃度大氣壓以及相對濕度呈正相關，與溫度和風速呈負相關。對于不同的季節，郊區與市區的PM2.5的質量濃度與氣象因素的相關性不同。

關鍵詞：細顆粒物;氣象因素;氣體污染物濃度

中圖分類號：X16

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0123-05

1 引言

隨著我國西北地區經濟的快速發展，環境問題已經成為未來經濟發展和國民生活的最大難題。西安作為西北地區的中心城市，地處關中平原中部，是一個污染情況很嚴重的城市[1]，溫室效應，大氣污染等問題已經困擾著當地居民。雖然目前大量的學者對西安市的空氣污染狀況與氣象參數的關系進行了研究，但是針對同一種污染物，對于市區和郊區不同生活環境的區別性研究并不多。孟小絨等[2]對西安市氣象參數與PM10的關系進行了探討，并提出部分氣象條件的預報方法，王珊等[3]通過分析一次霾的生成過程發現了低的混合層高度是促成霾的重要因素，寧海文等[4]分析了部分污染物的時間變化，并探索了不同季節與污染物濃度之間的關系。筆者以2016年西安市空氣污染物PM2.5的監測數據和統計年鑒為依據，通過SPSS軟件對西安市市區和郊區的空氣質量進行量化分析以及氣象參數與污染物濃度之間的關系進行了研究。以更清晰地了解西安市市區和郊區的污染情況以及影響因素，對未來西安市環境質量的解決有著重要的意義。

2 西安2016年PM2.5市區和郊區濃度變化分析

PM2.5是影響西安市空氣質量的主要污染物[7]，其危害主要是降低城市的可見度和損害人體的健康[5]，因此對西安市區和郊區PM2.5的分析尤為重要。

2.1 西安市區與郊區PM2.5濃度日變化

對西安市小寨監測點以及臨潼監測點2016年的污染物PM2.5的濃度的小時樣本按照24 h進行統計分析，分別得到其全年平均的24 h濃度變化曲線圖，如圖1和圖2所示。

從圖1和2可以看出，西安市市區和郊區的PM2.5濃度的變化特性基本上相似，但郊區的濃度值較市區來說較高一些。可能的原因是臨潼附近工廠的作業，同時市內污染物受到風向的影響，最后沉淀在郊區范圍內，最終導致了郊區的PM2.5濃度會高于市內的情況。對于市內和郊區來說，顆粒物PM2.5質量濃度的日變化總體上有所差異。市區的呈現雙峰分布特征，其谷值分別出現在早晨和傍晚之間，峰值則出現在中午和午夜左右。該變化規律主要與人們的生活習性有所關聯，其中，第一個谷值的出現大約是在7：00～8：00，這是由于當日的生產活動并未開始，而前一日所積累的顆粒物在污染物來源減少的前提下逐漸消散所形成的。隨著一天人們生產、生活的開始，顆粒物的各種來源增多，從而導致空氣中顆粒物的濃度開始逐漸增加，一直到中午時間達到最高峰，達到一天中的第一個峰。午后，隨著空氣條件的變化，由于午后環境有利空氣擴散，污染物的擴散速率逐漸增加，最后達到頂峰，因此午后顆粒物的濃度開始逐漸下降，在下午時段形成一天中的第二個谷值。下班之后，人們晚上活動時間比較多，各種活動量也較大，因此交通量會較下午大幅增加，同時伴隨著下班高峰期的到來，導致污染源增加以及第二個污染物排放高峰時段的到來，而此時，空氣的逆溫現象逐漸增強，從而形成較為穩定的空氣層結構，這不利于污染物的擴散[6]，隨著時間的推移，污染物在近地面空氣中開始慢慢積累，到午夜時分，該積累過程也達到頂峰，出現第二個峰值。而郊區的PM2.5濃度的變化基本上呈現出單峰特征，上午和下午的PM2.5的質量濃度基本處于微波動狀態，只有在11：00～12：00出現明顯的峰值，這是受到郊區人口密度，產業結構的影響。

2.2 西安市區與郊區PMz.s濃度周變化

西安市小寨監測點年大氣可吸入顆粒物PM2.5日平均質量濃度的總體變化趨勢如圖3所示，從圖中的變化規律可以看出，從周一到周三是逐漸上升的過程，到周三時達到最高峰，之后開始有一個迅速下降的過程。而周四和周五基本保持相近水平。從周五到周六有個上升的趨勢，周六到周日又急速下降。周三的PMz.s的濃度在67 μg/m³3左右，周一、周四、周五的濃度在63μg/m³左右，而周日為最低值60 μg/m³附近。從圖中PM2.5濃度的誤差線來看，從周一到周日西安市市區的PM2.5存在明顯的變化。這主要是由于PM2.5受到人為活動的影響。而西安市郊區臨潼監測點PM2.5濃度的總體變化趨勢如圖4所示，整體上波動較大，從周一到周二是下降過程，再到周三是一個上升過程，之后到周五期間一直呈明顯的下降過程。從周五到周六又有一個急速上升的過程，直到達到一周中PM2.5濃度的頂峰值，70.2 μg/m³，之后降低到周日的66 μg/m³左右。通過對比上述2圖，可以發現市內與郊區的變化規律并不相似，同時周內PM2.5濃度最高的時間點也不相同。其原因是市內和郊區的人口密度不同，活動強度也不相同，同時生活生產結構也有較大的差異，再加上氣象因素對二者所帶來的影響也不盡柏同[7]。

通過探討，發現對于不同季節的工作日和周末的PM2.5濃度也會存在顯著的區別。表1、2分別是西安市市區小寨監測點和臨潼監測點的工作日和周末的PM2.5濃度的描述性統計表。從表中可以看出，市區和郊區春季和冬季的工作日的PM2.5的濃度要高于周末的，而夏季和秋季的工作日小于周末的。從標準差的結果來看，秋季和冬季的PM2.5的濃度波動程度劇烈，冬季尤為明顯，這要要是受到當地氣候以及供暖的影響。

之后進一步根據T檢驗發現，如表3、4，市區一年四季的PM2.5的濃度在工作日和周末期間不存在顯著差異，原因可能是由于小寨地區的人流量和交通量都比較大，在周末和工作日的時候也沒有太大區別。而郊區的PM2.5的濃度在春季，秋季以及冬季時，工作日和周末不存在顯著差異，但在夏季時存在顯著差異。

2.3 西安市區與郊區PM2.5濃度的全年性變化

西安市市區與郊區大氣可吸人顆粒物PM2.5的日平均濃度變化如圖5、6所示，二者的變化趨勢較為相同，總體上呈現出較寬的“U”字型變化，1月、2月、11月、12月中PM25的濃度較高，5～10月相對較低，但整體污染情況仍不容樂觀。2016年市內小寨站點所監測到的顆粒物（ PM2.5）年平均濃度值為74 ）μg/m³，超過國家環境空氣質量二級標準[8]（35μg/m³）1.05倍左右。同時臨潼監測點所監測到的平均濃度為66.97 μg/m³，這都與季節性污染及相關的氣象因素有關。西安地處北方，是典型的燃煤供暖城市。西安的秋季和冬季較為寒冷，為了解決生活供暖問題，個人住戶和公共建筑的燃煤量增多，這便加重了顆粒物的污染來源。尤其在春節期間的大氣中顆粒物濃度較高，這主要是除夕夜西安市民燃放煙花炮竹造成的大氣顆粒物污染事件引起的。秋季濃度均值高于春季而與冬季接近，說明秋季的污染來源除持續的交通源排放外，周邊地區頻繁的農事活動對西安市PM2.5也有一定的影響。此外，西安市屬于大陸性季風氣候，這就意味著秋季和冬季氣溫較低，容易形成逆溫，有利于顆粒物的生成和堆積，穩定的大氣環境不利于顆粒物的擴散。同時冬季也存在不利于污染物擴散的氣象條件使PM25高濃度值較多。春季燃煤排放通量的減少使PM2.5濃度有所下降。而夏季質量濃度數值較為集中，且呈現較低水平，這是由于夏季氣溫高，空氣流動加快，有利于顆粒物的擴散。

3 西安2016年PM2.5市區和郊區濃度與氣象參數的相關性分析

為了研究西安市市區與郊區的PM2.5的質量濃度的影響因素，將2016年西安市市區與郊區的PM2.5質量濃度的全年日平均值分季節和全年進行了相關性分析（表5）。

從表5的結果可以看出，從全年來看，市區PM2.5的質量濃度與大氣壓以及相對濕度呈正相關，與溫度和風速呈負相關。其中溫度對PM2.5的質量濃度的影響最大，壓力其次，相關系數分別為- 0.488和0.339。從季節情況來看，春季PM2.5的質量濃度與溫度呈顯著負相關，與其他氣象因素無顯著相關性。主要是因為西安市區春季的冷熱空氣交換頻繁，造成溫度變化較大，當溫度低時候，大氣出現逆溫層，這就造成了PM2.5的聚集，反之當溫度高時，大氣的活動性增強，從而降低了PM2.5的濃度。在夏季，影響PM2.5質量濃度的主要因素為風速，并且是顯著正相關，因為夏季非采暖期，燃煤的污染幾乎不存在，因此當市區內風速較大時，會加劇周邊污染源向市內的擴散傳播，因此夏季PM2.5與風速呈顯著正相關。在秋季，PM2.5的質量濃度只與溫度呈顯著正相關，而與壓力，相對濕度和風速無顯著相關，并且相關系數極小。在冬季，PM2.5的質量濃度與壓力和相對濕度，風速呈顯著相關，其中與壓力和風速呈負相關，與相對濕度呈正相關，并且相對濕度對PM2.5的影響最大。主要原因是當相對濕度較大時，說明西安市內沒有大量的冷空氣侵入，相對而言，大氣層的環境較為穩定，這便導致了PM2.5顆粒物的不易擴散，造成聚集現象，從而使得顆粒物濃度升高。

對于西安郊區的PM2.5的相關性分析來看，根據表12可知，從全年來看，郊區PM25的質量濃度與氣象參數的相關性與市區并沒有差異，與大氣壓以及相對濕度呈正相關，與溫度和風速呈負相關，但主要影響因素為溫度和風速。按照四季來看，春季PM2.5的質量濃度仍然是與溫度呈顯著負相關，與其他氣象因素無顯著相關性。在夏季，郊區的PM2.5的質量濃度與本次研究的四個氣象參數均無顯著相關，可能受到其他氣象因素，例如太陽輻射，混合層高度等的影響[10]。在秋季，PM2.5的質量濃度與溫度，壓力以及風速呈顯著負相關，并且溫度和壓力的相關程度一致，而與相對濕度無顯著相關性。在冬季，郊區PM2.5的質量濃度與市區的相關性較為相似，與壓力和風速呈顯著負相關，與相對濕度呈顯著正相關。與市區相比，冬季郊區的風速對PM2.5的質量濃度的影響更大，因為受到郊區城市結構的影響，風更易打破空氣的穩定狀態，從而更好地起到稀釋和擴散作用。

4 結論

（1）市區和郊區PMz.s的質量濃度的日變化趨勢存在顯著差異，市區呈現雙峰曲線狀，郊區呈單峰曲線狀。

（2）市區和郊區的PM2.5的濃度在一周內的情況有所差異。對于市區而言，PM2.5的質量濃度在周一到周三持續上升，周三達到一周內濃度最大的時刻，周四與周五基本相近，到周六有一個小幅上升過程，之后又回落到周日的濃度。而郊區PM2.5的質量濃度有較大的波動，呈現出增減，增減的趨勢，在周六達到一周濃度最高的一天。

（3）對于全年的市區與郊區的PM2.5質量濃度的變化趨勢較為相同，總體上呈現出較寬的“U”字型變化，在1月、2月、11月、12月中PM2.5的濃度較高，5～10月相對較低。

（4）在氣象參數中，按照整年來說，市區與郊區的PM2.5的質量濃度與各因素之間的相關性相似，都是與大氣壓以及相對濕度呈正相關，與溫度和風速呈負相關。而按照季節來說，市區和郊區的春季PM2.5的質量濃度與溫度呈顯著負相關，與其他氣象因素無顯著相關性。在夏季，市區PM25質量濃度與風速呈顯著正相關，郊區則不予任何上述氣象因素相關。在秋季，市區PMz.s的質量濃度只與溫度呈顯著正相關，而與壓力，相對濕度和風速無顯著相關，郊區PM2.5的質量濃度與溫度，壓力以及風速呈顯著負相關，而與相對濕度無顯著相關性。在冬季，郊區與市區的PM2.5的質量濃度與氣象因素的相關性較為相似，與壓力和相對濕度，風速呈顯著相關。

參考文獻：

[1]田良，魯然英，邢文聽，等.2001 - 2004年我國城市空氣質量研究[J].干旱區資源與環境，2005，19（7）：101～106.

[2]孟小絨，王建鵬，林楊，等.氣象條件與西安污染物的關系及預報方法[J].陜西氣象，2001，（6）：23～26.

[3]王珊，廖婷婷，王莉莉，等.西安一次霾重污染過程大氣環境特征及氣象條件影響分析[J].環境科學學報，2015，35 （11）：3452 ～3462.

[4]寧海文，吳息.西安市區大氣污染時空變化特征及其與氣象條件關系[J].陜西氣象，2005（2）：17～20.

[5]馮 剛，趙亞梅.空氣污染的危害與治理辦法研究[J].科技創新與應用，2015（32）：170.

[6]朱倩茹，劉永紅，徐偉嘉，等.廣州PM2.5污染特征及影響因素分析[J].中國環境監測，2013，29（2）：15～21.

[7]楊昆，楊玉蓮，朱彥輝，等.中國PM2.5污染與社會經濟的空間關系及成因[J].地理研究，2016，35（6）：1051—1060.

[8]環境保護部.環境空氣質量標準[R].[2017/12/08] http：//kjs.mep. gov. cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/201203/t20120302一224165.htm.

[9]嚴曉瑜，緱曉輝，劉玉蘭，等.銀川市大氣污染物濃度變化特征及其與氣象條件的關系[J].氣象與環境學報，2015（2）：21—30.