氣象條件對西安市夏季和冬季近地面大氣環境污染特征影響

張瑞旭，芮守娟，王偉軍，汪晶發，郝艷召

1. 長安大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710064；2. 長安大學汽車學院，陜西 西安 710064

近年來，近地面顆粒物（PM10、PM2.5）和臭氧（O3）污染特征、反應機理及控制途徑的探究，成為環境空氣領域研究的熱點問題（Wang et al.，2019；Jun et al.，2017；Li et al.，2017），顆粒物，尤其是細顆粒物，粒徑小比表面積大，容易攜帶細菌、病毒和有機物等物質，若長期暴露于較高濃度顆粒物的環境中，會對生物體呼吸系統、神經系統等方面產生不良影響（Chio et al.，2014；Allen et al.，2017；Hao et al.，2019）。O3是一種強氧化劑，對流層 O3濃度過高，會刺激生物體眼睛、呼吸道和肺部等，影響農作物生長，降低大氣能見度（Leila et al.，2019；王鐵宇等，2013；馮兆忠等，2018）。

大氣污染呈現區域性，汾渭平原是我國第四大平原，是中西部大中型城市群聚集地區，近年來已成為我國大氣污染較嚴重的區域之一（楊樂超等，2018）。西安市位于汾渭平原11個城市西端，總面積1.08萬平方公里，2018年地區生產總值8349.86億元，常住人口 1000.37萬（張燁，2018），是中西部地區重要的中心城市。近年來，西安市大氣污染事件時有發生，引發了人們的廣泛關注，2017年全國 74個城市環境空氣質量綜合指數排名，西安市位于第 68位（中華人民共和國生態環境部，2018），因此研究西安市的大氣污染特征是十分有必要的。

本文根據2018年1—12月西安市13個環境空氣質量監測點的六項大氣污染常規分析指標（PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO）逐小時監測數據，結合氣象條件（溫度、相對濕度、風向、風速、大氣壓、光照、紫外輻射、混合層高度和大氣能見度）對西安市近地面夏季和冬季大氣環境污染物濃度特征進行分析，并結合冬季顆粒物實測數據分析了西安市冬季顆粒物的數濃度、表面積濃度、質量濃度變化特征及粒徑分布，采用指數擬合曲線法分析了冬季不同粒徑段顆粒物與相對濕度、大氣能見度之間的關系，同時分析了西安市夏季晴天、陰天、雨天不同天氣條件對 O3生成的影響，為西安市及汾渭平原其他城市大氣污染物減排、大氣污染防治策略的制定提供參考。

1 測試儀器

1.1 氣象數據及顆粒物樣品采集

在西安市城區長安大學（108.94°E，34.25°N，海拔高度420 m）進行氣象數據和顆粒物的采集，采樣點位于12樓，高度距地面約36 m，采樣點附近分布有商業區、居民住宅區、學校及公園等，建筑群高約20—100 m，是典型的城市商業交通居民混合環境，具體地理位置見圖1（圖1c紅色圓點）。采用便攜式自動氣象站（GH-BPR，中國華云，北京），收集溫度、相對濕度和大氣壓等 7個常規氣象要素，采樣時間為2018年1月1日0:00—12月31日23:00，時間分辨率為1 min。顆粒物采用電子低壓撞擊器（Electrical Low Pressure Impactor Plus，ELPI+，DEKATI，芬蘭）采集，粒徑（空氣動力學直徑）范圍為6 nm—10 μm，共分為14個粒徑段，采樣時間為2018年1月11日0:00—17日23:00（共7 d），時間分辨率為 1 min。能見度采用能見度儀（CAMS600中國華云，北京）測量。

1.2 大氣污染物常規分析指標數據來源

六項常規分析指標（PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO）的質量濃度來源于西安市（108.94°E，34.34°N，海拔高度378 m）13個環境空氣質量監測國控點，是2018年1月1日0:00—12月31日23:00期間逐小時監測數據，13個監測點分別位于高壓開關廠、興慶小區、紡織城、小寨、市人民體育場、高新西區、經開區、長安區、閻良區、臨潼區、草灘、曲江文化產業集團和廣運潭，主要分布在西安市城區及周邊，最遠的監測點位于閻良區，距市中心（鐘樓）約50 km，13個監測點具體地理位置見圖1（圖1c黑色四邊形）。

2 結果與討論

2.1 各污染物濃度特征與氣象條件的關系

大氣環境具有區域性，除排放源外，區域空氣質量也受氣象條件、地形條件等因素的影響。西安市處于中緯度（107°40′—109°49′E 和 33°39′—34°45′N 之間）地區，氣象參數有明顯的季節變化特征。圖2為2018年西安市風向、風速、溫度、相對濕度、風向、風速、光照、紫外輻射和混合層高度變化特征，表1為溫度、相對濕度、風向、風速、光照和紫外輻射的統計結果，可知，西安市年平均溫度 (17.51±10.27) ℃，冬季（12—2月）溫度低，為 (4.11±4.76) ℃，其中 1月溫度最低（(3.11±3.57) ℃），夏季（6—8月）溫度高，為(29.41±3.29) ℃，其中 8 月平均氣溫最高（(30.35±2.54) ℃），溫度與相對濕度呈反相關關系（圖2b）。受關中地區典型盆地地形影響，年平均風速較低，為 (0.11±0.19) m·s-1，主導風向為西北風（圖2a）。關中地區主要以火電和煤化工行業為主，能源結構較為單一，且位于西安市北部的咸陽市工業分布密集，存在多種污染源貢獻，在特定氣象條件下，不利于西安市較低大氣層中污染物的擴散。

圖1 采樣點地理位置Fig. 1 Location of the monitoring stations in Xi’an

圖2 風向、風速、光照、紫外輻射、溫度、相對濕度和混合層高度和大氣穩定度變化Fig. 2 Wind direction , wind speed , solar radiation, ultraviolet radiation,temperature, relative humidity, mixing layer height and atmospheric stability in Xi'an

氣象參數的季節變化特征，對西安市的大氣污染物濃度特征有影響。圖3為2018年西安市PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO質量濃度隨時間變化特征，時間分辨率為 1 d。結合對應污染物濃度的月變化（表2）可知，與其他3個季節相比，冬季PM10、PM2.5、SO2、NO2和CO濃度最高，對應質量濃度分別為：(154.04±92.88)、(101.84±60.11)、(23.30±9.28)、(62.01±23.99) μg·m-3和(1.56±0.61)mg·m-3，PM2.5/PM10的值為0.66，這主要與西安市及我國北方地區11月中旬到3月中旬采暖期間化石燃料的燃燒排放有關（康寶榮等，2018），此外，與冬季大氣混合層高度、大氣穩定度有關。圖 2c為西安市夏季和冬季混合層高度和大氣穩定度的對比，與夏季相比，冬季混合層高度低（晝間約1000 m，夜間約250 m），尤其是夜間，混合層高度下降，大氣較穩定（穩定度為D—F），加上低風速（(0.04±0.17) m·s-1）不利于近地面污染物的擴散，使污染物濃度在排放源和環境因素的綜合作用下升高。秋季顆粒物濃度較冬季低，PM10質量濃度(94.25±80.06) μg·m-3，PM2.5質量濃度 (46.69±36.20)μg·m-3，PM2.5/PM10的值為 0.49，這主要與秋季降水量大有關，氣象統計數據表明，西安市年降水量約500—750 mm，且主要集中在夏季和秋季，其中7—9月的降雨量占全年總降雨量的47%，濕沉降作用，使大氣中顆粒物的濃度降低。

11月25日—12月4日（共10 d）西安市出現了嚴重的顆粒物（PM10、PM2.5）污染事件，如圖3中陰影部分所示，期間 PM10質量濃度為 (396.09±163.21) μg·m-3，PM2.5質量濃度為 (143.05±69.79)μg·m-3，PM2.5/PM10的值為 (0.41±0.22)，表明此次重污染期間首要污染物為粗顆粒物（PM10），PM10濃度峰值出現在11月26日20:00，小時最高質量濃度達750 μg·m-3。該重污染事件與11月25日—12月4日西安市的沙塵天氣有關，根據2018年大氣環境實時監測數據，11月25日15:00，甘肅省嘉峪關、酒泉區域（距西安市約1148 km）產生沙塵暴，沿河西走廊向東南方向傳輸，11月26日09:00，沙塵進入陜西省境內，受此次西北地區沙塵傳輸影響，整個關中地區出現了揚沙和浮塵天氣，導致西安市空氣質量出現短時重度及以上污染（空氣質量指數AQI≥200），12月5日沙塵過境后，西安市出現小雨，PM10濃度隨即降低（如 12月 6日 PM10質量濃度 (171.87±62.09) μg·m-3），空氣質量好轉。

與其他3個季節相比，西安市2018年夏季O3濃度最高，質量濃度為 (89.07±20.62) μg·m-3，夏季O3濃度高主要與西安市夏季溫度高（(30.35±2.54) ℃）、相對濕度低（(63.64%±11.93%)）、光照強度大（(87.55±79.48) W·m-2）、光化學反應劇烈有關，如圖 2b所示，西安市夏季平均紫外輻射為(250.60±278.45) μW·cm-2，最大小時紫外輻射量可達3221.3 μW·cm-2，這些環境條件為光化學反應提供了充足的能量。夏季最高 O3質量濃度（370 μg·m-3）出現在 8月 28日 16:00，期間小時溫度34.37 ℃，小時相對濕度 43.78%，小時光照強度653.05 W·m-2，小時紫外輻射強度 2226.33 μW·cm-2，這與8月26—31日的連續6 d的晴天天氣有關。上述分析結果表明，西安市冬季空氣污染物主要為顆粒物（PM10、PM2.5），夏季空氣污染物主要為O3，為西安市冬季PM10、PM2.5的治理，夏季O3治理提供理論依據。

表1 西安市2018年溫度、相對濕度、風向、風速、大氣壓、光照和紫外輻射統計Table 1 Temperature, relative humidity, wind direction, wind speed, atmospheric pressure solar radiation, ultraviolet radiation in Xi'an during 2018

圖3 PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO質量濃度隨時間變化特征Fig. 3 Time series of PM10, PM2.5, O3, SO2, NO2 and CO concentration

2.2 冬季顆粒物濃度特征

為了衡量西安市冬季顆粒物的濃度特征，本文進一步對西安市冬季顆粒物數濃度、質量濃度、表面積濃度特征進行分析。本次顆粒物采樣期間溫度為 (4.25±3.56) ℃，相對濕度為 (55.96%±10.51%)，風速變化范圍為0—2 m·s-1，天氣狀況均為少云和晴朗天，未有極端環境條件和局地排放源對顆粒物濃度產生短時影響，因此可以反應西安市冬季顆粒物的數濃度、質量濃度、表面積濃度特征。圖4為2018年西安市冬季顆粒物的數濃度、表面積濃度和質量濃度粒徑分布，其中圖4a為線性坐標，圖4b為對數坐標，圖5為各粒徑段顆粒物濃度的占比，結果表明，冬季 PM2.5數濃度、表面積濃度、質量濃 度 分 別 為 (51890±14619) cm-3、 (2882.21±939.83) μm2·cm-3、(0.32±0.13) mg·m-3，PM10數濃度、質量濃度、表面積濃度分別為 (51897±14618)cm-3、(3410.50±1060.31) μm2·cm-3、(0.86±0.29)mg·m-3。數濃度粒徑分布主要集中在 0.010≤dp≤0.484 μm（dp為空氣動力學直徑），占總數濃度的99.13%，其中dp=0.010 μm的顆粒物對總數濃度的貢獻最大，為63.46%，表面積濃度粒徑分布主要集中在 0.072≤dp≤8.136 μm，占總表面積濃度的98.32%，其中dp=0.484 μm的顆粒物對總表面積濃度的貢獻最大，為22.23%，質量濃度為粒徑分布主要集中在 0.316≤dp≤8.136 μm，占總質量濃度的98.75%，其中dp=8.136 μm的顆粒物對總質量濃度的貢獻最大，為98.75%。各粒徑段顆粒物具體濃度及占比見表3。

表2 西安市2018年PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO質量濃度統計Table 2 Concentrations of PM10, PM2.5, O3, SO2, NO2 and CO in Xi'an during 2018

表3 各粒徑段顆粒物數濃度、表面積濃度和質量濃度及占比Table 3 Number concentration, area concentration, mass concentration distributions and proportion versus particle size

圖4 顆粒物數濃度、表面積濃度和質量濃度粒徑分布Fig. 4 Number concentration, area concentration and mass concentration distributions versus particle size

圖5 各粒徑段顆粒物數濃度、表面積濃度和質量濃度占比Fig. 5 Proportion of number concentration, area concentration and mass concentration versus particle size in winter

采用指數擬合曲線法分析顆粒物數濃度與大氣能見度、相對濕度的關系見圖 6，結果表明，測試期間西安市能見度變化范圍為 823—12062 m，相對濕度與顆粒物的數濃度呈正相關，顆粒物數濃度對能見度影響最大的3個粒徑段分別為dp=0.762 μm、dp=1.956 μm、dp=1.232 μm，對應擬合優度（R2）分別為：0.840、0.789、0.775。對于城市地區，除工業源外，移動源對顆粒物的貢獻顯著，通常dp＜0.1 μm的超細顆粒物來自機動車尾氣排放，而粗模態顆粒（2.5＜dp＜10 μm）主要來自道路揚塵（陶雙成等，2019；牟臻等，2019；Almeida et al.，2006）。

2.3 夏季臭氧濃度特征

對流層 O3是典型的二次污染物，由前體物氮氧化物（NOx）和揮發性有機物（VOCs）在復雜的鏈式光化學反應下生成（王紅麗，2015）。O3具有區域性、與其前體物呈高度非線性關系（鄧雪嬌等，2010），近地面大氣中的O3濃度，除與前體物的排放量有關外，環境因素（溫度、相對濕度和光照等）對 O3的形成過程也有影響，主要表現為，為參與光化學反應的各類化學物質提供鍵能。

圖6 不同粒徑段顆粒物數濃度與大氣能見度和相對濕度的關系Fig. 6 Relationship among the number concentration, particle size, relative humidity and visibility

圖7 O3質量濃度與溫度、相對濕度的關系Fig. 7 Relationship among O3 concentration, temperature and relative humidity

圖7 為夏季O3質量濃度與溫度、相對濕度的日變化相關性，結果表明 O3與溫度呈正相關（r=0.914），與相對濕度呈負相關（r=-0.889），大氣中的 O3質量濃度隨溫度的增加而增加，隨相對濕度的增加而降低。高的相對濕度對 O3的“濕清除”作用，主要與大氣中 OH·的活性有關，OH·是對流層大氣中重要的氧化劑，根據光化學反應機理（Seinfeld et al.，2016），O3前體物 VOCs與 OH·生成過氧烷基的反應，是鏈式光化學反應過程中的決速步驟（虞小芳等，2018），由于 OH·的氧化性強于O3，因此高濃度的OH·會對產生O3的光化學過程產生影響，從而不利于O3的累積。

一些城市的研究表明，太陽輻射通過地球大氣的過程中受檢測站緯度、太陽天頂角（θ）、平流層O3吸收、空氣分子散射、氣溶膠粒子散射及云滴粒子散射等因素影響，對流層中，云量和降雨對太陽輻射強度有很大影響（安俊琳等，2008；石玉珍等，2008）。本文根據2018年夏季6—8月（共92 d）在西安市的觀測數據，按照晴天（31 d）、陰天（37 d）、雨天（24 d）3種不同的天氣狀況將數據進行分類，分析3種不同天氣狀況下光照、紫外輻射強度對 O3濃度的影響。晴天、陰天、雨天的溫度、相對濕度、光照和紫外輻射強度見表4。圖8為晴天、陰天、雨天地面觀測 O3質量濃度、總光照強度、紫外輻射的日變化曲線，可以看出3種天氣條件下 O3質量濃度與光照強度、紫外輻射強度的日變化趨勢較為一致。晴天溫度高 (30.23±2.10) ℃，相對濕度低 (58.09%±4.99%)，光照強度大(107.83±79.17) W·m-2，紫外輻射強度大 (324.10±257.13) μW·cm-2，O3質量濃度高 (112.16±53.01)μg·m-3；雨天溫度低 (28.00±1.62) ℃，相對濕度高(74.98%±4.48%)， 光 照 強 度 小 (48.87±44.92)W·m-2，紫外輻射強度小 (132.71±123.74) μW·cm-2，O3質量濃度低 (62.9±24.85) μg·m-3。

在 O3形成條件有利的晴天，總光照強度和紫外輻射在約 11:00—12:00出現日最大值 (227.58±138.39) W·m-2，(696.11±251.60) μW·cm-2，O3質量濃度在約 16:00 出現峰值 (198.83±39.58) μg·m-3，O3質量濃度變化比輻射量的變化滯后約4 h；在O3形成條件不利的雨天，總光照強度和紫外輻射在約10:00—12:00出現日最大值 (132.12±166.17)W·m-2，(367.12±165.76) μW·cm-2，而 O3質量濃度在約 14:00 出現峰值 (103.29±34.59) μg·m-3，O3濃度變化比太陽光照輻射量的變化滯后約 2 h，這是由于不同光照條件下前體物VOCs、NOx等生成O3的光化學反應速率不同。綜上所述，對于西安市夏季，在溫度大于30.23 ℃，相對濕度小于58.09%，光照強度大于107.83 W·m-2，紫外輻射強度大于的324.10 μW·cm-2條件下，有利于近地面大氣中高濃度O3的生成與累積。

3 結論

（1）西安市近地面大氣污染物濃度呈現明顯的季節變化特征，冬季空氣污染物主要為顆粒物（PM10、PM2.5），對應質量濃度分別為：(154.04±92.88)、(101.84±60.11) μg·m-3，PM2.5/PM10的值為0.66。夏季空氣污染物主要為 O3，質量濃度為(89.07±20.62) μg·m-3。

（2）西安市冬季 PM2.5數濃度、表面積濃度、質量濃度分別為 (51890±14619) cm-3、(2882.21±939.83) μm2·cm-3、(0.32±0.13) mg·m-3，PM10數濃度、質量濃度、表面積濃度分別為 (51897±14618)cm-3、(3410.50±1060.31) μm2·cm-3、(0.86±0.29)mg·m-3。數濃度粒徑分布集中在 0.010≤dp≤0.484 μm，占總數濃度的 99.13%，表面積濃度粒徑分布集中在 0.072≤dp≤8.136 μm，占總表面積濃度的98.32%，質量濃度粒徑分布集中在 0.316≤dp≤8.136 μm，占總質量濃度的 98.75%。顆粒物數濃度對大氣能見度影響最大的 3個粒徑段分別為 dp=0.762 μm、dp=1.956 μm、dp=1.232 μm。

表4 不同天氣條件下溫度、相對濕度、光照、紫外輻射和O3質量濃度Table 4 Comparison of temperature, relative humidity, solar radiation, ultraviolet radiation and O3 concentration under different weather conditions

圖8 不同天氣條件下O3質量濃度、光照、紫外輻射、溫度和相對濕度的日變化Fig. 8 Daily variation trend of O3 concentration, solar radiation, ultraviolet radiation, temperature and relative humidity under different weather conditions

（3）西安市夏季，晴、陰、雨3種不同天氣條件對近地面大氣中 O3質量濃度的影響不同，晴天O3質量濃度高，雨天低。在近地面環境溫度大于30.23 ℃，相對濕度小于 58.09%，光照強度大于107.83 W·m-2，紫外輻射強度大于 324.10 μW·cm-2時，有利于近地大氣層中高質量濃度O3（(112.16±53.01) μg·m-3）的生成與累積。