關中區域主要大氣污染物時空分布特征分析

王紅軍，何曉嬡，蘇 靜，馬耀絨

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣候中心，西安 710014； 3.陜西省大氣探測中心，西安 710014；4.渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

21世紀以來，我國城市化進程加快，污染日趨嚴重[1]，嚴重影響人們的身心健康。目前，我國的空氣污染問題已經呈現出明顯的區域化特征，區域內和區域間的傳輸也成為治理的重要難題之一[2]。國內對于單個城市或局部區域大氣污染物時空變化特征的研究比較多，但對區域性和較大范圍大氣污染物時空變化特征的研究比較少。胡琳[3]等分析了1998—2006年西安市區PM10污染物質量濃度的特征及與氣象要素之間的關系，發現PM10平均質量濃度冬季較大、夏季較小，其變化與降水、風速呈顯著負相關，取暖期污染物排放增加是影響PM10質量濃度的重要因素。曹梅[4]等分析了SO2、NO2、PM10等3種主要污染物不同時間尺度的變化規律，認為2006—2015年西安市SO2年平均質量濃度呈緩慢下降趨勢，NO2和PM10年平均質量濃度呈逐年緩慢上升的趨勢。寧海文[5]等分析了西安市SO2、NO2和PM10時空分布特征及其與氣象條件的關系，表明1998—2003年西安市主要污染物質量濃度逐年遞減，空氣質量得到逐步改善。張麗華[6]等分析得出2013年1月1日—4月26日西安市PM2.5的濃度呈現冬季高、春季低的特點，并且從西到東遞減。胡江波[7]等分析了漢中市空氣質量與氣象條件之間的關系，發現2015年漢中市空氣質量指數和空氣污染物SO2、NO2、PM10、PM2.5及CO質量濃度變化趨勢基本一致，均表現為夏季最低，冬季最高。杜怡心[8]等統計評價了2016年西安市氣象條件較2015年對大氣污染的影響情況。近年來，隨著大氣污染治理措施的不斷落實和管理政策的進一步趨嚴，以及風能、太陽能等清潔能源的開發利用，煤炭消費逐年造成的SO2和NOX的排放減少，但城市化的發展和汽車保有量的增加，施工揚塵、交通揚塵、汽車尾氣等排放量不斷增大，又會造成顆粒物和NOX排放增加，大氣污染出現新的特征。王海鯤和郝吉明等的研究表明，在北京、上海、廣州等大城市，機動車排放已經成為城市的第一大污染源[9-10]。本文試圖通過分析關中區域重點城市近年來主要大氣污染物時間變化特征和區域分布特征，為政府開展區域大氣環境治理和推進聯防聯控提供科學依據。

1 資料來源及分析方法

利用2014—2018年《陜西省(生態)環境狀況公報》和陜西省環境監測站關中區域西安、咸陽、渭南、銅川、寶雞五市主要大氣污染物PM2.5、PM10、SO2和NO2逐日平均質量濃度，采用常規統計方法計算分析其時間變化特征和區域分布特征。

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)，將空氣污染指數劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300六檔，對應空氣質量狀況為一級優、二級良、三級輕度污染、四級中度污染、五級重度污染和六級嚴重污染，分析2014—2018年中度及以上污染日數特征。

2 主要大氣污染物質量濃度時間變化特征

利用關中區域五個主要城市近5年主要大氣污染物年和月平均質量濃度，分別分析關中區域以及各主要城市環境空氣質量的年際變化和月變化特征。

2.1 年際變化特征

2.1.1 關中區域 從表1可以看出：近5年關中區域顆粒物PM2.5和PM10質量濃度呈明顯的下降趨勢，2014—2015年有所下降，2016年略有增加，2017—2018年顯著下降；年均質量濃度占標率由204.3%和187.4%下降到142.7%和131.0%，平均每年下降5.4 μg/m3和9.9 μg/m3。SO2年均質量濃度逐年下降顯著，年均質量濃度占標率由50.8%下降到22.8%，平均每年下降4.2 μg/m3。NO2年均質量濃度呈逐年上升趨勢，年均質量濃度占標率由95.5%上升到107.6%，年均增長1.2 μg/m3，2016—2018年NO2年均質量濃度均超過國家空氣質量二級標準，其中2017年超標達22.5%。可見，隨著近年來大氣環境治理的推進，除了因汽車保有量的逐年快速增加，NO2年均質量濃度有所增加外，關中區域大氣環境質量總體在不斷改善。

表1 2014—2018年關中區域主要大氣污染物平均質量濃度年際變化

2.1.2 各主要城市 從圖1可看出：各主要城市顆粒物PM10和PM2.5年平均質量濃度呈下降趨勢，西部的寶雞和中北部的銅川下降更為明顯，而中部的西安和咸陽、以及東部的渭南2016年有所升高，隨后開始下降；各市SO2年均質量濃度逐年下降趨勢較為顯著，寶雞明顯低于其它4個城市；西安、咸陽和渭南NO2年均質量濃度呈逐年上升趨勢，其中2017年最高，寶雞和銅川相對較低且變化趨勢不明顯。可見，關中區域中部和東部主要大氣污染物質量濃度較西部和北部明顯偏高，尤其是2016年以后顆粒物和NO2質量濃度偏高更為明顯，這可能與城市化發展有關。

圖1 2014—2018年關中五個城市主要大氣污染物平均質量濃度年變化

2.2 月變化特征

2.2.1 關中區域 從圖2可知：PM10、PM2.5各月變化顯著，SO2、NO2各月變化幅度相對較小，4—10月尤其是夏季6—9月空氣質量狀況明顯較好，7月最好；11月至次年3月采暖期空氣污染較為突出，其中1月環境空氣質量最差，其次是2月。可見，4—10月特別是夏季太陽輻射強烈，大氣對流和湍流旺盛，降水量大，降水日數相對較多，有利于大氣污染物的擴散和稀釋，空氣質量明顯較好；采暖期大氣層結相對穩定，對流和湍流較弱，且降水較少，不利于大氣污染物的擴散和稀釋，加之采暖造成污染排放大，空氣質量明顯較差。

圖2 2014—2018年關中區域主要大氣污染物平均質量濃度月變化

2.2.2 各主要城市 從圖3可看出：關中五市PM2.5質量濃度4—10月較低，尤其是6—9月；采暖期明顯較高，其中1月最高，其次是12月。從城市比較來看，咸陽各月基本最高，采暖期PM2.5污染尤其明顯，其次是西安，渭南第三，銅川最低，PM10質量濃度6—9月較低，采暖期明顯較高，其中1月最高，其次是12月。從城市比較來看，全年西安、咸陽、渭南明顯高于寶雞和銅川，其中12月至次年4月西安最高，5—11月咸陽最高，6—9月寶雞最低，其余月份銅川最低。SO2質量濃度4—10月較低，采暖期明顯較高，其中1月最高，其次是2月。從城市比較來看，全年銅川、渭南、西安、咸陽明顯高于寶雞，其中10月—次年3月銅川明顯偏高，4—9月咸陽最高，渭南次之，全年寶雞相對較低。NO2質量濃度5—10月較低，7月和8月偏低明顯，采暖期明顯較高，其中12月最高，其次是1月，從城市比較來看，全年西安、渭南、咸陽明顯高于寶雞和銅川，全年西安明顯最高，11月—次年2月渭南高于咸陽居第二，其余月份渭南高于咸陽，除11月寶雞略高于銅川外，其余月份均以銅川為最低。可見，近5年關中區域6—9月空氣質量較好，采暖期主要大氣污染物質量濃度明顯較高，從區域來看，中部的咸陽和西安、以及東部的渭南空氣質量相對較差，西部的寶雞和北部的銅川相對較好。

圖3 2014—2018年關中五個城市主要大氣污染物質量濃度月變化

3 主要大氣污染物質量濃度空間分布特征

3.1 平均質量濃度空間分布

從表2可看出：關中五市近5年顆粒物PM2.5和PM10質量濃度均超過國家二級標準，其中PM2.5質量濃度以咸陽為最高，占標率達200.3%，西安略高于渭南，銅川最低；PM10質量濃度西安略高于咸陽，渭南第三，銅川最低。SO2年平均質量濃度均明顯低于國家二級標準，其中銅川最高，其次是渭南，咸陽略高于西安，寶雞明顯較低；西安、咸陽和渭南NO2年平均質量濃度均超過國家二級標準，西安最大占標率達125.8%，渭南略高于咸陽，寶雞略高于銅川。

關中中部PM2.5質量濃度明顯最高，其次是關中東南部，東北部和西部明顯較低；PM10質量濃度以關中中南部最高，其次是東南部，北部和西部相對較低；SO2質量濃度以關中北部為最高，其次是中部和東南部，西部明顯較低；NO2質量濃度以中南部為最高，北部和西部相對較低。總體來看，關中區域近5年以顆粒物PM2.5和PM10為主要污染物，年均值均超標，SO2質量濃度相對較低。從區域分布看，中部環境空氣質量最差，其中PM2.5和PM10及NO2質量濃度明顯較高，東部次之，北部最好，表明城市化水平越高大氣環境質量越差。

表2 2014—2018年關中五個城市主要大氣污染物平均質量濃度和國家二級標準濃度 單位：μg/m3

3.2 中度及以上污染日數空間分布

依據空氣質量指數(AQI)級別劃分標準，對關中五個城市AQI進行分級，得到2014—2018年中度及以上污染日數(見表3)。從表3可看出：近5年咸陽中度以上污染日數明顯較多，年均75.4 d，約占全年的20.7%，其次為西安的64.6 d，渭南居第三，銅川最少為36.2 d；咸陽、渭南和西安中度以上污染日數呈逐年增加趨勢，咸陽增加趨勢最為顯著，而寶雞和銅川呈逐年減少趨勢。

表3 2014—2018年關中五個城市中度及以上污染日數統計 單位：d

4 結論

(1)近5年關中區域PM10、PM2.5和SO2年平均質量濃度呈逐年下降趨勢，尤其是西部的寶雞和中北部的銅川PM10和PM2.5質量濃度下降更為明顯；西安、咸陽和渭南NO2年均質量濃度呈逐年上升趨勢，寶雞和銅川相對較低且變化趨勢不明顯。除NO2年均質量濃度有所增加外，關中區域大氣環境質量總體在不斷改善。

(2)近5年關中區域4—10月尤其是夏季6—9月空氣質量狀況明顯較好，7月最好；采暖期空氣污染較為嚴重，其中1月環境空氣質量最差，其次是2月。從區域比較來看，全年中部的咸陽、西安以及東部的渭南空氣質量相對較差，西部的寶雞和北部的銅川相對較好，采暖期區域差異尤為顯著。

(3)關中區域近5年以PM2.5和PM10為主要污染物，年均質量值均超標，SO2質量濃度相對較低；從區域分布來看，中部環境空氣質量最差，其中PM2.5、PM10及NO2質量濃度明顯較高，東部次之，北部和西部相對較好，表明城市化水平越高大氣環境質量越差。

(4)近5年咸陽中度以上污染日數明顯較多，約占全年的20.7%，其次為西安，渭南居第三，銅川最少。從變化趨勢來看，咸陽、西安和渭南中度以上污染日數呈逐年增加趨勢，咸陽增加趨勢最為顯著，而寶雞和銅川呈逐年減少趨勢。