西安市氣象參數(shù)對PM2.5濃度變化的影響

趙乾 狄育慧

摘要：采用西安市環(huán)境監(jiān)測站2016年大氣污染物PM2.5濃度數(shù)據(jù)作為分析資料，同時(shí)結(jié)合各監(jiān)測點(diǎn)的位置，對市內(nèi)和郊區(qū)進(jìn)行了劃分，分析了2016年西安市市內(nèi)和郊區(qū)的PM2.5濃度的變化，并進(jìn)行了污染物濃度與氣象條件、溫度、濕度等的相關(guān)性分析。結(jié)果表明：其PM2.5的質(zhì)量濃度大氣壓以及相對濕度呈正相關(guān)，與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。對于不同的季節(jié)，郊區(qū)與市區(qū)的PM2.5的質(zhì)量濃度與氣象因素的相關(guān)性不同。

關(guān)鍵詞：細(xì)顆粒物;氣象因素;氣體污染物濃度

中圖分類號：X16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0123-05

1 引言

隨著我國西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)成為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國民生活的最大難題。西安作為西北地區(qū)的中心城市，地處關(guān)中平原中部，是一個污染情況很嚴(yán)重的城市[1]，溫室效應(yīng)，大氣污染等問題已經(jīng)困擾著當(dāng)?shù)鼐用?。雖然目前大量的學(xué)者對西安市的空氣污染狀況與氣象參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究，但是針對同一種污染物，對于市區(qū)和郊區(qū)不同生活環(huán)境的區(qū)別性研究并不多。孟小絨等[2]對西安市氣象參數(shù)與PM10的關(guān)系進(jìn)行了探討，并提出部分氣象條件的預(yù)報(bào)方法，王珊等[3]通過分析一次霾的生成過程發(fā)現(xiàn)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(shí)間變化，并探索了不同季節(jié)與污染物濃度之間的關(guān)系。筆者以2016年西安市空氣污染物PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒為依據(jù)，通過SPSS軟件對西安市市區(qū)和郊區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行量化分析以及氣象參數(shù)與污染物濃度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。以更清晰地了解西安市市區(qū)和郊區(qū)的污染情況以及影響因素，對未來西安市環(huán)境質(zhì)量的解決有著重要的意義。

2 西安2016年P(guān)M2.5市區(qū)和郊區(qū)濃度變化分析

PM2.5是影響西安市空氣質(zhì)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(qū)和郊區(qū)PM2.5的分析尤為重要。

2.1 西安市區(qū)與郊區(qū)PM2.5濃度日變化

對西安市小寨監(jiān)測點(diǎn)以及臨潼監(jiān)測點(diǎn)2016年的污染物PM2.5的濃度的小時(shí)樣本按照24 h進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(qū)和郊區(qū)的PM2.5濃度的變化特性基本上相似，但郊區(qū)的濃度值較市區(qū)來說較高一些?？赡艿脑蚴桥R潼附近工廠的作業(yè)，同時(shí)市內(nèi)污染物受到風(fēng)向的影響，最后沉淀在郊區(qū)范圍內(nèi)，最終導(dǎo)致了郊區(qū)的PM2.5濃度會高于市內(nèi)的情況。對于市內(nèi)和郊區(qū)來說，顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度的日變化總體上有所差異。市區(qū)的呈現(xiàn)雙峰分布特征，其谷值分別出現(xiàn)在早晨和傍晚之間，峰值則出現(xiàn)在中午和午夜左右。該變化規(guī)律主要與人們的生活習(xí)性有所關(guān)聯(lián)，其中，第一個谷值的出現(xiàn)大約是在7：00～8：00，這是由于當(dāng)日的生產(chǎn)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(chǎn)、生活的開始，顆粒物的各種來源增多，從而導(dǎo)致空氣中顆粒物的濃度開始逐漸增加，一直到中午時(shí)間達(dá)到最高峰，達(dá)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(huán)境有利空氣擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率逐漸增加，最后達(dá)到頂峰，因此午后顆粒物的濃度開始逐漸下降，在下午時(shí)段形成一天中的第二個谷值。下班之后，人們晚上活動時(shí)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(shí)伴隨著下班高峰期的到來，導(dǎo)致污染源增加以及第二個污染物排放高峰時(shí)段的到來，而此時(shí)，空氣的逆溫現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，從而形成較為穩(wěn)定的空氣層結(jié)構(gòu)，這不利于污染物的擴(kuò)散[6]，隨著時(shí)間的推移，污染物在近地面空氣中開始慢慢積累，到午夜時(shí)分，該積累過程也達(dá)到頂峰，出現(xiàn)第二個峰值。而郊區(qū)的PM2.5濃度的變化基本上呈現(xiàn)出單峰特征，上午和下午的PM2.5的質(zhì)量濃度基本處于微波動狀態(tài)，只有在11：00～12：00出現(xiàn)明顯的峰值，這是受到郊區(qū)人口密度，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 西安市區(qū)與郊區(qū)PMz.s濃度周變化

西安市小寨監(jiān)測點(diǎn)年大氣可吸入顆粒物PM2.5日平均質(zhì)量濃度的總體變化趨勢如圖3所示，從圖中的變化規(guī)律可以看出，從周一到周三是逐漸上升的過程，到周三時(shí)達(dá)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(qū)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(qū)臨潼監(jiān)測點(diǎn)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(dá)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(fā)現(xiàn)市內(nèi)與郊區(qū)的變化規(guī)律并不相似，同時(shí)周內(nèi)PM2.5濃度最高的時(shí)間點(diǎn)也不相同。其原因是市內(nèi)和郊區(qū)的人口密度不同，活動強(qiáng)度也不相同，同時(shí)生活生產(chǎn)結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)對于不同季節(jié)的工作日和周末的PM2.5濃度也會存在顯著的區(qū)別。表1、2分別是西安市市區(qū)小寨監(jiān)測點(diǎn)和臨潼監(jiān)測點(diǎn)的工作日和周末的PM2.5濃度的描述性統(tǒng)計(jì)表。從表中可以看出，市區(qū)和郊區(qū)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(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)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(dāng)?shù)貧夂蛞约肮┡挠绊憽?/p>

之后進(jìn)一步根據(jù)T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如表3、4，市區(qū)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(qū)的人流量和交通量都比較大，在周末和工作日的時(shí)候也沒有太大區(qū)別。而郊區(qū)的PM2.5的濃度在春季，秋季以及冬季時(shí)，工作日和周末不存在顯著差異，但在夏季時(shí)存在顯著差異。

2.3 西安市區(qū)與郊區(qū)PM2.5濃度的全年性變化

西安市市區(qū)與郊區(qū)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(xiàn)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(nèi)小寨站點(diǎn)所監(jiān)測到的顆粒物（ PM2.5）年平均濃度值為74 ）μg/m³，超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)[8]（35μg/m³）1.05倍左右。同時(shí)臨潼監(jiān)測點(diǎn)所監(jiān)測到的平均濃度為66.97 μg/m³，這都與季節(jié)性污染及相關(guān)的氣象因素有關(guān)。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(jié)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(xù)的交通源排放外，周邊地區(qū)頻繁的農(nóng)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(fēng)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(wěn)定的大氣環(huán)境不利于顆粒物的擴(kuò)散。同時(shí)冬季也存在不利于污染物擴(kuò)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(zhì)量濃度數(shù)值較為集中，且呈現(xiàn)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(kuò)散。

3 西安2016年P(guān)M2.5市區(qū)和郊區(qū)濃度與氣象參數(shù)的相關(guān)性分析

為了研究西安市市區(qū)與郊區(qū)的PM2.5的質(zhì)量濃度的影響因素，將2016年西安市市區(qū)與郊區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度的全年日平均值分季節(jié)和全年進(jìn)行了相關(guān)性分析（表5）。

從表5的結(jié)果可以看出，從全年來看，市區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度與大氣壓以及相對濕度呈正相關(guān)，與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。其中溫度對PM2.5的質(zhì)量濃度的影響最大，壓力其次，相關(guān)系數(shù)分別為- 0.488和0.339。從季節(jié)情況來看，春季PM2.5的質(zhì)量濃度與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他氣象因素?zé)o顯著相關(guān)性。主要是因?yàn)槲靼彩袇^(qū)春季的冷熱空氣交換頻繁，造成溫度變化較大，當(dāng)溫度低時(shí)候，大氣出現(xiàn)逆溫層，這就造成了PM2.5的聚集，反之當(dāng)溫度高時(shí)，大氣的活動性增強(qiáng)，從而降低了PM2.5的濃度。在夏季，影響PM2.5質(zhì)量濃度的主要因素為風(fēng)速，并且是顯著正相關(guān)，因?yàn)橄募痉遣膳?，燃煤的污染幾乎不存在，因此?dāng)市區(qū)內(nèi)風(fēng)速較大時(shí)，會加劇周邊污染源向市內(nèi)的擴(kuò)散傳播，因此夏季PM2.5與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)。在秋季，PM2.5的質(zhì)量濃度只與溫度呈顯著正相關(guān)，而與壓力，相對濕度和風(fēng)速無顯著相關(guān)，并且相關(guān)系數(shù)極小。在冬季，PM2.5的質(zhì)量濃度與壓力和相對濕度，風(fēng)速呈顯著相關(guān)，其中與壓力和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈正相關(guān)，并且相對濕度對PM2.5的影響最大。主要原因是當(dāng)相對濕度較大時(shí)，說明西安市內(nèi)沒有大量的冷空氣侵入，相對而言，大氣層的環(huán)境較為穩(wěn)定，這便導(dǎo)致了PM2.5顆粒物的不易擴(kuò)散，造成聚集現(xiàn)象，從而使得顆粒物濃度升高。

對于西安郊區(qū)的PM2.5的相關(guān)性分析來看，根據(jù)表12可知，從全年來看，郊區(qū)PM25的質(zhì)量濃度與氣象參數(shù)的相關(guān)性與市區(qū)并沒有差異，與大氣壓以及相對濕度呈正相關(guān)，與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，但主要影響因素為溫度和風(fēng)速。按照四季來看，春季PM2.5的質(zhì)量濃度仍然是與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他氣象因素?zé)o顯著相關(guān)性。在夏季，郊區(qū)的PM2.5的質(zhì)量濃度與本次研究的四個氣象參數(shù)均無顯著相關(guān)，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(zhì)量濃度與溫度，壓力以及風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，并且溫度和壓力的相關(guān)程度一致，而與相對濕度無顯著相關(guān)性。在冬季，郊區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度與市區(qū)的相關(guān)性較為相似，與壓力和風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈顯著正相關(guān)。與市區(qū)相比，冬季郊區(qū)的風(fēng)速對PM2.5的質(zhì)量濃度的影響更大，因?yàn)槭艿浇紖^(qū)城市結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)更易打破空氣的穩(wěn)定狀態(tài)，從而更好地起到稀釋和擴(kuò)散作用。

4 結(jié)論

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

（2）市區(qū)和郊區(qū)的PM2.5的濃度在一周內(nèi)的情況有所差異。對于市區(qū)而言，PM2.5的質(zhì)量濃度在周一到周三持續(xù)上升，周三達(dá)到一周內(nèi)濃度最大的時(shí)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(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度有較大的波動，呈現(xiàn)出增減，增減的趨勢，在周六達(dá)到一周濃度最高的一天。

（3）對于全年的市區(qū)與郊區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度的變化趨勢較為相同，總體上呈現(xiàn)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(shù)中，按照整年來說，市區(qū)與郊區(qū)的PM2.5的質(zhì)量濃度與各因素之間的相關(guān)性相似，都是與大氣壓以及相對濕度呈正相關(guān)，與溫度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。而按照季節(jié)來說，市區(qū)和郊區(qū)的春季PM2.5的質(zhì)量濃度與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他氣象因素?zé)o顯著相關(guān)性。在夏季，市區(qū)PM25質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，郊區(qū)則不予任何上述氣象因素相關(guān)。在秋季，市區(qū)PMz.s的質(zhì)量濃度只與溫度呈顯著正相關(guān)，而與壓力，相對濕度和風(fēng)速無顯著相關(guān)，郊區(qū)PM2.5的質(zhì)量濃度與溫度，壓力以及風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，而與相對濕度無顯著相關(guān)性。在冬季，郊區(qū)與市區(qū)的PM2.5的質(zhì)量濃度與氣象因素的相關(guān)性較為相似，與壓力和相對濕度，風(fēng)速呈顯著相關(guān)。

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