關(guān)中地區(qū)大氣污染特征分析

魏俊濤，楊曉春，杜萌萌，白慶梅，白水成

(西安市氣象局，西安 710016)

大氣污染的區(qū)域性特征明顯，在我國以京津冀、長三角和汾渭平原為典型代表[1-4]。關(guān)中地區(qū)是汾渭平原經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域，包含了西安、咸陽、寶雞、銅川、渭南五個地市。另外，關(guān)中地區(qū)位于西高東低的“喇叭口”地形中，比位于半開放地形中的京津冀，以及沿海平原的長三角更容易引發(fā)逆溫，抑制污染物的垂直擴(kuò)散[5]。人為排放和不利的地形條件使得關(guān)中地區(qū)重污染天氣頻發(fā)、污染物濃度高、大氣能見度低[6-9]。針對關(guān)中區(qū)域的大氣污染，胡琳等[10]分析了2014—2018年關(guān)中地區(qū)重污染狀況下氣象條件的變化。高維英等[11]則研究了該地區(qū)重污染發(fā)生和減弱時的天氣類型特征。陳欣昊等[12]、盧娣等[13]、韓潔等[14]分析了關(guān)中地區(qū)不同區(qū)域不同時段的氣象條件對大氣污染的影響。已有的研究主要側(cè)重于關(guān)中地區(qū)大氣污染物與氣象條件之間關(guān)系，對該區(qū)域大氣污染本身的特征與其他典型污染區(qū)域的差別方面的研究較少。本文基于2014—2018年大氣污染物質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)計算相關(guān)污染指數(shù)，分析關(guān)中地區(qū)大氣污染特征，并對比與其他典型污染區(qū)域在重污染過程持續(xù)性上的不同，以期更科學(xué)地認(rèn)識區(qū)域內(nèi)大氣污染狀況，為治污減霾提供科學(xué)支撐。

1 資料和方法

關(guān)中地區(qū)5個城市(西安、咸陽、渭南、寶雞和銅川)和北京、上海、廣州的6種大氣污染物(PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2、O3)日均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)(分別用C(PM10)、C(PM2.5)、C(SO2)、C(CO)、C(NO2)、C(O3)表示)來自中國環(huán)保部全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035)。采用算術(shù)平均的方法來計算年、季節(jié)和月尺度的平均質(zhì)量濃度。首要污染物取6種大氣污染物中對大氣污染貢獻(xiàn)最大的污染物，采用《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[15]進(jìn)行數(shù)據(jù)計算分析。

重污染過程的定義為：從AQI大于100的當(dāng)日開始計數(shù)至AQI小于100的前一日，并且過程中至少包含1 d AQI大于200的重污染日。重污染過程發(fā)展日數(shù)定義為從重污染過程開始日至質(zhì)量濃度峰值日的日數(shù)，重污染過程消散日數(shù)則為從質(zhì)量濃度峰值日至結(jié)束日的日數(shù)。

逆溫的計算和判定基于2007—2018年冬半年(10月至次年4月)西安、北京、上海和廣州每日08時的無線電探空數(shù)據(jù)。所選取的逆溫高度為700 hPa以下的逆溫。主要的計算方法為：選取探空數(shù)據(jù)中的地面、925 hPa、850 hPa和700 hPa為特征層，特征層中任意層的溫度與高度較低層溫度相減大于0，即認(rèn)定為出現(xiàn)逆溫。計算表達(dá)式為

T925-Ts>0 或T850-Ts>0 或
T700-Ts>0 或T700-T850>0或
T700-T925>0 或T850-T925>0 ，

(1)

式(1)中T925、T850、T700分別代表925 hPa、850 hPa和700 hPa的溫度，Ts為地表氣溫。

2 關(guān)中地區(qū)大氣污染時空特征

2.1 污染物質(zhì)量濃度

2014—2018年關(guān)中5個城市6種污染物中，年平均質(zhì)量濃度均略高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)[16](表1)。6種污染物年平均質(zhì)量濃度分別用Cy(PM2.5)、Cy(PM10)、Cy(SO2)、Cy(CO))、Cy(NO2)、CyO3表示。其中顆粒物的污染程度顯著高于氣態(tài)污染物，Cy(PM10)為118.38 μg/m3，Cy(PM2.5) 為63.94 μg/m3，高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)(70 μg/m3和35 μg/m3)，而Cy(SO2)和Cy(NO2)。為20.80 μg/m3和42.99 μg/m3，僅略高于二級標(biāo)準(zhǔn)(20.8 μg/m3和40 μg/m3)。顆粒物年均質(zhì)量濃度最高的兩個地區(qū)為西安和咸陽， 其中PM10尤為顯著，這與城市大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)有關(guān)。位于海拔高度較高的盆地邊緣的銅川的顆粒物質(zhì)量濃度最低，較西安偏低28 μg/m3，但臭氧年均質(zhì)量濃度卻最高。臭氧的生成涉及復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，與銅川相對較高的輻射有關(guān)。渭南、咸陽和銅川為Cy(SO2)高值區(qū)，這3個城市正是關(guān)中地區(qū)火力發(fā)電廠和工礦企業(yè)密集區(qū)。

表1 2014—2018年關(guān)中城市6種污染物年平均質(zhì)量濃度

基于污染物性質(zhì)和質(zhì)量濃度變化規(guī)律，表2列出關(guān)中5個城市6種污染物冬季和夏季日平均質(zhì)量濃度。由表2可知：各城市冬季污染物質(zhì)量濃度差別大于夏季，其中盆地底部區(qū)域的污染重于盆地邊沿地區(qū)；冬季顆粒物日均質(zhì)量濃度為輕度污染，氣態(tài)污染物日均質(zhì)量濃度中NO2達(dá)二級，SO2、CO和 O3符合一級，C(PM2.5)最高區(qū)域為咸陽，而C(PM10)最大值則在西安；夏季6種污染物日均質(zhì)量濃度均符合二級標(biāo)準(zhǔn)，其中西安C(O3)顯著高于其他地區(qū)，這與人口密度大所帶來的機(jī)動車尾氣排放高密切相關(guān)。

2.2 污染超標(biāo)日

大氣污染超標(biāo)日為任意一類大氣污染物日均質(zhì)量濃度大于國家二級標(biāo)準(zhǔn)。2014—2018年關(guān)中5個城市大氣超標(biāo)日分布如圖1所示，位于盆地底部的西安、咸陽和渭南超標(biāo)日數(shù)多，而盆地邊沿，海拔高度較高的銅川和寶雞超標(biāo)日數(shù)相對較少。關(guān)中地區(qū)的大氣污染狀況較為嚴(yán)重，其中西安的超標(biāo)率最高達(dá)47%，最少的寶雞為31%。

圖1 2014—2018年關(guān)中5個城市累積污染超標(biāo)日

關(guān)中地區(qū)污染超標(biāo)率的季節(jié)變化較大，如圖2所示。冬季的污染超標(biāo)率最高，達(dá)50%以上，其中西安和咸陽超標(biāo)率達(dá)到65%左右。西安夏季的超標(biāo)率僅次于冬季，這主要受臭氧污染的影響(見表2)，與前文分析一致，而其余城市超標(biāo)率排名第二的為春季，與春季大風(fēng)天氣頻繁所引發(fā)的揚(yáng)沙和浮塵天氣有關(guān)。寶雞為污染超標(biāo)率最低的區(qū)域，夏、秋季的超標(biāo)率僅為20%。

表2 2014—2018年關(guān)中城市6種污染物冬、夏季日平均質(zhì)量濃度

圖2 2014—2018年關(guān)中5個城市的污染超標(biāo)率季節(jié)分布

2.3 首要污染物

首要污染物為大氣污染超標(biāo)日中對大氣污染貢獻(xiàn)最大的污染物。統(tǒng)計2014—2018年關(guān)中5個城市年平均和各季節(jié)中不同首要污染物占所有污染超標(biāo)日的比率可以發(fā)現(xiàn)，PM2.5、O3和PM10為首要污染物的年平均比率最高。其中PM2.5占比最大，年平均為47%～62%，冬季可達(dá)84%以上；其次為O3，年平均占比為21%～31%。由于我國北方春季多冷空氣活動，易受沙塵影響[17]，關(guān)中地區(qū)除咸陽和銅川外，春季首要污染物占比最大的為PM10。夏季太陽輻射增強(qiáng)，O3成為關(guān)中地區(qū)首要污染物的占比達(dá)93%以上，西安最高為96%。秋、冬季的首要污染物均以PM2.5占比最大，秋季為60%以上，冬季可達(dá)84%以上。

對比城市間首要污染物占比可以發(fā)現(xiàn)：夏季西安的C(O3)最高，同時O3污染的占比也最大，這與前體物NOx和VOC高排放量密切相關(guān)[18]。其他季節(jié)中，PM10為西安首要污染物的占比明顯高于其他城市。西安較高的PM10污染主要可能來源于城市的大規(guī)模建設(shè)、道路揚(yáng)塵和建筑揚(yáng)塵等。

3 關(guān)中地區(qū)大氣污染持續(xù)性特征

重污染過程持續(xù)時間長對人體健康和環(huán)境的危害更為嚴(yán)重。對2014—2018年秋冬季大氣污染期(11月至次年2月)關(guān)中地區(qū)的重污染過程按照前文的定義進(jìn)行統(tǒng)計分析，如表3所示，所有城市重污染過程出現(xiàn)頻次均在25次以上。盆地城市西安、咸陽和渭南的重污染過程平均持續(xù)日數(shù)較盆地邊緣的寶雞和銅川長，但最長的重污染過程出現(xiàn)在西安和寶雞，分別為31 d和30 d。銅川的重污染過程平均持續(xù)時間、平均消散時間和最長持續(xù)日數(shù)均為最短，這與其海拔高度較高，風(fēng)速較大，擴(kuò)散條件相對較好有關(guān)。

表3 2014—2018年關(guān)中地區(qū)5個城市冬季重污染過程參數(shù)統(tǒng)計

基于相同的特征參數(shù)對比分析關(guān)中區(qū)域與其他區(qū)域重污染過程持續(xù)時間的不同。選取的對比城市為：半開放地形下的北京、長江三角洲的上海和珠江三角洲的廣州。由于廣州在2014—2018年間重污染過程僅有2次，故剔除了樣本信息，結(jié)果如表4所示。分析可以發(fā)現(xiàn)：北京的重污染過程出現(xiàn)頻次最多，達(dá)40次，平均持續(xù)日數(shù)為4 d；西安的重污染頻次雖然少于北京，但過程持續(xù)時間最長，平均為9.4 d，最長延續(xù)31 d之久，平均發(fā)展日數(shù)和平均消散日數(shù)也長于北京和上海；上海重污染頻次最少，生成和消散的時間短，平均持續(xù)時間僅有3.2 d。

表4 2014—2018年西安、北京和上海3個城市冬季重污染過程基本信息統(tǒng)計

進(jìn)一步對比分析西安、北京和上海出現(xiàn)不同持續(xù)時間重污染過程的頻次，將過程持續(xù)時間分為1～<5 d、5～<10 d、10～<20 d和20 d及以上4個等級分別統(tǒng)計(圖3)。北京和上海大部分的重污染過程持續(xù)時間小于5 d，未出現(xiàn)超過10 d的重污染過程。西安重污染過程中持續(xù)時間為5～<10 d的頻次最高，10～<20 d次之，并存在持續(xù)時間超過20 d的重污染。同樣的方法分析了關(guān)中地區(qū)其余城市的情況(圖略)，基本與西安相似，僅銅川沒有出現(xiàn)持續(xù)時間超過20 d的重污染過程。這進(jìn)一步表明了類似盆地地形下的關(guān)中地區(qū)重污染過程持續(xù)時間較長。

圖3 2014—2018年冬季西安、北京和上海重污染過程頻次圖

已有的研究表明，逆溫的存在使得大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于污染物擴(kuò)散，延長污染過程的持續(xù)時間[19-21]。對比分析2007—2018年冬半年(10月至次年4月)4個典型城市(西安、北京、上海、廣州)每日08時逆溫出現(xiàn)狀況(圖4)。由于特殊的地形條件，在4個城市中西安的逆溫現(xiàn)象最多，冬半年69%的早晨出現(xiàn)逆溫。半包圍地形下北京的逆溫出現(xiàn)頻次僅次于西安，達(dá)到50%。臨海城市廣州和上海只有21%的早晨出現(xiàn)逆溫。西安的逆溫出現(xiàn)頻次高，是造成冬半年重污染過程持續(xù)時間長的重要原因。

深色為有貼地逆溫；淺色為無貼地逆溫。圖4 2007—2018年冬半年西安、北京、廣州和上海每日08時貼地逆溫頻次圖

4 結(jié)論

(1)2014—2018年關(guān)中地區(qū)6種污染物的年平均質(zhì)量濃度均略高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)，其中顆粒物的污染程度高于氣態(tài)污染物，且盆地底部區(qū)域的污染物質(zhì)量濃度高于盆地邊沿地區(qū)。西安和咸陽為顆粒物質(zhì)量濃度最高區(qū)域，銅川最低。

(2)2014—2018年關(guān)中地區(qū)大氣污染超標(biāo)日達(dá)31%以上，西安最多為47%。污染超標(biāo)日的季節(jié)變化較大，其中冬季最高，平均為50%以上，西安和咸陽可達(dá)65%。受臭氧影響，西安夏季的超標(biāo)率僅次于冬季。其余城市受揚(yáng)沙影響，春季的超標(biāo)率排名第二。首要污染物中PM2.5、O3和PM10占污染超標(biāo)日的比率最高，其中PM2.5占比最高，年平均47%～62%，冬季可達(dá)84%以上。

(3)與典型污染城市北京、上海和廣州相比，相同的研究時段內(nèi)，西安的重污染頻次少于北京，但污染過程持續(xù)時間最長，平均為9.4 d，最長達(dá)31 d。這與西安冬半年頻繁的逆溫現(xiàn)象相關(guān)，08時逆溫出現(xiàn)頻率為69%。