韓 浩 解建倉(cāng) 姜仁貴 柴 立

(西安理工大學(xué),陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

空氣質(zhì)量污染的問(wèn)題已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣給居民的生產(chǎn)、生活帶來(lái)許多不便，影響到人們的身體健康[1]。參考中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》對(duì)霧霾的定義，霧是指大量微小水滴浮游在空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1.0 km的天氣現(xiàn)象；霾是指大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0 km的天氣現(xiàn)象[2]。在中國(guó)氣象局2010年頒布的《氣象標(biāo)準(zhǔn)匯編》中，在能見度的基礎(chǔ)上增加了相對(duì)濕度的概念，對(duì)霧霾做出進(jìn)一步的界定，即能見度小于10 km、空氣相對(duì)濕度≥95%的天氣現(xiàn)象定義為霧；能見度小于10 km、空氣相對(duì)濕度<80%的天氣現(xiàn)象定義為霾[3]941。2012年，環(huán)境保護(hù)部頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，將產(chǎn)生霧霾的主要因素PM2.5濃度作為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。從2013年1月1日起，西安市環(huán)境保護(hù)局首次將PM2.5濃度納入空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。霧霾天氣能見度低，影響交通安全，且空氣污染嚴(yán)重引起的呼吸系統(tǒng)疾病感染患者增多[4]，破壞生態(tài)環(huán)境，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到阻礙。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)霧霾天氣時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，為認(rèn)識(shí)霧霾成因及其如何治理提供了理論依據(jù)。葉光營(yíng)等[5]根據(jù)1968—2007年福州地區(qū)9個(gè)氣象站的歷史資料，對(duì)福州霧霾天氣的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)站的霧霾日數(shù)存在著區(qū)域差異和季節(jié)變化。錢峻屏等[6]利用1980—2003年廣東省26個(gè)觀測(cè)站的氣象觀測(cè)資料，分析廣東地區(qū)霧霾天氣下能見度的季節(jié)變化規(guī)律和空間分布特征。樊文雁等[7]收集北京325 m氣象塔對(duì)霧霾天氣過(guò)程大氣細(xì)粒子濃度的觀測(cè)資料，分析霧天、霾天、晴天大氣細(xì)粒子濃度垂直分布變化的特征。曹偉華等[3]950利用2009年北京地區(qū)霧霾天氣高時(shí)間分辨率資料，分析了一次持續(xù)性霧霾天氣過(guò)程的階段性特征。

西安市位于關(guān)中平原中部，其工業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)污染物的排放、市區(qū)內(nèi)道路翻修與建筑物揚(yáng)塵、大量機(jī)動(dòng)車的尾氣塵[8]等造成了顆粒污染物排放增加，導(dǎo)致霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，霧霾天氣加重了城市空氣的污染程度[9]。在2013年1月至2015年3月，全市空氣中的PM10、PM2.5濃度均超過(guò)GB 3095—2012規(guī)定的限值，而顆粒污染物的吸入會(huì)嚴(yán)重危害人體的健康。王珊等[10]利用1960—2012年西安市7個(gè)氣象站的歷史地面觀測(cè)資料，分析了霧霾日數(shù)和氣象要素變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)53年來(lái)西安市霧霾日數(shù)有增加趨勢(shì)，且風(fēng)速越小和不降水日數(shù)越多越有利于霧霾天氣的形成。劉翠等[11]分析西安市霧霾天氣成因及治理措施發(fā)現(xiàn)，PM10和PM2.5等微小粒子是影響霧霾的主要因子。韓月梅等[12]采用離子色譜法對(duì)11種無(wú)機(jī)水溶性離子進(jìn)行分析，探究了西安市大氣顆粒污染物中水溶性無(wú)機(jī)離子的季節(jié)變化特征。筆者通過(guò)研究西安市霧霾天氣的時(shí)空分布特征，有助于深入認(rèn)識(shí)西安市霧霾天氣形成及分布規(guī)律的現(xiàn)狀，也可作為當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)部門制定有效的空氣質(zhì)量保障措施的參考依據(jù)，對(duì)于減少一定時(shí)期內(nèi)霧霾天氣帶來(lái)的損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

2013—2015年的西安市高壓開關(guān)廠、高新西區(qū)、小寨、紡織城、草灘、廣運(yùn)潭、長(zhǎng)安區(qū)、市人民體育場(chǎng)、臨潼區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱經(jīng)開區(qū))、曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)、興慶小區(qū)、閻良區(qū)13個(gè)監(jiān)測(cè)站的SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5的觀測(cè)資料來(lái)源于西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站官方網(wǎng)站，用于分析13個(gè)監(jiān)測(cè)站全年霧霾的日、月變化和空間分布。西安市環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站對(duì)74個(gè)城市每個(gè)月的空氣質(zhì)量狀況報(bào)告。

1.2 處理方法

在研究13個(gè)監(jiān)測(cè)站的PM2.5與其他5項(xiàng)指標(biāo)(SO2、NO2、PM10、CO、O3)相關(guān)性分析中，需要對(duì)采取的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化處理，即每一個(gè)指標(biāo)變量的日空氣質(zhì)量指數(shù)與其平均值之差除以該指標(biāo)變量的標(biāo)準(zhǔn)差，以消除量綱和數(shù)量級(jí)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 西安市霧霾的時(shí)間分布特征

2.1.1 日變化

根據(jù)資料數(shù)據(jù)分析，西安市13個(gè)監(jiān)測(cè)站的PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)日變化趨勢(shì)基本一致，且與全市平均的PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)日變化趨勢(shì)相同。2013、2014年，PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)均先減少后增加；1—3、10—12月的PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)均偏高，霧霾日數(shù)增加；6—9月的PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)較低，霧霾日數(shù)減少。

空氣質(zhì)量指數(shù)大于100，表示污染級(jí)別為輕度污染；空氣質(zhì)量指數(shù)大于200，表示污染級(jí)別為重度污染；空氣質(zhì)量指數(shù)大于300，表示污染級(jí)別為嚴(yán)重污染。因此，每年1—3、11—12月的污染級(jí)別為嚴(yán)重污染。西安市春、冬季降水量較小[13]，在12月至翌年1月，氣候干燥，氣溫也較低，雨水量少對(duì)顆粒物清除作用較小，導(dǎo)致其擴(kuò)散能力低、易于持續(xù)集聚，因此這個(gè)時(shí)期PM2.5持續(xù)較高，是全年污染程度最嚴(yán)重階段，直接影響居民的日常生活。

2.1.2 月變化

圖1顯示了2013年1月至2015年4月西安市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)月變化趨勢(shì)(2014年12月數(shù)據(jù)缺失)。圖1反映了當(dāng)前西安市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的月變化趨勢(shì)，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析霧霾對(duì)空氣污染的季節(jié)影響。

空氣質(zhì)量綜合指數(shù)綜合考慮了SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5等6項(xiàng)指標(biāo)的污染情況，其值越大則污染程度越嚴(yán)重。由圖1可知，總體來(lái)看，西安市每年的1—3、12月污染程度最嚴(yán)重，6—8月污染程度較輕，2015年相比2013年有逐漸降低趨勢(shì)。

通過(guò)日、月變化比較發(fā)現(xiàn)，西安市霧霾天氣主要出現(xiàn)在冬、春季，在此期間西安市的霧霾污染程度較嚴(yán)重。

2.2 西安市霧霾的空間分布特征

結(jié)合西安市13個(gè)監(jiān)測(cè)站位置分析，市人民體育場(chǎng)、小寨、興慶小區(qū)監(jiān)測(cè)站均位于市區(qū)，市人民體育場(chǎng)監(jiān)測(cè)站靠近市中心區(qū)，興慶小區(qū)監(jiān)測(cè)站附近居民住宅區(qū)較多，小寨監(jiān)測(cè)站附近是商業(yè)區(qū)，人口密度大且建筑物高大密集；高新西區(qū)和高壓開關(guān)廠監(jiān)測(cè)站均靠近西部的工業(yè)區(qū)；曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)監(jiān)測(cè)站在南部，屬于文化產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)；草灘和經(jīng)開區(qū)監(jiān)測(cè)站均位于北部，草灘監(jiān)測(cè)站臨近渭河；廣運(yùn)潭和紡織城監(jiān)測(cè)站均在東部，廣運(yùn)潭監(jiān)測(cè)站靠近浐灞生態(tài)區(qū)，紡織城監(jiān)測(cè)站附近主要有眾多紡織企業(yè)及水泥廠；長(zhǎng)安區(qū)、臨潼區(qū)監(jiān)測(cè)站均距離市區(qū)較遠(yuǎn)，長(zhǎng)安區(qū)監(jiān)測(cè)站位于市區(qū)西南部，臨潼區(qū)監(jiān)測(cè)站位于市區(qū)東北部；閻良區(qū)監(jiān)測(cè)站距離市區(qū)最遠(yuǎn)，是航空工業(yè)區(qū)。

圖1 2013年1月至2015年4月西安市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)月變化趨勢(shì)Fig.1 The monthly trend of air quality comprehensive index of Xi’an from January 2013 to April 2015

圖2 2014年西安市13個(gè)監(jiān)測(cè)站空氣質(zhì)量狀況天數(shù)統(tǒng)計(jì)比例Fig.2 The statistical days proportion of thirteen stations air quality condition of Xi’an in 2014

圖2顯示了2014年西安市13個(gè)監(jiān)測(cè)站空氣質(zhì)量狀況天數(shù)統(tǒng)計(jì)比例。由于草灘監(jiān)測(cè)站處于西安市北郊，且西安市北有黃土高坡，年降水量較低，故霧霾顆粒物長(zhǎng)期聚集，不易擴(kuò)散造成局部空氣污染程度嚴(yán)重，草灘監(jiān)測(cè)站全年的污染天數(shù)比例(含輕度、中度、重度、嚴(yán)重污染，下同)為77.6%，居13個(gè)監(jiān)測(cè)站之首，其中嚴(yán)重污染級(jí)別天數(shù)為48 d。高新西區(qū)、高壓開關(guān)廠、市人民體育場(chǎng)、小寨監(jiān)測(cè)站均處于市區(qū)，常年燃煤煙氣、工業(yè)揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車尾氣的現(xiàn)象較嚴(yán)重，且市區(qū)內(nèi)高大建筑物較密集，阻礙空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)[14]，因此大量的PM2.5均勻地浮游在空中，不利于污染物短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣污染程度較嚴(yán)重，其全年的污染天數(shù)比例分別為63.6%、64.4%、69.4%、61.0%，其中前3個(gè)監(jiān)測(cè)站均超過(guò)了全市平均污染天數(shù)比例(62.2%)。全年污染程度較輕的是臨潼區(qū)、紡織城、曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)、長(zhǎng)安區(qū)監(jiān)測(cè)站，其全年的污染天數(shù)比例分別為56.1%、56.9%、51.5%、54.8%，由于這些監(jiān)測(cè)站所在區(qū)域離市區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，其發(fā)展以旅游和文化產(chǎn)業(yè)為核心，工業(yè)污染相對(duì)較少。經(jīng)開區(qū)、廣運(yùn)潭、興慶小區(qū)、閻良區(qū)嚴(yán)重污染級(jí)別天數(shù)均在29 d以上，介于13個(gè)監(jiān)測(cè)站中污染程度較嚴(yán)重和污染程度較輕之間，全年仍存在一定程度的霧霾污染。

西安市屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，市區(qū)常年盛行東北風(fēng)，年降水量由北向南遞增。草灘、廣運(yùn)潭、經(jīng)開區(qū)等監(jiān)測(cè)站均位于西安市的北部區(qū)域，根據(jù)觀測(cè)的空氣污染天數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，其與位于西安市南部區(qū)域的長(zhǎng)安區(qū)、曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)監(jiān)測(cè)站相比，污染天氣比例明顯偏高，說(shuō)明北部區(qū)域霧霾污染程度比南部區(qū)域嚴(yán)重；高新西區(qū)和高壓開關(guān)廠監(jiān)測(cè)站均位于西安市西部區(qū)域，紡織城和臨潼區(qū)監(jiān)測(cè)站均位于西安市的東部區(qū)域，西部區(qū)域霧霾污染程度比東部區(qū)域較嚴(yán)重。

表1 PM2.5和其他5個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性分析

2.3 不同污染物與PM2.5相關(guān)分析

SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、O3是評(píng)價(jià)霧霾天氣的6個(gè)重要指標(biāo)。PM2.5主要由水溶性無(wú)機(jī)離子、含碳物質(zhì)及不溶性礦物質(zhì)構(gòu)成[15]。對(duì)霧霾天氣發(fā)生的主要因素PM2.5與其他5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

選取霧霾天氣持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為研究的樣本數(shù)據(jù)，能更準(zhǔn)確地解釋霧霾期間PM2.5與其他5個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性。每個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)都存在不同程度的缺失，剔除缺失數(shù)據(jù)的單個(gè)樣本，通過(guò)SAS統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算Spearman秩相關(guān)系數(shù)。表1為2013年1—4月西安市13個(gè)監(jiān)測(cè)站(含全市平均)PM2.5和其他5個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性分析。

從表1可以看出，不同監(jiān)測(cè)站的同一個(gè)指標(biāo)與PM2.5的相關(guān)系數(shù)不完全相同，同一個(gè)監(jiān)測(cè)站不同指標(biāo)與PM2.5的相關(guān)系數(shù)也存在差異；興慶小區(qū)、小寨、高新西區(qū)、臨潼區(qū)、廣運(yùn)潭5個(gè)監(jiān)測(cè)站的SO2與PM2.5的相關(guān)性較大，說(shuō)明這5個(gè)區(qū)域的SO2濃度越大，對(duì)空氣中PM2.5濃度影響越顯著；高壓開關(guān)廠、市人民體育場(chǎng)、臨潼區(qū)、曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)、廣運(yùn)潭5個(gè)監(jiān)測(cè)站的NO2與PM2.5的相關(guān)性較大，說(shuō)明這5個(gè)區(qū)域的NO2濃度越大，對(duì)空氣中PM2.5濃度影響越顯著；PM10與PM2.5的相關(guān)性總體較大，曲江文化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)監(jiān)測(cè)站PM10與PM2.5的相關(guān)性最大；興慶小區(qū)監(jiān)測(cè)站CO與PM2.5的相關(guān)性最大；閻良區(qū)監(jiān)測(cè)站O3與PM2.5正相關(guān)，其余12個(gè)監(jiān)測(cè)站O3與PM2.5負(fù)相關(guān)。

分析全市平均的PM2.5和其他5個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PM10對(duì)PM2.5存在較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，故較大的顆粒污染物是直接影響西安市PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)升高的原因，SO2、NO2、CO對(duì)PM2.5的相關(guān)性也較大，O3與PM2.5呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1) 2013—2014年西安市13個(gè)監(jiān)測(cè)站的PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)日變化趨勢(shì)基本與全市平均的PM2.5空氣質(zhì)量指數(shù)日變化趨勢(shì)一致；西安市每年1—3、11—12月的污染級(jí)別為嚴(yán)重污染。

(2) 結(jié)合2013年1月至2015年4月西安市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)月變化趨勢(shì)分析可知，西安市霧霾天氣主要出現(xiàn)在冬、春季，在此期間西安市的霧霾污染程度較嚴(yán)重。

(3) 根據(jù)西安市2014年1—12月13個(gè)監(jiān)測(cè)站空氣污染級(jí)別天數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，由于市區(qū)常年盛行東北風(fēng)，北部的降雨量較少，故西安市的北部、西部區(qū)域霧霾污染程度相比南部、東部區(qū)域嚴(yán)重。

(4) 通過(guò)計(jì)算13個(gè)監(jiān)測(cè)站的PM2.5與其他5個(gè)指標(biāo)的Spearman秩相關(guān)系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同監(jiān)測(cè)站的同一個(gè)指標(biāo)與PM2.5的相關(guān)系數(shù)不完全相同，同一個(gè)監(jiān)測(cè)站不同指標(biāo)與PM2.5的相關(guān)系數(shù)也存在差異。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，PM2.5與PM10存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與O3呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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