楊 飛，易文利，朱嬋園，董 奇

(1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

近年來，渭河沿線城市冬季霧霾污染頻發(fā)[1-2]，對陜西省城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民身體健康造成了極大地不利影響，引發(fā)社會廣泛關(guān)注。陜西省地處我國西北部，是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶重點(diǎn)發(fā)展省份之一，境內(nèi)地形復(fù)雜多變，秦嶺山脈橫亙境內(nèi)，將陜西省分為陜南山地、關(guān)中平原、陜北高原三大地形區(qū)。陜南屬北亞熱帶氣候，年均溫在14℃，年降水量在700～900mm，關(guān)中、陜北同為溫帶大陸性氣候氣候[3-4]，關(guān)中年均溫在6℃～13℃，年降水量在500～700mm，降水集中在秋季，陜北年均溫約在10℃，降水少且不穩(wěn)定，春季沙塵頻發(fā)，年太陽總輻射和日照時(shí)數(shù)由陜南、關(guān)中、陜北依次遞增[5]。

目前對于陜西省大氣環(huán)境污染的研究多局限于關(guān)中平原地區(qū)[6-7]，對陜北高原和陜南山地大氣環(huán)境污染狀況研究較少[8]。張智鋒等[9]通過榆林市5年大氣污染物濃度變化趨勢分析，研究發(fā)現(xiàn)采暖期SO2濃度是非采暖期的4倍，主導(dǎo)因子是燃煤鍋爐污染。李星敏等[10]研究了關(guān)中地區(qū)氣溶膠與大氣能見度的相關(guān)性，認(rèn)為大氣顆粒物污染是造成秋冬季能見度低的主因。朱崇抒等[11]通過分析陜南蒿坪鎮(zhèn)冬季PM2.5化學(xué)成分特征，發(fā)現(xiàn)該地冬季能源結(jié)構(gòu)與采暖方式是造成PM2.5劣于國家二級標(biāo)準(zhǔn)的主因。多數(shù)學(xué)者是基于陜西省某市空氣質(zhì)量特征或某幾項(xiàng)大氣污染物不同時(shí)段變化機(jī)理進(jìn)行深入研究，較少有學(xué)者以省為研究尺度對空氣質(zhì)量時(shí)空差異進(jìn)行研究，陜西境內(nèi)地形多變，各市空氣質(zhì)量的時(shí)空變化規(guī)律有待深入研究。

本文基于陜西省10個地級市各監(jiān)測站2016年12月1日～2017年5月31日6項(xiàng)常規(guī)大氣污染監(jiān)測指標(biāo)逐小時(shí)數(shù)據(jù)，利用GIS手段研究陜西省各市冬春季空氣質(zhì)量時(shí)空分布特征，評價(jià)陜西省冬春季大氣污染現(xiàn)狀，分析陜南地區(qū)、關(guān)中地區(qū)、陜北地區(qū)各項(xiàng)空氣污染物逐月變化異同和逐小時(shí)變化異同，為陜西省各市冬春季空氣質(zhì)量改善提供文獻(xiàn)參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的陜西省10個地級市各監(jiān)測站大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于陜西省環(huán)境保護(hù)廳(http://113.140.66.226:8111/)。數(shù)據(jù)起始日期為2016年12月1日，截止2017年5月31日，錄取各監(jiān)測點(diǎn)SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO逐小時(shí)數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)共182天。其中安康市為3個監(jiān)測點(diǎn)，漢中市為4個監(jiān)測點(diǎn)，商洛市為2個監(jiān)測點(diǎn)，渭南市為4個監(jiān)測點(diǎn)，銅川市為4個監(jiān)測點(diǎn)，西安市為13個監(jiān)測點(diǎn)，咸陽市為4個監(jiān)測點(diǎn)，寶雞市為8個監(jiān)測點(diǎn)，延安市為4個監(jiān)測點(diǎn)，榆林市為4個監(jiān)測點(diǎn)。

1.2 分析方法

基于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ663—2013)，利用Excel表格對10個地級市6項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初級處理。利用ArcGIS進(jìn)行陜西省冬春季空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征分析，分析陜北、關(guān)中、陜南AQI時(shí)空變化情況。采用Origin2017軟件分析十個地級市SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO月均濃度變化趨勢。利用HemI1.0.3.7軟件作出各項(xiàng)污染物濃度逐小時(shí)變化熱圖譜，分析各地級市污染物濃度時(shí)間變化差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量總體情況

依據(jù)《家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)，計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)各市逐日AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))，并將AQI值大于100視為當(dāng)日空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，統(tǒng)計(jì)不達(dá)標(biāo)情況于表1。在2016年12月1日～2017年5月31日，陜西省各市空氣質(zhì)量在時(shí)間上表現(xiàn)出冬季污染較重、春季污染較輕的特點(diǎn)，在空間上表現(xiàn)出關(guān)中地區(qū)污染較重、陜北和陜南污染較輕的特征。從整體來看，在研究時(shí)段內(nèi)，關(guān)中地區(qū)城市污染超標(biāo)天數(shù)最多，其次是陜北地區(qū)，陜南空氣污染超標(biāo)較少，累計(jì)超標(biāo)百分比遞減順序依次為咸陽市、渭南市、西安市、寶雞市、漢中市、銅川市、延安市、安康市、榆林市、商洛市。冬季是大氣污染最為嚴(yán)重的季節(jié)，關(guān)中地區(qū)城市空氣污染現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，西安市12月空氣污染天數(shù)占比高達(dá)90.3%，春季大氣污染情況有所好轉(zhuǎn)，但空氣污染地域仍以關(guān)中地區(qū)為主，陜北和陜南春季空氣質(zhì)量較為穩(wěn)定，污染超標(biāo)天數(shù)較少，安康市春季空氣質(zhì)量最好，空氣質(zhì)量指數(shù)均未超過100。

表1 陜西省空氣質(zhì)量超標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Condition of air quality exceed standard in Shaanxi (%)

續(xù)表1

城市超標(biāo)天數(shù)百分比累計(jì)超標(biāo)百分比12月1月2月3月4月5月累計(jì)超標(biāo)天數(shù)(天)占比西安市903806714484267129100549銅川市61358157122610012967368渭南市871742643581367194103566商洛市25841914300676524132安康市58154821400000041225漢中市90374246497003268374

表2表明，PM2.5、PM10是陜西省冬春季各市大氣環(huán)境的首要污染物，在此182d，關(guān)中地區(qū)城市大氣顆粒物濃度超標(biāo)天數(shù)最多，咸陽市、西安市有近一半天數(shù)PM2.5濃度超出《國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)規(guī)定的二級濃度限值。咸陽市、西安市、渭南市存在較高程度的NO2濃度超標(biāo)，多數(shù)城市存在少量天數(shù)的O3、CO濃度超標(biāo)現(xiàn)象，各市未出現(xiàn)SO2濃度污染超標(biāo)。

表2 污染物超標(biāo)頻率統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Frequency of pollutants exceed the standard (μg/m3)

2.2 AQI的時(shí)空變化

圖1為陜西省冬春季各市月均AQI空間分布圖，圖中顏色越深表示AQI值越大，即該市當(dāng)月空氣質(zhì)量較差。由空間變化尺度可以發(fā)現(xiàn)，渭河沿線城市在冬春季空氣質(zhì)量明顯劣于陜南和陜北，使得陜西省冬春季空氣質(zhì)量在空間上表現(xiàn)出“中部污染重，南北污染小”的特征。冬季供暖是城市大氣污染的重要影響因素[12-13]，在2016年12月1日至2017年3月15日供暖時(shí)段內(nèi)，關(guān)中各市空氣質(zhì)量普遍較差，都存在不同程度的污染情況，咸陽市、西安市、渭南市污染問題最為突出，月均AQI值一度高過200，處于重度污染。陜北兩市空氣污染小于關(guān)中各市，但仍存在一定時(shí)段的輕度污染。陜南地區(qū)由于冬季不供暖，且有秦嶺山脈的阻隔，故安康市、商洛市空氣質(zhì)量較好，漢中市一直處于輕度污染水平，未表現(xiàn)出污染進(jìn)一步加劇的趨勢。春季供暖結(jié)束，關(guān)中、陜北、陜南各市空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)好，咸陽市和渭南市空氣污染降至輕度污染，其余各市空氣質(zhì)量指數(shù)均未超過100。就同一地形區(qū)而言，陜北地區(qū)城市空氣質(zhì)量空間差異不大，渭河沿線中東部城市大氣污染嚴(yán)重于西部城市，陜南地區(qū)漢中市冬季空氣質(zhì)量劣于安康市和商洛市。陳建文等[14]、彭艷等[15]研究表明關(guān)中盆地冬季大氣穩(wěn)定度以穩(wěn)定類占主導(dǎo)，污染物垂直擴(kuò)散條件差，盆地西部在此時(shí)段內(nèi)多為西風(fēng)，盆地東部多東風(fēng)，污染物極易在關(guān)中盆地中東部匯聚，故造成中東部城市大氣污染較嚴(yán)重于西部城市。城市工業(yè)化程度是造成城際空氣質(zhì)量差異的重要因素[16]，2016年漢中市規(guī)模以上重工業(yè)產(chǎn)值769.37億元，安康市為635.8億元，商洛市為696.13億元，漢中市工業(yè)排污排廢量大于安康和商洛，加之冬季氣候條件不利于污染物擴(kuò)散，故12月漢中空氣質(zhì)量較差。

從時(shí)間變化尺度來看，陜西省各市12月和1月空氣污染最嚴(yán)重，此后各月空氣污染逐漸降低，使得空氣質(zhì)量保持在良好等級。供暖對大氣環(huán)境的不利影響隨著天氣轉(zhuǎn)暖供暖結(jié)束而消失，加之大氣運(yùn)動加強(qiáng)、地表植被覆蓋增強(qiáng)、降水增多等有利因素的共同作用，使得空氣污染物濃度從來源和擴(kuò)散過程兩方面減輕，各市空氣質(zhì)量指數(shù)在4、5月達(dá)到研究時(shí)段內(nèi)的最低值，空氣質(zhì)量表現(xiàn)為良好等級或輕度污染。

圖1 AQI逐月變化圖Fig.1 AQI monthly change

表2表明，陜西省冬春季各市空氣質(zhì)量指數(shù)均在0.01置信度水平上呈極顯著相關(guān)性。關(guān)中五市AQI值兩兩之間表現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)均大于0.8，表明關(guān)中五市大氣污染存在同期性。關(guān)中五市呈東西向分布于渭河谷地，區(qū)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)雄厚、人口密度大、交通發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)聯(lián)系密切，極易發(fā)生大規(guī)模的空氣污染事件，由于大氣污染物擴(kuò)散受地形條件和氣象條件影響顯著[17-18]，在北部黃土高原和南部秦嶺山脈的阻隔下，大氣污染物只能東西向擴(kuò)散。在陜南三市中，安康市與漢中市相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到0.839，兩市地形條件相似，境內(nèi)多山地，北部為秦嶺山系，南部為大巴山系，污染物局地?cái)U(kuò)散以東西向?yàn)橹鳎蔄QI相關(guān)系數(shù)高。榆林市和延安市同屬黃土高原，境內(nèi)地形條件、工業(yè)基礎(chǔ)、植被覆蓋、污染源和污染物擴(kuò)散條件相近，Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)0.772。經(jīng)Pearson相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證，地理位置和地形條件是造成各市AQI同期變化的重要因素。

表3 AQI Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of AQI

注：**相關(guān)性在0.01置信度水平上相關(guān)

2.3 單項(xiàng)污染物時(shí)空變化

通過圖2可以看出，在冬春季期間內(nèi)，陜西省各市SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO污染程度是逐月下降的，唯有O3月均濃度是逐月上升的，與南國衛(wèi)等[19]研究結(jié)果相符。陜北、關(guān)中地區(qū)受冬季供暖燃煤的影響，冬季SO2月均濃度高于陜南地區(qū)，延安市SO2月均濃度顯著高于各市，但未超過二級標(biāo)準(zhǔn)，春季供暖結(jié)束后各市SO2月均濃度接近，保持在較低水平。陜北、關(guān)中地區(qū)NO2月均濃度高于陜南地區(qū)，各市NO2污染差異表現(xiàn)出隨時(shí)間變化逐漸趨小的特征。各市CO月均濃度在3月出現(xiàn)了一個較大幅度的下降，4月和5月降幅減小。各市O3污染程度接近，并表現(xiàn)出以相同的增幅穩(wěn)步上升的趨勢。冬季關(guān)中地區(qū)PM10、PM2.5污染嚴(yán)重，均劣于二級標(biāo)準(zhǔn)，為該地區(qū)大氣環(huán)境首要污染物，咸陽、西安、渭南污染最為突出，咸陽、西安、渭南冬季PM10濃度分別為春季的1.81倍、1.96倍、1.6倍，冬季PM2.5濃度分別為春季的2.5倍、2.96倍、2.44倍。大量煤炭燃燒以及不利的地形條件和氣象條件，使得關(guān)中地區(qū)PM10、PM2.5濃度長期維持在較高水平，春季供暖結(jié)束污染源減少，以及天氣回暖、降水增加、大氣運(yùn)動加強(qiáng)等氣象要素的作用下各市顆粒物濃度迅速下降，但高值區(qū)仍為關(guān)中地區(qū)。關(guān)中地區(qū)的大氣污染類型是機(jī)動車尾氣、煤煙、地面揚(yáng)塵綜合作用的復(fù)合型污染[20]，在多數(shù)時(shí)段下，關(guān)中地區(qū)氣態(tài)污染物和顆粒污染物濃度值較高，冬季陜南地區(qū)大氣擴(kuò)散條件差，大氣中的顆粒物極易在近地面累積，造成顆粒物型污染。

圖2 單項(xiàng)污染物逐月變化Fig.2 Monthly change of single pollutant

2.4 單項(xiàng)污染物日變化比較

1.安康市，2.漢中市，3.商洛市，4.渭南市，5.銅川市，6.西安市，7.咸陽市，8.寶雞市，9.延安市，10.榆林市。圖3 單項(xiàng)污染物逐小時(shí)變化圖Fig.3 Hourly change of single pollutant

利用HemI1.0.3.7軟件分析陜西省各市污染物濃度時(shí)間變化差異，結(jié)果見圖3。在陜西省冬春季冷暖過渡時(shí)段內(nèi)，各市污染物濃度小時(shí)變化特征存在一定的相似性，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO污染多發(fā)生在夜間，O3日最高值出現(xiàn)在午后。延安市SO2污染最為嚴(yán)重，在8∶00～12∶00、18∶00～次日1∶00時(shí)段內(nèi)SO2濃度出現(xiàn)高值區(qū)，銅川市、咸陽市、榆林市SO2濃度也在此時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)小幅度上升，剩余城市僅在8∶00～14∶00處出現(xiàn)一定波動，其它時(shí)間段內(nèi)SO2濃度處于較低水平無明顯變化。在20∶00～次日1∶00時(shí)段各市NO2達(dá)到一天最大值，渭南市、西安市、咸陽市、延安市在此時(shí)段內(nèi)NO2污染最嚴(yán)重，下午14∶00～16∶00處為一天內(nèi)最低值，安康市和商洛市全天處于較低值，小時(shí)變化不明顯。延安市CO日小時(shí)均值變化特征與SO2相同，結(jié)合圖2證實(shí)延安市是CO、SO2污染最嚴(yán)重的城市，安康市、商洛市全天CO濃度維持在較低水平，其它城市CO濃度在14∶00～17∶00時(shí)段內(nèi)降至最低值。各市O3小時(shí)變化存在同期性，當(dāng)日最高值均出現(xiàn)在12∶00～18∶00區(qū)間內(nèi)，夜間O3小時(shí)濃度始終保持在較低范圍內(nèi)，安康市、商洛市、銅川市、榆林市O3小時(shí)濃度在各個時(shí)段內(nèi)均高于其它城市。安康市、商洛市全天PM10污染程度較低，在0∶00～8∶00時(shí)段為當(dāng)日低值區(qū)，渭南市、西安市、咸陽市全天PM10污染處在較高濃度范圍內(nèi)，其濃度高值時(shí)間段異于安康和商洛，在21∶00～次日4∶00時(shí)段內(nèi)達(dá)到最大值，銅川市在5∶00～7∶00當(dāng)日最低值，其余時(shí)段濃度無顯著變化，漢中市、寶雞市、延安市、榆林市一日當(dāng)中出現(xiàn)兩次低值區(qū)，分別是5∶00～7∶00時(shí)段和13∶00～17∶00時(shí)段。商洛市、榆林市PM2.5污染程度最低，高值均出現(xiàn)在9∶00～11∶00，西安市和咸陽市PM2.5污染日變化特征與PM10趨同，所有城市均在14∶00～16∶00處達(dá)到當(dāng)日PM2.5濃度最低值。

光化學(xué)作用下生成的O3與太陽輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)[21]，午間前后太陽高度角達(dá)到當(dāng)日最高值，太陽輻射最強(qiáng)，陜西省各市O3含量達(dá)到當(dāng)日高值。白天溫度高且大氣運(yùn)動活躍，有利于近地面氣態(tài)污染物和顆粒污染物的擴(kuò)散，夜間溫度降低，大氣穩(wěn)定度強(qiáng)，污染物擴(kuò)散條件差，污染物在低空匯聚表現(xiàn)出濃度趨高。在不同自然地形條件下，陜北、關(guān)中、陜南各城市O3濃度日變化表現(xiàn)出相近的變化類型，說明城市自然地形要素不是O3濃度日變化的決定要素，溫差以及溫差影響的天氣條件變化才是造成O3小時(shí)濃度高值和低值變化的主導(dǎo)因素。

3 結(jié) 論

3.1 在2016年12月1日～2017年5月31日，陜西省大氣污染存在較大的空間差異和一定的時(shí)間波動。冬季空氣質(zhì)量普遍較差，1月、2月污染最嚴(yán)重，關(guān)中地區(qū)大氣污染問題最為突出，且關(guān)中各城市空氣質(zhì)量表現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性。春季空氣質(zhì)量有所改善，咸陽市和渭南市空氣污染降至輕度污染，其余各市空氣質(zhì)量均處于良好等級以內(nèi)。

3.2 在常規(guī)監(jiān)測的六項(xiàng)大氣污染物中，各市SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO濃度在2016年12月到2017年3月均呈逐月下降的趨勢，4月和5月在低值區(qū)略有波動，各市O3月均濃度在2016年12月到2017年5月是逐月上升的。SO2污染以延安市為主，NO2、CO污染以秦嶺以北地區(qū)為主，O3污染無明顯空間差異，顆粒物污染以關(guān)中地區(qū)占主導(dǎo)，春季各市單項(xiàng)污染物濃度空間差異逐步降低。晝夜溫度差異影響污染物濃度日變化特征，其對O3濃度日變化影響最顯著，O3污染高頻時(shí)段多為午后。

3.3 相較于陜南地區(qū)，關(guān)中、陜北地區(qū)等供暖地區(qū)冬季大氣污染更為嚴(yán)重，以關(guān)中地區(qū)大氣顆粒物污染最為突出，應(yīng)加強(qiáng)供暖時(shí)段內(nèi)大氣顆粒物污染的預(yù)防和治理。

本文主要研究陜西省冬春季空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征，旨在掌握陜西省各市冬春季大氣污染程度和主要污染物時(shí)間變化趨勢，由于數(shù)據(jù)條件與個人能力的限制，未能對造成污染時(shí)空差異的各項(xiàng)自然因素以及城市化水平、工業(yè)化程度等經(jīng)濟(jì)因素展開深入分析，需在以后學(xué)習(xí)中進(jìn)一步完善和探究。

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