西安市污染氣象特征和大氣環(huán)境容量分析

張文靜，孫 嫻，王 琦，胡 琳，丁 琦

（1.陜西省氣候中心，西安710014；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043）

隨著經濟的發(fā)展，城市不斷擴張，城市空氣污染日益嚴重，灰霾天氣頻繁出現(xiàn)，極大的影響了大氣環(huán)境質量和人體健康。有關研究表明，空氣污染程度不僅取決于污染源的數(shù)量和分布、地形的簡單或復雜，更與當時氣象條件密切相關。為了清楚的認識各種氣象條件下的城市污染分布及污染程度，確定城市區(qū)域的大氣環(huán)境容量，本文利用2010年西安市環(huán)境監(jiān)測資料及同期氣象資料，對氣象場影響下的城市大氣污染狀況及大氣環(huán)境容量進行分析，以期尋求氣象與大氣污染之間的關系和變化規(guī)律，為大氣污染防治提供有價值的參考。

1 大氣環(huán)境污染分布特征

西安位于中國大陸腹地黃河流域中部的關中盆地，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，雨量適中，四季分明，2010年降水量為504.4mm，年平均濕度為69.6%。以東北風和西風為主導風向。轄境東西204 km，南北116km；總面積9 983km2，其中市區(qū)面積1 066km2。隨著西安市城市化進程的加快，人口的增加，基礎建設不斷加快，城市下墊面發(fā)生了巨大的變化，使城市的熱容量增加，能耗加大，有效蒸發(fā)減少，增溫明顯，從而導致城市風速減小，大氣污染物濃度增加［1］。

1.1 資料和方法

本文所使用的2010年污染因子濃度數(shù)據來源于西安市環(huán)保局，監(jiān)測點位共5處，分別為開關廠、興慶小區(qū)、紡織城、小寨、草灘。分別代表了西安市的工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、輕工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和城市邊界區(qū)，監(jiān)測因子包括SO2，NO2，PM10，數(shù)據齊全，準確度高。所用地面氣象資料為2010年西安市自動站的常規(guī)氣象觀測資料，包括每天逐時風速、風向、總云、低云等；高空資料采用中尺度氣象模式MM5模擬取得。依據國家標準《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》（GB／T13201—91），本文采用箱式模型推導出的A—P值法中的A值法計算大氣環(huán)境容量。把城市上空的大氣層看作一個箱體，并假設污染物在此箱體混合層內處處相等，整個城市具有相同的面源強度，則在控制周期T時間內，整個箱體內允許排放的污染物總量為［2］：

式中：Qd——某種大氣污染物的允許排放量（104t／a）；u——平均風速（m／s）；Wr——清洗比；R——年降水量（mm／a）；ud——干沉降速度；SO2，NO2，PM10干 沉 降 速 度 分 別 取 0.003 5，0.000 7，0.004 4 m／s［3］；H——混合層平均高度（m）；Cs——相應的環(huán)境空氣質量標準值（mg／m3）；S——區(qū)域面積（km2）。

1.2 時空分布

1.2.1 時間變化特征分析 根據國家環(huán)境空氣質量標準（GB3095—1996），西安市為二類區(qū)（城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、一般工業(yè)區(qū)和農村地區(qū)），執(zhí)行二級標準（日均濃度標準：SO2為0.15mg／m3，NO2為0.12mg／m3，PM10為0.15mg／m3）。2010年西安市SO2，NO2，PM10月平均濃度變化趨勢較為一致，基本呈單峰型分布，特別是SO2，PM10月平均濃度隨季節(jié)變化的規(guī)律較明顯，體現(xiàn)在冬季采暖及春季干旱、多風沙階段濃度增大，其中PM10在11月、12月出現(xiàn)濃度超標現(xiàn)象，成為影響西安市大氣環(huán)境質量的主要污染物（圖1）。

圖1 2010年各污染物月平均濃度變化

1.2.2 空間變化特征分析 根據西安市各環(huán)境監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據，作出了各監(jiān)測點監(jiān)測要素月平均濃度分布圖（圖2）。

圖2 2010年各監(jiān)測點月平均濃度分布

由圖2可見，SO2各監(jiān)測點變化趨勢呈單峰型，夏季各站點濃度最小，尤其以草灘站點濃度最小；冬春季濃度偏大，尤以冬季明顯。NO2各監(jiān)測點亦以夏季濃度最小，冬春季濃度變化較大；從全年的變化情況看，草灘成為全年濃度最小的站點，其次為興慶小區(qū)。PM10除草灘監(jiān)測點4月份濃度變化突兀外，其他各站點全年變化幅度較為一致，基本呈現(xiàn)兩頭高中間低的變化趨勢。

為了更好地解釋各空氣污染物濃度變化在各個站點的分布情況，本文選擇節(jié)假日和工作日進行分析。節(jié)假日選擇有代表性的10月1—7日和春節(jié)（2月13—19日），以興慶小區(qū)和小寨為例；工作日選擇冬季和夏季，以開關廠和紡織城為例。經對比分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)假日期間興慶小區(qū)和小寨SO2、PM10變化趨勢基本一致，小寨要略高于興慶小區(qū)，而NO2在小寨整體偏高，特別在十一期間異常明顯，出現(xiàn)10月6日和7日均濃度高出興慶小區(qū)2倍的現(xiàn)象。分析其原因主要與節(jié)假日期間商業(yè)區(qū)人流、車流量大，揚塵及汽車尾氣排放有關；工作日期間冬季和夏季開關廠SO2均明顯高于紡織城，這主要與開關廠監(jiān)測點周圍工業(yè)區(qū)分布比較集中有關，冬季NO2濃度紡織城要略高于開關廠，夏季趨勢不明顯，這主要與紡織城監(jiān)測點周圍分布的大量輕工業(yè)批發(fā)市場及客貨運市場等車流集中有關，PM10冬季和夏季均為開關廠高于紡織城，主要與開關廠附近大量工業(yè)生產排放有關。

1.3 空氣污染指數(shù)

空氣污染指數(shù)是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡化為單一的概念性數(shù)值形式，并分級表征空氣質量狀況與空氣污染的程度，適用于表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢［4］。

空氣污染指數(shù)的確定原則：空氣質量的好壞取決于各種污染物中危害最大的污染物的污染程度。是根據環(huán)境空氣質量標準和污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響來確定污染指數(shù)分級及相應的污染物濃度限值。目前，我國所用的空氣指數(shù)分級及相應的污染物濃度限值見表1。

空氣污染指數(shù)與各項污染物濃度的關系是分段線性函數(shù)，用內插法計算各污染物的分指數(shù)In，取各項污染物分指數(shù)中最大者代表該區(qū)域或城市的污染指數(shù)。該指數(shù)所對應的污染物即為該區(qū)域或城市的首要污染物［4］。本文通過計算確定PM10為西安市區(qū)首要空氣污染物。表2給出了2010年西安市空氣質量等級狀況。

表1 空氣污染指數(shù)及相應的污染物濃度值

表2 2010年環(huán)境空氣質量狀況（1－12月） d

表2顯示，西安市區(qū)6—8月空氣質量優(yōu)良，其余各月均有不同程度的污染。特別指出，4月26日西安市空氣污染嚴重，8：00和20：00能見度僅為6km和12km，為嚴重污染。根據典型日定義（地面出現(xiàn)最大日均濃度）本文選擇4月25—27日作為典型日，結合該時段氣象條件對其進行進一步分析。

2 大氣污染與氣象條件的關系

不同氣象條件下，同一個污染源排放所造成的空氣污染狀況可能會相差甚遠，這主要是由于在不同的氣象條件下大氣運動對污染物的稀釋、擴散規(guī)律不同造成的。氣象條件是影響污染物擴散的主要因子之一，包括風向、風速、大氣穩(wěn)定度、降水、太陽輻射等。

2.1 與大氣穩(wěn)定度的關系

邊界層內氣溫的垂直分布與空氣污染有密切的關系，而大氣穩(wěn)定度是反映大氣溫度垂直分布的重要參數(shù)。當大氣層結不穩(wěn)定時，熱力湍流發(fā)展旺盛，對流強烈，污染物易擴散。當大氣層結穩(wěn)定時，湍流受到抑制，污染物不易擴散稀釋，對城市空氣質量將產生不利影響［5］。

根據帕斯奎爾穩(wěn)定度分級法，本文計算了2010年全年逐日24：00大氣穩(wěn)定度，結果表明：西安市全年大氣以較穩(wěn)定—穩(wěn)定為主；全年強不穩(wěn)定時次共計122h，主要集中在中午12：00—14：00；不穩(wěn)定時次共計1 522h，主要集中在下午15：00—18：00。

圖3 2010年大氣穩(wěn)定度與污染物濃度變化情況

大氣穩(wěn)定度的頻率隨月份變化比較明顯，穩(wěn)定類在春夏季節(jié)頻率較低，冬季頻率最高，到12月份出現(xiàn)極大值，7月份出現(xiàn)極小值；不穩(wěn)定類在冬季頻率最低，1月份出現(xiàn)極小值，而夏季出現(xiàn)頻率最高，6月份出現(xiàn)極大值。如圖3所示，2010年3—9月間西安市大氣不穩(wěn)定類概率約29.6%，穩(wěn)定類概率約13.6%，以不穩(wěn)定類為主，而污染物的濃度隨不穩(wěn)定度頻率的增加而減小，以SO2、PM10變化較為明顯，1月、2月、10—12月西安市大氣以穩(wěn)定類為主，此間各污染物的濃度相對較高，污染相對嚴重。

2.2 與風速的關系

風對污染物濃度的影響是非常顯著的，在風力作用下排放到大氣中的污染物質會逐漸被擴散和稀釋［6］。本文利用西安市2010年地面逐時風速實測資料統(tǒng)計得出春、夏、秋、冬四季靜風和小風（0.3m／s≤V＜1.5m／s）頻率分別為50.7%，47.9%，69.2%，65.6%（秋季因缺測54個時次造成頻率偏高），秋、冬季靜風和小風的頻率在一年中偏大。在靜風和小風條件下，空氣擾動小，同樣污染源排放的污染物質不易被擴散，造成在同等條件下，空氣中污染物濃度略大。為了定量說明各污染物濃度變化與風速之間的關系，本文計算了各污染物濃度與日均風速之間的相關系數(shù)。結果顯示，在α＝0.01的置信水平下，SO2、NO2與風速呈顯著負相關（相關系數(shù)分別為－0.324，－0.241），α＝0.1時，PM10與風速呈負相關（相關系數(shù)為－0.042）。此外春季是陜西一年當中沙塵天氣較多的時期，文章著重對春季進行了相關分析，發(fā)現(xiàn)SO2、NO2與風速呈負相關（相關系數(shù)分別為－0.09，－0.19），而PM10則與風速呈正相關關系（相關系數(shù)為0.15），分析其原因主要與春季北方沙塵天氣自北向南帶來大量顆粒物有關。

2.3 與降水之間的關系

降水對空氣中的污染物質有一定的沖洗作用。經統(tǒng)計，2010年有降水出現(xiàn)的天數(shù)中，降水對SO2，NO2，PM10的稀釋影響分別能夠達到62%、55.7%和68.3%，有較強的稀釋作用。本文將2010年降水分為4個等級，即0.1≤R＜1，1.0≤R＜5.0，5.0≤R＜10，10≤R，分別與降水當天污染物SO2、NO2、PM10濃度和此后一天的濃度差值進行比較（表3）。發(fā)現(xiàn)1 mm以下的日降水對污染物的稀釋作用不明顯，甚至出現(xiàn)濃度反彈現(xiàn)象；日降水在1～5mm之間時對SO2、PM10稀釋作用很強，NO2次之；日降水在5～10 mm之間時對PM10稀釋作用最強；日降水量大于10 mm時反而對各污染物的稀釋作用都相對減弱。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因需要綜合考慮其他影響污染的氣象因子的作用，例如7月15日降水量為28.7mm，7月16日未出現(xiàn)降水，各污染物濃度均增加。7月15日氣壓為961.5hPa，相對濕度99%，氣溫22.2℃，風速1.6 m／s，7月16日氣壓降低、濕度減小、氣溫升高、風速減小，造成白天蒸發(fā)量大，大氣擴散能力減弱，污染加重。

表3 降水對污染物濃度稀釋影響

2.4 典型日氣象條件分析

本文根據典型日定義，選擇4月25—27日作為典型時段進行分析。4月25—27日陜西出現(xiàn)一次大風、沙塵天氣過程。25日在甘肅西部和內蒙西部以及新疆北部到西伯利亞有一南北向的冷高壓，內蒙古自治區(qū)的錫林郭勒盟附近有一低壓中心，錫林郭勒盟經華北到四川為一東北西南向的低壓帶，陜西處于低壓線密集帶前沿，氣壓梯度大，同時高低空明顯的急流和強的風速垂直切變及低空切變線的存在，為大風天氣的形成提供了動力機制［7］。大風攜帶沙塵自北向南，增加了西安地區(qū)空氣中的顆粒物濃度，這點可以很好地解釋在空間分布上草灘站點（位于西安市最北的監(jiān)測點）的PM10在4月份異常偏高的原因（圖1）。而這一時段西安市大氣主要以穩(wěn)定為主。期間日均風速自3.1m／s降至1.6m／s，受本地氣象條件限制，外來污染物并未得到有效的稀釋和擴散，造成這一時段西安地區(qū)空氣污染嚴重。

同時4月25日西安出現(xiàn)小雨（1.5mm），但因北方大風沙塵影響，PM10污染物的濃度不降反升，并在26日迅速升至全年最高。

由此可見，一個地區(qū)的空氣污染現(xiàn)狀不僅取決于本地污染源，還受外地源的影響［8］。而在本地不利氣象條件的制約下，相同污染源和排放量對環(huán)境空氣的影響程度會更加嚴重。

3 大氣環(huán)境容量

大氣環(huán)境容量與污染性質、氣象條件等有密切關系。本文采用前述方法估算西安市的理想大氣環(huán)境容量，計算周期為1a。根據氣象條件，西安市混合層平均高度取769m［2］，取2010年降水量為504.4mm／a；2010年均風速取1.4m／s。SO2，NO2，PM10年平均環(huán)境質量濃度標準值分別為0.06，0.08，0.1mg／m3。

經計算，2010年西安市SO2，NO2，PM10理想環(huán)境容量分別為9.6×104，12.06×104，16.31×104t／a。SO2年排放量遠大于其環(huán)境容量，處于超負荷狀態(tài)，NO2略有盈余（參考西安市人民政府關于下達我市“十二五”主要污染物總量削減任務的通知（市政發(fā)（2011）102號）），PM10暫無可參考依據。由于年內靜風和小風頻率較高，降水日數(shù)及降水量較多年均值偏少，排放到大氣中的污染物得不到及時擴散與稀釋，造成環(huán)境容量的高利用率甚至超負荷現(xiàn)象。

4 結論

（1）2010年西安市SO2，NO2，PM10月平均濃度變化趨勢基本一致，呈兩頭高中間低的趨勢，其中PM10在11月、12月出現(xiàn)超標現(xiàn)象（二級標準）。從空間分布看，以小寨為代表的商業(yè)區(qū)在節(jié)假日各污染物濃度高于以興慶小區(qū)為代表的居住區(qū)；以開關廠為代表的工業(yè)區(qū)在工作日SO2，PM10均高于以紡織城為代表的輕工業(yè)區(qū)，而NO2則出現(xiàn)紡織城濃度高于開關廠的現(xiàn)象；從全年的變化情況看，草灘成為全年濃度最小的站點。

（2）通過大氣穩(wěn)定度、風速與污染物濃度變化相關分析表明，大氣穩(wěn)定度越強，風速越小，污染物越不易被稀釋擴散。風速與SO2、NO2呈顯著負相關；與PM10負相關性略弱，而在春季有較明顯正相關。

（3）降水對SO2，NO2，PM10的稀釋影響分別能夠達到62%，55.7%，68.3%，有較強的稀釋作用。在日降水量小于1mm時污染物濃度出現(xiàn)增大現(xiàn)象，日降水量大于10mm時對各污染物的稀釋作用都相對減弱。通過典型日分析，發(fā)現(xiàn)受本地不利氣象條件限制，外來污染源將加重污染程度。

（4）計算大氣環(huán)境容量。受氣象條件的綜合影響，西安市污染物排放造成環(huán)境容量的高利用率甚至超負荷現(xiàn)象。

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