2014年西安市PM_2.5濃度的時空變化特征研究

陳旭彤 趙先貴 朱泓錚 姚小涵 游優 胡雪萍 馬偉東

摘要：本文通過對西安市13個環境空氣質量自動監測系統點位2014年PM2.5濃度數據的收集、處理和分析，研究西安市PM2.5濃度的時間變化特征、空間分布特征。結果表明：PM2.5濃度的季節變化規律：冬季、春季、秋季和夏季的PM2.5濃度依次減少，平均濃度分別為165.7μg/m3、96.4μg/m3、89.6μg/m3和58.3μg/m3；四類監測站中，交通站、區域站、城區站和郊區站的PM2.5濃度依次降低，平均濃度依次是106.9μg/m3、103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。PM2.5月均濃度呈雙峰型模式，節日的煙花燃燒能造成瞬間的PM2.5嚴重污染；全年來看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，其他三類站點呈雙峰型模式；分地區來看，年均PM2.5濃度由高到低依次是城區、西北部、東部及東北部、南部及東南部和西南部。

關鍵詞：PM2.5濃度；時間變化；空間分布；影響因素

1.引言

近年來，由于西安市的經濟發展迅速、城市化進展快速、能源消耗日益增多，致使可吸入顆粒物成為西安市環境污染的首要因子，其中細顆粒物PM2.5對人類身體健康以及交通造成嚴重影響。與PM2.5相關的研究日漸增多。楊宇軒等研究了西安市PM2.5的污染現狀及其對人們健康的影響，得出西安市采暖季PM2.5污染濃度顯著高于非采暖季；PM2.5的污染加劇是西安市居民心血管系統和呼吸系統疾病的死亡率升高的原因之一。陶李等在高分辨率下分析PM2.5的濃度變化，結果表明PM2.5小時質量濃度變化起伏較大。杜新黎等通過對2011年9月1日到2012年2月29日西安市城市化經空氣PM2.5試點監測數據深入分析，初步摸清區域PM2.5污染水平及分布規律。孟小絨等利用西安市7個觀測站點1970-2012年的霧日和霾日觀測資料，得出西安市城區霧霾出現次數多，且霧霾天氣主要發生在冬季。

目前，關于西安市PM2.5濃度的研究甚多，但是以較長尺度（1年）為期限，以不同點位、區域為出發點的研究較為缺乏。本文主要從時間、空間角度，對西安市13個環境空氣質量自動監測系統點位2014年全年的PM2.5濃度數據進行收集、處理和分析，希望得到具有代表性的西安市PM2.5濃度的時間變化特征、空間分布特征及其影響因素，為西安市空氣污染治理提供科學依據。

2.站點和觀測

西安市環境空氣質量自動監測系統點位共有13個，分別為12個趨勢點位：高壓開關廠、興慶小區、小寨、市人民體育場、紡織城、高新西區、經開區、長安區、閻良區、臨潼區、曲江文化產業集團和廣運潭，一個清潔對照點位：草灘。

根據點位監測職能的不同，將13個監測點位分為四類，分別是城區環境監測點（城區站：高壓開關廠、興慶小區、紡織城、高新西區、曲江文化集團）、郊區環境監測點（郊區站：臨潼區、長安區、經開區、閻良區）、交通污染監測點（交通站：小寨、市人民體育場），以及對照點與區域點（區域站：草灘、廣運潭）。

本文分析所用數據均為PM2.5的小時平均濃度，根據日均值求得月均值，再根據月均值求得季均值。

3.結果與分析

3.1 PM2.5濃度的季節變化規律及影響因素

春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為1、2、12月。

如圖1所示，從季節方面來看，西安市冬季PM2.5平均濃度明顯高于其他三個季節，達165.7μg/m3，約是春秋季節PM2.5平均濃度的1.78倍，是夏季PM2.5平均濃度的2.84倍；春秋季節PM2.5濃度水平較為接近，分別為96.4μg/m3、89.6μg/m3；夏季最低，為58.3μg/m3。可能是由于冬季為采暖季節，燃燒大量化石燃料，或者是冬季氣候干燥、降水少等原因造成的，西安全市燃煤鍋爐占有量較高，致使其產生的煙氣中煙塵、SO2、NO2的年排放量較大，約占PM2.5總量的1/4。

從站點方面來看，交通站的PM2.5濃度水平最高106.9μg/m3，其他三類點位平均濃度較低，按年平均濃度大小排列由高到低是區域站、城區站和郊區站，年均濃度分別為103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。可能受到道路揚塵、汽車尾氣等因素的影響，西安全市較高的機動車保有量，致使其排放的尾氣中的CO、（CH）n和顆粒物的年排放量共計30萬噸，約占PM2.5總量的1/3，汽車尾氣成了西安市PM2.5濃度高的重要影響因素。

各點位在各季節的PM2.5標準差均處于較高的濃度水平，甚至接近于平均濃度，表明西安市PM2.5濃度在時間序列上非均勻化分布，在短時間內可能出現較大的濃度波動。這主要是由于西安市特殊的地理位置和氣象條件、巨大的本地污染物排放量以及周邊地區較高的污染水平等因素的影響。

3.2 PM2.5濃度的月變化規律及影響因素

由圖2可以看出，在月份方面，2014年西安市PM2.5的月均濃度變化規律明顯，大致均呈雙峰型模式。有兩個峰值，高峰值點出現在2月份，峰尖比較尖銳；低峰值點出現在11月份，峰尖比較平緩。全年最大值出現在2月份，達到227μg/m3（交通站）。高峰值主要是由于2月仍處在冬季采暖高峰期，且也是春節期間（2014年春節為2月19日），人們燃放大量煙花炮竹。峰尖比較尖銳是由于節日的煙花燃燒能造成瞬間的PM2.5嚴重污染。低峰值可能是由于11月份為秋季，西安周邊有些地方大量燃燒秸稈、居民開始采暖，燃燒化石燃料等影響因素。有兩個谷值，最低值出現在7月，為44.6μg/m3；次低值出現在9月，為52.6μg/m3。可能是由于夏季的氣溫條件不宜發生逆溫，而且較頻繁的降雨及大風天氣，有利于PM2.5的擴散和清除。從站點方面來看，月變化曲線同樣能夠體現出交通站濃度最高，其他站點濃度相對較低的特征。

3.3 PM2.5濃度的日變化規律及影響因素

如圖3所示，從全年方面來看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，白天基本處于較為平緩的低谷區，峰值出現在22時，達118.3μg/m3。其他三類站點呈雙峰型模式，高峰值點出現在21時或22時，低峰值點出現在10時；最低值出現在15時左右，次低值出現在07時左右。需要注意的是，白天PM2.5濃度的峰值從大到小依次是區域站、郊區站和城區站，而夜間的峰值濃度從大到小依次卻是城區站、郊區站和區域站，表明夜間西安市城區的PM2.5更容易積累或二次生成，可能與夜間城區PM2.5排放源強度和化學反應強度有關。

從季節方面來看，春季交通站、區域站、城區站和郊區站PM2.5濃度的日變化曲線呈現波浪型模式，一天之內有三次較明顯的峰值，分別是08時或09時、15時或16時、22時；白天的PM2.5濃度與夜間相近。夏季交通站、區域站、城區站和郊區站PM2.5濃度的日變化曲線大致呈現雙峰型模式，有兩個峰值，分別出現在09時和21時；有兩個谷值，分別出現在4時或5時、16時或17時；白天PM2.5濃度略高于夜間。春季和夏季交通站PM2.5濃度最高，其次是城區站，區域站與郊區站相近。秋冬季節PM2.5的日變化規律與全年日變化規律較為接近，PM2.5峰值濃度晝夜差值較大，夜晚明顯高于白天。秋季和冬季日變化曲線的峰值濃度由高到低依次是區域站、郊區站、交通站和城區站。

3.4 PM2.5濃度的空間分布規律

將西安市按照行政區劃分為5個地區，分別是城區（碑林區、新城區、蓮湖區）、西北部（未央區、經開區）、南部及東南部（雁塔區、曲江新區）、西南部（長安區、高新區）、東部及東北部（灞橋區、臨潼區、閻良區）。將13個點位中位于各區的點位的平均濃度作為每個區的PM2.5濃度。

如圖4，從季節方面來看，西安市各區域PM2.5濃度最高的均為冬季，最低的為夏季。從地區方面來看，年均PM2.5濃度由高到低依次是城區、西北部、東部及東北部、南部及東南部和西南部。春季、冬季PM2.5濃度最高的地區為城區，夏季PM2.5濃度最高的地區為西北部，秋季PM2.5濃度最高的東部及東北部；除春季PM2.5濃度最低地區為東部及東北部，其他季節PM2.5濃度最低的地區均為西南部。從同一季節不同地區的濃度差異來看，春季、夏季、秋季和冬季PM2.5濃度最高地區和最低地區的差值分別為25.1μg/m3、15.5μg/m3、20.5μg/m3和28.2μg/m3，濃度越高的季節空間分布的差異越大。從同一地區不同季節的濃度差異來看，城區、西北部、南部及東南部、西南部和東部及東北部PM2.5濃度最高的季節和最低季節的差值分別是123.4μg/m3、106.9μg/m3、105.9μg/m3和96μg/m3，濃度越高的地區時間分布的差異越大。

4.結論

（1）PM2.5濃度的季節變化規律：冬季、春季、秋季和夏季的PM2.5濃度依次減少，平均濃度分別為165.7μg/m3、96.4μg/m3、89.6μg/m3和58.3μg/m3；四類監測站中，交通站、區域站、城區站和郊區站的PM2.5濃度依次降低，平均濃度依次是106.9μg/m3、103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。各站點在各季節的PM2.5標準差一直維持在較高濃度水平，表明西安市PM2.5在時間序列上非均勻化分布，在短時間內可能出現較大的濃度波動。

（2）PM2.5濃度的月變化規律：2014年西安市PM2.5月均濃度呈雙峰型模式。有兩個峰值，高峰值出現在2月份，為227μg/m3；低峰值出現在11月份，為114.7μg/m3。有兩個谷值，最低值出現在7月，為44.6μg/m3；次低值出現在9月，為52.6μg/m3。從站點方面來看，月變化曲線也能顯示出四類監測站中交通站PM2.5濃度高于其他站點的特征。

（3）PM2.5濃度的日變化規律：2014年全年方面來看，交通站PM2.5濃度呈單峰型模式，其他三類站點呈雙峰型模式；春季交通站、區域站、城區站和郊區站PM2.5濃度的日變化曲線呈現波浪型模式，一天之內有三次較明顯的峰值，且交通站明顯高于其他三個站點；夏季交通站、區域站、城區站和郊區站PM2.5濃度的日變化曲線大致呈現雙峰型模式，有兩個峰值，分別出現在09時和21時，且交通站明顯高于其他三個站點；秋冬季節PM2.5的日變化規律與全年日變化規律較為接近，PM2.5峰值濃度晝夜差值較大，夜晚明顯低于白天。

（4）從地區方面來看，年均PM2.5濃度由高到低依次是城區、西北部、東部及東北部、南部及東南部和西南部；濃度越高的季節空間分布的差異越大，濃度越高的地區時間分布的差異越大。

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作者簡介：陳旭彤（1993-），女，河北石家莊人，陜西師范大學旅游與環境學院2012級地理科學專業本科生。

基金項目：國家社會科學基金資助項目（14XKS019）