多時間尺度的秦嶺南北城市PM10和 PM2.5變化特征分析

郭 嬋，楊 飛 ，王 朋，豆 瑞，易文利,2

(1.寶雞文理學院地理與環境學院，陜西 寶雞 721013；2.寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

隨著我國城市經濟發展到一定階段，大氣顆粒物已經成為制約城市空氣質量的首要污染物[1]，其能在不利的氣象條件作用下誘發霧霾，使得城市空氣污染問題日益突出，在很大程度上制約著社會經濟發展和威脅著居民身體健康。我國常規監測的大氣顆粒物為PM10(可吸入顆粒物)和PM2.5(細顆粒物)[2]，研究表明相較于PM10，PM2.5來源更復雜且對人體健康的危害更大，PM2.5能深入人體呼吸系統，直接影響人體呼吸機能，誘發一系列呼吸道疾病和心血管疾病[3～5]。大量研究表明[6～8]，明確大氣顆粒物的來源、時空變化規律和內在機理是大氣污染物防治的必要前提。

陜西省位于我國西北地區，境內東西向的秦嶺山脈將其分割為陜北、關中、陜南三大地形區。關中地區經濟基礎雄厚，城市發展迅速，近年來大氣污染現象頻發，關中城市大氣污染以顆粒物污染為主，以西安市和咸陽市污染最為嚴重[9-10]。陜南地區城市多受自然條件限制，經濟基礎薄弱，工業布局分散，未能形成合理、完整的經濟發展產業鏈，經濟發展落后于秦嶺北部城市，張俠[11]等研究發現，陜南城市也存在一定程度上的大氣污染，大氣污染高發時段是歷年冬季，大氣顆粒物為首要污染物。

本文在關中地區選取西安市為代表，安康市位于陜南地區的中部，境內自然條件和經濟條件具有代表性，故陜南地區選取安康市為代表，基于兩市PM10和PM2.5逐小時質量濃度數據，結合秦嶺南北的特殊自然地理條件和社會經濟發展差距，以期探究供暖城市和未供暖城市不同季節大氣顆粒物質量濃度的變化規律以及造成異同的影響因素，為秦嶺南北城市大氣顆粒物協同防治提供新的思路。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

本文采用陜西省環境保護廳2016年12月1日～2018年2月28日西安市和安康市PM10、PM2.5質量濃度逐小時數據，有效數據天數共454d。依據氣象劃分法將2016年12月和2017年1月、2月記為2016年冬季，2017年3、4、5月記為春季，2017年6、7、8月記為夏季，2017年9、10、11月記為秋季，2017年12月和2018年1、2月記為2017年冬季。

1.2 方法

以《國家環境空氣質量標準》(GB3095—2012)為技術規范，利用軟件Origin2017分析PM10和PM2.5質量濃度逐日變化規律和逐月變化規律。采用Matlab2014軟件實現西安市2017年冬季供暖期大氣顆粒物與同期安康市大氣顆粒物小波系數實部圖和小波方差分析，研究PM10和PM2.5周期波動規律。軟件HemI1.0.3.7用于完成研究時段內PM10和PM2.5周一至周日逐小時質量濃度變化熱圖譜，研究西安市和安康市大氣顆粒物逐小時變化特征異同，并基于Pearson相關系數探討西安市、安康市大氣顆粒物與氣態污染物變化規律。

2 結果與分析

2.1 大氣顆粒物年際變化特征

表1所示為2016年12月1日～2018年2月28日安康市與西安市大氣顆粒物日均濃度統計情況。由統計結果可知，安康市PM2.5和PM10污染程度均輕于同時期的西安市，西安市PM2.5與PM10平均值約為安康市的2倍，安康市PM2.5與PM10日最高值為255μg/m3和357μg/m3，西安市PM2.5與PM10日最高值接近安康市最高值的2倍。《國家環境空氣質量標準》(GB3095—2012)規定的PM2.5日平均二級標準濃度限值為75μg/m3，PM10日平均二級標準濃度限值為150μg/m3，西安市PM2.5平均值為86μg/m3，是二級標準濃度限值的1.15倍。統計超過二級標準的天數，結果發現西安市存在著較為嚴重的大氣顆粒物污染，在454d中PM2.5與PM10超標天數分別為178d、147d，超標率高達30%以上。安康市情況好于西安市，PM10超標率僅為6%，但PM2.5超標天數多達78d，仍存在一定程度的細顆粒物污染。

表1 大氣顆粒物質量濃度統計Tab.1 Statistical table of atmospheric particulate matter mass concentrations in Ankang and Xian

安康市和西安市大氣顆粒物在長時間尺度上表現出相似的變化規律(圖1)，在454d監測期內，秋冬季顆粒物濃度明顯高于春夏季，且秋冬季的濃度波動幅度強于春夏季，全年顆粒物波動曲線近似中部寬闊的“U”字型，與高超群[12]和劉立忠[13]等研究結果存在一致性。安康市春夏季PM2.5濃度多數天份在50μg/m3以下范圍波動，雖有極少天數略高于50μg/m3，但未超出二級標準濃度限值，PM2.5高值多出現在冬季，PM10大部分天數在二級標準濃度限值以內波動，與PM2.5表現出相同的變化趨勢。西安市春夏季部分天數PM2.5濃度超出二級標準濃度限值，在100μg/m3上下浮動，秋冬季PM2.5污染程度顯著高于同時期的安康市，多數天數在100～300μg/m3范圍波動，秋冬季PM10濃度在150～450μg/m3范圍波動，嚴重威脅到城市各項經濟活動和居民的身體健康。相比2016年冬季，2017年西安市冬季PM2.5與PM10污染均存在一定程度的降低，說明2017年西安市強有力的大氣污染治理工作初具成效；2017年安康市冬季PM2.5與PM10污染有小幅度的加重趨勢，認為與當年冬季的氣象條件有關。

圖1 PM2.5與PM10質量濃度年際變化Fig.1 Interannual variations of PM2.5 and PM10

2.2 大氣顆粒物月變化特征及相關性分析

圖2中左圖為西安市與安康市大氣顆粒物濃度月均值變化曲線，右圖表示PM2.5/PM10逐月變化曲線。兩市PM2.5和PM10月均值變化曲線與圖1高度一致，均為寬“U”字型，并表現為極強的同期變化特征。兩市大氣顆粒物濃度在上年冬季達到峰值后迅速降低，在春夏季為當年低值區，秋末冬初迅速上升，在冬季達到當年的高值區后又迅速降低，在1年的時間尺度上呈現出“單峰單谷”的變化特征。安康市受城市發展規模的限制和不集中供暖的影響，冬季PM2.5和PM10污染程度明顯低于西安市，且顆粒物濃度隨季節變動的幅度小于西安市。西安市2017年冬季大氣顆粒物污染情況較上年冬季有一定程度的好轉，PM2.5、PM10月濃度最高值下降區間在43～69μg/m3。

西安市、安康市PM2.5/PM10逐月變化曲線也表現出很高的同期變化特征(圖2)。PM2.5/PM10可以表現顆粒物污染水平，比值越高表示污染程度越大，可看出相比2016年冬季，西安市顆粒物污染程度有所下降，安康市PM2.5與PM10比值多數時段高于西安市，僅在2016年12月和2018年1月略低于同期西安市比值。

圖2 PM2.5與PM10質量濃度逐月變化圖Fig.2 Monthly change of PM2.5 and PM10 mass concentrations

利用一元線性回歸方程對安康市、西安市各季節PM2.5與PM10相關性進行分析，統計結果見表2。兩市16年冬季數據呈現出極顯著的相關性，相關系數高達0.9以上，春夏季氣溫升高，大氣運動活躍，污染物不易累積，PM2.5與PM10相關性減弱，秋冬季氣象條件不利于大氣顆粒物擴散，加之植被凋落、農業不合理焚燒、交通擁堵等方面的影響，大氣顆粒物易形成累積并進行二次轉化，使污染過程更加復雜，故兩市2017年秋季相關性有所增強，冬季在嚴格治污手段作用下以及降水增多的影響下，大氣顆粒物未出現長期持久的累積，相關性逐漸減弱。

表2 PM2.5與PM10相關性統計Tab.2 Correlation statistics between PM2.5 and PM10

2.3 重污染時段小波分析

有研究表明[14～16]，Morlet小波能有效去除偶然事件對大氣污染物濃度變化的影響，更快速準確表現大氣污染物時間變化規律。現選取安康市和西安市2017年11月1日～2018年2月28日大氣顆粒物逐日數據，對120d數據進行小波變換，得出小波系數實部圖和對應的小波方差圖(圖3)，左圖為小波系數實部圖，右圖為小波方差圖。左圖中小波系數越大代表相應的顆粒物污染程度越高，0表示突變點[17]，發現安康市PM2.5、PM10和西安市PM2.5均表現出7～9d、20d、45d此3類時間變化尺度，西安市PM10只有20d、45d 2類時間變化尺度。安康市PM2.5、PM10中心尺度在20d，西安市PM2.5、PM10中心尺度在45d，但都表現為“高-低”交替的變化特征。經圖3右圖確定，安康市PM2.5、PM10和西安市PM2.5均表現出3個時間周期，西安市PM10無7～9d周期。安康市PM2.5、PM10變化周期高度契合，20d為第一主周期，45d為第二周期，7～9d為第三周期，西安市PM2.5、PM10第一主周期區別于安康市，為45d，20d為第二周期。

圖3 小波系數實部圖和小波方差圖Fig.3 Real part of wavelet coefficient and wavelet variance

表3表示2017年安康市與西安市全年經濟發展情況，數據整理于陜西省統計局官網。在2017年度，安康市與西安市經濟發展差距極大，以對大氣顆粒物貢獻最突出的第二產業為例，兩市相差2 067億元，是安康市全年生產總值的2.1倍。經濟發展差異對大氣顆粒物濃度變化周期無顯著影響。

表3 2017年安康市與西安市全年經濟發展統計Tab.3 Economic development statistics of Ankang and Xian in 2017

2.4 重污染時段小時變化特征分析

PM2.5、PM10存在7～9d的短周期變化，有研究認為該周期與城市民眾活動的周期性存在聯系[18]，故利用熱圖譜分析安康市和西安市此120d內周一至周日全天小時濃度變化(圖4)。據圖可知，兩市PM2.5、PM10周內小時變化存在較大差異，最大差異表現為單日污染高發時段不同。安康市周一至周日PM2.5、PM10污染較輕，每日濃度低值多集中出現在2∶00～9∶00時段，當日濃度峰值集中于19∶00～22∶00時段，周四和周五此時段污染最為突出。西安市PM2.5、PM10濃度在一周內維持于較高水平，變化趨勢基本符合工作日至周末的時間順序，多數天份單日變化表現出“單峰單谷”的特征，低值區段與安康市低值區段大體吻合，多為14∶00～18∶00，其余時段污染程度居高不下，周內PM2.5、PM10濃度最低值均出現在周三且表現出以一周為尺度的循環周期。兩市PM2.5、PM10污染最嚴重的天份都為周五，周五是周內工作日與周末的過渡時段，當日正值學校、單位放假，導致交通壓力劇增，交通源是主因。

圖4 PM2.5、PM10濃度小時變化圖譜Fig.4 Hourly change of PM2.5 and PM10

2.5 大氣顆粒物與氣態污染物相關性分析

計算西安市非供暖期(2017年4～10月)、供暖期(2017年11～次年2月)大氣顆粒物日平均濃度與同時期大氣氣態污染物Pearson相關系數，安康市做相同處理。由表4可知，大氣顆粒物濃度變化與SO2、NO2存在中度相關性，PM2.5與SO2、NO2相關性略高于PM2.5，多數情況下O3濃度與大氣顆粒物濃度無統計學意義，CO濃度與大氣顆粒物濃度的相關性存在顯著的時間變動特征，PM2.5和PM10強相關性說明二者存在強同源性。供暖期大氣顆粒物與氣態污染物相關性高于非供暖期，分析認為冬季城市氣象條件易引起大氣污染物的累積，大氣顆粒物污染嚴重時氣態污染物濃度也居高，且城市逆溫多發，大氣污染物形態結構不穩定，進行二次轉化后形成二次污染，污染物構成較夏秋季復雜，相關性居高，以CO最為突出。西安市供暖期大氣顆粒物與氣態污染物相關性略高于同期安康市，西安市冬季集中供暖且城市發展規模強于安康市，交通源、工業源、生活源等大氣污染物人為源排放量大且聯系密切，關中平原地區東西向分布的城市群易形成大范圍污染，安康市屬河谷盆地地形，多山谷風，不利大氣污染物擴散[19-20]，但四周環山，受外源性污染物影響小，降水多于同期西安市，城市規模小導致大氣污染物來源和結構較西安市單一，故供暖期大氣污染物間相關性略低于西安市。

表4 Pearson相關系數Tab.4 Pearson correlation coefficient

注：**相關性在0.01置信度水平上相關，*相關性在0.05置信度水平上相關。

3 討 論

在長時間尺度上，安康市與西安市大氣顆粒物濃度變化趨勢基本一致，特殊時段和異常天氣對變化趨勢存在一定的擾動。安康市PM2.5與PM10最高值均出現在2017年1月28日，正值大年初一，PM2.5濃度上升至255μg/m3，PM10濃度為358μg/m3，大量煙花爆竹燃放是春節時段大氣顆粒物濃度驟升的主要因素[20]，當日氣溫在3～7℃，相較于前兩日最高溫下降了5℃，全天風力小于3級且無持續風向，伴隨有少量降水，氣溫驟降且風力微弱等不利的天氣因素造成當日大氣顆粒物迅速累積達到峰值，之后數天溫度回升天氣轉晴以及煙花爆竹然放量減少，顆粒物濃度下降至低值。同時期西安市PM2.5與PM10值并未出現峰值，PM2.5濃度為157μg/m3，PM10濃度為253μg/m3，當日氣溫在0～7℃，相較于前幾日，最低溫度上升1℃左右，天氣為陰天，盛行東北風和西風，全天風力小于3級且無持續風向，因西安地處關中平原，地勢東南高西北低，受盛行風影響2018年1月28日，其中咸陽市PM2.5濃度達到167μg/m3，PM10濃度為225μg/m3，由于寶雞市為特殊峽谷地形PM2.5濃度達到185μg/m3，PM10濃度為257μg/m3，而渭南市PM2.5濃度達到169μg/m3，PM10濃度為250μg/m3，寶雞市、咸陽市、渭南市PM2.5和PM10均高于西安市。對比西安市，安康市冬季不采取供暖措施，在環境污染方面的貢獻低，而在大年初一煙花爆竹的燃放致使的大氣污染與同月安康市大氣環境形成強烈對比，突出表現為PM2.5和PM10出現急劇增加形成峰值；西安市這一時期整個處于供暖期，燃放煙花爆竹同時也對大氣污染做出貢獻，但在盛行風影響下，加速空氣流動，使得整個西安市污染物濃度發生分散，沒有峰值出現。西安市PM2.5與PM10在2017年5月5日出現異常增大，PM2.5濃度為248μg/m3，PM10濃度高達816μg/m3，是二級標準濃度限值的5.44倍，當日氣溫為12～21℃，相關歷史氣象資料顯示，2017年5月初一次強沙塵天氣席卷我國北方大部分地區，覆蓋內蒙古、甘肅、寧夏、陜西、北京、天津在內的10余個省市(自治區、直轄市)，5月5日進入陜西境內，引起陜北地區和關中地區浮塵、揚塵迅速增加，造成了此次西安市PM2.5和PM10濃度驟升，安康市由于高大綿延的秦嶺山系阻隔，受此次沙塵天氣影響較小，未出現大氣顆粒物濃度異常增高。

2017年冬季，陜西省環保廳就鐵腕治霾、重污染天氣應急等工作進行多次論證和討論，相繼出臺了《陜西省2017年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》《陜西省重污染天氣應預案》等文件，對關中城市重點整治，并取得了較好的成果，2017年冬季西安市大氣顆粒物污染較同期有一定程度的減弱，說明強有力的治霾決心和手段是大氣環境質量轉好的有效保證。

安康市與西安市經濟結構和發展速度存在極大的差距，但這種差距對兩市大氣顆粒物濃度的變化周期無明顯影響，可以認為，在秦嶺山脈分割下的關中地區和陜南地區，冬季城市是否集中供暖以及城市經濟發展差異對大氣顆粒物的變化周期影響不大，其冬季城市大氣顆粒物濃度變化周期高度一致，僅在主、次周期的順序上存在一定影響。西安市屬暖溫帶大陸性季風氣候，安康市屬亞熱帶季風氣候，冬季同受西北季風的影響，雖然在短時間尺度上氣溫、風速、相對濕度等天氣因素存在一定差異，但在較長天數尺度上表現出一定的規律性，認為大氣顆粒物濃度變化周期與區域大氣低頻振蕩周期存在一定聯系。

在短時間尺度上，安康市與西安市大氣顆粒物小時濃度變化規律差異較大，西安市城市規模大于安康市，境內工業、交通業發達，大氣污染過程比同期的安康市復雜，冬季全天供暖的不利影響在城市對流天氣弱、大氣層結穩定和城市熱島效應的作用下進一步加深，單日大氣顆粒物污染持續時間長，午夜至日出前后顆粒物濃度仍處于高值，直到當日氣溫回升至高值后才出現短時間的回落，之后又迅速回升。

針對以上問題的探討，為了抑制大氣污染現象更趨嚴重化，必須采取相應措施。西安市和安康市在地勢地形上不利因素居多，使得污染物擴散速度降低，“城市效應”顯現出來，要想采取有利政策，必須從污染物排放源頭入手。首先，對于以工業發展為主的企業，要進行嚴格的大氣排放污染檢測，是否按照國標或省級規定標準內進行排放；其次，關于西安市供暖政策，可采取區域性集中供暖的措施，分散污染源并嚴格監測是否污染物達到排放標準，使用清潔能源等；再次，呼吁使用公共交通系統出行；最后，加強城市合理規劃，要求各企業單位針對產業建設方面必須實行環境評價，評判出企業建設運營是否造成各類污染影響，從而優化布局；另一方面可將綠化與城市發展結合，在城市布局中加強綠植種植。從源頭上減少，從行為上改善。

4 結 論

通過對不同時間尺度下西安市和安康市PM2.5、PM10濃度變化特征研究，得出如下結論。

4.1 在2016年12月1日～2018年2月28日，西安市存在嚴重的大氣顆粒物污染，西安市和安康市PM2.5、PM10在454d監測期內變化規律相同，秋冬季顆粒物濃度明顯高于春夏季，且秋冬季的濃度波動幅度強于春夏季，全年顆粒物波動曲線近似中部寬闊的“U”字型。秋冬季PM10與PM2.5相關性好于冬春季，2016年冬季兩市PM10與PM2.5相關系數均為0.9以上。

4.2 在2017年11月1日～2018年2月28日，安康市PM2.5、PM10和西安市PM2.5均出現7～9d、20d、45d三個時間周期，西安市PM10有20d、45d兩個時間周期，安康市PM2.5、PM10第一主周期為20d，西安市PM2.5、PM10第一主周期為45d。

4.3 在2017年11月1日～2018年2月28日，西安市周內大氣顆粒物污染重于同時期安康市，西安市PM2.5、PM10,污染集中在22∶00～次日5∶00，安康市PM2.5、PM10,污染發生在19∶00～22∶00時段，周五是西安市和安康市一周內大氣顆粒物污染最嚴重的天份。

4.4 城市經濟結構、經濟發展狀況、供暖情況、地形差異造成秦嶺南北城市大氣顆粒物污染程度差異和單日小時濃度變化差異，對濃度變化周期無顯著影響，區域氣象因素主導大氣顆粒物變化周期。