西安市污染气象特征和大气环境容量分析

张文静，孙 娴，王 琦，胡 琳，丁 琦

（1.陕西省气候中心，西安710014；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043）

随着经济的发展，城市不断扩张，城市空气污染日益严重，灰霾天气频繁出现，极大的影响了大气环境质量和人体健康。有关研究表明，空气污染程度不仅取决于污染源的数量和分布、地形的简单或复杂，更与当时气象条件密切相关。为了清楚的认识各种气象条件下的城市污染分布及污染程度，确定城市区域的大气环境容量，本文利用2010年西安市环境监测资料及同期气象资料，对气象场影响下的城市大气污染状况及大气环境容量进行分析，以期寻求气象与大气污染之间的关系和变化规律，为大气污染防治提供有价值的参考。

1 大气环境污染分布特征

西安位于中国大陆腹地黄河流域中部的关中盆地，属暖温带半湿润季风气候区，雨量适中，四季分明，2010年降水量为504.4mm，年平均湿度为69.6%。以东北风和西风为主导风向。辖境东西204 km，南北116km；总面积9 983km2，其中市区面积1 066km2。随着西安市城市化进程的加快，人口的增加，基础建设不断加快，城市下垫面发生了巨大的变化，使城市的热容量增加，能耗加大，有效蒸发减少，增温明显，从而导致城市风速减小，大气污染物浓度增加［1］。

1.1 资料和方法

本文所使用的2010年污染因子浓度数据来源于西安市环保局，监测点位共5处，分别为开关厂、兴庆小区、纺织城、小寨、草滩。分别代表了西安市的工业区、住宅区、轻工业区、商业区和城市边界区，监测因子包括SO2，NO2，PM10，数据齐全，准确度高。所用地面气象资料为2010年西安市自动站的常规气象观测资料，包括每天逐时风速、风向、总云、低云等；高空资料采用中尺度气象模式MM5模拟取得。依据国家标准《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB／T13201—91），本文采用箱式模型推导出的A—P值法中的A值法计算大气环境容量。把城市上空的大气层看作一个箱体，并假设污染物在此箱体混合层内处处相等，整个城市具有相同的面源强度，则在控制周期T时间内，整个箱体内允许排放的污染物总量为［2］：

式中：Qd——某种大气污染物的允许排放量（104t／a）；u——平均风速（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 别 取 0.003 5，0.000 7，0.004 4 m／s［3］；H——混合层平均高度（m）；Cs——相应的环境空气质量标准值（mg／m3）；S——区域面积（km2）。

1.2 时空分布

1.2.1 时间变化特征分析 根据国家环境空气质量标准（GB3095—1996），西安市为二类区（城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区），执行二级标准（日均浓度标准：SO2为0.15mg／m3，NO2为0.12mg／m3，PM10为0.15mg／m3）。2010年西安市SO2，NO2，PM10月平均浓度变化趋势较为一致，基本呈单峰型分布，特别是SO2，PM10月平均浓度随季节变化的规律较明显，体现在冬季采暖及春季干旱、多风沙阶段浓度增大，其中PM10在11月、12月出现浓度超标现象，成为影响西安市大气环境质量的主要污染物（图1）。

图1 2010年各污染物月平均浓度变化

1.2.2 空间变化特征分析 根据西安市各环境监测点监测数据，作出了各监测点监测要素月平均浓度分布图（图2）。

图2 2010年各监测点月平均浓度分布

由图2可见，SO2各监测点变化趋势呈单峰型，夏季各站点浓度最小，尤其以草滩站点浓度最小；冬春季浓度偏大，尤以冬季明显。NO2各监测点亦以夏季浓度最小，冬春季浓度变化较大；从全年的变化情况看，草滩成为全年浓度最小的站点，其次为兴庆小区。PM10除草滩监测点4月份浓度变化突兀外，其他各站点全年变化幅度较为一致，基本呈现两头高中间低的变化趋势。

为了更好地解释各空气污染物浓度变化在各个站点的分布情况，本文选择节假日和工作日进行分析。节假日选择有代表性的10月1—7日和春节（2月13—19日），以兴庆小区和小寨为例；工作日选择冬季和夏季，以开关厂和纺织城为例。经对比分析发现，节假日期间兴庆小区和小寨SO2、PM10变化趋势基本一致，小寨要略高于兴庆小区，而NO2在小寨整体偏高，特别在十一期间异常明显，出现10月6日和7日均浓度高出兴庆小区2倍的现象。分析其原因主要与节假日期间商业区人流、车流量大，扬尘及汽车尾气排放有关；工作日期间冬季和夏季开关厂SO2均明显高于纺织城，这主要与开关厂监测点周围工业区分布比较集中有关，冬季NO2浓度纺织城要略高于开关厂，夏季趋势不明显，这主要与纺织城监测点周围分布的大量轻工业批发市场及客货运市场等车流集中有关，PM10冬季和夏季均为开关厂高于纺织城，主要与开关厂附近大量工业生产排放有关。

1.3 空气污染指数

空气污染指数是将常规监测的几种空气污染物浓度简化为单一的概念性数值形式，并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势［4］。

空气污染指数的确定原则：空气质量的好坏取决于各种污染物中危害最大的污染物的污染程度。是根据环境空气质量标准和污染物对人体健康和生态环境的影响来确定污染指数分级及相应的污染物浓度限值。目前，我国所用的空气指数分级及相应的污染物浓度限值见表1。

空气污染指数与各项污染物浓度的关系是分段线性函数，用内插法计算各污染物的分指数In，取各项污染物分指数中最大者代表该区域或城市的污染指数。该指数所对应的污染物即为该区域或城市的首要污染物［4］。本文通过计算确定PM10为西安市区首要空气污染物。表2给出了2010年西安市空气质量等级状况。

表1 空气污染指数及相应的污染物浓度值

表2 2010年环境空气质量状况（1－12月） d

表2显示，西安市区6—8月空气质量优良，其余各月均有不同程度的污染。特别指出，4月26日西安市空气污染严重，8：00和20：00能见度仅为6km和12km，为严重污染。根据典型日定义（地面出现最大日均浓度）本文选择4月25—27日作为典型日，结合该时段气象条件对其进行进一步分析。

2 大气污染与气象条件的关系

不同气象条件下，同一个污染源排放所造成的空气污染状况可能会相差甚远，这主要是由于在不同的气象条件下大气运动对污染物的稀释、扩散规律不同造成的。气象条件是影响污染物扩散的主要因子之一，包括风向、风速、大气稳定度、降水、太阳辐射等。

2.1 与大气稳定度的关系

边界层内气温的垂直分布与空气污染有密切的关系，而大气稳定度是反映大气温度垂直分布的重要参数。当大气层结不稳定时，热力湍流发展旺盛，对流强烈，污染物易扩散。当大气层结稳定时，湍流受到抑制，污染物不易扩散稀释，对城市空气质量将产生不利影响［5］。

根据帕斯奎尔稳定度分级法，本文计算了2010年全年逐日24：00大气稳定度，结果表明：西安市全年大气以较稳定—稳定为主；全年强不稳定时次共计122h，主要集中在中午12：00—14：00；不稳定时次共计1 522h，主要集中在下午15：00—18：00。

图3 2010年大气稳定度与污染物浓度变化情况

大气稳定度的频率随月份变化比较明显，稳定类在春夏季节频率较低，冬季频率最高，到12月份出现极大值，7月份出现极小值；不稳定类在冬季频率最低，1月份出现极小值，而夏季出现频率最高，6月份出现极大值。如图3所示，2010年3—9月间西安市大气不稳定类概率约29.6%，稳定类概率约13.6%，以不稳定类为主，而污染物的浓度随不稳定度频率的增加而减小，以SO2、PM10变化较为明显，1月、2月、10—12月西安市大气以稳定类为主，此间各污染物的浓度相对较高，污染相对严重。

2.2 与风速的关系

风对污染物浓度的影响是非常显著的，在风力作用下排放到大气中的污染物质会逐渐被扩散和稀释［6］。本文利用西安市2010年地面逐时风速实测资料统计得出春、夏、秋、冬四季静风和小风（0.3m／s≤V＜1.5m／s）频率分别为50.7%，47.9%，69.2%，65.6%（秋季因缺测54个时次造成频率偏高），秋、冬季静风和小风的频率在一年中偏大。在静风和小风条件下，空气扰动小，同样污染源排放的污染物质不易被扩散，造成在同等条件下，空气中污染物浓度略大。为了定量说明各污染物浓度变化与风速之间的关系，本文计算了各污染物浓度与日均风速之间的相关系数。结果显示，在α＝0.01的置信水平下，SO2、NO2与风速呈显著负相关（相关系数分别为－0.324，－0.241），α＝0.1时，PM10与风速呈负相关（相关系数为－0.042）。此外春季是陕西一年当中沙尘天气较多的时期，文章着重对春季进行了相关分析，发现SO2、NO2与风速呈负相关（相关系数分别为－0.09，－0.19），而PM10则与风速呈正相关关系（相关系数为0.15），分析其原因主要与春季北方沙尘天气自北向南带来大量颗粒物有关。

2.3 与降水之间的关系

降水对空气中的污染物质有一定的冲洗作用。经统计，2010年有降水出现的天数中，降水对SO2，NO2，PM10的稀释影响分别能够达到62%、55.7%和68.3%，有较强的稀释作用。本文将2010年降水分为4个等级，即0.1≤R＜1，1.0≤R＜5.0，5.0≤R＜10，10≤R，分别与降水当天污染物SO2、NO2、PM10浓度和此后一天的浓度差值进行比较（表3）。发现1 mm以下的日降水对污染物的稀释作用不明显，甚至出现浓度反弹现象；日降水在1～5mm之间时对SO2、PM10稀释作用很强，NO2次之；日降水在5～10 mm之间时对PM10稀释作用最强；日降水量大于10 mm时反而对各污染物的稀释作用都相对减弱。出现这种现象的原因需要综合考虑其他影响污染的气象因子的作用，例如7月15日降水量为28.7mm，7月16日未出现降水，各污染物浓度均增加。7月15日气压为961.5hPa，相对湿度99%，气温22.2℃，风速1.6 m／s，7月16日气压降低、湿度减小、气温升高、风速减小，造成白天蒸发量大，大气扩散能力减弱，污染加重。

表3 降水对污染物浓度稀释影响

2.4 典型日气象条件分析

本文根据典型日定义，选择4月25—27日作为典型时段进行分析。4月25—27日陕西出现一次大风、沙尘天气过程。25日在甘肃西部和内蒙西部以及新疆北部到西伯利亚有一南北向的冷高压，内蒙古自治区的锡林郭勒盟附近有一低压中心，锡林郭勒盟经华北到四川为一东北西南向的低压带，陕西处于低压线密集带前沿，气压梯度大，同时高低空明显的急流和强的风速垂直切变及低空切变线的存在，为大风天气的形成提供了动力机制［7］。大风携带沙尘自北向南，增加了西安地区空气中的颗粒物浓度，这点可以很好地解释在空间分布上草滩站点（位于西安市最北的监测点）的PM10在4月份异常偏高的原因（图1）。而这一时段西安市大气主要以稳定为主。期间日均风速自3.1m／s降至1.6m／s，受本地气象条件限制，外来污染物并未得到有效的稀释和扩散，造成这一时段西安地区空气污染严重。

同时4月25日西安出现小雨（1.5mm），但因北方大风沙尘影响，PM10污染物的浓度不降反升，并在26日迅速升至全年最高。

由此可见，一个地区的空气污染现状不仅取决于本地污染源，还受外地源的影响［8］。而在本地不利气象条件的制约下，相同污染源和排放量对环境空气的影响程度会更加严重。

3 大气环境容量

大气环境容量与污染性质、气象条件等有密切关系。本文采用前述方法估算西安市的理想大气环境容量，计算周期为1a。根据气象条件，西安市混合层平均高度取769m［2］，取2010年降水量为504.4mm／a；2010年均风速取1.4m／s。SO2，NO2，PM10年平均环境质量浓度标准值分别为0.06，0.08，0.1mg／m3。

经计算，2010年西安市SO2，NO2，PM10理想环境容量分别为9.6×104，12.06×104，16.31×104t／a。SO2年排放量远大于其环境容量，处于超负荷状态，NO2略有盈余（参考西安市人民政府关于下达我市“十二五”主要污染物总量削减任务的通知（市政发（2011）102号）），PM10暂无可参考依据。由于年内静风和小风频率较高，降水日数及降水量较多年均值偏少，排放到大气中的污染物得不到及时扩散与稀释，造成环境容量的高利用率甚至超负荷现象。

4 结论

（1）2010年西安市SO2，NO2，PM10月平均浓度变化趋势基本一致，呈两头高中间低的趋势，其中PM10在11月、12月出现超标现象（二级标准）。从空间分布看，以小寨为代表的商业区在节假日各污染物浓度高于以兴庆小区为代表的居住区；以开关厂为代表的工业区在工作日SO2，PM10均高于以纺织城为代表的轻工业区，而NO2则出现纺织城浓度高于开关厂的现象；从全年的变化情况看，草滩成为全年浓度最小的站点。

（2）通过大气稳定度、风速与污染物浓度变化相关分析表明，大气稳定度越强，风速越小，污染物越不易被稀释扩散。风速与SO2、NO2呈显著负相关；与PM10负相关性略弱，而在春季有较明显正相关。

（3）降水对SO2，NO2，PM10的稀释影响分别能够达到62%，55.7%，68.3%，有较强的稀释作用。在日降水量小于1mm时污染物浓度出现增大现象，日降水量大于10mm时对各污染物的稀释作用都相对减弱。通过典型日分析，发现受本地不利气象条件限制，外来污染源将加重污染程度。

（4）计算大气环境容量。受气象条件的综合影响，西安市污染物排放造成环境容量的高利用率甚至超负荷现象。

［1］ 张侠，王繁强，杜继稳.西安大气环境要素变化特征分析［J］.内蒙古环境科学，2009，21（6）：63－68.

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［5］ 朱敏，王体键，卢兆民.一次持续空气污染过程的气象条件分析［J］.气象科学，2008，28（6）：674－677.

［6］ 李小平，司瑶冰，杨武杰.呼和浩特市冬季气象条件对空气质量的影响［J］.干旱区资源与环境，2009，23（4）：136－139.

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