2014年西安市PM2.5浓度的时空变化特征研究

陈旭彤 赵先贵 朱泓铮 姚小涵 游优 胡雪萍 马伟东

摘要：本文通过对西安市13个环境空气质量自动监测系统点位2014年PM2.5浓度数据的收集、处理和分析，研究西安市PM2.5浓度的时间变化特征、空间分布特征。结果表明：PM2.5浓度的季节变化规律：冬季、春季、秋季和夏季的PM2.5浓度依次减少，平均浓度分别为165.7μg/m3、96.4μg/m3、89.6μg/m3和58.3μg/m3；四类监测站中，交通站、区域站、城区站和郊区站的PM2.5浓度依次降低，平均浓度依次是106.9μg/m3、103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。PM2.5月均浓度呈双峰型模式，节日的烟花燃烧能造成瞬间的PM2.5严重污染；全年来看，交通站PM2.5浓度呈单峰型模式，其他三类站点呈双峰型模式；分地区来看，年均PM2.5浓度由高到低依次是城区、西北部、东部及东北部、南部及东南部和西南部。

关键词：PM2.5浓度；时间变化；空间分布；影响因素

1.引言

近年来，由于西安市的经济发展迅速、城市化进展快速、能源消耗日益增多，致使可吸入颗粒物成为西安市环境污染的首要因子，其中细颗粒物PM2.5对人类身体健康以及交通造成严重影响。与PM2.5相关的研究日渐增多。杨宇轩等研究了西安市PM2.5的污染现状及其对人们健康的影响，得出西安市采暖季PM2.5污染浓度显著高于非采暖季；PM2.5的污染加剧是西安市居民心血管系统和呼吸系统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的浓度变化，结果表明PM2.5小时质量浓度变化起伏较大。杜新黎等通过对2011年9月1日到2012年2月29日西安市城市化经空气PM2.5试点监测数据深入分析，初步摸清区域PM2.5污染水平及分布规律。孟小绒等利用西安市7个观测站点1970-2012年的雾日和霾日观测资料，得出西安市城区雾霾出现次数多，且雾霾天气主要发生在冬季。

目前，关于西安市PM2.5浓度的研究甚多，但是以较长尺度（1年）为期限，以不同点位、区域为出发点的研究较为缺乏。本文主要从时间、空间角度，对西安市13个环境空气质量自动监测系统点位2014年全年的PM2.5浓度数据进行收集、处理和分析，希望得到具有代表性的西安市PM2.5浓度的时间变化特征、空间分布特征及其影响因素，为西安市空气污染治理提供科学依据。

2.站点和观测

西安市环境空气质量自动监测系统点位共有13个，分别为12个趋势点位：高压开关厂、兴庆小区、小寨、市人民体育场、纺织城、高新西区、经开区、长安区、阎良区、临潼区、曲江文化产业集团和广运潭，一个清洁对照点位：草滩。

根据点位监测职能的不同，将13个监测点位分为四类，分别是城区环境监测点（城区站：高压开关厂、兴庆小区、纺织城、高新西区、曲江文化集团）、郊区环境监测点（郊区站：临潼区、长安区、经开区、阎良区）、交通污染监测点（交通站：小寨、市人民體育场），以及对照点与区域点（区域站：草滩、广运潭）。

本文分析所用数据均为PM2.5的小时平均浓度，根据日均值求得月均值，再根据月均值求得季均值。

3.结果与分析

3.1 PM2.5浓度的季节变化规律及影响因素

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

如图1所示，从季节方面来看，西安市冬季PM2.5平均浓度明显高于其他三个季节，达165.7μg/m3，约是春秋季节PM2.5平均浓度的1.78倍，是夏季PM2.5平均浓度的2.84倍；春秋季节PM2.5浓度水平较为接近，分别为96.4μg/m3、89.6μg/m3；夏季最低，为58.3μg/m3。可能是由于冬季为采暖季节，燃烧大量化石燃料，或者是冬季气候干燥、降水少等原因造成的，西安全市燃煤锅炉占有量较高，致使其产生的烟气中烟尘、SO2、NO2的年排放量较大，约占PM2.5总量的1/4。

从站点方面来看，交通站的PM2.5浓度水平最高106.9μg/m3，其他三类点位平均浓度较低，按年平均浓度大小排列由高到低是区域站、城区站和郊区站，年均浓度分别为103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。可能受到道路扬尘、汽车尾气等因素的影响，西安全市较高的机动车保有量，致使其排放的尾气中的CO、（CH）n和颗粒物的年排放量共计30万吨，约占PM2.5总量的1/3，汽车尾气成了西安市PM2.5浓度高的重要影响因素。

各点位在各季节的PM2.5标准差均处于较高的浓度水平，甚至接近于平均浓度，表明西安市PM2.5浓度在时间序列上非均匀化分布，在短时间内可能出现较大的浓度波动。这主要是由于西安市特殊的地理位置和气象条件、巨大的本地污染物排放量以及周边地区较高的污染水平等因素的影响。

3.2 PM2.5浓度的月变化规律及影响因素

由图2可以看出，在月份方面，2014年西安市PM2.5的月均浓度变化规律明显，大致均呈双峰型模式。有两个峰值，高峰值点出现在2月份，峰尖比较尖锐；低峰值点出现在11月份，峰尖比较平缓。全年最大值出现在2月份，达到227μg/m3（交通站）。高峰值主要是由于2月仍处在冬季采暖高峰期，且也是春节期间（2014年春节为2月19日），人们燃放大量烟花炮竹。峰尖比较尖锐是由于节日的烟花燃烧能造成瞬间的PM2.5严重污染。低峰值可能是由于11月份为秋季，西安周边有些地方大量燃烧秸秆、居民开始采暖，燃烧化石燃料等影响因素。有两个谷值，最低值出现在7月，为44.6μg/m3；次低值出现在9月，为52.6μg/m3。可能是由于夏季的气温条件不宜发生逆温，而且较频繁的降雨及大风天气，有利于PM2.5的扩散和清除。从站点方面来看，月变化曲线同样能够体现出交通站浓度最高，其他站点浓度相对较低的特征。

3.3 PM2.5浓度的日变化规律及影响因素

如图3所示，从全年方面来看，交通站PM2.5浓度呈单峰型模式，白天基本处于较为平缓的低谷区，峰值出现在22时，达118.3μg/m3。其他三类站点呈双峰型模式，高峰值点出现在21时或22时，低峰值点出现在10时；最低值出现在15时左右，次低值出现在07时左右。需要注意的是，白天PM2.5浓度的峰值从大到小依次是区域站、郊区站和城区站，而夜间的峰值浓度从大到小依次却是城区站、郊区站和区域站，表明夜间西安市城区的PM2.5更容易积累或二次生成，可能与夜间城区PM2.5排放源强度和化学反应强度有关。

从季节方面来看，春季交通站、区域站、城区站和郊区站PM2.5浓度的日变化曲线呈现波浪型模式，一天之内有三次较明显的峰值，分別是08时或09时、15时或16时、22时；白天的PM2.5浓度与夜间相近。夏季交通站、区域站、城区站和郊区站PM2.5浓度的日变化曲线大致呈现双峰型模式，有两个峰值，分别出现在09时和21时；有两个谷值，分别出现在4时或5时、16时或17时；白天PM2.5浓度略高于夜间。春季和夏季交通站PM2.5浓度最高，其次是城区站，区域站与郊区站相近。秋冬季节PM2.5的日变化规律与全年日变化规律较为接近，PM2.5峰值浓度昼夜差值较大，夜晚明显高于白天。秋季和冬季日变化曲线的峰值浓度由高到低依次是区域站、郊区站、交通站和城区站。

3.4 PM2.5浓度的空间分布规律

将西安市按照行政区划分为5个地区，分别是城区（碑林区、新城区、莲湖区）、西北部（未央区、经开区）、南部及东南部（雁塔区、曲江新区）、西南部（长安区、高新区）、东部及东北部（灞桥区、临潼区、阎良区）。将13个点位中位于各区的点位的平均浓度作为每个区的PM2.5浓度。

如图4，从季节方面来看，西安市各区域PM2.5浓度最高的均为冬季，最低的为夏季。从地区方面来看，年均PM2.5浓度由高到低依次是城区、西北部、东部及东北部、南部及东南部和西南部。春季、冬季PM2.5浓度最高的地区为城区，夏季PM2.5浓度最高的地区为西北部，秋季PM2.5浓度最高的东部及东北部；除春季PM2.5浓度最低地区为东部及东北部，其他季节PM2.5浓度最低的地区均为西南部。从同一季节不同地区的浓度差异来看，春季、夏季、秋季和冬季PM2.5浓度最高地区和最低地区的差值分别为25.1μg/m3、15.5μg/m3、20.5μg/m3和28.2μg/m3，浓度越高的季节空间分布的差异越大。从同一地区不同季节的浓度差异来看，城区、西北部、南部及东南部、西南部和东部及东北部PM2.5浓度最高的季节和最低季节的差值分别是123.4μg/m3、106.9μg/m3、105.9μg/m3和96μg/m3，浓度越高的地区时间分布的差异越大。

4.结论

（1）PM2.5浓度的季节变化规律：冬季、春季、秋季和夏季的PM2.5浓度依次减少，平均浓度分别为165.7μg/m3、96.4μg/m3、89.6μg/m3和58.3μg/m3；四类监测站中，交通站、区域站、城区站和郊区站的PM2.5浓度依次降低，平均浓度依次是106.9μg/m3、103.6μg/m3、102.3μg/m3和97.3μg/m3。各站点在各季节的PM2.5标准差一直维持在较高浓度水平，表明西安市PM2.5在时间序列上非均匀化分布，在短时间内可能出现较大的浓度波动。

（2）PM2.5浓度的月变化规律：2014年西安市PM2.5月均浓度呈双峰型模式。有两个峰值，高峰值出现在2月份，为227μg/m3；低峰值出现在11月份，为114.7μg/m3。有两个谷值，最低值出现在7月，为44.6μg/m3；次低值出现在9月，为52.6μg/m3。从站点方面来看，月变化曲线也能显示出四类监测站中交通站PM2.5浓度高于其他站点的特征。

（3）PM2.5浓度的日变化规律：2014年全年方面来看，交通站PM2.5浓度呈单峰型模式，其他三类站点呈双峰型模式；春季交通站、区域站、城区站和郊区站PM2.5浓度的日变化曲线呈现波浪型模式，一天之内有三次较明显的峰值，且交通站明显高于其他三个站点；夏季交通站、区域站、城区站和郊区站PM2.5浓度的日变化曲线大致呈现双峰型模式，有两个峰值，分别出现在09时和21时，且交通站明显高于其他三个站点；秋冬季节PM2.5的日变化规律与全年日变化规律较为接近，PM2.5峰值浓度昼夜差值较大，夜晚明显低于白天。

（4）从地区方面来看，年均PM2.5浓度由高到低依次是城区、西北部、东部及东北部、南部及东南部和西南部；浓度越高的季节空间分布的差异越大，浓度越高的地区时间分布的差异越大。

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作者简介：陈旭彤（1993-），女，河北石家庄人，陕西师范大学旅游与环境学院2012级地理科学专业本科生。

基金项目：国家社会科学基金资助项目（14XKS019）