西安市空气质量与气象要素的相关性分析

高赛男

(西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室，西安 710069)

空气的质量状况直接或间接地影响到人类的工作、学习以及其他生活的方方面面，当空气遭到污染时，人们将会出现各种生理以及心理的疾病，心肺患者症状加剧、烦躁感加剧[1-4].近几年来，进行空气质量特征相关的研究，一般是基于空气质量日报数据以及气象资料，研究区域既有大都市圈[5-9]，也有较小的城市[10-12]，既有多个城市，也有某个单一城市；研究内容既有单独污染的事件分析，也有特定时段的空气质量总体的特征分析.综合地分析能够很好地反映了某一地区的区域性以及时间空间变化等各方面特征.

西安市深处内陆，空气污染也较为严重.空气质量的好坏不仅影响城市发展，还有市民的身体健康.几十年来，我国环保部门、各个研究所、高校等都在空气质量的检测分布以及气象要素之间的相关关系等方面做了大量工作.胡琳等[13]研究表明，西安市污染较为严重的污染物为PM10，较大浓度值出现在冬季采暖期，雨水对污染物能起到有效的湿清除作用.陈渤黎等[14]分析了常州市空气质量与气象要素关系，结果表明：风向、风速、降水、气温对空气质量皆有一定影响，其中风向对污染物的输送有重要影响，风速对污染物的扩散作用明显，降水对空气污染具有显著净化作用，而气温则与空气质量直接关系较小.李九彬等[15]分析了2001—2011年重庆市空气质量特征，表明空气质量状况在8月时最好，在12月和1月最差；年度质量在2011年为最优，2002年为最差，6月、7月、8月为最优、12月、1月、2月为最差.API与平均气温、降水量及日照时数呈显著负相关，与平均温度呈正相关关系.翟萌等[16]分析了西安市近10年空气污染指数(API)，结果显示西安市大气环境质量正向良好的趋势发展.经大气污染与气象因素相关性分析显示，西安市大气污染与温度和降水量呈显著的负相关，与气压也有显著的负相关.邓霞君等[17]分析了中国47个主要城市日监测API数据，发现随着污染治理工作的展开，近10年API值呈下降趋势，由2001年年均82.75下降至2011年的66.1.

综上所述，这些研究都很好地反映了城市空气质量等特征，但是时间跨度略小.本文根据西安市1996—2015年空气质量状况的日报数据，通过运用Excel软件处理空气质量日数据，得出污染天数、污染程度等数据，详细地得出了10年AQI的年、季、月的尺度特征以及首要污染物特征，还有空气质量与风速、温度、湿度等气象要素的相关性，这样可以全面又准确地反映西安市10年来空气质量特征与气象要素之间的关系，为建设国家森林城市、更好地创建“一带一路”、发展绿色经济提供科学可行的依据，又可为治理环境、防灾减灾提供依据.

1 数据来源以及研究方法

本文用中国环保网所提供的西安市1996—2015年的十年逐日空气质量监测数据.其中2006—2012年数据完整，属性分别为日期、污染指数、首要污染物、空气质量级别、空气质量状况.2013年只有1月1日至1月15日的数据，其他月份数据缺失，属性同上.2014年缺失1月份数据，2月1日至3月5日属性分别为日期、AQI指数、首要污染物、空气质量级别、空气质量状况；从3月6日开始，属性数据又变为日期、AQI指数、首要污染物、空气质量级别.2015年只有1月1日至1月22日数据，其他天数数据均缺失，属性分别是日期、AQI指数、首要污染物、空气质量级别.空气质量指数AQI(air quality index)等级标准严格按照国家环保局指定的5个主要污染标准：地面臭氧，颗粒污染物(也称颗粒物)，一氧化碳，二氧化硫，二氧化氮.AQI是定量地描述空气质量状况的参数，也是是报告每日空气质量的参数，它一共分为六级：一级优，二级良，三级轻度污染，四级中度污染，直到五级重度污染，六级严重污染.其中AQI值大于100即达到污染级别(表1).

表1 国家环境空气质量标准

气象要素来自国家气象网站(http://www.weather.com.cn/)，所选取的气象指标有降水、风速、气温、风向等.

2 西安市空气质量统计汇总

2.1 AQI年变化

由2006年1月～2012年1月AQI的10年均值折线统计图可知(图1)，大多数年份AQI值在85～95之间作轻微波动，2006—2012年空气质量都属于良.2009年AQI值最低.2013年AQI值最高，是因为2013年仅有1月份数据，而1月份刚好是燃煤高峰期.再加上陕西省是我国重要的煤炭大省，以火力发电为主，所以2013年1月AQI均值约为201.5，达到了五级重度污染.2014年均值115.8，也较高，到2015年再次升高为133.2.从时间角度看，空气质量指数总体呈波动性上升.分析2006年1月～2015年1月时段内AQI均值年变化可知，西安市2009年空气污染最轻，2013年空气污染最严重.低值区与高值区以2013年为界，2013年以前AQI值总体下滑，但中间略有上升；高值区走势上升幅度较大，空气质量未见好转.2011年亦属于3个低值期中的一个，这可能与2011年西安市举办世园会有一定的关系.世园会强调“城市与自然和谐共生”的理念 ，此期间建设成一座座低排低耗的生态建筑群，再加上700余种花卉和植物的引进，空气质量有所好转.

2.2 AQI月分布

由图2可知，西安市各年份空气质量从1月至12月的月分布大致都呈现出中间低、两边高的形态.这与西安市地处暖温带大陆性季风气候区、冷暖干湿分明有着密不可分的关系.西安市夏季雨热同期，降水对颗粒物、扬尘等都有或多或少的净化作用.所以，月最低值基本都在7～9月.9月出现月最小值，主要是由于“夏雨洗天”的作用，即我国大部分地区到了夏天是雨季，西安也是.大量的降水会清洁空气，使大气中的杂质尘埃大大地减少.再加上夏季过后，南方暖气流减弱，大陆上气压由低值系统向高值系统转变；而高空副热带高压的南撤往往缓于地面高值系统南移，所以往往使高低空同受高气压控制，使整个大气皆表现为下沉运动，故而少雨多晴，天高云淡，空气质量好.而5月份也是一个低值期，月平均值在2009年5月达到了最低，仅为57.46.

图1 2006—2015年AQI均值分布图

图2 2006—2015年10年期间AQI月分布折线统计图

月最大值的出现往往在冬季，在12月、1月、2月皆有分布，2014年2月污染尤为严重，竟高达220.07.这是因为西安市处于北方地区，冬季寒冷，供暖时间较长，产生较多的粉尘等原因是分不开的.再加上天气寒冷，人们大多数愿意选择乘车而不是步行或者骑自行车，所以，由交通工具制造的污染排放也是冬季出现月最大值的一个重要原因.

2006年到2015年中(其中2015年AQI数据缺失)，2010年月平均AQI值最小，其中月极差为34，方差为46.3，标准差为6.8.统计10年内所有5月份的AQI均值发现，2009年最低值为57.4,2010年为101.0，说明并不是所有年份的AQI值在5月份都能达到最低.5月是一个天气多变的月份，AQI值基本在70～90之间波动.而9月份的AQI值的波动范围相对于5月份而言较为稳定，最低值为58，而最大值也仅为78.因为9月份大气环流较稳定，所以每年9月份的AQI值波动性也较小.

2.3 AQI日分布

由表2和表3可知，日最值分布与月最值分布大多数不重合，尤其是日最小值和月最小值.日最小值极差最大的是2012年，在12月15日AQI值为314，而在同年9月11日仅为37.日最小值极差最小的是2010年，在3月20日AQI值为163，而在同年2月11日仅为47.日最大值从2006年到2010年处于整体处于下降趋势，但在2007年AQI值偶尔急剧上升，到2011年又处于缓慢上升.AQI日最小值基本在40左右波动，从2006年的45变到2014年的35，整体处于下降趋势，说明西安市的空气清洁度正在变高，态势良好.

表2 2006—2014年AQI月最值统计表

表3 2006—2014年AQI日最值统计表

日最小值以9月居多，这也和秋季随副热带高气压的向南扩散、大陆上只剩下单一的高气压有关.最大值只出现在冬季，即1月、2月、12月，其中2006—2011年呈波动性下降，但是从2012年开始，急剧升高，在12月16日出现314的高值.

3 空气质量与气象要素相关性分析

由于部分年份气象数据缺失，无法全部进行相关性分析，所以本次分析选取的数据都是来自2007—2008年的.其中空气质量数据选自出现频次最高的、空气污染指数为Ⅱ级的月平均数据.气象数据则为平均风速、气温、平均相对湿度、日照时数、平均本站气压和最大风速风向.本文中定义的季节统一为春季(3月、4月、5月)，夏季(6月、7月、8月)，秋季(9月、10月、11月)，冬季(12月、次年1月、次年2月).以下图中x轴都代表自变量AQI值，y轴分别代表因变量风速、平均气温、平均相对湿度、日照时数、平均本站气压、最大风速风向和降水.

3.1 空气质量与风速的相关性分析

将每年的逐日风速数据统计可知，全年的平均风速是1.5 m/s，其中冬季的平均风速是1.4 m/s，春季为1.9 m/s，夏季为1.6 m/s，秋季为1.4 m/s.全年风速出现在在0～2 m/s的频段较大.

通过对西安市2007—2008年空气质量与风速相关性分析显示(图3)，西安市空气质量与月平均风速成正相关.经相关分析后得出线性相关系数为0.62，即风小则空气质量差；风大则空气质量好.因为风速大时大气容易扩散、能够稀释更多的污染物，可以提高空气质量；相反，风速小的时候大气不容易扩散，稀释能力差，污染物堆积，空气质量也就相对较差.

对比2007年和2008年空气质量与风速的相关性可知，2007年的相关性比2008年的大，处于缓慢减小的状态.

图3 空气质量与月平均风速的相关性

3.2 空气质量与气温的相关性分析

将每年的逐日气温数据统计可知，全年平均温度为15.6 ℃，其中冬季的平均气温为4.3 ℃，春季为17.6 ℃，夏季为25.9 ℃，秋季为14.5 ℃.

本次所用的气温数据为近地面影响下的平均气温.通过对西安市2007—2008年空气质量与气温相关性分析显示(图4)，空气质量与月平均温度呈显著的正相关，相关性系数高达0.85.

这可以说明，空气质量受温度的影响特别大.当平均温度越高的时候，空气质量就好，反之，平均温度越低，空气质量越差.因为气温高的时候，空气活动增强，而活动指数越高，净化能力也就越强、质量也会提高；相反，气温降低的时候，流体活动性减弱，容易滞留，从而造成污染.

对比2007—2008年空气质量与气温的相关性可知，2007年的相关性比2008年的大，也处于缓慢减小的状态.

3.3 空气质量与平均相对湿度的相关性分析

图4 空气质量与气温的相关性

图5 空气质量与平均相对湿度的相关性

将每年的逐日平均相对湿度数据统计可知，全年平均湿度为0.58 Pa，其中冬季的平均湿度为0.55 Pa，春季为0.64 Pa，夏季为0.67 Pa，秋季为0.67 Pa.

通过对西安市2007—2008年空气质量与平均相对湿度相关性分析显示(图5)，西安市空气质量与平均相对湿度成负相关，其线性相关系数很小，2007年线性相关系数为0.092,2008年为0.19，即平均相对湿度越小，空气质量就会越好；平均相对湿度越大，空气质量就会越差.这与我国很多地方的情况相似.

对比2007年和2008年空气质量与平均相对湿度的相关性可知，2007年的相关性比2008年的大，处于缓慢减小的状态.

3.4 空气质量与日照时数的相关性分析

将每年的逐日日照时数数据统计可知，全年平均日照时数为38，其中冬季的平均时数为39.5，春季为40.0，夏季为34.4，秋季为35.1. 统计2007—2008年气象数据显示(图6)，西安市空气质量与日照时数成正相关，其线性相关关系较小，当平均日照时数变大时，空气质量便会提高；反之，平均日照时数变小时，空气质量就会变差.对比2007年和2008年空气质量与日照时数的相关性可知，2007年的相关性比2008年的大，处于缓慢减小的状态.

图6 空气质量与日照时数变化的相关性

图7 空气质量与平均本站气压变化的相关性

3.5 空气质量与平均本站气压的相关性分析

将每年的逐日平均本站气压数据统计可知，全年平均本站气压为968.9 hPa，其中冬季的平均风速为977.8 hPa，春季为967.6 hPa，夏季为959.3 hPa，秋季为974.1 hPa.春夏季节的气压低于秋冬季节的气压.极差很小，仅为18 hPa.

本次所用的气压数据为平均本站气压.由图7可知，空气质量与平均本站气压呈显著的负相关.由此说明，空气质量受气压的影响较大，如2007年相关性系数竟然高达0.85.这说明平均本站气压越高，空气质量就会越差，反之，平均本站气压越低，空气质量越好.因为气压低的时候，空气容易对流，而对流越旺盛，空气的自净能力也就越强、质量也就会越好；相反，气温越低，污染物不易扩散，容易滞留、造成污染.对比2007年和2008年空气质量与平均本站气压的相关性可知，2007年的相关性比2008年的大，处于缓慢减小的状态.

3.6 空气质量与最大风速风向的相关性分析

风向对空气质量的影响一般主要表现在下风向的位置.风向共16个方位，分别是N,NEN,EN,EEN;E,EES,ES,SES;S,SWS,WS,WWS;W,WWN,WN,NWN.经分析，风向在0～5和10～15之间的最多，即风向为EN和WS最多.其中12月至次年5月多北风，6月至11月多西南风.本次所用的气压数据为最大风速风向.由图8可知，空气质量与最大风速风向有时候呈正相关，也有的候呈负相关，并且相关性都很小.这说明，空气质量受最大风速的风向的影响一般.

3.7 空气质量与降水的相关性分析

图8 空气质量与最大风速风向变化的相关性

图9 空气质量与降水量的相关性

将每年的逐日降水数据统计可知(图9)，西安市空气质量与降水成正相关，相关系数0.57，即降水量的增多可以使空气质量变好；反之则变差.因为大量降水可以带走和稀释更多的污染物，反之则清洁能力差，被污染的几率也就相对增加.对比2007年和2008年空气质量与平均本站气压的相关性可知，2007年的相关性比2008年的大，处于缓慢减小的状态.

综上，空气质量与气温的相关性最大，为正相关，相关系数为0.85，与风速的相关性次之，也为正相关，相关系数为0.65.因此，以后的空气污染治理不妨多从风速和气温这两方面来考虑.

4 结论

(1)西安市10年间空气质量等级以Ⅱ、Ⅲ级为主，首要污染物为可吸入颗粒物(PM10)，质量良好.污染物季节分配不均，大致呈单峰型波动.

(2)AQI值呈下降的趋势，值由2006年的91.7下降到2012年的85.0，这得益于各种污染治理工程的开展.

(3)西安市10年间AQI平均值为86，状况良好.AQI整体呈不规则的减少.2007年是西安市空气质量最差的一年，平均值为92.3；2009年是西安市空气质量最好的一年，AQI平均值为81.3，年平均值极差为11.0.

(4)西安市10年间AQI季节变化平均值为214，在2014年冬季平均值达到最大，其他年份的季节均值在100左右.春季和秋季的AQI值次之，夏季最低，为64.

(5)西安市10年间AQI月均值变动呈不规则的“V”字型变化，冬季变化最大，秋季变化最小.大多数情况下12月、1月、2月最差，5月、7月、9月最好.2006年到2015年中，2010年月平均AQI值最小，其中月极差为34，方差为46.3.10年内所有5月份的AQI均值在2009年最低，为57.4.2010年为101.0，说明并不是所有年份的AQI值在5月份都能达到最低.5月AQI值基本在70～90之间波动.而9月份的AQI值的波动范围相对于5月份而言较为稳定，最低值为58，而最大值也仅为78，由于气压系统逐渐由低压系统转向高压系统，所以秋高气爽，空气质量好.

(6)西安市10年间AQI日均值的最小值在2009年5月23日达到了最低，为34，在2012年12月16日达到了最高，为314，日均值极差为280.

(7)空气质量与风速、温度均呈显著的正相关，与平均相对湿度、日照时数、平均本站气压呈负相关，与最大风速的风向的相关性则不明显，说明风速对空气质量的影响很复杂.而且每种气象要素与空气质量的相关性从2007年到2008年都是逐年减小的，即单一要素影响空气质量的比例越来越小.

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