西安市大气污染颗粒物自然驱散因素研究

余 虎，陆秋琴，姚 丹，聂文馨，刘武芳茗，赵文婕

(西安建筑科技大学管理学院 陕西西安710055)

1 研究背景

西安是处于黄河流域历史悠久的中西部城市，在西部大开发战略等多种利好政策背景下，西安经济社会取得快速发展，同时促进了现代交通运输、建筑业、旅游业以及水电产业的全面发展。近年来西安城市天然气、石油等化石燃料的消耗迅猛增长，加之汽车尾气的排放与日俱增，导致城区出现了空气质量持续恶化的状况。以前单一的煤烟型大气污染类型也在逐渐向多因素影响的复合型污染转变。因此，对西安市大气污染颗粒物的驱散影响因素进行研究非常有意义。

众多学者对驱散大气污染颗粒物起作用的影响因素进行了研究。在经济的快速发展和城市化导致严重空气污染的研究方面：洪超[1]研究了西安市空气污染特征和重污染天气的影响因素；Zhou等[2]采用通径分析法，研究了工业国内生产总值(IGDP)、城镇化率(UR)、环境投资(EI)和煤炭消费(CC)对工业二氧化硫排放(ISE)和工业粉尘排放(IDE)的具体影响。在煤炭燃烧是雾霾的成因研究方面：张朋等[3]对西安市的燃煤锅炉对西安城区大气污染颗粒物浓度的影响展开了研究，发现虽然西安城区的燃煤锅炉绝大多数都安装了高效烟气净化装置，但其排放的污染颗粒物对西安城区大气污染颗粒物浓度的贡献仍然不可忽视；Li等[4]评估了碳固体燃料在家庭烹饪实践中减少污染物排放的效果。在道路车辆排放和道路植被结构对城市可吸入颗粒物的驱散研究方面：Sharma等[5]对德里(印度)的11个信号交通路口进行了研究，估计了相应的污染物排放量；Lin等[6]调查了10辆使用中的不同里程的摩托车排放的气溶胶的致癌性和诱变性，并进行健康风险评估；王佳等[7]设计了不同道路绿化布局模式，在夏季和冬季不同的风向条件下，利用三维微气候模型(ENVI-met模型)模拟大气颗粒物扩散的规律。在大气颗粒物浓度与气象要素之间的关系研究方面：马文静[8]基于连云港国家气象观测站2015年4月10日—2016年12月31日颗粒物浓度(PM10和PM2.5)观测资料和同期气象要素资料，统计分析了大气颗粒物浓度与气象要素之间的关系；Li等[9]提出人口增长导致粮食需求的增长，收获季节秸秆露天焚烧在短时间内产生大量的空气污染物，导致能见度显著降低，空气质量恶化，对人体健康产生不利影响；Ravindra等[10]估计了燃烧农作物残渣所产生的各种污染物排放量。在节日影响大气污染颗粒物的研究方面：潘楠[11]等利用小流量采样器于2016年春节期间，采集西安市大气颗粒物中PM2.5和PM10样品，使用高效液相色谱仪分析样品中16种多环芳烃的质量浓度特征及组分分布特征，运用比值法和气象参数对PM2.5和PM10中PAHS来源进行了解析。

大气颗粒物的扩散主要受煤炭燃烧、道路植被结构、气象要素(风速、风向、降水等)和节日等因素影响。除此之外，西安市独特的地理条件也对大气颗粒物的扩散有一定影响。西安市拥有南部山脉和北部高坡的天然屏障，独特的地形地貌特征严重阻碍了污染空气的扩散和流通，燃油、燃煤、废弃物等燃烧直接排放的气溶胶粒子及其相互作用产生的次生气溶胶污染物在城区不断聚集，造成城市颗粒污染物浓度持续升高，甚至出现空气质量指数“爆表”的现象。作为关中平原的核心区域，西安市受气候、地形特征的显著影响，大气污染状况每况愈下，雾、霾天气呈波动上升趋势。为了揭示哪些因素是大气污染颗粒物自然驱散因素，本文从中国空气质量在线监测分析平台采集相关数据，进行回归分析。

2 西安市大气污染颗粒物自然驱散因素

2.1 相关指标选择

2.1.1 因变量选择：PM10(mg/m3)

现代空气动力学认为，PM10是直径10μm以下的颗粒物，PM2.5是直径2.5μm以下的颗粒物。PM2.5是造成雾霾的主要污染源头，空气中PM2.5浓度直接决定了空气质量的好坏。但鉴于西安市PM2.5数据限制，用PM2.5作为因变量可能会影响回归分析效果，而PM10与PM2.5高度相关，空气中PM2.5占PM10浓度介于30%～90%之间，大多数占75%以上，所以本文选用PM10的浓度作为因变量代表西安市的雾霾污染程度。表1为2015—2018年西安市PM10统计数据。

表1 2015—2018年西安市PM10统计数据Tab.1 Statistical data of PM10 in Xi′an City from 2015 to 2018

2.1.2 自变量选择

雾霾污染的因素具有多样性，大体可以分为自然因素和社会因素。本文主要研究自然因素即温度、湿度、风级3个方面耦合作用对西安市雾霾驱散的影响。表2是2015—2018年西安市温度、湿度、风速统计数据。根据表2数据用SPSS绘制散点图，从散点图来看，当温度升高、湿度变大、风速增强时，雾霾污染程度有所减弱，所以初步认为PM10的浓度与温度、湿度、风速有线性关系。表3是雾霾驱散因素相关自然指标。

2.2 西安市大气污染颗粒物自然驱散因素回归模型构建及检验

利用西安市2015—2018年PM10的浓度作为因变量，选取的3个自然驱散因素作为自变量，基于表1和表2数据，用SPSS软件进行回归分析，得出西安市雾霾驱散自然因素逐步多元回归模型，回归结果如表4—表6所示。

对表4结果分析如下：

①r＝0.873，表明自变量(温度、湿度、风速)和因变量(PM10)之间存在着高度相关性。R为相关系数。

表2 2015—2018年西安市温度、湿度、风速统计数据Tab.2 Statistical data of temperature, humidity and wind speed in Xi'an from 2015 to 2018

表3 雾霾驱散因素相关自然指标Tab.3 Natural indicators related to haze dispersion factors

表4 模型汇总Tab.4 Model summary

②由表4可知：判定相关系数r2＝0.762，说明回归平方和占总离差平方和的比例76.2%，用(温度、湿度、风速)的变动解释(PM10)变动的比例为76.2%，且该回归的效果比较好。

对表5结果分析如下：

SSR＝99515.182

SSE＝30963.78

F＝47.138

P＝0.000＜0.05(表明有95%的把握认为回归方程显著)

式中：SSR为回归平方和，SSE为残差平方和，F为整个拟合方程的显著性；P为不拒绝除假设的程度。

表5 Anova(PM10)Tab.5 Anova(PM10)

表6 系数(PM10)Tab.6 Coefficient(PM10)

对表6结果分析如下：

因为Constant P值＝0.01＜0.05，所以选择B一列，则：

回归方程y＝-4.211x1-0.937x2+257.765

因为P＝0.000＜0.05，所以x1变量能进入回归方程。

因为P＝0.040＜0.05，所以变量x2能进入回归方程。

若P值＞0.05，则该方程不含常数项，那么选择Standardized(标准化系数)检验其他系数：

因为P＝0.064＞0.05，所以这个变量x3不能进入回归方程。

2.3 西安市大气污染颗粒物自然驱散因素回归分析

由西安市的雾霾驱散自然因素回归分析结果可得，雾霾是由多个自然因素耦合作用下的结果，其中，温度、湿度与PM10的浓度程负相关，虽然风级也与PM10的浓度程负相关，但是风级的检验系数大于标准化系数，不能进入回归方程，所以主要分析温度、湿度对西安市PM10浓度的影响。温度每升高一个单位，即每升高1℃，PM10的浓度便会相应地降低4.221mg/m3；同时当湿度每升高一个单位，即提升1%时，PM10的浓度便会相应地降低0.937mg/m3。在回归方程的各个变量的系数比较中，温度变量系数大于湿度变量系数，表明温度的变化在对雾霾驱散的影响中占很大的比重。

由于回归结果显示温度与PM10程负相关，当冬季气温在零下时，反而会增加PM10的浓度，在其他季节温度升高时，PM10的浓度也有相应的降低。从2015—2018年西安市PM10统计数据中也不难看出，夏季的PM10浓度普遍低于冬季。西安位于亚欧大陆内部，属于温带大陆性气候，夏季炎热，冬季严寒，降水量较少且集中在夏季。从自然条件来看，在冬季时由于地面夜间的辐射降温明显，大气低空容易出现逆温层，稳定类大气条件出现频率明显增多，严重阻碍了空气的流动，容易造成污染物与颗粒物在近地面层的积聚，从而导致雾霾多发；且在冬季西安易出现阴云天气，这种天气会使近地层大气更加稳定，无法使空气中的颗粒物如二氧化硫、氮氧化物等快速驱散，从而进一步加剧雾霾发展。当空气湿度增大时，空气中的颗粒物会遇水分而粘结降落在地面上，在一定程度上会促进雾霾的驱散。西安市降水多集中在夏季，所以在夏季高温、湿度较大的影响下，西安市的夏季空气质量远远好于冬季。

在2015—2018年风速的统计数据中发现，西安市的风速风级较小，最大的风级仅3级。在华北平原，风力是驱散雾霾的主要因素之一，冬季由北南下的西伯利亚寒流会吹散华北平原上空的氤氲雾霾。但是，在西安市大气污染颗粒物自然驱散因素回归分析时，却发现作为一个自变量的风速检验系数大于标准化系数，不能进入回归方程，所以可以得知风力因素对西安市雾霾驱散作用较小。西安位于关中平原，背面有黄土高原，南面有巍峨的秦岭山脉，这种类似盆地的地形不仅会影响风力的大小，也很容易产生雾霾天气。由北而下的风会被秦岭阻挡，吹不散关中地区的雾霾，而由南北上的风也会被秦岭阻挡，无法带来南方海洋的水汽。

3 结 论

在西安市经济高速发展的同时，不能忽略环境对城市发展的影响，特别是与人们生活息息相关的空气质量问题。西安市独特的气候与地形等自然因素对雾霾的产生和驱散具有很大影响。总体来说，温度升高、湿度变大等因素是驱散西安市大气污染颗粒物的主要因素。虽然西安市的地形和气候容易产生雾霾，但是也要看到工业化污染对西安大气污染也有重大影响。防治大气颗粒物污染，不仅要了解自然因素，也要看到社会发展对环境造成的污染。