气象条件对西安市夏季和冬季近地面大气环境污染特征影响

张瑞旭，芮守娟，王伟军，汪晶发，郝艳召

1. 长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710064；2. 长安大学汽车学院，陕西 西安 710064

近年来，近地面颗粒物（PM10、PM2.5）和臭氧（O3）污染特征、反应机理及控制途径的探究，成为环境空气领域研究的热点问题（Wang et al.，2019；Jun et al.，2017；Li et al.，2017），颗粒物，尤其是细颗粒物，粒径小比表面积大，容易携带细菌、病毒和有机物等物质，若长期暴露于较高浓度颗粒物的环境中，会对生物体呼吸系统、神经系统等方面产生不良影响（Chio et al.，2014；Allen et al.，2017；Hao et al.，2019）。O3是一种强氧化剂，对流层 O3浓度过高，会刺激生物体眼睛、呼吸道和肺部等，影响农作物生长，降低大气能见度（Leila et al.，2019；王铁宇等，2013；冯兆忠等，2018）。

大气污染呈现区域性，汾渭平原是我国第四大平原，是中西部大中型城市群聚集地区，近年来已成为我国大气污染较严重的区域之一（杨乐超等，2018）。西安市位于汾渭平原11个城市西端，总面积1.08万平方公里，2018年地区生产总值8349.86亿元，常住人口 1000.37万（张烨，2018），是中西部地区重要的中心城市。近年来，西安市大气污染事件时有发生，引发了人们的广泛关注，2017年全国 74个城市环境空气质量综合指数排名，西安市位于第 68位（中华人民共和国生态环境部，2018），因此研究西安市的大气污染特征是十分有必要的。

本文根据2018年1—12月西安市13个环境空气质量监测点的六项大气污染常规分析指标（PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO）逐小时监测数据，结合气象条件（温度、相对湿度、风向、风速、大气压、光照、紫外辐射、混合层高度和大气能见度）对西安市近地面夏季和冬季大气环境污染物浓度特征进行分析，并结合冬季颗粒物实测数据分析了西安市冬季颗粒物的数浓度、表面积浓度、质量浓度变化特征及粒径分布，采用指数拟合曲线法分析了冬季不同粒径段颗粒物与相对湿度、大气能见度之间的关系，同时分析了西安市夏季晴天、阴天、雨天不同天气条件对 O3生成的影响，为西安市及汾渭平原其他城市大气污染物减排、大气污染防治策略的制定提供参考。

1 测试仪器

1.1 气象数据及颗粒物样品采集

在西安市城区长安大学（108.94°E，34.25°N，海拔高度420 m）进行气象数据和颗粒物的采集，采样点位于12楼，高度距地面约36 m，采样点附近分布有商业区、居民住宅区、学校及公园等，建筑群高约20—100 m，是典型的城市商业交通居民混合环境，具体地理位置见图1（图1c红色圆点）。采用便携式自动气象站（GH-BPR，中国华云，北京），收集温度、相对湿度和大气压等 7个常规气象要素，采样时间为2018年1月1日0:00—12月31日23:00，时间分辨率为1 min。颗粒物采用电子低压撞击器（Electrical Low Pressure Impactor Plus，ELPI+，DEKATI，芬兰）采集，粒径（空气动力学直径）范围为6 nm—10 μm，共分为14个粒径段，采样时间为2018年1月11日0:00—17日23:00（共7 d），时间分辨率为 1 min。能见度采用能见度仪（CAMS600中国华云，北京）测量。

1.2 大气污染物常规分析指标数据来源

六项常规分析指标（PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO）的质量浓度来源于西安市（108.94°E，34.34°N，海拔高度378 m）13个环境空气质量监测国控点，是2018年1月1日0:00—12月31日23:00期间逐小时监测数据，13个监测点分别位于高压开关厂、兴庆小区、纺织城、小寨、市人民体育场、高新西区、经开区、长安区、阎良区、临潼区、草滩、曲江文化产业集团和广运潭，主要分布在西安市城区及周边，最远的监测点位于阎良区，距市中心（钟楼）约50 km，13个监测点具体地理位置见图1（图1c黑色四边形）。

2 结果与讨论

2.1 各污染物浓度特征与气象条件的关系

大气环境具有区域性，除排放源外，区域空气质量也受气象条件、地形条件等因素的影响。西安市处于中纬度（107°40′—109°49′E 和 33°39′—34°45′N 之间）地区，气象参数有明显的季节变化特征。图2为2018年西安市风向、风速、温度、相对湿度、风向、风速、光照、紫外辐射和混合层高度变化特征，表1为温度、相对湿度、风向、风速、光照和紫外辐射的统计结果，可知，西安市年平均温度 (17.51±10.27) ℃，冬季（12—2月）温度低，为 (4.11±4.76) ℃，其中 1月温度最低（(3.11±3.57) ℃），夏季（6—8月）温度高，为(29.41±3.29) ℃，其中 8 月平均气温最高（(30.35±2.54) ℃），温度与相对湿度呈反相关关系（图2b）。受关中地区典型盆地地形影响，年平均风速较低，为 (0.11±0.19) m·s-1，主导风向为西北风（图2a）。关中地区主要以火电和煤化工行业为主，能源结构较为单一，且位于西安市北部的咸阳市工业分布密集，存在多种污染源贡献，在特定气象条件下，不利于西安市较低大气层中污染物的扩散。

图1 采样点地理位置Fig. 1 Location of the monitoring stations in Xi’an

图2 风向、风速、光照、紫外辐射、温度、相对湿度和混合层高度和大气稳定度变化Fig. 2 Wind direction , wind speed , solar radiation, ultraviolet radiation,temperature, relative humidity, mixing layer height and atmospheric stability in Xi'an

气象参数的季节变化特征，对西安市的大气污染物浓度特征有影响。图3为2018年西安市PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO质量浓度随时间变化特征，时间分辨率为 1 d。结合对应污染物浓度的月变化（表2）可知，与其他3个季节相比，冬季PM10、PM2.5、SO2、NO2和CO浓度最高，对应质量浓度分别为：(154.04±92.88)、(101.84±60.11)、(23.30±9.28)、(62.01±23.99) μg·m-3和(1.56±0.61)mg·m-3，PM2.5/PM10的值为0.66，这主要与西安市及我国北方地区11月中旬到3月中旬采暖期间化石燃料的燃烧排放有关（康宝荣等，2018），此外，与冬季大气混合层高度、大气稳定度有关。图 2c为西安市夏季和冬季混合层高度和大气稳定度的对比，与夏季相比，冬季混合层高度低（昼间约1000 m，夜间约250 m），尤其是夜间，混合层高度下降，大气较稳定（稳定度为D—F），加上低风速（(0.04±0.17) m·s-1）不利于近地面污染物的扩散，使污染物浓度在排放源和环境因素的综合作用下升高。秋季颗粒物浓度较冬季低，PM10质量浓度(94.25±80.06) μg·m-3，PM2.5质量浓度 (46.69±36.20)μg·m-3，PM2.5/PM10的值为 0.49，这主要与秋季降水量大有关，气象统计数据表明，西安市年降水量约500—750 mm，且主要集中在夏季和秋季，其中7—9月的降雨量占全年总降雨量的47%，湿沉降作用，使大气中颗粒物的浓度降低。

11月25日—12月4日（共10 d）西安市出现了严重的颗粒物（PM10、PM2.5）污染事件，如图3中阴影部分所示，期间 PM10质量浓度为 (396.09±163.21) μg·m-3，PM2.5质量浓度为 (143.05±69.79)μg·m-3，PM2.5/PM10的值为 (0.41±0.22)，表明此次重污染期间首要污染物为粗颗粒物（PM10），PM10浓度峰值出现在11月26日20:00，小时最高质量浓度达750 μg·m-3。该重污染事件与11月25日—12月4日西安市的沙尘天气有关，根据2018年大气环境实时监测数据，11月25日15:00，甘肃省嘉峪关、酒泉区域（距西安市约1148 km）产生沙尘暴，沿河西走廊向东南方向传输，11月26日09:00，沙尘进入陕西省境内，受此次西北地区沙尘传输影响，整个关中地区出现了扬沙和浮尘天气，导致西安市空气质量出现短时重度及以上污染（空气质量指数AQI≥200），12月5日沙尘过境后，西安市出现小雨，PM10浓度随即降低（如 12月 6日 PM10质量浓度 (171.87±62.09) μg·m-3），空气质量好转。

与其他3个季节相比，西安市2018年夏季O3浓度最高，质量浓度为 (89.07±20.62) μg·m-3，夏季O3浓度高主要与西安市夏季温度高（(30.35±2.54) ℃）、相对湿度低（(63.64%±11.93%)）、光照强度大（(87.55±79.48) W·m-2）、光化学反应剧烈有关，如图 2b所示，西安市夏季平均紫外辐射为(250.60±278.45) μW·cm-2，最大小时紫外辐射量可达3221.3 μW·cm-2，这些环境条件为光化学反应提供了充足的能量。夏季最高 O3质量浓度（370 μg·m-3）出现在 8月 28日 16:00，期间小时温度34.37 ℃，小时相对湿度 43.78%，小时光照强度653.05 W·m-2，小时紫外辐射强度 2226.33 μW·cm-2，这与8月26—31日的连续6 d的晴天天气有关。上述分析结果表明，西安市冬季空气污染物主要为颗粒物（PM10、PM2.5），夏季空气污染物主要为O3，为西安市冬季PM10、PM2.5的治理，夏季O3治理提供理论依据。

表1 西安市2018年温度、相对湿度、风向、风速、大气压、光照和紫外辐射统计Table 1 Temperature, relative humidity, wind direction, wind speed, atmospheric pressure solar radiation, ultraviolet radiation in Xi'an during 2018

图3 PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO质量浓度随时间变化特征Fig. 3 Time series of PM10, PM2.5, O3, SO2, NO2 and CO concentration

2.2 冬季颗粒物浓度特征

为了衡量西安市冬季颗粒物的浓度特征，本文进一步对西安市冬季颗粒物数浓度、质量浓度、表面积浓度特征进行分析。本次颗粒物采样期间温度为 (4.25±3.56) ℃，相对湿度为 (55.96%±10.51%)，风速变化范围为0—2 m·s-1，天气状况均为少云和晴朗天，未有极端环境条件和局地排放源对颗粒物浓度产生短时影响，因此可以反应西安市冬季颗粒物的数浓度、质量浓度、表面积浓度特征。图4为2018年西安市冬季颗粒物的数浓度、表面积浓度和质量浓度粒径分布，其中图4a为线性坐标，图4b为对数坐标，图5为各粒径段颗粒物浓度的占比，结果表明，冬季 PM2.5数浓度、表面积浓度、质量浓 度 分 别 为 (51890±14619) cm-3、 (2882.21±939.83) μm2·cm-3、(0.32±0.13) mg·m-3，PM10数浓度、质量浓度、表面积浓度分别为 (51897±14618)cm-3、(3410.50±1060.31) μm2·cm-3、(0.86±0.29)mg·m-3。数浓度粒径分布主要集中在 0.010≤dp≤0.484 μm（dp为空气动力学直径），占总数浓度的99.13%，其中dp=0.010 μm的颗粒物对总数浓度的贡献最大，为63.46%，表面积浓度粒径分布主要集中在 0.072≤dp≤8.136 μm，占总表面积浓度的98.32%，其中dp=0.484 μm的颗粒物对总表面积浓度的贡献最大，为22.23%，质量浓度为粒径分布主要集中在 0.316≤dp≤8.136 μm，占总质量浓度的98.75%，其中dp=8.136 μm的颗粒物对总质量浓度的贡献最大，为98.75%。各粒径段颗粒物具体浓度及占比见表3。

表2 西安市2018年PM10、PM2.5、O3、SO2、NO2和CO质量浓度统计Table 2 Concentrations of PM10, PM2.5, O3, SO2, NO2 and CO in Xi'an during 2018

表3 各粒径段颗粒物数浓度、表面积浓度和质量浓度及占比Table 3 Number concentration, area concentration, mass concentration distributions and proportion versus particle size

图4 颗粒物数浓度、表面积浓度和质量浓度粒径分布Fig. 4 Number concentration, area concentration and mass concentration distributions versus particle size

图5 各粒径段颗粒物数浓度、表面积浓度和质量浓度占比Fig. 5 Proportion of number concentration, area concentration and mass concentration versus particle size in winter

采用指数拟合曲线法分析颗粒物数浓度与大气能见度、相对湿度的关系见图 6，结果表明，测试期间西安市能见度变化范围为 823—12062 m，相对湿度与颗粒物的数浓度呈正相关，颗粒物数浓度对能见度影响最大的3个粒径段分别为dp=0.762 μm、dp=1.956 μm、dp=1.232 μm，对应拟合优度（R2）分别为：0.840、0.789、0.775。对于城市地区，除工业源外，移动源对颗粒物的贡献显著，通常dp＜0.1 μm的超细颗粒物来自机动车尾气排放，而粗模态颗粒（2.5＜dp＜10 μm）主要来自道路扬尘（陶双成等，2019；牟臻等，2019；Almeida et al.，2006）。

2.3 夏季臭氧浓度特征

对流层 O3是典型的二次污染物，由前体物氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）在复杂的链式光化学反应下生成（王红丽，2015）。O3具有区域性、与其前体物呈高度非线性关系（邓雪娇等，2010），近地面大气中的O3浓度，除与前体物的排放量有关外，环境因素（温度、相对湿度和光照等）对 O3的形成过程也有影响，主要表现为，为参与光化学反应的各类化学物质提供键能。

图6 不同粒径段颗粒物数浓度与大气能见度和相对湿度的关系Fig. 6 Relationship among the number concentration, particle size, relative humidity and visibility

图7 O3质量浓度与温度、相对湿度的关系Fig. 7 Relationship among O3 concentration, temperature and relative humidity

图7 为夏季O3质量浓度与温度、相对湿度的日变化相关性，结果表明 O3与温度呈正相关（r=0.914），与相对湿度呈负相关（r=-0.889），大气中的 O3质量浓度随温度的增加而增加，随相对湿度的增加而降低。高的相对湿度对 O3的“湿清除”作用，主要与大气中 OH·的活性有关，OH·是对流层大气中重要的氧化剂，根据光化学反应机理（Seinfeld et al.，2016），O3前体物 VOCs与 OH·生成过氧烷基的反应，是链式光化学反应过程中的决速步骤（虞小芳等，2018），由于 OH·的氧化性强于O3，因此高浓度的OH·会对产生O3的光化学过程产生影响，从而不利于O3的累积。

一些城市的研究表明，太阳辐射通过地球大气的过程中受检测站纬度、太阳天顶角（θ）、平流层O3吸收、空气分子散射、气溶胶粒子散射及云滴粒子散射等因素影响，对流层中，云量和降雨对太阳辐射强度有很大影响（安俊琳等，2008；石玉珍等，2008）。本文根据2018年夏季6—8月（共92 d）在西安市的观测数据，按照晴天（31 d）、阴天（37 d）、雨天（24 d）3种不同的天气状况将数据进行分类，分析3种不同天气状况下光照、紫外辐射强度对 O3浓度的影响。晴天、阴天、雨天的温度、相对湿度、光照和紫外辐射强度见表4。图8为晴天、阴天、雨天地面观测 O3质量浓度、总光照强度、紫外辐射的日变化曲线，可以看出3种天气条件下 O3质量浓度与光照强度、紫外辐射强度的日变化趋势较为一致。晴天温度高 (30.23±2.10) ℃，相对湿度低 (58.09%±4.99%)，光照强度大(107.83±79.17) W·m-2，紫外辐射强度大 (324.10±257.13) μW·cm-2，O3质量浓度高 (112.16±53.01)μg·m-3；雨天温度低 (28.00±1.62) ℃，相对湿度高(74.98%±4.48%)， 光 照 强 度 小 (48.87±44.92)W·m-2，紫外辐射强度小 (132.71±123.74) μW·cm-2，O3质量浓度低 (62.9±24.85) μg·m-3。

在 O3形成条件有利的晴天，总光照强度和紫外辐射在约 11:00—12:00出现日最大值 (227.58±138.39) W·m-2，(696.11±251.60) μW·cm-2，O3质量浓度在约 16:00 出现峰值 (198.83±39.58) μg·m-3，O3质量浓度变化比辐射量的变化滞后约4 h；在O3形成条件不利的雨天，总光照强度和紫外辐射在约10:00—12:00出现日最大值 (132.12±166.17)W·m-2，(367.12±165.76) μW·cm-2，而 O3质量浓度在约 14:00 出现峰值 (103.29±34.59) μg·m-3，O3浓度变化比太阳光照辐射量的变化滞后约 2 h，这是由于不同光照条件下前体物VOCs、NOx等生成O3的光化学反应速率不同。综上所述，对于西安市夏季，在温度大于30.23 ℃，相对湿度小于58.09%，光照强度大于107.83 W·m-2，紫外辐射强度大于的324.10 μW·cm-2条件下，有利于近地面大气中高浓度O3的生成与累积。

3 结论

（1）西安市近地面大气污染物浓度呈现明显的季节变化特征，冬季空气污染物主要为颗粒物（PM10、PM2.5），对应质量浓度分别为：(154.04±92.88)、(101.84±60.11) μg·m-3，PM2.5/PM10的值为0.66。夏季空气污染物主要为 O3，质量浓度为(89.07±20.62) μg·m-3。

（2）西安市冬季 PM2.5数浓度、表面积浓度、质量浓度分别为 (51890±14619) cm-3、(2882.21±939.83) μm2·cm-3、(0.32±0.13) mg·m-3，PM10数浓度、质量浓度、表面积浓度分别为 (51897±14618)cm-3、(3410.50±1060.31) μm2·cm-3、(0.86±0.29)mg·m-3。数浓度粒径分布集中在 0.010≤dp≤0.484 μm，占总数浓度的 99.13%，表面积浓度粒径分布集中在 0.072≤dp≤8.136 μm，占总表面积浓度的98.32%，质量浓度粒径分布集中在 0.316≤dp≤8.136 μm，占总质量浓度的 98.75%。颗粒物数浓度对大气能见度影响最大的 3个粒径段分别为 dp=0.762 μm、dp=1.956 μm、dp=1.232 μm。

表4 不同天气条件下温度、相对湿度、光照、紫外辐射和O3质量浓度Table 4 Comparison of temperature, relative humidity, solar radiation, ultraviolet radiation and O3 concentration under different weather conditions

图8 不同天气条件下O3质量浓度、光照、紫外辐射、温度和相对湿度的日变化Fig. 8 Daily variation trend of O3 concentration, solar radiation, ultraviolet radiation, temperature and relative humidity under different weather conditions

（3）西安市夏季，晴、阴、雨3种不同天气条件对近地面大气中 O3质量浓度的影响不同，晴天O3质量浓度高，雨天低。在近地面环境温度大于30.23 ℃，相对湿度小于 58.09%，光照强度大于107.83 W·m-2，紫外辐射强度大于 324.10 μW·cm-2时，有利于近地大气层中高质量浓度O3（(112.16±53.01) μg·m-3）的生成与累积。