西安市空气质量时空分布特征及主要成因分析

毛春艳

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

空气质量指数(air quality index，AQI)是定量地描述空气质量状况的参数，也是报告每日空气质量的参数[1]，参与空气质量评价的主要污染物为二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)等六项[2-3]。而主要气象地面要素(温度、气压、湿度、风向风速、降雨等)对空气质量指数有很大的影响，甚至对大气污染物浓度的影响占主要地位[4-7]。空气质量问题一直是世界各国关注的重要内容，且随着经济的增长和城镇化进程加快，问题日趋严重[8-9]。空气污染物与心血管系统、呼吸系统等疾病的发生密切相关，是影响人体健康的重要因素[10-12]。近年来，有大量研究空气质量和气象要素关系、研究空气质量的时空分布特征及主要成因的论文，并取得相应成果[13-23]。以往研究涉及的城市环境监测点样本偏少，缺少数据的对比性，时效性不强等问题。西安经济发展迅速，及时更新空气质量的研究时段十分重要。利用2016—2018年西安市空气质量状况的日报数据，包括13个国控监测站监测的污染物浓度日报数据和气象数据，通过处理分析，得出西安市2016—2018年AQI的年、季、月的时间分布数据、首要污染物数据、污染等级天数累计数据、空间分布数据和AQI与主要地面气象要素的相关性数据，分析西安市空气质量时空变化特征及其成因，对西安市的环境治理有重要的意义。

1 研究区概况

西安是陕西省省会，包含有9区4县，其中新城区、碑林区、莲湖区、雁塔区、未央区及霸桥区、临潼区、长安区、阎良区为9区，周至县、高陵县、蓝田县、户县为4县[24]。西安市位于渭河流域中部关中盆地，东经107.40°～109.49°和北纬33.42°～34.45°之间。东以零河和灞源山地为界，西以太白山地及青化黄土台塬为界，北至渭河，南至北秦岭主脊，与佛坪县、宁陕县、柞水县分界[25]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

气象资料来自于中国天气网(http：//www.weather.com.cn/)、中国气象数据共享网(data.cma.cn/)公布的2016—2018年西安市气温、降水、湿度、风量逐日观测资料；空气质量数据来自于全国城市空气质量实时发布平台(http：//106.37.208.233：20035/)和中华人民共和国生态环境部数据中心(http：//datacenter.mee.gov.cn)。采用西安市2016—2018年全市平均逐日空气质量指数及该时间段PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等6项空气污染物浓度平均值和西安市城区所设置13个国控监测站点的监测数据(表1)。

表1 西安市空气质量国控监测点位置Tab.1 Location of air quality monitoring sites in Xi'an

2.2 研究方法

2.2.1 空间插值法

空间插值是根据地理空间的相近相关性，利用局部已知点来估算未知点的方法，通过已知样点选择精度较高的插值方法来创建表面。从统计结果来看，常用的插值方法有反距离权重法(inverse distance weighted，IDW)、克里金法(Kriging)[26]和样条函数法(Spline)等，文章利用反距离权重插值法分析西安市空气质量的空间分布特征。

2.2.2 相关性分析

随着社会和科技的发展，我们对于 pearson 相关性的计算通过统计学计算软件SPSS 完成，其公式为：

(1)

其中，样本的简单相关系数一般用R表示，其中n为样本量，X、Y分别为两个变量的观测值和均值。R描述的是两个变量间线性相关强弱的程度，R的绝对值越大，表明相关性越强[27]。

2.2.3 AQI算法分类、标准

计算方法是根据环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633—2012)[28]。标准为2012年发布的GB3095—2012《环境空气质量标准》[29]，规定6项监测污染物AQI分级标准和国家二级标准。国家二级标准即AQI值大于100为空气污染，小于等于100为空气优良。AQI一共分为六级：一级优(0～50)，二级良(51～100)，三级轻度污染(101～150)，四级中度污染(151～200)，五级重度污染(201～300)，六级严重污染(>300)[30]。

3 西安市空气质量时空分布特征

3.1 AQI值时间分布特征

3.1.1 AQI值年分布特征(图2)

由图2可知，西安市2018年空气质量最好(112)，其次是2016年(116)，2017年空气质量最差(123)。

图2 2016—2018年西安市AQI均值分布图Fig.2 Distribution of the mean value of AQI inXi'an from 2016 to 2018

3.1.2 AQI值的季节分布(图3)

由箱式图(图3)可知，2016—2018年西安市AQI季节变化规律较为明显。2016年各个季度AQI均值的规律为：冬季(160)>秋季(113)>春季(103)>夏季(89)，且夏季值较集中，而冬季较为离散，最值差较大；2017年各个季度AQI均值的规律为：冬季(188)>夏季(107)>春季(103)>秋季(94)，且春季、秋季数据较集中，冬季数据较为离散；2018年各个季度AQI均值的规律为：冬季(149)>春季(108)>夏季(100)>秋季(90)，且秋季值较集中，而冬季较为离散。总的来说，2016—2018年西安市AQI均值的季节规律为：冬季(166)>春季(105)>秋季(99)>夏季(98)，且冬季值较为离散，最值相差较大。

图3 2016—2018年西安市AQI值季度分布图Fig.3 Seasonal distribution of AQI values inXi'an from 2016 to 2018

3.1.3 AQI值的月分布特征(图4)

由图4可知，从1月至12月AQI均值的分布大致都呈现2月至10月(除2017年2月较高)较低，1月、11月、12月较高的趋势，且2017年1月出现月最高值229，2018年9月出现月最小值为61。在2016—2018年各月AQI均值中，2016年月平均AQI最小值出现在10月，为79，最大值出现在12月，为214；2017年月平均AQI最小值也出现在10月，为76，最大值出现在1月，为229；2018年月平均AQI最小值出现在9月，为61，最大值出现在1月，为182。

图4 2016—2018年西安市AQI值月份分布图Fig.4 Monthly distribution of AQI values inXi'an from 2016 to 2018

3.1.4 AQI值的日分布特征(图5)

由图5可知，西安市2016年1月1日至2018年12月31日中，每年AQI值的变化规律大体一致，都呈先缓慢下降后缓慢上升的趋势。且每年11月1日至1月31日AQI值基本都较高，特别是2016年12月1日至2017年2月28日出现了高峰值，且最高值出现在2017年1月5日，高达499；而每年3月1日至10月31日，AQI值较低，波动较小，其中最低值出现在2017年10月3日，仅为32。但在2017年5月5日AQI出现一个反常峰值为457，原因是2017年5月4日和5日北方地区出现一场大范围沙尘暴，使空气中颗粒物含量超标，AQI值急剧增高。

图5 2016—2018年西安市AQI值逐日分布图Fig.5 Daily distribution of AQI values inXi'an from 2016 to 2018

3.2 空气质量级别累计分析

由表2可知，2016—2018年优良等级天数为568 d，占三年总天数的51.82%。其中AQI值在51

表2 2016—2018年西安市空气质量指数逐日累计情况Tab.2 The cumulative daily air quality index ofXi'an from 2016 to 2018 (单位：天)

～100范围内累计510 d，占空气质量良好类别天数的89.79%、三年总天数的46.53%；AQI值在0～50范围内累计为58 d，仅占三年总天数的5.29%。而2016—2018年中有空气污染类别累计天数为528 d，占三年总天数的48.18%。

图6表明，2016—2018年西安市空气质量等级为优良天数规律为：2018(54%)>2016(53%)>2017(48%)，三年中2018年空气质量较好，而2017年空气质量较差，其中空气质量等级为优的天数逐渐增多，从2016年的4%增至2018年的7%。2016年空气重度污染及严重污染天数累计占比为8%和2%，中度污染类别天数占比为27%，2017年占比分别为7%、4%和31%，2018年占比分别为6%、1%和29%。

图6 2016—2018年西安市空气污染状况累计百分比Fig.6 The cumulative percentage of air pollution inXi'an from 2016 to 2018

从2016—2018年每个季度空气污染状况看(图7)，空气污染类别有明显季节差异。空气质量良好类别天数占三年总天数比为：秋季(69%)>春季(55%)=夏季(55%)>冬季(28%)，三年中秋季的空气质量良好天数最多，冬季最少；在有空气污染类别天数中，春季无严重污染等级天数，重度污染和中度污染占3%和5%；夏季无重度污染和严重污染情况，中度污染占8%；秋季严重污染占1%，重度污染和中度污染占5%和8%；而冬季重度污染占据20%，严重污染占8%，共占整个冬季约30%的天数，表明冬季空气污染较为严重。总体上看，西安市空气质量优良类最多的出现在秋季，各污染级别天数主要出现在冬季。

图7 2016—2018年西安市季度空气污染状况累计百分比Fig.7 The cumulative percentage of seasonal air pollution inXi'an from 2016 to 2018

3.3 首要污染物累计分析

由表3可知，2016—2018年西安市天数最多的首要污染物为PM10、PM2.5和O3，即西安的首要污染物主要为PM10、PM2.5和O3。其中2016年PM10、PM2.5和O3为首要污染物的污染天数分别为123 d、117 d和102 d，2017年分别为74 d、132 d和99 d，2018年分别为89 d、104 d和103 d。空气质量优良等级天数由2016年的15 d逐渐增至2018年的27 d，空气质量逐渐上升。而2016—2018年西安市首要污染物为CO和SO2的情况未出现。

表3 2016—2018年西安市首要污染物逐日累计情况Tab.3 Daily cumulative situation of main pollutants inXi'an from 2016 to 2018

从2016—2018年首要污染物累计情况看(图8)，2016年首要污染物累计占比为PM10(33%)>PM2.5(31%)>O3(27%)>NO2(4%)，2017年为PM10(35%)>O3(26%)>PM2.5(20%)>NO2(14%)，2018年为PM10(28%)>O3(27%)>PM2.5(24%)>NO2(14%)。其中2016年的首要污染物主要是PM10和PM2.5，分别为31%和33%，2017年分别为35%和20%，2018年分别为28%和24%，即PM2.5为首要污染物的时间有所减少，PM2.5污染情况有所改善；而NO2占比从2016年的4%到2018年的14%，即空气中NO2的污染逐渐增加，应加强对NO2污染的治理。

图8 2016—2018年西安市首要污染物累计百分比Fig.8 The cumulative percentage of main pollutants inXi'an from 2016 to 2018

由图9可知，在2016—2018年中，春季首要污染物为PM2.5的天数占三年春季总天数的46%，空气优良无污染天数仅占2%，其余为PM10占19%、O3占18%和NO2占14%；夏季主要的首要污染物为O3的天数占三年夏季总天数的79%，无污染天数为9%，其余的PM2.5、PM10和NO2仅占11%；秋季首要污染物主要为PM10，占三年秋季总天数的38%，无污染天数占9%，其余为PM2.5占21%、O3占11%和NO2占21%；冬季首要污染物为PM10的天数占三年冬季总天数的67%，PM2.5占27%，NO2占6%，而O3为首要污染物和空气无污染类别天数都为零。

图9 2016—2018年西安市季度首要污染物累计百分比Fig.9 The cumulative percentage of seasonal mainpollutants in Xi'an from 2016 to 2018

3.4 AQI值空间分布特征

由图10-图12可知，2016—2018年西安市AQI值分布特征为：西安市北部即未央区、阎良区AQI值较高，空气质量相对较差；东南部即临潼区、灞桥区、长安区AQI值较低，空气质量相对良好。而且自2016年至2018年AQI值有逐渐降低的趋势，西安市空气质量在逐渐变好。

图1 西安市行政区划图Fig.1 Administrative divisions of Xi'an

2016年西安市的AQI值空间分布情况为(图10)：在经开区AQI达最大，值域范围为131～137，其次为草滩125～128，而长安区、兴庆小区及临潼区AQI值最小范围为109～115。即未央区AQI值较高，空气质量较差；莲湖区、新城区、碑林区AQI值在120～125范围内，空气质量差；长安区、灞桥区、临潼区、阎良区AQI值在109～120范围内，空气质量较好。

图10 2016年西安市AQI的空间分布Fig.10 The spatial distribution of AQI in Xi'an in 2016

由图11可知，2017年西安市北部AQI值较高，在123～128范围内，即阎良区、未央区、莲湖区、新城区、碑林区、雁塔区西部和长安区北部AQI值相对较高，特别是未央区和莲湖区，空气质量相对较差；西安市东部和东南部AQI值相对较低，在120～123范围内，即临潼区、灞桥区、雁塔区东部和长安区南部地区，特别是临潼区和灞桥区，空气质量相对较好。

图11 2017年西安市AQI的空间分布Fig.11 The spatial distribution of AQI in Xi'an in 2017

由图12可知，2018年西安市北部AQI值较高，在113.63～115.23范围内，即未央区、阎良区、莲湖

图12 2018年西安市AQI的空间分布Fig.12 The spatial distribution of AQI in Xi'an in 2018

区西部、灞桥区北部和临潼区北部AQI值较高，特别是未央区和阎良区，空气质量较差；南部AQI值较低，在112.42～113.63范围内，即长安区、雁塔区、碑林区、新城区、莲湖区东部、灞桥区南部及临潼区南部AQI值较低，特别是雁塔区东部、长安区东部和灞桥区南部地区，空气质量较好。

由图13-图15可知，2016—2018年春季AQI值西安市西北部的未央区较高，东南部的临潼区、长安区较低；夏季AQI值北部的未央区、阎良区、新城区和莲湖区较高，东南部的长安区、灞桥区南部较低；秋季AQI值未央区、灞桥区、新城区、莲湖区、碑林区较高，临潼区、长安区较低；冬季整体AQI值都比较高，特别是未央区、灞桥区，临潼区则相对较低。

图13 西安市2016年各季度的AQI分布Fig.13 Seasonal distribution of AQI in Xi'an in 2016

2016年春季西安市西北部的未央区和莲湖区AQI值较高，值域为111～127，东北部的阎良区和临潼区较低，值域为94～106；夏季AQI整体较低，相对来说未央区、新城区和阎良区AQI值较高，值域为94～112，东南部的碑林区、雁塔区和长安区较低，在76～92范围内；秋季西北部的未央区和莲湖区AQI值较高，值域为120～143，其余各区值相对较低，在102～120范围内；冬季AQI值整体都高，相对来说未央区、雁塔区东部和碑林区较高，值域为162～181，阎良区和长安区西南部较低，在149～162范围内。

图14 西安市2017年各季度的AQI分布Fig.14 Seasonal distribution of AQI in Xi'an in 2017

图15 西安市2018年各季度的AQI分布Fig.15 Seasonal distribution of AQI in Xi'an in 2018

2017年春季西安市西北部的未央区和莲湖区AQI值较高，值域为106～114，东北部的雁塔区和临潼区较低，值域为97～103；夏季未央区、莲湖区和雁塔区西部AQI值较高，值域为111～126，东南部的灞桥区、新城区和雁塔区东部较低，在95～107范围内；秋季临潼区AQI值较低，值域为82～90，其余各区值相对较高，在92～102范围内，特别是阎良区、未央区和莲湖区；冬季AQI值整体都高，特别是未央区、莲湖区、新城区和雁塔区较高，值域为183～201，临潼区较低，在166～180范围内。

2018年春季西安市AQI值北部的未央区、莲湖区和灞桥区上部较高，值域为111～114，长安区和临潼区较低，值域为107～110；夏季AQI值莲湖区和阎良区较高，值域为99～113，东南部的灞桥区和雁塔区值较低，在82～95范围内；秋季AQI值临潼区、新城区和雁塔区较低，值域为85～92，其余各区值相对较高，在92～99范围内，特别是灞桥区、未央区、莲湖区和碑林区；冬季AQI值整体都高，特别是未央区、莲湖区和阎良区较高，值域为150～166，临潼区、灞桥区、雁塔区和长安区南部较低，在140～150范围内。

4 空气污染原因分析

4.1 AQI与大气主要污染物相关性分析

由表4可知：AQI与CO、NO2、PM10、PM2.5、SO2都存在相关性，其皮尔逊相关系数分别为：PM10(R=0.894**)、PM2.5(R=0.899**)、CO(R=0.724**)、NO2(R=0.608**)、SO2(R=0.636**)和O3(R=-0.168**)，表明AQI与PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2都有较强正相关性(R≥0.5)，而与O3呈弱负相关性(-0.25

表4 AQI与大气主要污染物相关性Tab.4 Correlation between AQI and main air pollutants

4.2 AQI与主要地面气象要素相关性分析

由表5可知，AQI与温度、降水、湿度和风力在0.05水平上都呈负相关，且皮尔逊相关系数分别为：降水(R=-0.214**)、气温(R=-0.311**)、风力(R=0.180**)和湿度(R=-0.072*)，其中AQI与湿度呈强负相关(R≤-0.5)，与气温呈中等程度负相关(-0.5

表5 AQI与主要气象要素相关性Tab.5 Correlation between AQI and mainmeteorological elements

AQI与降雨在春季(R=-0.250**)和夏季(R=0.335**)都呈中等程度负相关，在秋季(R=0.243**)和冬季(R=-0.112)呈弱负相关；与气温在春季(R=-0.043)和秋季(R=-0.345**)呈弱负相关和中等程度负相关，而在夏季(R=0.455**)和冬季(R=0.188**)呈中等程度正相关和弱正相关；与湿度在春季(R=-0.240**)和秋季(R=-0.082)都呈弱负相关，在夏季(R=-0.590**)呈中等程度负相关，而在冬季(R=0.433)呈中等程度正相关；与风量在春季和夏季都呈弱负相关，在秋季(R=-0.300**)和冬季(R=-0.391)呈中等程度负相关。主要是因为西安市冷暖干湿分明、夏季雨热同期，降水对颗粒物、扬尘等有净化作用。

5 结论

1)在2016—2018年中，2018年空气质量最好(112)，其次是2016年(116)，2017年空气质量最差(123)。AQI值的季节分布和月分布的规律较为明显，季节分布为：冬季(166)>春季(105)>秋季(99)>夏季(98)；月分布为：AQI均值的分布大致都呈现2月至10月较低，1月、11月、12月较高的趋势。日均值的最高值出现在2017年1月5日，为499，最低值出现在2017年10月3日，仅为32。但2017年5月5日出现一个反常峰值，为457，原因是2017年5月4日和5日北方地区出现一场大范围沙尘暴，使空气中颗粒物含量急速上升。

2)2016—2018年西安市空气质量等级累计优良等级天数为568 d，占三年总天数的51.82%，三年优良天数规律为：2018年(54%)>2016年(53%)>2017年(48%)。空气污染类别有明显季节差异，空气质量良好天数占比为：秋季(69%)>春季(55%)=夏季(55%)>冬季(28%)，各污染级别天数主要出现在冬季。

3)2016—2018年西安市天数最多的首要污染物为PM10、PM2.5和O3，即西安的首要污染物主要为PM10、PM2.5和O3。而2016—2018年西安市首要污染物为CO和SO2的情况未出现。

4)2016—2018年西安市AQI值空间分布特征为：西北方向即未央区、阎良区AQI值较高；东南方向即临潼区、灞桥区、长安区AQI值较低；呈西北高东南低的趋势。

5)AQI与PM10(0.894)、PM2.5(0.899)、CO(0.724)、NO2(0.608)、SO2(0.636)都有较强正相关性，与O3(-0.168)则呈现弱负相关。AQI与主要地面气象要素(降雨(-0.214)、气温(0.311)、风力(0.180)和湿度(-0.72)在0.05水平上都呈负相关，其中AQI与湿度呈强负相关，与气温呈中等程度负相关，与降雨和风力呈弱负相关。