西安北郊PM10、PM2.5特征及其与气象要素的关系

张高健，曹 梅，仇 娜，陈 奇

(1.西安市气象局，西安 710016；2.陕西省气象干部培训学院，西安 710016)

近年来，随着城市规模、城市人口快速增长，由于人类活动、工农业生产等引起的空气污染问题成为社会关注的热点问题之一。目前，开展大气污染特征及其与气象因素关系的科学研究较多[1-5]。唐家翔等[6]分析认为：海口市PM2.5月质量浓度整体呈周期性波动，秋冬季高、春夏季低；降水对PM2.5有清除作用；风速加大会使PM2.5浓度减小。虎彩娇等[7]分析了黄石市大气PM10和PM2.5的质量浓度水平分布特征及其与气象参数的关系，发现大气PM10和PM2.5质量浓度呈现显著的冬季高夏季低的变化规律，风向、风速、温度、气压和相对湿度等气象要素是影响大气PM10和PM2.5质量浓度分布的重要因素。曹梅等[8]分析了西安市2006—2015年3种大气主要污染物(SO2、NO2、PM10)不同时间尺度上的变化规律及其与气象条件的关系，结果表明主要污染物质量浓度的季节变化均为夏季低，冬季高，大气污染物质量浓度与风速、气温呈明显的负相关，与逆温强度呈显著的正相关，降水对大气污染物有明显的净化作用。

西安地处西北内陆，是国务院批准的中国西部地区重要的中心城市，2020年11月全国第七次人口普查，全市常住人口1 295.29万人[9]。由于西安城市化进程加快以及人口的快速增长，对城市气候产生了很大影响，由颗粒物引起的大气污染影响城市发展及居民身体健康，大气污染防治势在必行，而气象要素对大气污染物的清洁、稀释有着重要作用[10-12]，故开展本区域大气中PM10、PM2.5质量浓度变化规律及其与气温、风向风速、降水等气象要素之间关系的研究有着重要意义。利用研究的理论成果，以期能为改善城市空气质量提供理论依据。

1 资料与方法

本文颗粒物采样仪器为安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的LGH-01B/E型β射线大气颗粒物在线监测仪，该系统采用β射线吸收法组合DHS动态加热系统的技术原理，实现对环境大气中颗粒物PM10、PM2.5等不同粒径粒子进行实时在线质量浓度的测量。

选取2017年1月1日—2021年12月31日PM10和PM2.5质量浓度小时观测数据，计算日、月、季、年均值；相应时间的常规气象数据主要包括气温、风向风速、降水等。数据分别来源于西安市泾河大气成分站和西安市泾河国家基本气象站(两站位于同一站址，以下称为泾河站,地处西安市市中心以北约20 km，34°26＇N，108°58＇E)。泾河站四周开阔平坦，周围无大的厂矿及污染源存在，其资料可代表西安北郊整体大气环境颗粒物质量浓度和相关气象要素实况。颗粒物质量浓度和常规气象数据日值以北京时20时为日界。

降水清除率是反映降水对大气污染物的湿清除能力。设某降水日大气污染物质量浓度的日均值为Ci，其前一日的日均值为Ci-1，则降水清除率A可表示为[13]

(1)

2 PM10、PM2.5质量浓度变化特征

2.1 年际变化特征

为了解近5 a西安市北郊PM10、PM2.5质量浓度(用C(PM10)和C(PM2.5)表示)现状和变化趋势，对泾河站2017年1月—2021年12月质量浓度进行统计分析(见表1)。近5 a来西安市北郊C(PM10)和C(PM2.5均值分别为117.5 μg/m3、75.2 μg/m3，年际变化总体呈逐年下降趋势，其中C(PM2.5)下降趋势明显，平均每年下降8.1 μg/m3。日均C(PM10)、C(PM2.5)超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中24 h平均二级标准浓度限值(150 μg/m3和75 μg/m3)的日数分别为447 d、655 d，平均每年89.4 d和131 d；C(PM2.5)超标日数呈现明显的逐年减少趋势，平均每年减少18.8 d。西安市经过多年的车辆限行、煤改气、禁止秸秆和垃圾焚烧、拆除小旧锅炉、抑治施工和扬尘污染等政策的实施，空气质量逐步好转，证明这一系列措施行之有效。

表1 2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)年际变化及超过二级标准日数

2.2 季变化特征

由表2可知：C(PM10)冬季最高，为170.7 μg/m3，其次是春季131.6 μg/m3，夏季最低，仅为64.2 μg/m3；C(PM2.5)冬季最高,为126.0 μg/m3，其次是秋季68.5 μg/m3，最低出现在夏季，为38.2 μg/m3；C(PM2.5)年平均值占C(PM10)的64%，冬季占比最高达到73.8%，春季最低为51.8%。

表2 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)及C(PM2.5)/C(PM10)年、季均值

2.3 月变化特征

由图1可知，C(PM10)和C(PM2.5)1月最高，分别为196.7 μg/m3、150.6 μg/m3；C(PM10)8月最低，为59.5 μg/m3，C(PM2.5)7月最低，为37.5 μg/m3。PM10质量浓度变化呈现出1—8月下降，8—12月升高，PM2.5质量浓度变化呈现出1—7月下降，7—12月升高的“单谷型”结构。主要原因是因为夏季太阳辐射强烈，大气边界层厚，对流旺盛且风速大，大气垂直扩散和水平扩散能力强，加之频繁降水的清除作用，有效降低颗粒物质量浓度。冬季则相反，加上北方冬季供暖，燃煤、燃气排放加大，大气污染严重，颗粒物质量浓度高。C(PM2.5)质量浓度占C(PM10)的比例1月最大，为76.6%，5月最小，为48%，1—5月这一占比快速下降，6—12月逐步回升。除春季外，其他季节和月份PM2.5对颗粒物质量浓度贡献较大。

图1 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)及C(PM2.5)/C(PM10)月变化

2.4 日变化特征

经统计分析C(PM10)和C(PM2.5)逐时均值，发现其日变化曲线均呈现双峰特征(图2)，夜间质量浓度高于日间，但变化幅度小于日间。07时前后，随着人们上班出行、社会生产等人类活动高峰到来，大气颗粒物开始逐渐累积，大气颗粒物质量浓度缓慢升高，09时前后形成次峰值，而后随着太阳辐射逐步增强，大气层结变的不稳定，大气扩散能力迅速增强，C(PM10)和C(PM2.5)也随之快速下降，分别在16时和18时达到一日中最低；此后，由于太阳辐射逐渐变弱，气温降低，大气层结趋于稳定，垂直扩散能力变差，加上城市交通晚高峰汽车尾气大量排放的影响，大气颗粒物快速累积，大气颗粒物质量浓度快速升高，00时达到夜间峰值，也是一日中的最高值；夜深人静后，随着人类活动量减少，污染物排放量也随之减少，随着大气污染物的自然沉降，颗粒物质量浓度再次逐步降低。

图2 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)日变化

3 影响大气颗粒物质量浓度的气象因子

3.1 气温

将PM10、PM2.5质量浓度日均值分别与日平均气温进行相关分析，结果见图3。C(PM10)和C(PM2.5)与气温总体呈现负相关关系。夏季，太阳辐射强烈，地表升温快，空气对流强烈，大气层结稳定度较低，大气清洁力强，C(PM10)和C(PM2.5)较低；冬季由于稳定类天气较多，特别是下垫面平坦裸露的区域，夜间接地逆温出现频繁且强度较大，另外因为冷空气活动频繁造成低空逆温频繁。频繁的逆温阻碍空气对流运动，造成冬季C(PM10)和C(PM2.5)升高。

图3 2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)随气温的变化(直线为拟合线)

3.2 风向、风速

利用西安2017—2021年逐小时风向资料及所相应的C(PM10)和C(PM2.5)资料分析二者的关系(图4)。西安北郊主导风向为偏东北风(NNE—NE—ENE)，占比为41.5%，对应的C(PM10)和C(PM2.5)平均值分别为113.0 μg/m3、73.9 μg/m3；其次为偏西南风(SSW—SW—WSW)，占比为25.9%，对应的C(PM10)和C(PM2.5)平均值分别为112.2 μg/m3、69.6 μg/m3。偏西北风(WNW—NW—NNW)对应的C(PM10)和C(PM2.5)均值最大，分别为151.3 μg/m3、96.0 μg/m3，占比为9.3%；偏东南风(ESE—SE—SSE)对应的C(PM10)和C(PM2.5)均值最小，分别为103.0 μg/m3、65.5 μg/m3，占比为2.7%。从以上分析可知，C(PM10)和C(PM2.5)在偏西北风时最高，其他风向分布较为均匀，说明通过偏西北风汇入的污染物对西安北郊颗粒物质量浓度影响较大。

图4 2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)的风向分布

进一步分析C(PM10)和C(PM2.5)日均值与平均风速的关系(表3)发现，当风速在4.5 m/s以下时，随着风速增大，颗粒物质量浓度逐步下降；但当风速超过4.5 m/s时，颗粒物质量浓度快速上升，尤其C(PM10)升高的幅度更大。深入分析风速超过4.5 m/s时的35个样本，发现发生在冬春季共30次，当天天气以阴雨为主，风向均为偏东北风，平均C(PM10)和C(PM2.5)为213.4 μg/m3、92.3 μg/m3；其他5次发生在夏秋季，风向偏东北风，平均C(PM10)和C(PM2.5)较低，仅为53.1 μg/m3、41.5 μg/m3，均小于夏秋季平均值。从以上分析可以看出，当风速在4.5 m/s以下时，C(PM10)和C(PM2.5)与风速呈负相关关系，即风速越大，质量浓度越低；冬春季当风速较大超过4.5 m/s，颗粒物质量浓度出现不降反升的情况，原因可能是风速较大时一般有稳定的天气系统控制着西安地区，来自偏东北方向持续的污染物输入而造成颗粒物质量浓度升高[14]。总体来看，风速是影响颗粒物质量浓度的重要因素，除冬春季风速≥4.5 m/s特殊情况外，风速大对颗粒物的扩散清除作用明显。

表3 2017—2021年西安北郊C(PM10)、C(PM2.5)与风速的关系

3.3 降水

由表4可知，2017—2021年夏季降水量最大，占年平均降水量的44.8%，对颗粒物清洁作用较明显，C(PM10)和C(PM2.5)均值最低。冬季降水量最小，仅占年平均降水量的3.3%，对颗粒物清洁作用有限，C(PM10)和C(PM2.5)均值最高，空气污染较严重。春季、夏季、秋季，由于降水的清洁作用，使得降水日的C(PM10)和C(PM2.5)均值低于非降水日。只有冬季会出现C(PM2.5)均值在降水日大于非降水日的现象，这是由于在降水量很小或降雪天气下，由于降水冲刷能力不强，而此时空气湿度增大，易形成抑制颗粒物扩散的雾罩，导致大气中残留的污染物质量浓度较高[15]。

表4 2017—2021年西安北郊各季节降水日与非降水日C(PM10)和C(PM2.5)

为进一步研究降水对颗粒物的清除作用，统计分析2017—2021年泾河站降水量及其对PM10、PM2.5清除率,结果见图5。降水对PM10、PM2.5的清除率均值分别为10%、7%，降水对PM10的清除效果好于PM2.5。降水量<5.0 mm时，降水对PM10、PM2.5的清除率大部分在-50%～50%之间，说明弱降水清除效果较差，甚至会导致颗粒物质量浓度上升；降水量>10.0 mm时，降水对PM10、PM2.5的清除率正值逐渐增多，且随着降水量增大，清除率全部趋于正值，最大值趋向100%，但均达不到100%，说明降水对颗粒物无法完全清除。为探讨降水量大于10 mm,清除率出现负值的原因，选取2个清除率负值较大的个例详细分析。2020年5月8日，降水对PM10、PM2.5清除率分别为-164.0%、-137.8%，降水量15.3 mm，降水时段为21—03时，非降水时段04—20时。降水时段C(PM10)和C(PM2.5)均值分别为32.6 μg/m3、18.9 μg/m3，非降水时段分别为179.4 μg/m3、66.6 μg/m3；2021年4月23日，降水对PM10、PM2.5清除率分别为-86.9%、-68.1%，降水量30.8 mm，非降水时段21—11时，降水时段为12—20时。降水时段C(PM10)和C(PM2.5)均值分别为62.8 μg/m3、50.0 μg/m3,非降水时段分别为118.6 μg/m3、63.7 μg/m3。从以上个例可以看出，非降水时段的清除率均值远大于降水时段，可见，降水时间分布不均匀是造成清除率为负值的主要原因。

图5 2017—2021年西安北郊降水对颗粒物的清除率与降水量的关系

4 结论

(1)2017—2021年西安北郊C(PM10)和C(PM2.5)年均值分别为117.5 μg/m3、75.2 μg/m3，呈现逐年下降趋势，C(PM2.5)下降趋势尤为明显，平均每年下降8.1 μg/m3；季节变化特征为夏季最低，冬季最高，春秋季次之；月变化分别呈现出1—8月下降而8—12月升高,1—7月下降而7—12月升高的“单谷型”结构。

(2)C(PM10)和C(PM2.5)日变化曲线呈现双峰特征，上午08—09时为次高峰，夜间00时前后达到日最高峰；16—18时为一日中最低。夜间高于日间，但变化幅度小于日间。

(3)C(PM2.5)占C(PM10)的比例冬季最高，春季最低，夏秋季较均匀；1月PM2.5占比最大为76.6%，5月最小为48%，1—5月该比例快速下降，6—12月逐步回升。除春季外，其他季节和月份PM2.5对颗粒物质量浓度贡献较大。

(4)C(PM10)和C(PM2.5)与气温总体呈负相关关系。风速在4.5 m/s以下时，其与风速呈负相关关系；但当风速较大约超过4.5 m/s时，颗粒物质量浓度在冬春季有明显的上升趋势，风速是影响颗粒物质量浓度的重要因素。C(PM10)和C(PM2.5)在偏西北风时最高，其他风向分布较为均匀，来自偏西北方向的污染物对颗粒物质量浓度影响较大。降水对PM10清除效果好于对PM2.5的清除，降水量大时，质量浓度相对较低，但降水无法对颗粒物彻底清除。