关中地区大气污染特征分析

魏俊涛，杨晓春，杜萌萌，白庆梅，白水成

(西安市气象局，西安 710016)

大气污染的区域性特征明显，在我国以京津冀、长三角和汾渭平原为典型代表[1-4]。关中地区是汾渭平原经济发展的核心区域，包含了西安、咸阳、宝鸡、铜川、渭南五个地市。另外，关中地区位于西高东低的“喇叭口”地形中，比位于半开放地形中的京津冀，以及沿海平原的长三角更容易引发逆温，抑制污染物的垂直扩散[5]。人为排放和不利的地形条件使得关中地区重污染天气频发、污染物浓度高、大气能见度低[6-9]。针对关中区域的大气污染，胡琳等[10]分析了2014—2018年关中地区重污染状况下气象条件的变化。高维英等[11]则研究了该地区重污染发生和减弱时的天气类型特征。陈欣昊等[12]、卢娣等[13]、韩洁等[14]分析了关中地区不同区域不同时段的气象条件对大气污染的影响。已有的研究主要侧重于关中地区大气污染物与气象条件之间关系，对该区域大气污染本身的特征与其他典型污染区域的差别方面的研究较少。本文基于2014—2018年大气污染物质量浓度监测数据计算相关污染指数，分析关中地区大气污染特征，并对比与其他典型污染区域在重污染过程持续性上的不同，以期更科学地认识区域内大气污染状况，为治污减霾提供科学支撑。

1 资料和方法

关中地区5个城市(西安、咸阳、渭南、宝鸡和铜川)和北京、上海、广州的6种大气污染物(PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2、O3)日均质量浓度数据(分别用C(PM10)、C(PM2.5)、C(SO2)、C(CO)、C(NO2)、C(O3)表示)来自中国环保部全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035)。采用算术平均的方法来计算年、季节和月尺度的平均质量浓度。首要污染物取6种大气污染物中对大气污染贡献最大的污染物，采用《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[15]进行数据计算分析。

重污染过程的定义为：从AQI大于100的当日开始计数至AQI小于100的前一日，并且过程中至少包含1 d AQI大于200的重污染日。重污染过程发展日数定义为从重污染过程开始日至质量浓度峰值日的日数，重污染过程消散日数则为从质量浓度峰值日至结束日的日数。

逆温的计算和判定基于2007—2018年冬半年(10月至次年4月)西安、北京、上海和广州每日08时的无线电探空数据。所选取的逆温高度为700 hPa以下的逆温。主要的计算方法为：选取探空数据中的地面、925 hPa、850 hPa和700 hPa为特征层，特征层中任意层的温度与高度较低层温度相减大于0，即认定为出现逆温。计算表达式为

T925-Ts>0 或T850-Ts>0 或
T700-Ts>0 或T700-T850>0或
T700-T925>0 或T850-T925>0 ，

(1)

式(1)中T925、T850、T700分别代表925 hPa、850 hPa和700 hPa的温度，Ts为地表气温。

2 关中地区大气污染时空特征

2.1 污染物质量浓度

2014—2018年关中5个城市6种污染物中，年平均质量浓度均略高于国家二级标准[16](表1)。6种污染物年平均质量浓度分别用Cy(PM2.5)、Cy(PM10)、Cy(SO2)、Cy(CO))、Cy(NO2)、CyO3表示。其中颗粒物的污染程度显著高于气态污染物，Cy(PM10)为118.38 μg/m3，Cy(PM2.5) 为63.94 μg/m3，高于国家二级标准(70 μg/m3和35 μg/m3)，而Cy(SO2)和Cy(NO2)。为20.80 μg/m3和42.99 μg/m3，仅略高于二级标准(20.8 μg/m3和40 μg/m3)。颗粒物年均质量浓度最高的两个地区为西安和咸阳， 其中PM10尤为显著，这与城市大规模的开发建设有关。位于海拔高度较高的盆地边缘的铜川的颗粒物质量浓度最低，较西安偏低28 μg/m3，但臭氧年均质量浓度却最高。臭氧的生成涉及复杂的光化学反应，与铜川相对较高的辐射有关。渭南、咸阳和铜川为Cy(SO2)高值区，这3个城市正是关中地区火力发电厂和工矿企业密集区。

表1 2014—2018年关中城市6种污染物年平均质量浓度

基于污染物性质和质量浓度变化规律，表2列出关中5个城市6种污染物冬季和夏季日平均质量浓度。由表2可知：各城市冬季污染物质量浓度差别大于夏季，其中盆地底部区域的污染重于盆地边沿地区；冬季颗粒物日均质量浓度为轻度污染，气态污染物日均质量浓度中NO2达二级，SO2、CO和 O3符合一级，C(PM2.5)最高区域为咸阳，而C(PM10)最大值则在西安；夏季6种污染物日均质量浓度均符合二级标准，其中西安C(O3)显著高于其他地区，这与人口密度大所带来的机动车尾气排放高密切相关。

2.2 污染超标日

大气污染超标日为任意一类大气污染物日均质量浓度大于国家二级标准。2014—2018年关中5个城市大气超标日分布如图1所示，位于盆地底部的西安、咸阳和渭南超标日数多，而盆地边沿，海拔高度较高的铜川和宝鸡超标日数相对较少。关中地区的大气污染状况较为严重，其中西安的超标率最高达47%，最少的宝鸡为31%。

图1 2014—2018年关中5个城市累积污染超标日

关中地区污染超标率的季节变化较大，如图2所示。冬季的污染超标率最高，达50%以上，其中西安和咸阳超标率达到65%左右。西安夏季的超标率仅次于冬季，这主要受臭氧污染的影响(见表2)，与前文分析一致，而其余城市超标率排名第二的为春季，与春季大风天气频繁所引发的扬沙和浮尘天气有关。宝鸡为污染超标率最低的区域，夏、秋季的超标率仅为20%。

表2 2014—2018年关中城市6种污染物冬、夏季日平均质量浓度

图2 2014—2018年关中5个城市的污染超标率季节分布

2.3 首要污染物

首要污染物为大气污染超标日中对大气污染贡献最大的污染物。统计2014—2018年关中5个城市年平均和各季节中不同首要污染物占所有污染超标日的比率可以发现，PM2.5、O3和PM10为首要污染物的年平均比率最高。其中PM2.5占比最大，年平均为47%～62%，冬季可达84%以上；其次为O3，年平均占比为21%～31%。由于我国北方春季多冷空气活动，易受沙尘影响[17]，关中地区除咸阳和铜川外，春季首要污染物占比最大的为PM10。夏季太阳辐射增强，O3成为关中地区首要污染物的占比达93%以上，西安最高为96%。秋、冬季的首要污染物均以PM2.5占比最大，秋季为60%以上，冬季可达84%以上。

对比城市间首要污染物占比可以发现：夏季西安的C(O3)最高，同时O3污染的占比也最大，这与前体物NOx和VOC高排放量密切相关[18]。其他季节中，PM10为西安首要污染物的占比明显高于其他城市。西安较高的PM10污染主要可能来源于城市的大规模建设、道路扬尘和建筑扬尘等。

3 关中地区大气污染持续性特征

重污染过程持续时间长对人体健康和环境的危害更为严重。对2014—2018年秋冬季大气污染期(11月至次年2月)关中地区的重污染过程按照前文的定义进行统计分析，如表3所示，所有城市重污染过程出现频次均在25次以上。盆地城市西安、咸阳和渭南的重污染过程平均持续日数较盆地边缘的宝鸡和铜川长，但最长的重污染过程出现在西安和宝鸡，分别为31 d和30 d。铜川的重污染过程平均持续时间、平均消散时间和最长持续日数均为最短，这与其海拔高度较高，风速较大，扩散条件相对较好有关。

表3 2014—2018年关中地区5个城市冬季重污染过程参数统计

基于相同的特征参数对比分析关中区域与其他区域重污染过程持续时间的不同。选取的对比城市为：半开放地形下的北京、长江三角洲的上海和珠江三角洲的广州。由于广州在2014—2018年间重污染过程仅有2次，故剔除了样本信息，结果如表4所示。分析可以发现：北京的重污染过程出现频次最多，达40次，平均持续日数为4 d；西安的重污染频次虽然少于北京，但过程持续时间最长，平均为9.4 d，最长延续31 d之久，平均发展日数和平均消散日数也长于北京和上海；上海重污染频次最少，生成和消散的时间短，平均持续时间仅有3.2 d。

表4 2014—2018年西安、北京和上海3个城市冬季重污染过程基本信息统计

进一步对比分析西安、北京和上海出现不同持续时间重污染过程的频次，将过程持续时间分为1～<5 d、5～<10 d、10～<20 d和20 d及以上4个等级分别统计(图3)。北京和上海大部分的重污染过程持续时间小于5 d，未出现超过10 d的重污染过程。西安重污染过程中持续时间为5～<10 d的频次最高，10～<20 d次之，并存在持续时间超过20 d的重污染。同样的方法分析了关中地区其余城市的情况(图略)，基本与西安相似，仅铜川没有出现持续时间超过20 d的重污染过程。这进一步表明了类似盆地地形下的关中地区重污染过程持续时间较长。

图3 2014—2018年冬季西安、北京和上海重污染过程频次图

已有的研究表明，逆温的存在使得大气层结稳定，不利于污染物扩散，延长污染过程的持续时间[19-21]。对比分析2007—2018年冬半年(10月至次年4月)4个典型城市(西安、北京、上海、广州)每日08时逆温出现状况(图4)。由于特殊的地形条件，在4个城市中西安的逆温现象最多，冬半年69%的早晨出现逆温。半包围地形下北京的逆温出现频次仅次于西安，达到50%。临海城市广州和上海只有21%的早晨出现逆温。西安的逆温出现频次高，是造成冬半年重污染过程持续时间长的重要原因。

深色为有贴地逆温；浅色为无贴地逆温。图4 2007—2018年冬半年西安、北京、广州和上海每日08时贴地逆温频次图

4 结论

(1)2014—2018年关中地区6种污染物的年平均质量浓度均略高于国家二级标准，其中颗粒物的污染程度高于气态污染物，且盆地底部区域的污染物质量浓度高于盆地边沿地区。西安和咸阳为颗粒物质量浓度最高区域，铜川最低。

(2)2014—2018年关中地区大气污染超标日达31%以上，西安最多为47%。污染超标日的季节变化较大，其中冬季最高，平均为50%以上，西安和咸阳可达65%。受臭氧影响，西安夏季的超标率仅次于冬季。其余城市受扬沙影响，春季的超标率排名第二。首要污染物中PM2.5、O3和PM10占污染超标日的比率最高，其中PM2.5占比最高，年平均47%～62%，冬季可达84%以上。

(3)与典型污染城市北京、上海和广州相比，相同的研究时段内，西安的重污染频次少于北京，但污染过程持续时间最长，平均为9.4 d，最长达31 d。这与西安冬半年频繁的逆温现象相关，08时逆温出现频率为69%。