西安市大气污染时空分布特征及其与经济发展的相关性

程博

摘要 在过去的几十年间，空气质量已成为发展中国家城市环境问题的重中之重。大气污染是中国北方普遍面临的环境挑战，探讨了2013—2021年西安市13个空气监测站6种大气污染物浓度的时空变化规律，以及大气污染对经济发展的响应特征。结果表明：大气污染浓度整体呈现下降趋势，O3在春季和夏季占主导地位，PM10在秋季和冬季占主导地位。除NO2外，其余大气污染物浓度与经济增长呈显著负相关，工业SO2和烟尘排放强度（EI）均呈下降趋势，环境规制强度（ERI）整体呈现升高趋势，表明西安市的环境管理取得了一定的成效。

关键词 西安市；大气污染物；时空分布；经济发展

中图分类号：X515 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0186-03

隨着中国大中型企业的快速发展，大气污染愈发严重，空气质量已成为发展中国家环境问题的重中之重。研究发现，近年来采取的一系列大气污染防治措施成效较为显著，京津冀、长三角、珠三角等中国重点区域大气污染物浓度逐年降低。但西安市目前大气污染问题仍不容忽视，并在一定程度上影响社会和经济的可持续发展。目前，西安市大气污染研究主要集中于气象因素方面，而针对大气污染的时空格局和经济相关性的研究较少。

鉴于此，应对西安市大气污染物浓度进行时空分布调查，并探究空气污染与经济发展的相关性，可为大气污染治理和城市经济绿色发展提供理论依据和数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

西安是陕西省的省会，位于黄河流域中部（107°40′～109°49′E，33°39′～34°45′N），面积约为10 108 km2，人口稠密，约1 300万人口，主要集中在城市地区，因此交通密度较高。同时，西安市属半湿润大陆性季风气候，春天温暖、干燥多风，而夏天炎热，雷雨发生频繁，秋季气温宜人，以多雨为主，冬季寒冷，降雪少，西安被黄土高原和秦岭环抱，区域性大气污染普遍严重，无法有效消除[1]。

1.2 环境空气污染数据获取

西安市大气环境监测网由13个国家空气质量实时监测站点组成：草滩、纺织城、高新西区、高压开关厂、广运潭、经开区、临潼区、曲江、市人民体育场、小寨、长安区、兴庆区和阎良区，分别收集上述13个空气监测站2013—2021年臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、PM2.5、PM10浓度的月平均值。这些数据可在西安市生态环境局公开查阅（http：//xaepb.xa.gov.cn/）。西安市2013—2021年国民生产总值GDP、环境保护投资和废气治理费用数据来源于《西安统计年鉴》。

1.3 环境管理

本研究中，环境管理是指计算出的排放强度（EI）、环境规制强度（ERI）。EI是指西安市工业SO2、烟尘排放量占国内生产总值（GDP）的比例。ERI以单位大气污染物排放的环境治理投入进行衡量，计算公式为：

ERI=Invest/Polluti

式中，Investi是城市i的环境治理投资强度，Polluti为城市i的大气污染物排放量。

1.4 统计分析

用Kolmogorov-Smirnov检验确定数据集服从正态分布，分析方法依赖于K-S检验的结果。数据统计分析使用Microsoft Excel 2021进行，Pearson相关性采用IBM SPSS Statistics 26软件分析，采用Origin 2021软件绘制图来。

2 结果与分析

2.1 西安市大气污染时空分布特征

2.1.1 西安市大气污染变化趋势 本研究计算了西安市2013—2021年空气污染物浓度的月平均值，分析了西安市空气污染物浓度的时间变化趋势（图1）。所有污染物浓度在年内均出现一定幅度的波动，其中，O3在年内浓度表现为先升高后下降；CO、NO2、SO2、PM2.5、PM10在年内浓度均表现为先下降后升高。整体来看，2013—2021年，O3浓度呈现升高的趋势，CO、NO2、SO2、PM2.5、PM10浓度均呈现下降趋势。其中，CO的下降速度在所有被调查的空气污染物中最高。这一结果表明现有大气污染控制措施的高效性[2]。

研究表明，黄土高原植被恢复和城市扬尘的控制促进了西安市PM10浓度的降低，对高污染行业进行管理、技术改进和新能源的使用均有助于降低PM2.5浓度。同时，居民对煤炭使用的依赖性逐渐减少促使SO2和CO浓度降低。

此外，为应对西安市日益严重的空气污染，于2016年底开始实施机动车限行政策，减少了NO2浓度，改善了空气质量[3]。因此，环境保护政策的落实、区域生态环境的改善、技术创新和经济转型均在改善空气质量上发挥着重要作用。2013—2021年，年平均空气质量指数（AQI）呈现下降趋势（图2），其中，AQI最大值为114.3（2013年），最小值为70.3（2020年）。AQI的持续下降进一步证实了近年来空气质量得到了明显的改善。

2.1.2 西安市大气污染物的季节特征 西安市主要大气污染物的比例在不同季节存在差异（图3）。O3在春季和夏季占主导地位，其比例分别30.4%和52.4%。研究表明，O3与太阳辐射密切相关，表明春、夏季太阳辐射强度较大，日照时数较长，进而有利于形成高浓度O3污染[4]。PM10在秋季和冬季占主导地位，其比例分别为35.1%和40.2%。研究表明，随着西北地区的快速发展，城市的基础设施建设会产生过量的灰尘，从而导致PM10浓度持续偏高。

此外，研究表明，秋冬季降雨量少，静稳天气频繁，不利于污染物扩散，再加上北方秋冬季节天气寒冷，居民对煤炭需求量的增加，导致主要污染物中颗粒物（PM10、PM2.5）所占比例较高[5]。

2.2 不同空气污染物之间的相关性分析

表1为2013—2021年西安市不同空气污染物月平均浓度之间的Pearson相关性分析。结果显示，各大气污染物之间存在显著相关性（P< 0.01）。CO、NO2、SO2、PM2.5和PM10相互之间呈显著正相关，且均与O3呈显著负相关。随着空气质量的改善，太阳辐射增加。相关研究表明，空气污染物浓度与太阳辐射之间呈负相关关系，然而O3的形成需要太阳辐射的一定积累，O3浓度与太阳辐射呈正相关。因此，O3与其他空气污染物之间呈显著负相关。

2.3 空气污染与经济增长的关系研究

2.3.1 空气污染与经济增长之间的相关性 图4为2013—2021年西安市生产总值GDP与环境保护投资金额变化趋势图。结果显示，2013—2021年，国民生产总值GDP呈现不断增加的趋势，从4 366.1亿元增至10 020.39亿元，表明人民生活水平在不断提高。环境保护投资呈现出先升高后下降的趋势，其中，2017年投资费用达到最大值，为53.69亿元。这可能由于在2017年之前，我国为了根治环境污染问题，花费大量资金，呈现出升高趋势，而2017—2021年，环境污染问题得到一定程度的改善，相关投资费用呈现出下降趋势。

表2为2013—2021年西安市不同大气污染物与GDP、环境保护投资和废气治理费用之间的Pearson相关性分析，国民生产总值GDP与CO、SO2、PM2.5和PM10呈显著负相关（P < 0.01），相关系数分别为-0.984、-0.903、-0.831和-0.919，表明经济发展越好，大气污染治理得越好，空气质量越好。而NO2与环境保护投资和废气治理费用呈正相关关系（P < 0.05），相关系数分别为0.743、0.674。造成这一现象的主要原因与西安市交通因素有关。近年来，西安市机动车辆数量急剧增加，使得机动车辆尾气排放量增大，从而造成NO2污染严重，从而表现出与环境保护投资和废气治理费用呈正相关关系。

2.3.2 大气污染物对环境管理的响应 大气污染物排放量与经济增长有着密切的关系，不适当的环境管理政策和低效的工业技术往往会导致经济增长期间空气污染物排放量增加。2013—2021年，工業SO2（图5a）和烟尘（图5b）排放强度（EI）均呈下降趋势。2016—2017年下降趋势最强，工业二氧化硫排放强度从6.67 t/亿元下降至0.78 t/亿元，工业烟尘排放强度从2.83 t/亿元下降至0.45 t/亿元。环境规制强度（ERI）呈现出一定波动，但整体呈现升高趋势（图6）。

具体而言，2013—2018年期间，ERI从0.28增至8.82，2019年和2020年出现一定程度的下降，2021年ERI达到最大值，为9.79。该结果表明西安地区大气污染改善已取得一定的成效。研究表明，污染产业的调整优化有利于空气质量的改善。例如，2017—2019年，我国北方数百家污染行业关闭，大气污染显著减少。此外，大气污染是区域性问题，在今后的治理方面，需要多个省市的行政部门协调管理，以期形成区域环境质量持续改善和社会资本有效配置的双赢局面。

4 结束语

本研究对西安市大气污染物时空分布特征进行了分析，并揭示了空气污染与经济增长的相关性。总体来看，2013—2021年，西安市大气环境质量在逐年变好。除NO2外，其余大气污染物浓度与经济增长呈显著负相关，且西安市的环境管理也取得了一定的成效。鉴于此，西安市在未来的发展中，应加强对机动车的管理，并进行产业结构和能源结构调整，实现大气环境质量与经济建设的和谐发展。

参考文献

[1] 司成润.基于移动监测的大气污染物浓度分布实时监测方法研究[J].环境科学与管理，2023，48（5）：146-150.

[2] 张小曳，徐祥德，丁一汇，等.2013—2017年气象条件变化对中国重点地区PM2.5质量浓度下降的影响[J].中国科学：地球科学，2020，50（4）：483-500.

[3] 苏冠儒，谭志海，刘璐，等.西安市大气污染物生态足迹分析[J].西安工程大学学报，2019，33（3）：285-289.

[4] 张晖，王伯铎，丁卓，等.西安市空气污染现状及气象因子的相关分析[J].环境工程，2013，31（S1）：340-343，356.

[5] 李琛，刘瑾，王彦民.气象因素对西安市城区空气质量的影响[J].干旱区资源与环境，2017，31（3）：83-88.

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Air Pollution and Its Correlation with Economic Development in Xian

Cheng Bo （Xian Peihua University， Xian， Shaanxi 710125）

Abstract Over the past few decades， air quality has become a top priority for urban environmental issues in developing countries. Air pollution is a common environmental challenge in northern China， In this study， the temporal and spatial variations of 6 kinds of air pollutants in 13 air monitoring stations in Xian from 2013 to 2021 were discussed， as well as the response characteristics of air pollution to economic development. The results showed that the overall atmospheric pollution concentration presented a downward trend， with O3 dominating in spring and summer， and PM10 dominating in autumn and winter. Except for NO2， the concentration of other air pollutants is significantly negatively correlated with economic growth. The industrial SO2 and soot emission intensity （EI） both show a downward trend， while the environmental regulation intensity （ERI） shows an overall increasing trend， which indicates that the environmental management of Xian has achieved certain results.

Key words Xian; Air pollutants; Spatial and temporal distribution; Economic development