羅乃興，曾莉萍

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省氣象局，貴州 貴陽 550002)

近年來貴陽市SO2污染的變化特征分析

羅乃興1，曾莉萍2

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省氣象局，貴州 貴陽 550002)

該文利用貴陽市內8個測站的逐日SO2濃度與同期的貴陽年排放量資料來探討貴陽市內SO2的時空分布特征。從年際變化角度，本地源的排放量是決定濃度的最主要因子。對于更小的時間尺度，利用因子分析將8個站點分為城市背景環(huán)境和中心生活區(qū)分別加以討論。結果表明，明顯的年周期和排放量產生的斜率的疊加可以解釋月變化的大部分信息，而城市背景區(qū)域還存在稍不明顯的半年的周期。這表明兩者的SO2濃度變化主要由本地排放、氣象條件共同決定，其中市內中心生活區(qū)更為復雜，但外來源的影響則較小。對日均值的變化來說，氣象場的作用則上升到了更為重要的位置。得益于排放量的減少和排放結構變化，幾年來貴陽的SO2不論年均值和月均值以及污染事件出現(xiàn)的頻率均有明顯的改善，這表明貴陽近年來環(huán)境保護工作是相當成功的。但由于貴陽存在某些極端不適宜擴散的氣象環(huán)境，因此需要對該時間施以更為嚴厲的減排措施。

SO2；貴陽市；因子分析；帶通濾波

1 引言

二氧化硫(SO2)是大氣中的痕量成分，其濃度在100-101ppb之間，源于人為排放、火山噴發(fā)和原態(tài)硫化物在大氣中的演化，并以人為源為主[1]。作為典型的大氣污染物和影響空氣質量的重要氣體，SO2能對人體的呼吸系統(tǒng)造成一定的損傷(高濃度)，是主要的酸沉降(酸雨)前體物，其在大氣中發(fā)生化學反應生成硫酸鹽，易形成硫酸氣溶膠，形成硫酸煙霧和酸性降水，使植物減產、降低植物生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，腐蝕金屬和建筑物等，造成較大危害[2]。

SO2在大氣中的停留時間較短，僅為10 d左右，因此空氣中的SO2源以本地排放和外來源短距離傳輸組成，而源以及氣象條件共同決定本地的濃度。對于北京市這樣的大城市，在2002年的一次污染過程中，外來源的貢獻率依然高達19%[2]。姜杰等人的研究表明，在本地自然源與人為源影響甚小的渤海海域，SO2濃度由短距離傳輸和氣象條件決定其濃度變化[3]。俞向明等人的研究表明，在大氣本底站(本地排放源影響較小)SO2濃度與溫度、濕度等氣象要素呈高度相關，受氣候和氣象條件影響巨大[4]。

貴陽市曾是我國大氣污染嚴重的城市之一，其山區(qū)盆地地形和大量使用高硫煤的燃料結構使SO2成為20世紀初的主要污染物，2001年的年平均濃度高達0.099 mg/m3，2001—2012年12 a的年平均濃度的均值為0.065 mg/m3，遠高于NO2(0.023 mg/m3)，同時是酸雨的主要酸酐[5-11]。而貴陽也有自身的特點：首先，貴陽周邊的城市較為稀疏且規(guī)模較小，外來源的影響有待探討；貴陽市由于其“天無三日晴”的獨特天氣氣候特點，降水過程頻繁，SO2的濕沉降較大[12]；尤其在冬季，居民燃煤量增加，邊界層大氣穩(wěn)定度大，常常造成近地面氣層內很大的SO2濃度。而近年來由于居民煤改氣、工業(yè)燃煤脫硫等一系列舉措，貴陽的SO2排放總量與排放方式都有相當大的改變，其濃度得到了一定的控制，但在總體得到控制的情況下依然存在輕度—重度污染。本文利用觀測和排放量資料，利用因子分析和帶通濾波等方式，探討了近7 a貴陽市SO2的時空變化以及2012—2013年的新特點。

2 資料來源及分析方法

2.1 資料來源

本文選用貴陽市環(huán)保局在貴陽所設的8個監(jiān)測點表征貴陽SO2的時空分布特征。這8個監(jiān)測點涵蓋了市區(qū)，郊區(qū)和背景站如圖1：其中鴻邊門和馬鞍山位于貴陽城市一環(huán)以內，人口密集屬于中心生活區(qū)；太慈橋、市環(huán)保站、冶金廳3個屬于市區(qū)站、烏當、小河為2個新區(qū)站，以及1個郊區(qū)背景站(花溪)。采樣時段自2006年8月1日到2013年3月7日止共2 410 d。年排放量數(shù)據(jù)來自于貴陽市環(huán)保局歷年的貴陽市環(huán)境狀況公報。氣象資料為貴陽市基準氣候觀測站的同期觀測資料。2006年以所采集的日平均SO2濃度。

圖1 貴陽市8個環(huán)境監(jiān)測站的分布圖，其中最多的為貴陽的兩城區(qū)(云巖區(qū)和南明區(qū)共5個)

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

由于貴陽市內8個觀測站分別代表了貴陽市不同的環(huán)境特點，其空間分布并不均勻，因此普遍采用的平均值法由于權重的不同并不能很好的反映短時間(逐日)樣本的代表性，故本文采用因子分析的方法，將樣本投射到二維空間進行分類，從而使分類后的結果更具有代表性。

因子分析是一種將多個變量綜合成數(shù)目較少的新因子方法[13]，其基本思路是通過構造原變量適當?shù)木€性組合，產生一系列互不相關且能包含原變量信息的公共因子，通過極大方差轉動使得少數(shù)變量在某個公共因子軸上有高的負載。利用其前兩個最大的公共因子為軸構造二維空間，將樣本投影到二維空間中，利用其在空間中的分布將變量進行分類的一種方法。由于其前兩公共因子解釋了樣本的大部分信息，因此這種基于主要信息的分類方法可實現(xiàn)對復雜問題進行簡單化處理，從最主要的部分對樣本進行分類。

3 結果與分析

3.1 SO2是年變化分析

圖2為2001—2012年12 a貴陽市SO2年平均濃度和年排放量的標準化距平，總體來說自2001年來，貴陽市的年平均濃度和排放量雙雙呈現(xiàn)下降趨勢，并且濃度下降的速度很快，降幅達到0.006 4 mg/a。尤其是在2002—2007年和2008—2012年2個時間段內濃度。另一方面，兩者具有顯著的相關性，兩者的標準化距平的相關系數(shù)高達90.5%。這表明本地排放的SO2對年平均濃度起決定性作用，尤其是在2006年以后，貴陽市SO2的年排放量和年平均濃度幾乎重合，而由于貴陽市周圍城市較少短距離輸送對貴陽的影響較小(尤其是2006年以后)。因此可以說得益于SO2年排放量的迅速減少，貴陽市的SO2年平均濃度顯著下降，從2011年開始全年平均濃度低于0.05 mg/m3，全年平均濃度為優(yōu)，顯著提高了貴陽的空氣質量。

圖2 2001—2012年12 a貴陽市SO2年均濃度和年排放量的標準化距平圖

3.2 因子分析的結果分析

因子分析中第1、第2個因子的特征值(λ)均大于1.5，對應的解釋方差分別達到54.9%、19.3%，從第3主成分后的特征值都較小且彼此接近(圖3)。前2個累計方差貢獻率達到74.20%，其余成分均不足9%。因此選擇前2個因子構造的二維平面已能反映原始指標數(shù)據(jù)所提供的大部分信息，這樣就將原有的8個樣本的主要信息減少為2個主成分指標。利用前2個最大的公共因子為軸構造二維空間，根據(jù)各變量在平面上的投影(因子荷載)，將它們進行分類。

主分量的因子荷載圖(圖4)可以明顯的看出，貴陽的8個監(jiān)測站主要分為兩類，第1類包括太慈橋、市環(huán)保站、冶金廳、小河、花溪和烏當站，涵蓋了城市內部人口密度較小的城區(qū)以及排放較小量的郊區(qū)；第2類包括鴻邊門、馬鞍山站，2個站都是城市中心人口密度大的生活區(qū)。顯然第1類代表了貴陽地區(qū)SO2濃度變化的整體特點，而第2類代表城市中心生活區(qū)的特點。從相關系數(shù)矩陣的角度看來(表略)，顯然兩組之間有顯著不同，兩類內部測站之間高度相關，平均相關系數(shù)大于0.7，組間測站平均相關系數(shù)小于0.4。由于在相關系數(shù)矩陣和代表性上都有顯著的區(qū)別，因此這種分類是可行性的。兩者具有完全不同的時間分布特點，因此將8個測站分為兩類進行分別討論。

圖3 貴陽市8個測站逐日資料的因子分析的特征值的碎石圖

圖4 貴陽市8個監(jiān)測站逐日SO2濃度的因子荷載圖

3.3 第1部分的時間分布特征

圖5 第1類逐日均值的箱線圖

圖中各點從上到下每個部分依次是90%上限，75%上限，中位數(shù)，25%上限，10%上限。

為了對數(shù)據(jù)進行簡化以便于分析，這里選擇箱線圖進行表示。圖中由10%上限到90%上限之間的80%范圍表征了除特殊情況(極端高值和極端低值)外的大多數(shù)情況；而在25%點到75%點之間的50%范圍表征了一般情況；而中位數(shù)則與平均值相似表征了該月的期望值。因此選用箱線圖可以從多角度分析逐月的濃度變化特征。

圖6 第1類逐日均值的周期的譜密度圖

貴陽的背景SO2濃度的月期望值的時間分布具有明顯的周期性，通過對比起周期的譜密度圖(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，其中包含了兩個明顯的周期，主要是年周期，次要的是半年的周期。半年的周期留待下一部分闡述。在年周期方面(濾波圖略)，每年的冬季(12—2月)是SO2濃度最高的季節(jié)，并在12月達到峰值，在這一季節(jié)，污染程度以良到輕度污染為主；夏季是SO2濃度的最低的季節(jié)，但對應的波谷則出現(xiàn)在6月，在這一季節(jié)，貴陽SO2濃度以優(yōu)為主；春季和秋季是過渡季節(jié)。

整體上，冬季是空氣狀況相對最差的季節(jié)，而50%范圍上限則接近重度污染(2007年)，這說明在冬季氣象條件不適合污染物擴散，即使一般情況下也可能出現(xiàn)中度污染現(xiàn)象，其50%分布范圍的7 a均值(0.45 mg/m3)明顯較其他季節(jié)要大，涵蓋了從良(0.05 mg/m3)到中度污染(0.15 mg/m3)，說明同時也存在著適宜SO2擴散的天氣背景。夏季貴陽的空氣質量最好，80%分布范圍較小(0.04 mg/m3)區(qū)間在優(yōu)和良之間，這說明在絕大多數(shù)情況下夏季的擴散條件都是最好的。

貴陽的背景SO2濃度在逐年下降，尤其是2012年開始有明顯的降低。從這一年開始，貴陽的逐月SO2濃度的中位數(shù)均較之對應月份有明顯下降，75%上限則僅在1月超過了0.1 mg/m3，表明除1月外，一般情況下貴陽市不再出現(xiàn)SO2污染事件；而90%上限內不再出現(xiàn)重度污染的事件，這說明在非極端情況下，貴陽地區(qū)背景的SO2不再出現(xiàn)重度污染事。以上三者結合，說明2012年開始，從SO2濃度方面來說貴陽市的背景的空氣質量均較之前有明顯的改善。

但是另一方面，由于1月的50%涵蓋了輕度污染，說明仍然需要進一步控制污染物的排放量。

3.4 第2部分的時間分布特征

圖7 第2類的逐日均值的箱線圖。

代表貴陽中心生活區(qū)的第2部分與第1部分有明顯的區(qū)別，雖然也有比較明顯的周期，但是強度明顯偏弱(圖略)，這說明在城市中心生活區(qū)內，由于城市特有小氣候以及城市內獨特的SO2排放特點，削弱了背景氣象環(huán)境的影響。

大部分年份里，貴陽中心生活區(qū)的SO2濃度的時間變化有明顯的年變化，但是波動幅度較郊區(qū)偏小，尤其在2009年之前和2012年初之后比較明顯，貴陽中心生活區(qū)的SO2濃度也較低，除冬季外，各月的期望值均為優(yōu)(低于0.05 mg/m3)。但冬季多出現(xiàn)污染事件，尤其在2008年初，在這段時間里50%范圍上限與80%范圍上限雙雙超過輕度污染，由于貴陽初次經歷嚴重的凝凍天氣，城市電力供應受到干擾，市內人為排放明顯增多，并且氣象條件極端不適合SO2擴散，因此該季是貴陽近7 a來 SO2濃度的期望值最高的3個月。

從2009年初到2011年底，由于城市的快速發(fā)展和城市人口的快速增長，城區(qū)內SO2的排放明顯增加，導致中心生活區(qū)的SO2濃度增加并且呈擺動型。即使春秋兩季也可能出現(xiàn)高濃度，跨越區(qū)間大的情況。極端值出現(xiàn)在2008—2010年冬季，部分月份甚至達到或超過了重度污染(0.2 mg/m3)的情況。但是從2012年開始益于大規(guī)模建設的相繼結束，貴陽電廠的搬遷，小汽車限號和公共汽車油改氣電等一系列舉措，既減少了整體的SO2排放，也減少了城區(qū)內的排放，使貴陽SO2濃度明顯改善，與2007的水平相當，低于第一類。

3.5 第1類的半年周期的時間分布特征

圖8 第1類逐日均值所提取出的半年周期

由于貴陽的背景SO2時間分布上存在著半年周期，帶通濾波將半年周期的波濾出后如圖8。從圖中可以，看出這種半年周期相對來說波動較小，振幅僅為0.04 mg/m3，波峰分別在12月和6月而波谷在3月和9月。這主要表征了天氣系統(tǒng)的作用，因為冬夏兩季是東亞地區(qū)季風氣候最典型的季節(jié)，主導系統(tǒng)強盛而穩(wěn)定，不利于擴散。但是冬夏兩季又有些不同，相對來說冬季要比同年的夏季要低一些。這是因為冬季系統(tǒng)交替過程中，冷鋒的強力清除作用。而春秋兩季由于主導系統(tǒng)相對較弱，冷暖系統(tǒng)交匯頻繁，有利于污染物的擴散。

如果將半年周期和1 a的周期相疊加，所得到時間分布圖與圖5已經十分相似。由于半年周期的波谷(9月)和年周期的波谷(6月)相疊加使實際情況下最低值出現(xiàn)在7月或以后，半年周期的波峰(12月)和年周期的波谷(12月)相疊加使實際情況下峰值出現(xiàn)在12月，而這也就很好的解釋了月濃度的峰值和谷值不對稱的現(xiàn)象，也進一步說明了氣象條件決定貴陽背景場年內變化，在SO2在排放量一定的情況下。

4 結論

本文通過利用近年來貴陽8個站點的SO2及其年排放量的資料相結合，通過因子分析中因子荷載陣來將其8個站資料分為具有不同代表性且相關性較小兩個部分(城市背景場和中心生活區(qū))，從而達到了空間的分解；通過分析資料的逐年年均值和逐月的期望和不同情況的分布特征來實現(xiàn)時間的分解。并且通過對比近2 a冬季8個測站的觀測值和全市均值來探討局地的變化的細節(jié)特征。具體結論如下：

①近年來通過不斷的節(jié)能減排措施，貴陽的SO2平均濃度逐年下降，取得了明顯的成績。但是貴陽的SO2濃度特征呈現(xiàn)為全年整體較好但冬季略差；全市整體較好但部分地區(qū)(太慈橋、小河)明顯偏高的特點。

②對貴陽市的外圍城區(qū)而言，其SO2的濃度有明顯的年周期和半年周期，其中以年周期為主，而半年周期較弱，兩者疊加后其濃度變化與原始曲線較為接近。在一年中，冬季是最容易產生空氣污染事件的季節(jié)，而夏季是SO2濃度最低的季節(jié)，而春秋季節(jié)則是過渡期。另一方面，對于半年周期而言，1月和7月由于天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定不利于污染物擴散，相反4月和10月由于冷暖系統(tǒng)的頻繁影響，比較適合擴散。

③對于貴陽市的中心生活區(qū)而言，由于獨特的城市小氣候，半年周期不明顯，但年周期依然相當顯著，年內的變化帶有很大的波動性，說明中心生活區(qū)的SO2濃度影響因子更為復雜。

④在近年來SO2濃度得到控制的背景下，冬季仍然存在全市范圍的污染事件。各地的濃度與全市平均值相比，小河和太慈橋站偏高明顯，而烏當、馬鞍山和花溪明顯偏低。因此提高冬季的空氣質量最為有效的就是控制小河和太慈橋區(qū)域的濃度。而當全市平均濃度升高時，各測站濃度呈發(fā)散趨勢，因此當全市均值偏高時，尤其要注意局地的高濃度發(fā)生。

⑤對于貴陽市言，包括中心城區(qū)和外圍城區(qū)，SO2排放量的減少都能有效的減少SO2的日濃度和污染事件的發(fā)生概率。但是由于貴陽市也存在著極端不利于污染物擴散的氣象條件，簡單降低排放量并不能徹底根除污染事件。加強對濃度偏高區(qū)域的排放控制，對相關氣象條件提前預測，針對未來可能發(fā)生污染事件進行短時間更嚴厲的減排措施才是當前階段最有效提高空氣質量的解決之法。

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2014-12-09

羅乃興(1984—)，男，工程師，主要從事短期天氣預報和環(huán)境氣象研究工作。

1003-6598(2015)02-0029-05

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