徐夢辰，張利鈞，鄭 囡，郝 曼，張建國

(濟(jì)南市環(huán)境研究院，濟(jì)南 250100)

環(huán)境空氣質(zhì)量作為城市環(huán)境質(zhì)量的重要組成部分，直接影響著人類健康與生態(tài)安全，是當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。近年來，中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)入中后期階段，以機(jī)動車數(shù)量劇增為特點的現(xiàn)代交通運(yùn)輸迅速發(fā)展，加之煤炭、石油等化石燃料消耗與日俱增，導(dǎo)致城市空氣質(zhì)量下降、大氣污染嚴(yán)重。當(dāng)前，二氧化硫(SO2)、顆粒物(PM10)等傳統(tǒng)污染問題尚未根本解決，以細(xì)顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)為代表的二次污染又變得日益顯著，中國城市空氣污染特征正在向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變[1-2]。

面對這一新問題、新形式，原空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(1996年版)已無法滿足擔(dān)心當(dāng)下環(huán)境管理需求，大氣環(huán)境形勢的變化和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的局限性呼吁著新標(biāo)準(zhǔn)的頒布。2012年，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)(以下簡稱“新標(biāo)準(zhǔn)”)以及《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 633—2012)(以下簡稱“新評價體系”)正式出臺。新標(biāo)準(zhǔn)收緊了二氧化氮(NO2)、PM10等污染物濃度限值，將O3、PM2.5等污染物納入監(jiān)測項目，并提高了數(shù)據(jù)統(tǒng)計要求；而新評價體系則用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)取代空氣污染指數(shù)(API)，同時增加空氣質(zhì)量信息的發(fā)布頻次[3]。

濟(jì)南市地處魯中山地與魯北平原的過渡帶、黃河中下游地區(qū)，承載著山東省會城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建、區(qū)域大氣聯(lián)防聯(lián)控等重要生態(tài)功能。近年來，空氣污染問題已經(jīng)成為制約全市發(fā)展的重要因素。濟(jì)南市作為“2+26”城市之一，率先于2013年正式實行新標(biāo)準(zhǔn)及評價體系。前人針對濟(jì)南市及周邊區(qū)域的大氣環(huán)境已做了大量研究。例如，張曉凱等[4]確定了濟(jì)南市春季大氣中PM2.5和PM10的粒徑范圍為0～1.0 μm和1.0～2.5 μm，并解析了污染來源為土壤塵、風(fēng)砂塵及燃燒飛灰等；邱粲等[5]分析了2001—2010年濟(jì)南市空氣質(zhì)量(API)與氣象條件的關(guān)系，結(jié)果表明PM10為全市主要污染物，空氣質(zhì)量(API)與氣象要素的月相關(guān)系系數(shù)較高；杜改芳等[6]研究了2006—2010年濟(jì)南市SO2、NO2及PM10污染的時刻特征，結(jié)果表明冬季污染嚴(yán)重、全市污染嚴(yán)重區(qū)域集中在東北部地區(qū)；李玄等[7]分析了2013年濟(jì)南市空氣污染狀況并提出了相應(yīng)控制對策，結(jié)果表明PM10污染嚴(yán)重區(qū)域為西部和西北部地區(qū)，SO2、NO2污染嚴(yán)重區(qū)為中心城區(qū)；Donkelaar等[8]運(yùn)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)解譯了2001—2006年全球PM2.5污染狀況，結(jié)果表明山東半島屬全球污染嚴(yán)重區(qū)域；Zhang等[9]研究發(fā)現(xiàn)，自2000年起華東地區(qū)能見度較20世紀(jì)60年代降低了7～15 km。由此可見，當(dāng)前關(guān)于濟(jì)南市及其周邊空氣環(huán)境質(zhì)量的研究主要集中在PM2.5、PM10、API以及與氣象因素相關(guān)關(guān)系上，鮮見有關(guān)6項污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)變化規(guī)律分析的綜合報道。尤其是“新標(biāo)準(zhǔn)”實施后，2013年至今濟(jì)南市空氣質(zhì)量變化及污染特征分析暫為空白。此外，由于空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑發(fā)生變化，導(dǎo)致濟(jì)南市2013年前后空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可比性較差。因此，有必要系統(tǒng)分析自2013年濟(jì)南市執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)后的空氣質(zhì)量變化趨勢，識別大氣污染特征、闡明各污染物間的關(guān)系，為改善濟(jì)南市城市空氣質(zhì)量、為地方環(huán)保及綜合決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源自國家生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站、濟(jì)南市生態(tài)環(huán)境局環(huán)境質(zhì)量月報以及濟(jì)南市環(huán)境自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)分析平臺。主要污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)基于濟(jì)南市20個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，包括國控點9個，省控點8個，市控點3個。20個點位均位于人口密集的中央?yún)^(qū)域、覆蓋全市市區(qū)，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以代表濟(jì)南市市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量狀況。

1.2 研究方法

1.2.1 綜合污染指數(shù)與污染負(fù)荷

采用大氣綜合污染指數(shù)對濟(jì)南市大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，通過污染分擔(dān)率描述各項污染物對空氣質(zhì)量的影響程度，計算公式如下[10]：

(1)

Pi=Ci/Co

(2)

Ki=Pi/P

(3)

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pi為第i種污染物的污染分指數(shù)；Ci為第i種污染物實測濃度；Co為第i種污染物的濃度標(biāo)準(zhǔn)；n為評價因子個數(shù)；Ki為污染負(fù)荷。

1.2.2 Damel趨勢檢驗法

Damel趨勢檢驗法采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)計算[11]，具體公式如下：

(4)

di=Xi-Yi

(5)

式中：di為變量Xi與Yi的差值；Xi為周期i到周期N按濃度值由小到大的排列序號；Yi為按時間序列排列的序號；N為周期次數(shù)；Rs為秩相關(guān)系數(shù)。

把秩相關(guān)系數(shù)Rs的絕對值與Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表內(nèi)的Wp進(jìn)行對比。若Rs>0表示上升或加重趨勢，若Rs<0表示下降或改善趨勢，當(dāng)Rs>Wp則表明變化趨勢有顯著意義；當(dāng)Rs≤Wp，說明變化趨勢無顯著意義，表明在監(jiān)測期內(nèi)變化幅度小，較為穩(wěn)定。

2 大氣環(huán)境質(zhì)量變化特征

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量狀況

2016—2018年濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)變化情況如圖1所示，近3年監(jiān)測天數(shù)共計1 096 d，有效監(jiān)測天數(shù)1 091 d，空氣質(zhì)量等級為優(yōu)和良的天數(shù)合計536 d，空氣質(zhì)量良好率為49.13%，近3年共出現(xiàn)污染日555 d，占全年有效監(jiān)測天數(shù)的50.87%。其中，空氣質(zhì)量等級優(yōu)的天數(shù)為21 d，占比1.92%；空氣質(zhì)量等級良的天數(shù)為515 d，占比47.20%；輕度污染376 d，占比34.46%；中度污染112 d，占比11.18%；重度污染48 d，占比4.40%；嚴(yán)重污染9 d，占比0.82%。從近3年空氣質(zhì)量變化趨勢來看，濟(jì)南市空氣質(zhì)量正迅速改善，2016年后全市輕度污染及無污染天數(shù)不斷增加，占2017—2018年總天數(shù)的84%以上。

圖1 濟(jì)南市2016—2018年環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)變化

由表1可知，近3年濟(jì)南市出現(xiàn)的1 070 d大氣污染日中，有365 d以PM10為首要污染物，占總污染天數(shù)的34.11%；有248 d以O(shè)3為首要污染物，占比32.52%；有296 d以PM2.5為首要污染物，占比27.66%；有39 d以NO2為首要污染物，占比3.64%；以PM10和PM2.5為共同首要污染物天數(shù)為13 d，占比1.21%；以NO2和PM10為共同首要污染物天數(shù)為7 d，占比0.65%；以PM10和O3為共同首要污染物天數(shù)為2 d，占比0.19%。由此可見，顆粒物污染與PM2.5、O3帶來的二次污染已成為影響濟(jì)南市空氣環(huán)境質(zhì)量的主要問題。

2.2 主要污染物小時變化特征

選取近3年中空氣污染較為明顯的2016年作為典型年份進(jìn)行分析，將2016年全年(1月1日—12月31日)每日24 h各主要污染物濃度值進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出每1 h的年均濃度值，如圖2所示。全市主要污染物小時變化上來看，PM10與PM2.5均呈“雙峰雙谷”型的變化趨勢，8:00—9:00與21：00—22:00分別達(dá)到污染峰值，5:00—6:00與15:00—16:00分別達(dá)到最低值，PM10較PM2.5的表現(xiàn)趨勢更為明顯。SO2濃度在10:00達(dá)到最高，表現(xiàn)出先增后減的“單峰”變化趨勢。NO2濃度于13:00—14:00 和20:00—21:00分別達(dá)到最低值和最高值，表現(xiàn)出先減后增的“單峰單谷”變化趨勢。O3濃度于14:00—15:00到達(dá)峰值，呈“單峰”變化趨勢。一氧化碳(CO)濃度在8:00—9:00與21:00—22:00達(dá)到峰值，于2:00—3:00與14:00—16:00達(dá)到最低值，呈“雙峰雙谷”的變化規(guī)律。

2.3 主要污染物月變化特征

2016年濟(jì)南市各類大氣主要污染在不同月份中超標(biāo)天數(shù)的比例如圖3所示。其中，PM10、PM2.5每月均有超標(biāo)現(xiàn)象，在春、秋、冬三季尤為頻繁，1、3、4、12月超標(biāo)率均在50%以上，12月份超標(biāo)率最高，分別為64.52%和77.42%；夏季超標(biāo)現(xiàn)象較少，8月超標(biāo)率最低，分別為9.68%和6.54%。SO2全年未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。NO2在夏季和秋季10月未超標(biāo)，其余月份均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，其中1、9月超標(biāo)率較高，分別為16.13%和10%，其他月份均在10%以下。CO僅1、12月出現(xiàn)超標(biāo)，O3僅5月出現(xiàn)超標(biāo)，且超標(biāo)率均在4%以下。

表1 2016年首要污染物出現(xiàn)天數(shù)

圖2 主要空氣污染物小時變化趨勢

2.4 主要污染物季節(jié)變化特征

根據(jù)氣象學(xué)方法將全年分為春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)和冬(12月—次年1月)四季進(jìn)行分析。如圖4所示，PM10季節(jié)變化基本遵循“冬季>春季>秋季>夏季”的變化規(guī)律，這主要由于冬季PM10受燃煤取暖影響顯著，而夏季受風(fēng)沙天氣影響顯著。PM2.5和SO2季節(jié)變化規(guī)律一致，冬季最高，秋季和春季次之，夏季最低。NO2和CO均遵循“冬季>秋季>春季>夏季”的規(guī)律。O3呈現(xiàn)“夏季>春季>秋季>冬季”的變化規(guī)律，這是由于O3的生成條件限制，夏季氣溫高、光照強(qiáng)，利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3。

2.5 主要污染物年變化特征

圖5反映了濟(jì)南市2013—2018年空氣主要污染物年際變化，如圖5所示，PM10、PM2.5、SO2與NO2年均濃度自2013年起持續(xù)降低；O3自2013—2014年迅速上升，之后逐年緩慢增加，近年來相對穩(wěn)定在180～200 μg/m3濃度水平上；CO則呈現(xiàn)出“先增-后減-逐步平穩(wěn)”的變化趨勢，近3年基本穩(wěn)定在1.7～2.1 mg/m3濃度水平上。總體來看，CO、O3濃度值在震蕩變化后均保持在相對穩(wěn)定的區(qū)間范圍，而PM10、PM2.5、SO2與NO2濃度則呈現(xiàn)逐年降低的態(tài)勢，表明新標(biāo)準(zhǔn)實施后濟(jì)南市空氣污染得到了有效控制，大氣環(huán)境質(zhì)量正逐步改善。

圖3 2016年主要空氣污染物各月超標(biāo)率

圖4 主要空氣污染物季節(jié)變化趨勢

圖5 主要空氣污染物年際變化趨勢

3 分析與討論

3.1 空氣污染綜合評價

新評價體系采用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)對環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行評價，但在確定AQI時只根據(jù)當(dāng)日首要污染物指標(biāo)計算，無法體現(xiàn)其他污染物具有情況，例如NO2極少成為每日首要污染物，但也對濟(jì)南市空氣環(huán)境造成一定影響。因此，有必要運(yùn)用各類污染物污染指數(shù)及負(fù)荷系數(shù)(分擔(dān)率)對全市空氣污染情況進(jìn)行綜合評價。

如表2所示，濟(jì)南市2013—2018年大氣環(huán)境質(zhì)量以2018年最好，2013年空氣質(zhì)量最差，全市綜合污染系數(shù)逐年減少，這表征了濟(jì)南市空氣污染正逐漸減弱。近6年來，PM10與PM2.5一直是濟(jì)南市大氣污染的主導(dǎo)因素，兩者污染負(fù)荷加和保持在50%～60%；SO2在2013—2014年超標(biāo)，之后逐年達(dá)標(biāo)，對大氣污染貢獻(xiàn)逐漸降低；NO2則一直維持在超標(biāo)水平，污染負(fù)荷保持在20%以下；CO近年來均未出現(xiàn)年均值超標(biāo)現(xiàn)象；O3日益成為影響全市空氣質(zhì)量的重要因素，研究時段內(nèi)O3污染程度逐年上升，已成為繼PM10與PM2.5之后，濟(jì)南市的又一項空氣污染影響因素。

表2 濟(jì)南市大氣主要污染物污染指數(shù)與負(fù)荷

3.2 空氣質(zhì)量變化趨勢分析

為精確表達(dá)新標(biāo)準(zhǔn)實施后濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量變化趨勢特征，利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析了2013—2018年濟(jì)南市各項污染物污染年度變化規(guī)律。如表3所示，PM10、PM2.5、SO2的Rs為負(fù)且置信水平大于99%，表明近6 a濟(jì)南市顆粒物、細(xì)顆粒物及二氧化硫污染呈顯著性下降趨勢，其中SO2自2014年后逐年達(dá)標(biāo)，其Rs最低，下降趨勢也最為明顯。NO2的Rs雖然為負(fù)，但其置信水平小于95%，呈不顯著下降趨勢；究其原因，新標(biāo)準(zhǔn)實施后，濟(jì)南市NO2年均濃度一直處于超標(biāo)狀態(tài)，雖然近年來NO2超標(biāo)倍數(shù)逐漸減小，但下降趨勢過緩，下降幅度不具備統(tǒng)計學(xué)意義。CO的Rs值為正，但置信水平小于95%，呈不顯著上升趨勢，這是由于CO逐年達(dá)標(biāo)，其改善空間較小，故變化幅度較弱。O3的Rs為正，置信水平大于95%，是全市主要污染物中唯一呈顯著上升趨勢的污染指標(biāo)，說明近年來濟(jì)南市O3污染已變得日益嚴(yán)重。綜上所述，新標(biāo)準(zhǔn)實施后，濟(jì)南市空氣環(huán)境質(zhì)量正逐步改善，但O3污染問題變得日益突出。

表3 Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

3.3 空氣污染的季節(jié)差異分析

前文中關(guān)于月、季污染變化分析表明，濟(jì)南市冬季污染最為嚴(yán)重，尤其體現(xiàn)在1月與12月，其次為春季、秋季，夏季空氣污染較弱。究其原因，冬季是北方地區(qū)采暖季，濟(jì)南市作為山東省會城市，其人口數(shù)量龐大、基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)達(dá)，冬季電力、熱力設(shè)施高負(fù)荷運(yùn)行，大量使用煤炭等化石燃料，導(dǎo)致大氣污染物排放劇增。同時，濟(jì)南市呈淺碟形地貌，污染物擴(kuò)散條件先天不足，而冬季平均風(fēng)速小，近地面易形成逆溫層[12]，更加劇了污染物累積，故而冬季大氣污染嚴(yán)重。春季氣溫回升迅速、氣候干燥，加之受冬季污染影響，沙塵、揚(yáng)塵以及煤煙塵等污染物滯留于近地面[13]，造成春季污染較為嚴(yán)重。而夏季作為全年空氣質(zhì)量最好的季節(jié)，主要是由于夏季濟(jì)南市進(jìn)入汛期，雨水增多，氣溫高、濕度大，不僅利于顆粒物沉降，更有效降低了逆溫層形成，為夏季空氣質(zhì)量改善提供了有利氣象條件。

3.4 主要污染物相關(guān)性分析

由表4可知，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO間均為正相關(guān)關(guān)系，O3與其他污染物間均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，各類污染物間相關(guān)性大多達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。PM10與PM2.5相關(guān)系數(shù)最高(0.928)，這是由于PM2.5是PM10的組成部分，二者具有同源性；此外，相關(guān)研究表明[14-15]，二者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，因此相關(guān)性最強(qiáng)。PM2.5與SO2、NO2為極顯著強(qiáng)相關(guān)關(guān)系(0.898、0.857，相關(guān)系數(shù)大于0.8)，這是由于SO2與NO2經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)形成的硝酸銨與硫酸銨等二次污染物是PM2.5的重要組成部分，故而其具有較強(qiáng)相關(guān)性。CO與PM2.5的相關(guān)性強(qiáng)于CO與其他污染物，或因尾氣排放是CO和PM2.5的共同來源，由于二者具有較強(qiáng)同源性所致。O3與PM2.5相關(guān)系數(shù)為-0.511，但不具備顯著性，二者間相關(guān)關(guān)系暫不明朗，已有研究表明[16-17]：由于氣象因素、太陽輻射及溫濕度等多方面因素造成O3與PM2.5之間的關(guān)系較為復(fù)雜。O3與NO2、CO表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)，究其原因，城市中的O3主要是通過NOx、CO、VOCs等在合適氣象條件下反應(yīng)生成的：晝間NOx與CO在太陽輻射與高溫下反應(yīng)轉(zhuǎn)換，為O3產(chǎn)生提供了有利條件；而夜間失去太陽輻射與溫度下降導(dǎo)致部分O3分解，為NOx與CO的產(chǎn)生與積累創(chuàng)造條件。

表4 主要污染物濃度相關(guān)性矩陣

注：*表示在置信度(雙側(cè))為0.01時，相關(guān)性為極顯著。

4 結(jié)論

基于新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實施后濟(jì)南市各時段大氣環(huán)境質(zhì)量及污染物變化趨勢分析，并結(jié)合趨勢檢驗、污染指數(shù)、污染貢獻(xiàn)、相關(guān)分析等數(shù)理統(tǒng)計研究，得出如下結(jié)論。

(1)自2013年濟(jì)南市實行新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后，全市主要污染物PM10、PM2.5濃度下降趨勢明顯，SO2濃度自2014年后逐年達(dá)標(biāo)，CO濃度保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，尤其是近3年間，全市無污染天數(shù)占50%左右，中度污染及以上低于17%，這充分說明濟(jì)南市環(huán)境空氣質(zhì)量正日益改善，大氣污染現(xiàn)象正不斷減少。

(2)從月、季變化分析來看，濟(jì)南市冬季大氣污染最為嚴(yán)重，尤其集中在12—1月。同時，受到冬季污染影響，加之市區(qū)呈淺碟形地貌不利大氣擴(kuò)散的先天條件，導(dǎo)致春季大氣污染較為明顯。但夏秋兩季全市空氣環(huán)境質(zhì)量較好。

(3)近年來，PM10、PM2.5、NO2等3項主要污染物雖得到有效控制，但仍處于超標(biāo)水平，其中PM10與PM2.5超標(biāo)0.5倍以上，NO2超標(biāo)0.15倍左右。尤其是，O3污染愈加嚴(yán)重，其污染分擔(dān)率已升高至20.42%(2018年)，成為當(dāng)前全市大氣污染的主要因素之一?？傮w來看，濟(jì)南市大氣環(huán)境污染特征表現(xiàn)為以PM10、PM2.5和O3污染為代表的復(fù)合型大氣污染。

(4)從相關(guān)性來看，正相關(guān)性最強(qiáng)的為PM10與PM2.5，這是由于二者的同源性以及可以相互轉(zhuǎn)化所致；其次PM2.5與SO2、NO2正相關(guān)性較強(qiáng)，這是由于SO2、NO2在光化學(xué)反應(yīng)下的產(chǎn)生物質(zhì)是PM2.5的重要組成部分。此外，O3與NO2、CO表現(xiàn)為較強(qiáng)的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于通過NO2轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的NOx與大氣中的CO在高溫輻射下影響著O3的生成與分解。