何立環(huán)，周 密，朱 余，孟曉艷，胡丹心，付 強(qiáng)，張鳳英

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 合肥 230071 3.廣東省廣州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510030

合肥市位于安徽省中部，是安徽省省會(huì)，長三角城市群副中心城市，國家重要的科研教育基地、現(xiàn)代制造業(yè)基地和綜合交通樞紐。自2000年起，合肥市迎來了城市快速擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，其中，2021年合肥市地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)位居全國大中城市第19位[1]。全市下轄四區(qū)、四縣和一個(gè)縣級(jí)市，其中，四區(qū)為瑤海區(qū)、蜀山區(qū)、廬陽區(qū)和包河區(qū)，四縣為肥東縣、肥西縣、長豐縣和廬江縣，縣級(jí)市為巢湖市。截至2019年，合肥市戶籍人口770.44萬人，常住人口818.9萬人[2]。很多學(xué)者對(duì)合肥市空氣質(zhì)量及其影響因素等開展了研究，研究主題包括污染物濃度變化、污染來源、污染物健康影響等[3-11]，但相關(guān)研究大多基于短時(shí)間序列或單個(gè)污染階段，有關(guān)合肥市長時(shí)間序列空氣質(zhì)量變化特征的研究仍未見報(bào)道。本文以合肥市為研究區(qū)域，分析了合肥市2001—2020年空氣質(zhì)量變化特征，以期為合肥市空氣污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)均來源于國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，具體為合肥市2001—2020年SO2、NO2和PM103項(xiàng)指標(biāo)，以及2013—2020年CO、O3(日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均值，O3-8 h)和PM2.53項(xiàng)指標(biāo)(合肥市自2013年1月1日開始監(jiān)測CO、O3和PM2.5)的年平均濃度、日平均濃度及部分時(shí)段的小時(shí)平均濃度。GDP相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《合肥市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[2]。

1.2 研究方法

本研究依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)等對(duì)合肥市空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過MATLAB、Origin、Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與結(jié)果展示。時(shí)間變化趨勢采用Mann-Kendall(M-K)時(shí)間趨勢檢驗(yàn)法進(jìn)行分析[12]，計(jì)算公式如下。

對(duì)于樣本個(gè)數(shù)為n的時(shí)間序列x，構(gòu)造秩序列：

(1)

ri取值如下：

(2)

可見，秩序列sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于第j時(shí)刻數(shù)值的個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

式中：UF1=0；E(sk)和var(sk)分別是sk的均值和方差。在x1、x2、…、xn相互獨(dú)立且具有相同連續(xù)分布時(shí)，可由公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按照時(shí)間序列(x1,x2,…,xn)計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)量序列。給定顯著性水平α=0.05，則信度線Uα=±1.96。如果|UFk|>|Uα|，則否定無趨勢的零假設(shè)，表明序列存在明顯的趨勢變化。若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢；若UFk<0，則表示呈下降趨勢。當(dāng)UFk超過臨界值時(shí)，表明序列上升或下降趨勢明顯。將時(shí)間逆序，即(xn,xn-1,…,x1)，再按照以上方法計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量UBk，并繪制UFk和UBk隨時(shí)間變化的M-K檢驗(yàn)圖。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)在信度線以內(nèi)，那么交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

2020年，合肥市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例為84.7%，SO2年均濃度為7 μg/m3，NO2年均濃度為39 μg/m3，PM10年均濃度為58 μg/m3，CO第95百分位濃度為1.1 mg/m3，O3-8 h第90百分位濃度為144 μg/m3，PM2.5年均濃度為36 μg/m3，其中PM2.5超標(biāo)，空氣質(zhì)量未達(dá)標(biāo)。從城市空氣質(zhì)量排名情況來看，合肥市在168個(gè)重點(diǎn)城市中排名第84位，處于中等水平；在337個(gè)地級(jí)及以上城市中排名第234位，低于全國平均水平。從污染物超標(biāo)率和首要污染物天數(shù)來看，O3、PM2.5、NO2的超標(biāo)率分別為4.9%、8.8%、3.0%，PM10、SO2和CO均未超標(biāo)；以O(shè)3為首要污染物的污染天數(shù)為18 d，以PM2.5為首要污染物的污染天數(shù)為30 d，以NO2為首要污染物的污染天數(shù)為5 d，以PM10為首要污染物的污染天數(shù)為3 d。

2.2 變化趨勢分析

2001—2020年，合肥市SO2、NO2、PM10的日濃度范圍分別為1～119 μg/m3、2～144 μg/m3、5～1 202 μg/m3，其中，PM10的日濃度變化幅度較大，最高值約為最低值的240倍。2013—2020年，CO、O3-8 h、PM2.5的日濃度范圍分別為0.2～2.7 mg/m3、4～241 μg/m3、6～372 μg/m3，其中，PM2.5的日濃度變化幅度最大，最高值為最低值的62倍。

從日濃度達(dá)標(biāo)情況來看，2006—2014年部分時(shí)段的SO2日濃度處于二級(jí)空氣質(zhì)量水平，其余年份的SO2日濃度均達(dá)到一級(jí)空氣質(zhì)量水平。自2016年起，NO2超標(biāo)天數(shù)逐漸增多。2001—2014年，PM10污染天數(shù)較多；2015—2020年，PM10污染天數(shù)逐年減少。2014—2020年，PM2.5污染天數(shù)逐年減少。CO日濃度在0.8 mg/m3附近波動(dòng)，未出現(xiàn)超標(biāo)情況。2014年以來，O3污染天數(shù)逐年增加，年內(nèi)O3-8 h的最高值逐年升高，O3污染程度明顯加重。

合肥市主要大氣污染物的日濃度變化趨勢見圖1和圖2。其中：SO2和顆粒物的日濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，均表現(xiàn)為明顯的“U”形分布，即冬春季節(jié)高、夏秋季節(jié)低；O3則表現(xiàn)出相反的變化趨勢，冬春季節(jié)低、夏秋季節(jié)高；NO2與CO表現(xiàn)為春夏季節(jié)低、秋冬季節(jié)高。

圖1 合肥市2001—2020年SO2、NO2和PM10濃度變化趨勢Fig.1 Variation trends of SO2,NO2 and PM10concentrations in Hefei from 2001 to 2020

利用M-K時(shí)間趨勢檢驗(yàn)法對(duì)合肥市2001—2020年SO2、NO2、PM10，以及2013—2020年CO、O3、PM2.5的年平均濃度進(jìn)行時(shí)間趨勢和可能突變年份分析(圖3、圖4、圖5)。結(jié)果顯示，2001—2020年，合肥市SO2年平均濃度為(15.94±5.84) μg/m3，年平均增長率為-2.8%。其中：2001年SO2年平均濃度為11.50 μg/m3，并在2006年之前呈現(xiàn)上升趨勢(UFk>0)；2007—2014年，SO2年平均濃度整體呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢，在(21.29±1.49) μg/m3范圍內(nèi)變化；自2015年開始，合肥市SO2年平均濃度呈現(xiàn)下降趨勢，尤其是在2017—2020年，下降趨勢明顯(UFk<0)。從季節(jié)變化來看，合肥市大氣SO2濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異：夏季[(10.16±4.53) μg/m3]<秋季[(15.20±7.10) μg/m3]<春季[(15.65±7.05) μg/m3]<冬季[(22.76±12.99) μg/m3]。分析其原因：冬季能耗增加，再加上氣象因素的影響，使得冬季SO2濃度偏高；夏季氣溫較高，降水較多，加劇了天氣擾動(dòng)及SO2的濕沉降，使得夏季SO2濃度最低。SO2濃度的頻次分布總體呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布特征，其中最大頻次對(duì)應(yīng)的濃度表示在該地區(qū)大氣條件下最具代表性的濃度。圖4顯示，合肥市冬季SO2濃度的分布范圍比其他季節(jié)要廣，且有較高的尾端；夏季分布最為集中，大多低于20 μg/m3。而在月際變化上，SO2濃度在2006—2013年變化明顯。

圖2 合肥市2013—2020年CO、O3、PM2.5濃度變化趨勢Fig.2 Variation trends of CO,O3 and PM2.5concentrations in Hefei from 2013 to 2020

注：虛線為α=0.05顯著水平下，Uα = ±1.96。圖3 合肥市2001—2020年SO2、NO2、PM10及2013—2020年CO、O3、PM2.5濃度M-K趨勢分析結(jié)果Fig.3 M-K results on concentration variation trends of SO2,NO2,PM10from 2001 to 2020,and CO,O3,PM2.5 from 2013 to 2020 in Hefei

圖4 合肥市2001—2020年SO2、NO2、PM10濃度在不同季節(jié)的頻次分布Fig.4 Frequency distribution of SO2,NO2 and PM10 in different seasons in Hefei from 2001 to 2020

圖5 合肥市2013—2020年CO、O3、PM2.5濃度在不同季節(jié)的頻次分布Fig.5 Frequency distribution of CO,O3 and PM2.5 in different seasons in Hefei from 2013 to 2020

2001—2020年，合肥市NO2年平均濃度為(31.16±7.40) μg/m3，年平均增長率為1.03%。雖然NO2年平均濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢，但是上升幅度并不明顯。2001—2009年，NO2年平均濃度呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(UFk<0)；2010—2020年，NO2濃度呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢。從季節(jié)變化來看，NO2濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異：夏季[(21.44±6.13) μg/m3]<春季[(30.94±10.50) μg/m3]<秋季[(34.81±11.62) μg/m3]<冬季[(37.46±12.30) μg/m3]。

2001—2020年，合肥市PM10年平均濃度為(98.37±19.92) μg/m3，年平均增長率為-3.6%。整體上，PM10濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。最大值出現(xiàn)在2008年，為134.23 μg/m3；最小值出現(xiàn)在2020年，為54.10 μg/m3。2001—2008年，合肥市PM10年平均濃度呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，UFk也呈現(xiàn)波動(dòng)變化的趨勢；2009—2020年，PM10濃度呈現(xiàn)波動(dòng)下降的變化趨勢，尤其是在2015—2020年，幾乎呈直線下降趨勢。在季節(jié)變化上，PM10濃度也呈現(xiàn)夏季[(74.60±21.60) μg/m3]<秋季[(104.54±32.31) μg/m3]<春季[(104.97±27.16) μg/m3]<冬季[(109.37±27.30)μg/m3]的季節(jié)特征。在月際變化上，PM10并沒有表現(xiàn)出明顯的階段性特征。

合肥市2013—2020年CO、O3、PM2.5年平均濃度分別為(0.82±0.09) mg/m3、(78.05±18.98) μg/m3、(57.39±15.66) μg/m3，年平均增長率分別為-2.37%、5.96%、-11.46%。CO年平均濃度呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，峰值出現(xiàn)在2015年，為0.96 mg/m3。在季節(jié)變化上，CO濃度呈現(xiàn)出夏季[(0.69±0.14) mg/m3]<春季[(0.76±0.11) mg/m3]<秋季[(0.82±0.15) mg/m3]<冬季[(1.02±0.19) mg/m3]的季節(jié)特征。在月際變化上，CO濃度在1月的下降趨勢比7—8月更為明顯。O3年平均濃度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，最小值出現(xiàn)在2014年，為44.49 μg/m3。在季節(jié)變化上，O3平均濃度表現(xiàn)為冬季[(48.49±13.41) μg/m3]<秋季[(74.85±30.59) μg/m3]<春季[(88.37±29.66) μg/m3]<夏季[(100.51±28.36) μg/m3]。春季，太陽輻射逐漸增強(qiáng)，日照時(shí)長逐漸增多，氣溫逐漸升高，受平流層O3向下輸送、區(qū)域性大范圍傳輸及近地面光化學(xué)反應(yīng)較強(qiáng)等因素的影響，O3濃度相對(duì)較高；夏季，白天光照時(shí)間長，受強(qiáng)輻射、高溫等氣象因素的影響，大氣化學(xué)反應(yīng)活躍，光化學(xué)反應(yīng)迅速，O3持續(xù)積累，O3濃度較高；秋冬季，溫度、太陽輻射強(qiáng)度及日照時(shí)長均明顯降低，氣象條件逐漸不利于O3的生成，O3濃度較低。PM2.5年平均濃度幾乎呈直線下降趨勢，2013—2020年UFk始終小于0。在月際變化上，相比夏季的7—8月，處于冬季的12月、1月的PM2.5濃度下降更為顯著。

2.3 污染物濃度與經(jīng)濟(jì)發(fā)展

合肥市SO2、NO2、PM10年均濃度和GDP變化趨勢見圖6。從年際變化來看，SO2濃度呈先上升后逐漸下降的變化趨勢，2006—2014年是SO2年均值相對(duì)較高的階段，其中，2006年最高，其次是2014年。研究期間，合肥市SO2年均濃度均未超標(biāo)。NO2濃度在2001—2014年呈波動(dòng)變化趨勢，年均濃度為17～39 μg/m3；在2015—2019年總體表現(xiàn)為上升趨勢，其中，2016—2019年NO2年均濃度超標(biāo)。伴隨城市化進(jìn)程的加快，汽車保有量增大成為城市空氣NO2濃度升高的重要原因之一。PM10年均濃度自2001年起逐年上升，在2008年升至最高，為134 μg/m3；此后逐漸下降，2014年以后下降幅度較大，由113 μg/m3下降至68 μg/m3。這說明相關(guān)部門采取的一系列治理措施，對(duì)SO2、PM10等污染物的控制有明顯的正向作用。

圖6 合肥市SO2、NO2和PM10年平均濃度及GDP變化Fig.6 Changes in GDP and annual average concentration of SO2,NO2,PM10,in Hefei

從SO2、NO2、PM10年均濃度與合肥市GDP的關(guān)聯(lián)來看，2001—2007年，PM10濃度隨著GDP的增長呈上升趨勢；2008—2012年，PM10濃度呈波動(dòng)變化；2013—2019年，PM10濃度隨GDP的增加呈明顯下降趨勢。2001—2007年，NO2濃度隨GDP的增加在25 μg/m3附近呈波動(dòng)變化趨勢；2008—2019年，NO2濃度隨GDP的增加呈上升趨勢，并在2016—2019年超過空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值(40 μg/m3)。2001—2007年，SO2濃度隨GDP的增加呈上升趨勢；2008—2013年為持平階段；2014年以后，SO2年均濃度隨GDP的增加逐年下降。

2.4 空間分布

因合肥市SO2和CO濃度相對(duì)較低，故僅對(duì)合肥市10個(gè)國控空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5、O3、PM10和NO24項(xiàng)污染物的2020年平均濃度進(jìn)行分析，其中，O3年平均濃度為日最大小時(shí)濃度均值，結(jié)果見圖7。從顆粒物年均濃度來看，10個(gè)站點(diǎn)的PM10年均濃度均達(dá)標(biāo)，5個(gè)站點(diǎn)的PM2.5年均濃度超標(biāo),顆粒物濃度高值區(qū)主要包括廬陽、瑤海、包河、三里街、明珠廣場等。上述站點(diǎn)均靠近城市中心，人口密度和路網(wǎng)密度較高，因此，其顆粒物濃度相對(duì)較高。對(duì)照點(diǎn)董鋪水庫離市中心有一定距離，污染物擴(kuò)散條件相對(duì)較好，顆粒物濃度相對(duì)較低。從NO2年均濃度空間分布來看，各站點(diǎn)的年均濃度大小排序?yàn)榘訁^(qū)>三里街≈廬陽區(qū)>明珠廣場>長江中路=瑤海區(qū)=濱湖新區(qū)>琥珀山莊=高新區(qū)>董鋪水庫，其中，包河區(qū)、三里街和廬陽區(qū)NO2年均濃度均超標(biāo)，且均約為對(duì)照點(diǎn)董鋪水庫的1.6倍，屬于污染中心。上述3個(gè)點(diǎn)位NO2污染水平較高，主要是受交通路網(wǎng)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)分布的影響。各站點(diǎn)的O3年均濃度大小排序?yàn)槎佀畮?高新區(qū)≈長江中路≈瑤海區(qū)≈琥珀山莊≈濱湖新區(qū)>明珠廣場>廬陽區(qū)>包河區(qū)≈三里街，其中，董鋪水庫的高濃度O3可能與植物源VOCs排放，以及周圍長豐縣雙鳳工業(yè)園、崗集工業(yè)基地等的污染排放有關(guān)。

圖7 合肥市不同區(qū)域主要污染物年均濃度Fig.7 Annual average concentration of PM2.5,O3,PM10 andNO2 in different areas of Hefei

3 結(jié)論

1)2001—2020年，合肥市SO2和PM10濃度呈先上升后下降的變化趨勢，NO2濃度呈先波動(dòng)下降后波動(dòng)上升的變化趨勢。

2)2014—2020年，合肥市6項(xiàng)主要空氣污染物中，PM10、PM2.5、CO和SO2年均濃度呈逐年下降趨勢，但NO2和O3濃度呈逐年上升趨勢，出現(xiàn)了NO2和O3超標(biāo)情況。合肥市O3污染程度逐年加重，O3濃度不斷升高，O3污染天數(shù)也不斷增多，O3已成為合肥市夏秋季節(jié)的主要空氣污染物。

3)合肥市SO2和顆粒物濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，冬春季節(jié)高、夏秋季節(jié)低；NO2和CO濃度表現(xiàn)為秋冬季節(jié)高、春夏季節(jié)低；O3濃度則表現(xiàn)為冬春季節(jié)低、夏秋季節(jié)高。

4)從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與空氣污染物濃度變化情況來看，2001—2020年，PM10濃度隨合肥市GDP的增長呈升高—波動(dòng)變化—逐年下降的變化趨勢，反映出經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平升高到一定程度后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境質(zhì)量改善的正向作用。