張?zhí)煲?，董羽吉，羅艾虎，宋文瑄，宋慧婷，李玉華

(湖北大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢430062)

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，一些大中型城市的大氣污染源和空氣污染物不斷增加，空氣污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，制約并沖擊著城市的可持續(xù)發(fā)展性.長期吸入污濁的空氣還會引發(fā)各種疾病[1].據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，中國每年因?yàn)槌鞘写髿馕廴締栴}而造成的呼吸系統(tǒng)門診病例高達(dá)35萬人，急診病例約680萬人，死亡人數(shù)高達(dá)17.8萬人，所造成的環(huán)境與健康損失占全年GDP的7%.大氣污染對人類健康的危害已成為影響人們生活質(zhì)量的重要因素之一[2].

本研究以湖北省代表城市的空氣質(zhì)量指數(shù)來分析污染物濃度水平得到時空變化規(guī)律，為揭示湖北省環(huán)境空氣的演變規(guī)律、控制空氣污染提供一定的理論依據(jù).

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

圖1 研究內(nèi)容區(qū)域布設(shè)

1.1 區(qū)域布設(shè)以省會城市武漢為中心輻射四個方位，選取襄陽市、宜昌市、咸寧市和黃岡市為代表，分析湖北省空氣質(zhì)量與時空變化規(guī)律，如圖1所示.武漢市位于湖北省東部、長江與漢水交匯處,地理位置為北緯29°58′～31°22′,東經(jīng)113°41′～115°05′；襄陽市位于湖北省西北部,東經(jīng)110°45′～113°43′,北緯31°14′～32°37′，南鄰宜昌市；宜昌市位于湖北省西南部地跨東經(jīng)110°15′～112°04′、北緯29°56′～31°34′；咸寧市位于湖北省東南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°06′～114°43′，北29°39′～30°02′；黃岡市位于湖北省東部，地理方位為：東經(jīng)114°25′～116°8′、北緯29°45′～31°35′.五市氣候特征均為亞熱帶季風(fēng)性氣候，常年雨量充沛.除宜昌市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)外，其余4個城市主導(dǎo)風(fēng)向均為北風(fēng)和偏北風(fēng).

1.2 數(shù)據(jù)獲取及其處理在我國，以空氣質(zhì)量日報(bào)為主要數(shù)據(jù)來源的空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，AQI)是研究城市大氣污染的重要數(shù)據(jù)來源[10].本研究分別從武漢市、黃岡市、宜昌市、襄陽市、咸寧市環(huán)保局環(huán)境空氣質(zhì)量月報(bào)獲取2018年3月到2019年2月的每日空氣質(zhì)量AQI 指數(shù)，與國家頒發(fā)的地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)進(jìn)行比較，得出各市每月的環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù).用ArcMap對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，分析城市空氣質(zhì)量變化與時空變化規(guī)律的關(guān)系.PM2.5濃度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)來自中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(www.aqistudy.cn).用Origin軟件線性擬合分析PM2.5濃度和溫度之間的關(guān)系.

2 湖北省五市空氣質(zhì)量時空變化特征

2.1 五市空氣質(zhì)量時間變化規(guī)律五市2018年3月至2019年2月份空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)如圖2所示，隨著季節(jié)變化，除了在六月份有一個轉(zhuǎn)折外，空氣質(zhì)量由春至夏逐漸變好，然后由夏至冬逐漸變差，由冬至春又會好轉(zhuǎn)，如圖3.其中一月份為環(huán)境空氣質(zhì)量最差的時間段，一月份空氣質(zhì)量嚴(yán)重下滑，宜昌市出現(xiàn)了最低點(diǎn)，空氣優(yōu)良天數(shù)為0天.

圖2 五市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)匯總

圖3 五市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)隨季節(jié)變化圖

冬季空氣質(zhì)量差與城市冬季供暖有關(guān).淮河是規(guī)定的供暖界限(淮河以北供暖，淮河以南不供暖)，淮北城市大量供暖會增加顆粒污染，同時北方的冬季十分干燥，有利于顆粒污染物的擴(kuò)散，因此北方冬季的霧霾情況總體上要比南方嚴(yán)重[11].湖北地處我國中部內(nèi)陸地區(qū)，且地勢較低，所以經(jīng)常會有北風(fēng)吹向湖北，也就會將北方的污染物帶來，武漢市無明顯主導(dǎo)風(fēng)向，境內(nèi)多為東北方向，黃岡市常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸狈?，襄陽市常年主?dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，咸寧市常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，這4個城市受北方供暖而導(dǎo)致的顆粒污染的影響較大[12].

秋冬季夜間地面溫度急劇降低，上層空氣降溫速度較慢，發(fā)生“逆溫”現(xiàn)象，這種下冷上熱的逆溫層結(jié)構(gòu)一旦形成，空氣無法上下對流，污染物很難擴(kuò)散[13].

其次，夏天較頻繁的降雨及大風(fēng)天氣，有利于空氣中PM2.5、NO2、SO2的擴(kuò)散和清除，因而一年中夏季的PM10、NO2、SO2等污染物濃度最低[14].而冬季氣團(tuán)干燥，空氣流動性差，降雨量少且持續(xù)時間較短，風(fēng)速和風(fēng)力較小，對空氣中污染物的沖刷效果不明顯，這也是導(dǎo)致冬季空氣質(zhì)量較差的原因之一[15].

還有一些非主要因素.如1月份過年時間市民燃放煙花爆竹導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降；春節(jié)期間市民回家過年客運(yùn)增多，汽車排放量增大導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量下降[16]等.同時2019年2月份和2018年12月份的環(huán)境空氣質(zhì)量水平也明顯低于一年內(nèi)的平均標(biāo)準(zhǔn)，推測是在春節(jié)附近時段因相同原因造成.

[6]韓慶祥、張艷濤：《馬克思是如何以哲學(xué)的方式解讀現(xiàn)實(shí)問題的：兼論當(dāng)代中國馬克思主義哲學(xué)的解讀方式》，《江海學(xué)刊》2008年第1期。

此外，2018年6月份5個城市的空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)數(shù)據(jù)也同時出現(xiàn)了一定幅度下跌的現(xiàn)象.推測其原因?yàn)?月份是夏收秋種的關(guān)鍵時節(jié)，所以農(nóng)民大部分會選擇在這個時間段燃燒秸稈，導(dǎo)致了6月份的空氣質(zhì)量較低[17].

2.2 五市空氣質(zhì)量空間變化分析

2.2.1 五市空氣質(zhì)量空間變化規(guī)律 五市冬季的12月、1月、2月是全年空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，將這三月的數(shù)據(jù)運(yùn)用ArcMap匯總于圖4，分析其空間分布規(guī)律.

圖4 五市優(yōu)良天數(shù)分布圖

由圖4可知，在12月、1月、2月這三個空氣質(zhì)量最差的月份里，襄陽市和宜昌市的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)低于武漢市、黃岡市和咸寧市.襄陽市地形為東低西高，由西北向東南傾斜.地理位置特殊，襄陽地處南襄盆地的南緣，是個低平缺口，東西向?qū)捈s300 km；南襄盆地北緣有方城缺口，是南襄盆地的通風(fēng)廊道，也是北方大氣污染物、沙塵擴(kuò)散南下的必經(jīng)之道.加之襄陽市常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，污染物在偏北風(fēng)的攜帶下在襄陽市擴(kuò)散、沉降，導(dǎo)致襄陽市空氣質(zhì)量在極短時間內(nèi)由良或輕度污染飆升至重度、嚴(yán)重污染.其中10月至次年3月，受北方冷高壓控制與影響，多刮偏北風(fēng)，而這較差的地形導(dǎo)致由北方城市供暖所造成的大氣污染物會隨著北風(fēng)而進(jìn)入襄陽市，進(jìn)而導(dǎo)致了較差的空氣質(zhì)量.與襄陽市情況相似的城市便是宜昌市了.宜昌城區(qū)位于長江河谷地帶，西北為高山和半高山，東南為丘陵和平原，兩岸為低山，宜昌盛行靜風(fēng)和東南風(fēng)，受西北高山和半高山阻礙，常年風(fēng)速較小，靜風(fēng)頻率高，導(dǎo)致擴(kuò)散條件不利[18].加上東部工業(yè)園區(qū)在城市上風(fēng)方向，細(xì)小顆粒、鹽類污染物和碳?xì)溆袡C(jī)污染物等非水成物氣溶膠容易自上風(fēng)方向流入后受阻易形成“霧霾”天氣.這是宜昌市冬季空氣質(zhì)量差的一個主要原因[19].

除去外部輸入以外，本地輸出也會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生較大影響.現(xiàn)有五市2014—2018年的GDP數(shù)據(jù)(中經(jīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)https://ceidata.cei.cn/jsps/Default?f=1)，和五市2018年能源消耗數(shù)據(jù)(五市各市政府的2018年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào))，制成表1、表2、圖5.

表1 五市2014—2018年GDP總額 千億元

表2 五市2018年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)能源消費(fèi)總量 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤

由表1、表2、圖5可以看出，咸寧市和黃岡市的能源消耗量和GDP明顯低于襄陽市和宜昌市，結(jié)合圖4，咸寧市和黃岡市的確是五市中空氣質(zhì)量較好的城市.將襄陽市和宜昌市與武漢市進(jìn)行對比，武漢市的GDP和能源消耗量遠(yuǎn)高于襄陽市和宜昌市，但是襄陽市和宜昌市的空氣質(zhì)量在冬季時的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)比武漢市差許多.可見本地輸出并非是襄陽市和宜昌市冬季空氣質(zhì)量差的主導(dǎo)因素，綜上主導(dǎo)因素應(yīng)是北方大量供暖以及常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)和較差的地理位置環(huán)境綜合所致.

將五市全年的數(shù)據(jù)用ArcMap匯總于圖6.武漢市的空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)只比襄陽市多，五市中排在倒數(shù)第二位，比宜昌市還要差.武漢市作為湖北省的省會，是湖北省發(fā)展最好也是最繁盛的城市，同時也是人口最多的幾個城市之一.同時武漢作為長江中游地區(qū)最重要的交通樞紐，城市內(nèi)部交通擁堵較嚴(yán)重，截至2018年2月底，武漢市機(jī)動車保有量283萬輛，2019年突破300萬輛大關(guān)幾無懸念，曾經(jīng)設(shè)計(jì)的230萬輛“保有量紅線”早被超越.因此汽車尾氣的污染也是武漢市空氣質(zhì)量較差的一個重要因素.

圖5 五市2014—2018年GDP總額

圖6 2018年3月—2019年2月五市月平均優(yōu)良天數(shù)分布圖

襄陽市和宜昌市空氣質(zhì)量較差和兩市城鎮(zhèn)迅速工業(yè)化也有較大關(guān)系.近些年，襄陽市工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，每年以30%以上的速度遞增.2008年，襄陽市工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量已突破千億元大關(guān)，規(guī)模以上企業(yè)突破一千家.2009年金融危機(jī)，襄陽市工業(yè)經(jīng)濟(jì)仍然保持快速增長的勢頭，全年實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值1 528億元，比2008年增長了40.2%；工業(yè)增加值461.5億元，比2008年增長27.6%[20].宜昌市近些年工業(yè)綜合實(shí)力也大幅提升.2005年宜昌市規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值556億元，2008年突破千億元大關(guān)，2010年實(shí)現(xiàn)兩年翻一番，達(dá)到2 218億元，是2005年的3.99倍，年均增長31.9%.2005年完成工業(yè)增加值247億元，2010年達(dá)到747.47億元，是2005的3.03倍，年均增長24.8%，占全市GDP比重由40.6%提高到48.3%.在整個“十二五”期間，宜昌經(jīng)濟(jì)總量翻番，規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值突破5 500億元，是“十一五”末的2.5倍.工業(yè)增加值增速高于全國、全省.

同樣從五市政府的2018年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)獲得的五市全年工業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)列于表3.從中可看出，工業(yè)產(chǎn)值相對高的城市，空氣質(zhì)量相對差.

表3 五市2018年規(guī)模以上工業(yè)主營業(yè)務(wù)收入 億元

從圖6中還可以看出，五市當(dāng)中湖北省的西部城市比東部城市的環(huán)境空氣優(yōu)良天數(shù)要少，環(huán)境空氣質(zhì)量要差.湖北省的西部城市更靠近于中國的內(nèi)陸地區(qū)，地勢更低，全宜昌市呈現(xiàn)出自西向東地勢逐漸下降的趨勢，襄陽市地形為東低西高，由西北向東南傾斜.如此低的地勢會受北方部分城市污染空氣的影響.同時由于地勢低和地處內(nèi)陸的原因，受污染的空氣易于沉積不易擴(kuò)散，加重空氣污染持續(xù)時間[21].

五市中處于北部的城市(武漢市、黃岡市、襄陽市)與處于南部的城市(宜昌市、咸寧市)相比較時發(fā)現(xiàn)，北部城市的空氣質(zhì)量要比南部城市的空氣質(zhì)量差.這里有一幅中國空氣AQI指數(shù)圖(http://www.air-level.com/)，如圖7，顏色越深A(yù)QI指數(shù)越高，污染越嚴(yán)重.從圖中我們可清晰地看出湖北省周邊省市空氣質(zhì)量最差的省份便是位于湖北省北方向的河北省、河南省、山西省、陜西省、山東省這五個省份.經(jīng)查證，全年以AQI指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，2018年全國空氣質(zhì)量最差的20個城市全部來自以上北方五省[22]，因此推測出湖北省北部城市空氣質(zhì)量比南部城市空氣質(zhì)量差的原因就是距離以上北方五省較近，由于空氣的流通性強(qiáng)，空氣質(zhì)量會受到它們的影響.而前文也曾提到，五市中有四個城市常年主導(dǎo)風(fēng)向都有偏北風(fēng)的情況，所以受到的影響可謂巨大[23].

圖7 2018年湖北省周邊省市空氣AQI指數(shù)圖

根據(jù)這樣的地理位置分布，推測五市中環(huán)境空氣質(zhì)量最好的應(yīng)該是地處湖北省西南角落的咸寧市了，與實(shí)際數(shù)據(jù)相符.生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了2019年3月份全國168個重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量排名，咸寧位居第13位，在“全國20個空氣質(zhì)量較好城市”中，咸寧是湖北省唯一入圍城市，當(dāng)然咸寧市的空氣質(zhì)量好也不全是地理位置的原因.空氣質(zhì)量的持續(xù)好轉(zhuǎn)，與咸寧市加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)部署密不可分.近些年來，咸寧市開展“三禁三治”專項(xiàng)行動，從源頭上減少大氣污染.咸寧市共有339臺20 t/h以下燃煤鍋爐全部淘汰或改造；同時出臺條例，城區(qū)禁止燃放煙花炮竹.咸寧市財(cái)政部門安排3 000多萬以獎代補(bǔ)資金，淘汰黃標(biāo)車及老舊車約3萬輛.咸寧市全市220座加油站進(jìn)行油氣回收改造.今年以來咸寧市持續(xù)加強(qiáng)環(huán)境生態(tài)監(jiān)測改善力度，陸續(xù)出臺一系列新的環(huán)保政策.針對煉油污染問題，咸寧市拆除關(guān)閉8家土法煉油企業(yè)；咸寧市生態(tài)環(huán)境局聯(lián)同咸寧市住建局防治建筑施工揚(yáng)塵；與此同時，咸寧市開展“綠滿鄂南”“精準(zhǔn)滅荒”“森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升”行動，全市新增8個九宮山大小(約196 km2)的森林面積，森林覆蓋率達(dá)50.44%，極大地改善了咸寧市空氣質(zhì)量.

2.2.2 五市東西部代表城市特征污染物分析 選取的五市被分為湖北省靠東一側(cè)(武漢市、黃岡市、咸寧市)和靠西一側(cè)(宜昌市、襄陽市).而由圖6可看出，在靠東側(cè)的三市中空氣質(zhì)量相對較差的是武漢市，靠西側(cè)兩市中空氣質(zhì)量相對較差的是襄陽市.所以本文以這兩個城市為代表分析它們的大氣特征污染物.武漢市的大氣特征污染物情況見表4，襄陽市的大氣特征污染物情況見表5.

由表4、表5可看出在武漢市和襄陽市，PM2.5作為首要污染物是天數(shù)最多的，兩個城市大氣污染問題最嚴(yán)重的是都是PM2.5污染.在這一方面五市東西部城市所表現(xiàn)的問題相同，目前污染問題最嚴(yán)峻的就是PM2.5污染.從中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺搜集了武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月PM2.5每日濃度數(shù)據(jù)，并作出月均濃度表如表6和月均濃度圖如圖8.

表4 武漢市2018年3月—2019年2月大氣特征污染物情況表

表5 襄陽市2018年3月—2019年2月大氣特征污染物情況表

由圖8我們可以看出PM2.5濃度是冬季(12—2月)>秋季(9—11月)>春季(3—5月)>夏季(6—8月).PM2.5就是細(xì)顆粒物，而供暖系統(tǒng)則排放出大量的細(xì)顆粒物.所以當(dāng)冬季氣溫降低，居民大量使用供暖系統(tǒng)時PM2.5濃度會顯著增加.與同樣為中部地區(qū)的省會城市長沙作比較，長沙市2013—2019年7年間同樣也是12月—次年2月PM2.5濃度明顯升高[24].在夏季，氣溫升高會促進(jìn)大氣環(huán)流，同時伴有光化學(xué)反應(yīng)，打破大氣原本的固有狀態(tài)，有利于PM2.5擴(kuò)散.從圖8～10可以明顯觀察到溫度對于PM2.5濃度的影響，隨著溫度的升高，PM2.5有著顯著下降的趨勢.圖10是PM2.5濃度與溫度的線性擬合曲線，其中R2>0.75證明線性擬合結(jié)果較好，兩組數(shù)據(jù)之間線性關(guān)聯(lián)較強(qiáng).同時夏季降雨較多，雨水的沖刷作用也會降低PM2.5濃度[25-26].而將武漢市與襄陽市的月均PM2.5濃度作比較，可以發(fā)現(xiàn)12月至次年3月份襄陽市PM2.5濃度明顯高于武漢市，其余時間襄陽市和武漢市PM2.5濃度相差無幾.這也是前文曾分析到的，襄陽市距離北方城市更近，且常年主導(dǎo)風(fēng)向有偏北風(fēng)，所以受到冬季北方供暖導(dǎo)致污染的影響更大，且地勢較低，污染物不易擴(kuò)散.

表6 武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月PM2.5月均濃度表 μg/m3

圖8 武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月PM2.5月均濃度圖

圖9 武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月月均溫度圖

圖10 PM2.5與溫度線性擬合

由表4、表5得出在2018年5月—9月這一段時間內(nèi)，武漢市和襄陽市主要的首要污染物為O3，地面O3的形成主要有兩大要素，一是由發(fā)電廠、機(jī)動車尾氣、燃煤鍋爐和涂料油漆排放出的NOX和TOC；二是夏季高溫居民會大量使用空調(diào)等制冷器，導(dǎo)致空氣中O3含量升高，同時發(fā)電廠的負(fù)荷加大，也會導(dǎo)致O3含量過高.7月、8月正值暑假，許多家庭會選擇出門旅游導(dǎo)致機(jī)動車尾氣排放增加，導(dǎo)致O3含量過高.將武漢市與襄陽市的O3日均值達(dá)標(biāo)率作對比，武漢市的月均O3日均值達(dá)標(biāo)率低于襄陽市(89.23%<92.83%).推測是由于武漢市作為湖北省省會城市，經(jīng)濟(jì)更加發(fā)達(dá)，人口密度大，使用空調(diào)的居民多，居民用電量大，機(jī)動車數(shù)量也多.

在2018年10月份，武漢市和襄陽市主要的首要污染物是O3和NO2.十月份的國慶小長假，大量市民會選擇出行旅游，因此會造成機(jī)動車排放污染物含量過高，導(dǎo)致了O3和NO2含量過高.武漢市的NO2日均值達(dá)標(biāo)率低于襄陽市，原因是武漢市車流量更大.

3 結(jié)論與展望

1)基于2018年3月—2019年2月AQI數(shù)據(jù)，分析了湖北省五市空氣質(zhì)量時空分布規(guī)律，其中，2018年7月空氣質(zhì)量最好，2019年1月空氣質(zhì)量最差.五市空氣質(zhì)量咸寧市最優(yōu)，襄陽市最差.其主要原因是北方供暖及偏北風(fēng)和地理位置綜合所致，次要原因?yàn)槌鞘泄I(yè)化建設(shè).

2)湖北省東西部代表城市武漢和襄陽的首要污染物均為PM2.5和O3，PM2.5濃度隨溫度升高而降低，PM2.5濃度按季節(jié)排序冬季>秋季>春季>夏季.

3)為積極響應(yīng)國家碳減排政策，政府應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)動車污染排放，大力開發(fā)、使用新型清潔能源汽車，在進(jìn)行工業(yè)開發(fā)的同時也應(yīng)注意“綠水青山”建設(shè)，積極響應(yīng)國家政策，營造良好生態(tài)文明環(huán)境，為緩解人類氣候危機(jī)作出貢獻(xiàn).