鄭 瑤，李紅亮，邢 昱，吉宏坤 ，唐 敏

(1. 河南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和安全中心，鄭州 450046；2.河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450046)

引 言

近年來(lái)，氣溶膠顆粒物已成為影響我國(guó)城市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要大氣污染物，尤其是粒徑較小但健康危害較大的細(xì)顆粒物[1～4]。因此，開(kāi)展大氣污染監(jiān)測(cè)與治理工作具有重要意義[5～7]。2012年，國(guó)務(wù)院頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095-2012，首次將 PM2.5濃度監(jiān)測(cè)納入常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系。2013年，國(guó)務(wù)院實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，為重點(diǎn)區(qū)域和城市的空氣質(zhì)量改善提出了詳細(xì)要求[8]。自2013年起，我國(guó)逐步建設(shè)和完善國(guó)家層面的地基環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，旨在對(duì)六類(lèi)主要大氣污染物(PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO)濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，迄今為止積累了大量的長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為探究大氣污染物的時(shí)空變化趨勢(shì)及分異規(guī)律提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[9-10]。河南省作為我國(guó)中部大省，毗鄰空氣污染較為嚴(yán)重的京津冀地區(qū)，分析其近年來(lái)大氣污染態(tài)勢(shì)，尤其是大氣顆粒物和臭氧污染的時(shí)空交互規(guī)律及變化成因，將對(duì)后期進(jìn)一步制定合理的空氣污染防治措施具有重要意義。

李靈等人[11]提出了利用空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)我國(guó)大氣污染進(jìn)行時(shí)空趨勢(shì)分析的科學(xué)性和必要性，較于衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，地面站點(diǎn)可以進(jìn)行高時(shí)頻的連續(xù)觀測(cè)，且不受云雨等不良天氣狀況的影響，對(duì)于分析大氣污染的日變化規(guī)律和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)具有重要作用。伯鑫等人[12]指出，河南省毗鄰京津冀地區(qū)，通過(guò)站點(diǎn)聯(lián)動(dòng)觀測(cè)可以分析大氣污染物在空間上的傳輸規(guī)律，異地源的防控與本地源的治理同等重要。隨著一系列減排措施的實(shí)施，近年來(lái)我國(guó)已在大氣污染治理方面取得了頗為顯著的成效，大氣灰霾污染狀況整體改善明顯[13-14]。然而，我國(guó)大氣污染物濃度變化的時(shí)空分異態(tài)勢(shì)仍較為明顯，且成因規(guī)律尚未完全厘清，尤其是隨著灰霾污染的改善，大氣臭氧污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻。另外，大多數(shù)歷史研究主要圍繞PM2.5污染時(shí)空變化規(guī)律，較少分析PM2.5和臭氧污染的協(xié)同變化特征。因此，本文以河南省為研究區(qū)，分析該省2015～2020年P(guān)M2.5，PM10與臭氧三種污染物間的協(xié)同變化規(guī)律，以此為河南省后續(xù)大氣污染綜合防治提供理論參考。

1 材料與方法

為有效揭示河南省近 6 年大氣顆粒物和近地面臭氧濃度的時(shí)空變化特征及其影響因素，本文利用河南省國(guó)家城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)控站)實(shí)測(cè)顆粒物和臭氧濃度時(shí)間序列數(shù)據(jù)，通過(guò)開(kāi)展趨勢(shì)分析以及多元統(tǒng)計(jì)建模，量化PM2.5、PM10和O3濃度的變化趨勢(shì)及其與氣象條件和排放因子的關(guān)聯(lián)，定量揭示影響河南省空氣質(zhì)量變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。本研究使用的主要數(shù)據(jù)和研究方法介紹如下。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 空氣污染物濃度數(shù)據(jù)

鑒于河南省近年來(lái)首要空氣污染物主要為大氣顆粒物(秋冬季)和近地面臭氧(夏季)，故選擇PM2.5、PM10和O3作為本文的研究對(duì)象。具體數(shù)據(jù)源為2015～2020年河南省17個(gè)城市75個(gè)具有長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的國(guó)控站PM2.5、PM10和O3濃度數(shù)據(jù)。75個(gè)國(guó)控站的空間分布如圖1所示，由圖可見(jiàn)，國(guó)控站點(diǎn)主要布設(shè)在各城市的主城區(qū)等人口較為稠密的區(qū)域。

圖1 河南省國(guó)控城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分布Fig.1 Spatial distribution of state-controlled ambient air quality monitoring stations in Henan province.

1.1.2 氣象數(shù)據(jù)

為量化氣象條件對(duì)大氣顆粒物和近地面臭氧濃度的影響，本研究使用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的第五代全球大氣氣候再分析資料(ERA-5)，具體參數(shù)包括：相對(duì)濕度(RH，%)、近地面2m氣溫(T2m，K)、近地面10m風(fēng)速(WS，m/s)、大氣邊界層高度(BLH，m)、和表面氣壓(SP，Pa)和紫外輻射(UV，J/m2)。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率約為30km (0.25°× 0.25°)，時(shí)間分辨率為 3 小時(shí)。

1.1.3 氣溶膠組分?jǐn)?shù)據(jù)

為有效量化氣象條件和人為排放對(duì)大氣污染物的影響，本研究使用了美國(guó)宇航局全球模擬和同化辦公室(Global Modeling and Assimilation Office，GMAO)發(fā)布的新版MERRA-2大氣成分再分析數(shù)據(jù)集[15]，具體指標(biāo)包括：氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)、黑碳(BC)、有機(jī)碳(OC)、沙塵(DUST)和硫酸鹽(SO4)。該產(chǎn)品的空間分辨率約為60 km (0.5°× 0.625°)，時(shí)間分辨率可達(dá) 1 小時(shí)。

1.2 方法

1.2.1 大氣污染物濃度數(shù)據(jù)預(yù)處理

為統(tǒng)計(jì)河南省各國(guó)控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的大氣污染物濃度超標(biāo)情況，本文采用《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095-2012規(guī)定的方法分別計(jì)算PM2.5、PM10和O3的日均濃度值，其中要求PM2.5和PM10日均濃度值至少有20個(gè)有效小時(shí)濃度值參與計(jì)算，O3為日最大8小時(shí)平均，至少有6個(gè)有效小時(shí)濃度值參與計(jì)算。現(xiàn)行三類(lèi)大氣污染物濃度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下表所示，其中當(dāng)日均濃度值超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即定義為超標(biāo)。

表 主要大氣污染物濃度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab. Air quality classification criteria for major air pollutants

1.2.2 主成分分析

主成分分析(Principal components analysis，PCA)是一種高效的數(shù)據(jù)降維方法，其利用正交分解對(duì)原始觀測(cè)值進(jìn)行線(xiàn)性變換，從而保留數(shù)據(jù)集中方差貢獻(xiàn)最大的特征，這些不相關(guān)的特征則稱(chēng)為主成分。首先，將河南省所有國(guó)控站點(diǎn)實(shí)測(cè)污染物濃度數(shù)據(jù)排列成 24×N 的矩陣，N 表示各個(gè)季節(jié)的觀測(cè)記錄，然后對(duì)該矩陣開(kāi)展奇異值分解，進(jìn)而計(jì)算其第一主成分，實(shí)現(xiàn)河南省不同季節(jié)的大氣污染物濃度日變化特征主模態(tài)的提取。該分析旨在揭示大氣污染物濃度的 24小時(shí)變化情況[16-17]。

1.2.3 線(xiàn)性混合效應(yīng)模型

普通線(xiàn)性回歸包含兩項(xiàng)影響因素，即固定效應(yīng)和噪聲。固定效應(yīng)是那些可被預(yù)測(cè)的因素，噪聲是模型中沒(méi)有考慮的隨機(jī)因素。混合模型中包括了固定效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)，而隨機(jī)效應(yīng)有兩種方式來(lái)影響模型，一種是對(duì)截距影響，一種是對(duì)某個(gè)固定效應(yīng)的斜率影響，此類(lèi)模型亦稱(chēng)方差分量模型[18～20]。本文分別建立了PM2.5、PM10和O3濃度的線(xiàn)性混合效應(yīng)模型，以量化各影響因素的潛在貢獻(xiàn)。由于本研究重點(diǎn)關(guān)注各因子對(duì)上述污染物的長(zhǎng)期趨勢(shì)影響，故各變量在參與計(jì)算時(shí)需要去除其季節(jié)性周期，僅保留殘差項(xiàng)進(jìn)行建模分析。各模型表示如下：

PM2.5～SO2+NO2+AOD+BC+OC+DUST+SO4+BLH+WS+T2m+SP+RH+(BLH+WS+T2m|month)

(1)

PM10～SO2+NO2+AOD+BC+OC+DUST+SO4+BLH+WS+T2m+SP+RH+(BLH+WS+T2m|month)

(2)

O3～SO2+NO2+AOD+BC+OC+DUST+SO4+BLH+WS+T2m+SP+RH+(BLH+WS+T2m|month)

(3)

各變量的相對(duì)貢獻(xiàn)可由公式(4)計(jì)算得到：

(4)

其中SSR表示回歸平方和，為原始全變量模型的回歸平方和，為不考慮變量時(shí)所得到的回歸平方和。

2 結(jié)果分析

2.1 河南省大氣污染總體態(tài)勢(shì)

圖2為2015～2020年河南省主要大氣污染物濃度對(duì)應(yīng)的分級(jí)統(tǒng)計(jì)，其中分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。由圖可知，PM2.5污染等級(jí)為一級(jí)的占比逐年增高，并在2019年首次超過(guò)二級(jí)占比，且污染等級(jí)三級(jí)以上的污染天數(shù)顯著降低。與之類(lèi)似，PM10污染等級(jí)為一級(jí)的占比同樣在逐年增高，但總體趨勢(shì)不如PM2.5明顯，且二級(jí)水平占比始終處于高位(超過(guò)50%)；三級(jí)以上的污染天數(shù)也有明顯減少，2020年基本未發(fā)生四級(jí)以上的嚴(yán)重PM10污染事件。上述結(jié)果客觀證實(shí)近年來(lái)河南省大氣顆粒物污染顯著降低，尤其是 PM2.5主導(dǎo)的灰霾污染改善最為顯著。然而，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示河南省近地面O3污染等級(jí)為一級(jí)的占比總體呈逐年下降的趨勢(shì)，僅在2018年后有微弱抬升；三級(jí)以上嚴(yán)重污染情況在2019年前表現(xiàn)為逐年加劇，僅2020年維持在較低水平。造成上述現(xiàn)象的原因可能與 2020 年受 COVID-19 疫情影響，人為排放整體較低有關(guān)。

圖2 2015～2020年河南省主要大氣污染物濃度等級(jí)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Concentration levels of major air pollutants in Henan province during 2015～2020

圖3進(jìn)一步分析了3種主要大氣污染物的月均濃度變化情況。由圖可知，季節(jié)尺度上，河南省大氣顆粒物(PM2.5和 PM10)濃度表現(xiàn)為秋冬高、夏季低的分布特征，與我國(guó)北部區(qū)域(如京津冀)的顆粒物濃度季節(jié)分布特征相似。該季節(jié)變化特征主要與我國(guó)北方地區(qū)秋冬季大量取暖燃煤(或生物質(zhì)燃燒)以及不利的氣象擴(kuò)散條件(如逆溫)密切相關(guān)[21～23]。對(duì)比年際變化可以發(fā)現(xiàn)，PM2.5和 PM10污染在逐年遞減，其中PM2.5濃度在5～10月下降更為明顯，而在冬季12～2月下降趨勢(shì)并不穩(wěn)定，同樣的規(guī)律在PM10污染上也有發(fā)現(xiàn)。相反，近地面O3污染主要出現(xiàn)在夏季，尤以 6 月為甚，該現(xiàn)象主要與O3污染為光化學(xué)反應(yīng)，除污染前體物濃度外，與溫度緊密相關(guān)[24-25]。年際變化上，月均濃度在1～5月逐年上升，6～8月的峰值出現(xiàn)在2017～2018年，9～12月的變化較不穩(wěn)定，但仍有加強(qiáng)的趨勢(shì)?？傮w而言，與周邊其他省份如河北、山東和安徽一致，河南省3種主要大氣污染物濃度在季節(jié)尺度上存在顯著季節(jié)分異，即顆粒物濃度秋冬季高，近地面臭氧濃度高值主要出現(xiàn)在夏季。

圖3 2015～2020年河南省主要大氣污染物月均濃度變化情況Fig.3 Monthly variations of major air pollutants in Henan province from 2015 to 2020

為宏觀地揭示河南省3種主要大氣污染物的總體變化態(tài)勢(shì)，圖4統(tǒng)計(jì)了不同年份3種大氣污染物的平均超標(biāo)天數(shù)，其中超過(guò)二級(jí)限度限值即為超標(biāo)(PM2.5—75 μg/m3；PM10—150 μg/m3；O3—160 μg/m3)。由圖4可知，PM2.5和PM10污染超標(biāo)情況有明顯的改善，年均PM2.5超標(biāo)天數(shù)分別從 100 天降至 46 天，PM10超標(biāo)天數(shù)由 79 天降至 21 天。相反，年均O3超標(biāo)天數(shù)由2015 年的年均 85 天上升至2020 年的 118 天。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果客觀證實(shí)了河南省大氣細(xì)顆粒物污染的治理工作已取得顯著成效，取而代之的則是近地面O3污染的逐年加重。因此，近地面O3污染將是后續(xù)影響河南省空氣質(zhì)量的重要污染物，開(kāi)展近地面 O3污染防治勢(shì)在必行。

圖4 2015～2020年河南省主要大氣污染物超標(biāo)天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Number of days with PM2.5，PM10，and O3 exceeding the air quality standard in Henan province from 2015 to 2020

2.2 污染物濃度時(shí)空變化趨勢(shì)

圖5為河南省2015～2020年3種主要大氣污染物年均濃度的空間分布。結(jié)果顯示，大氣顆粒物污染的空間分布呈現(xiàn)出明顯的北高南低的趨勢(shì)。造成該空間分布特征的主要原因在于除了自身排放原因，河南北部太行山脈的阻隔造成河南西北部地區(qū)易形成不利于污染物擴(kuò)散的靜穩(wěn)天氣，使得顆粒物集聚，進(jìn)而導(dǎo)致污染濃度較高。盡管如此，PM2.5和 PM10濃度的年際變化仍清楚揭示了河南省顆粒物污染逐年緩解的特征，尤其是 PM2.5濃度，在 2017 年后顯著降低。對(duì)于近地面 O3污染，其在早期階段主要分布在河南中部地區(qū)，但隨著時(shí)間推移逐步擴(kuò)散到河南全境，尤其是 2017～2019 年間，全省都存在較為嚴(yán)重的近地面O3污染，但2020年有所降低。

圖5 河南省2015～2020年大氣污染物年均濃度空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual mean concentrations of PM2.5，PM10，and O3 in Henan province from 2015 to 2020

為進(jìn)一步揭示3種污染物的總體變化態(tài)勢(shì)，本文利用線(xiàn)性擬合方法計(jì)算了各市污染物濃度的線(xiàn)性趨勢(shì)。圖6為各市3種大氣污染物濃度的線(xiàn)性變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示PM2.5濃度在鄭州市、焦作市和新鄉(xiāng)市下降趨勢(shì)最為顯著，PM10濃度在鄭州市和新鄉(xiāng)市下降趨勢(shì)明顯；O3濃度在安陽(yáng)市和開(kāi)封市則呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)較，鄭州市、焦作市、新鄉(xiāng)市和周口市次之?？臻g尺度上，無(wú)論是大氣顆粒物濃度的下降趨勢(shì)，還是近地面O3的上升趨勢(shì)，河南省北部區(qū)域都要強(qiáng)于南部地區(qū)，造成該空間分異的原因可能與地形和局部氣候條件有關(guān)。

圖6 河南省各市主要大氣污染物濃度變化趨勢(shì)Fig.6 Variation Trend of PM2.5，PM10，and O3 concentrations in Henan province from 2015 to 2020

圖7揭示了河南省3種大氣污染物濃度在不同季節(jié)的主要日變化特征。由圖7可知，PM10和PM2.5濃度日變化特征較為類(lèi)似，日間局部高值出現(xiàn)在上午9：00～11：00左右，夜間高值主要出現(xiàn)在22：00左右，且在季節(jié)上無(wú)顯著差異。相反，近地面O3濃度的峰值出現(xiàn)在下午15：00～17：00左右，且夏季的日變化幅度要強(qiáng)于其他三個(gè)季節(jié)，冬季變化幅度最小。總體而言，PM2.5和 PM10的日變化特征主要受人類(lèi)活動(dòng)造成的直接排放以及大氣邊界層高度控制，而近地面O3濃度的日變化特征除了受前體污染物濃度控制外，還與溫度和紫外輻射強(qiáng)度密切相關(guān)?？傮w而言，揭示大氣污染物濃度的日變化特征將有助于開(kāi)展大氣污染精細(xì)化治理，如可在高峰時(shí)段采取車(chē)輛限行、人工灑水除塵、降溫等一系列操作來(lái)降低相關(guān)大氣污染物濃度。

圖7 河南省 PM2.5，PM10 和近地面 O3濃度在不同季節(jié)的日變化特征Fig.7 Diurnal variation characteristics of PM2.5，PM10，and near-surface O3 concentrations in different seasons in Henan province from 2015 to 2020

2.3 區(qū)域大氣污染歸因分析

為探究影響上述3種主要大氣污染物濃度變異的驅(qū)動(dòng)因素，尤其是人為排放和氣象條件對(duì)三類(lèi)大氣污染物濃度的影響，本文通過(guò)建立各大氣污染物的線(xiàn)性混合效應(yīng)模型并開(kāi)展敏感性分析來(lái)量化各變量在模型中的相對(duì)貢獻(xiàn)。其中，正貢獻(xiàn)表示該變量對(duì)污染物濃度的趨勢(shì)有促進(jìn)作用，反之，負(fù)貢獻(xiàn)則表示該變量對(duì)污染物濃度的趨勢(shì)有抑制作用。相關(guān)結(jié)果如圖8所示，由圖可知，SO2和NO2是主導(dǎo)河南省大氣顆粒物濃度變化的首要因素，且二者都表現(xiàn)出顯著的正貢獻(xiàn)。由前文可知，河南省 PM2.5和 PM10在過(guò)去六年中都呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)(圖 4)，即該省SO2和NO2濃度的變化是造成PM2.5和 PM10濃度下降的主要原因。該結(jié)果客觀證實(shí)了主動(dòng)減排是降低河南省大氣顆粒物污染的首要原因。此外，風(fēng)速是氣象因子中貢獻(xiàn)最大的變量，表明擴(kuò)散條件的改善也對(duì)降低顆粒物污染具有重要作用。相較而言，近地面氣溫和邊界層高度對(duì)近地面O3濃度變化趨勢(shì)有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，由于溫度是控制O3光化學(xué)反應(yīng)的重要因素，該結(jié)果表明全球變暖環(huán)境下河南省近地面O3污染將日趨嚴(yán)重。因此，進(jìn)一步采取措施對(duì) O3光化學(xué)反應(yīng)所需的前體物，如揮發(fā)性有機(jī)物 VOCs 和氮氧化物NOx，進(jìn)行減排將是緩解河南省近地面O3污染的重要舉措。然而，受制于缺乏長(zhǎng)期大規(guī)模的VOCs同步觀測(cè)資料，本文未能實(shí)現(xiàn)上述臭氧污染前體物在河南省的時(shí)空變化特征分析，以及對(duì)近地面O3污染的驅(qū)動(dòng)機(jī)制敏感性實(shí)驗(yàn)。

圖8 各影響因素對(duì)大氣污染物濃度的相對(duì)貢獻(xiàn)比較Fig.8 Comparison of the relative contribution of each influencing factor to PM2.5，PM10，and O3 concentration in Henan province from 2015 to 2020

3 結(jié) 論

3.1 河南省以大氣顆粒物為主的大氣污染下降趨勢(shì)顯著，尤其是在污染較為嚴(yán)重的冬季，表明河南省大氣顆粒物污染治理已取得了階段成效。然而，截止 2020 年，河南省大氣顆粒物濃度仍整體超出國(guó)家一級(jí)濃度限制，故大氣灰霾污染治理工作仍需砥礪前行。同時(shí)，大規(guī)模減排和擴(kuò)散條件的改善是促進(jìn)河南省PM2.5和PM10污染降低的重要原因。

3.2 伴隨因減排造成的大氣顆粒物濃度下降，近地面O3污染濃度呈現(xiàn)明顯上升態(tài)勢(shì)。造成該現(xiàn)象的原因主要與區(qū)域近地面溫度的升高密切管理。

3.3 河南省大氣顆粒物和臭氧污染區(qū)域空間上疊合，且兩者的優(yōu)良天數(shù)也存在明顯相關(guān)性。

3.4 由于近地面臭氧污染的產(chǎn)生機(jī)制與大氣顆粒物前體物濃度(如氮氧化物)緊密相關(guān)，故當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)后期的工作重心可圍繞繼續(xù)保持大氣顆粒物污染治理成效的同時(shí)，進(jìn)行近地面臭氧與大氣顆粒物的協(xié)同管控，重點(diǎn)開(kāi)展近地面O3污染的治理，尤其是強(qiáng)化氮氧化物和VOCs協(xié)同減排，本著精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污、依法治污的理念，健全環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策，完善大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，深化排放清單動(dòng)態(tài)管理，以期打好這場(chǎng)持續(xù)的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。