閆桂麗,劉兵戈,毛佳琦,田夢杰,楊亞瑞

(浙江大學中原研究院,鄭州 450000)

0 引言

隨著城市化、工業(yè)化進程的不斷加快,能源利用在增加,汽車保有量逐年上升,細顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)已成為研究熱點[1]?？諝赓|(zhì)量是城市環(huán)境質(zhì)量的重要組成,是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎。《2016—2019年河南省環(huán)境質(zhì)量年報》顯示,河南省首要污染物為PM2.5[2],其黏附大量有害物質(zhì),對人體健康產(chǎn)生危害較大。二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳及臭氧是低層大氣中主要的氣體污染物,濃度變化具有明顯的季節(jié)性特征。研究污染物的變化特征、了解其成因及影響因素對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響有助于改善鄭州市空氣質(zhì)量,為開展大氣污染防治提供決策支持。

本研究以中國環(huán)境監(jiān)測總站全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺2016—2020年發(fā)布的監(jiān)測數(shù)據(jù)為對象,以主要污染物濃度變化為基礎,分析環(huán)境空氣質(zhì)量演變趨勢,以期為改善鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量提供有效的理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

鄭州城區(qū)現(xiàn)有8個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測點,1個對照點,分別位于市監(jiān)測站、煙廠、醫(yī)學院、鄭紡機、銀行學校、北區(qū)建設指揮部、經(jīng)開區(qū)管委會、四十七中、崗李水庫(對照點),監(jiān)測數(shù)據(jù)均同步發(fā)布于全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺。PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3數(shù)據(jù)均來源于此(網(wǎng)址:http://106.37.208.233:20035)。選用的數(shù)據(jù)時間范圍為2016年1月1日—2020年12月31日,PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO數(shù)據(jù)均為8個站點的24 h平均值,O3數(shù)據(jù)為8個站點的日最大8 h平均值(O3-8h max),監(jiān)測過程中的實時氣象資料包括濕度、氣溫、風速、降雨量數(shù)據(jù),來源于河南省氣象局。汽車保有量與能源消耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于鄭州市統(tǒng)計局(網(wǎng)址:http://tjj.zhengzhou.gov.cn)的《鄭州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

1.2 研究方法

鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量日評價、年評價主要依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》(試行)(HJ 663-2013)、《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095-2012)及《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(試行)(HJ 633-2012)。利用OriginPro 8.5 對6種污染物指標(PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO、O3)濃度進行統(tǒng)計分析,利用SPSS 22.0分析首要污染物PM2.5濃度與風速、PM10濃度與降雨量的相關(guān)性,采用OriginPro 8.5進行繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 2016—2020年鄭州市整體空氣質(zhì)量特征

2.1.1 首要污染物分布特征

由表1可以看出,2016—2020年鄭州市環(huán)境空氣中首要污染物以PM2.5、O3為主,其次是PM10。其中PM10的占比呈逐年下降趨勢(2019年除外),PM2.5的占比年變化不明顯,但O3的占比呈逐年上升趨勢,說明鄭州市近5年對PM10的防治取得較好效果,PM2.5的治理收效甚微,而O3的污染有加劇趨勢,故需重點加強對O3污染物的防治及PM2.5治理。

表1 鄭州市空氣中首要污染物出現(xiàn)天數(shù)占比

2.1.2 空氣質(zhì)量優(yōu)良率分布特征

由圖1方形圖可以看出,2016—2020年鄭州市空氣質(zhì)量優(yōu)良率分別為43.4%、45.5%、46.0%、48.8%、63.1%。2016—2019年嚴重污染占比2.2%、1.9%、1.6%、0.5%,其中2020年未出現(xiàn)嚴重污染天氣。由圖1折線圖可知,首要污染物PM2.5[2]最高濃度值除2018年略高外,呈逐年下降趨勢,最大值是最小值的2.43倍。雖然以PM2.5為首要污染物的天數(shù)年變化趨勢不明顯,但年最高濃度值下降趨勢較明顯,隨著環(huán)境治理能力的不斷加強及各項環(huán)保政策的實施,環(huán)境空氣質(zhì)量向好。

圖1 2016—2020年不同空氣質(zhì)量級別占比Fig.1 Proportion of different air quality levels from 2016 to 2020

2.2 2016—2020年環(huán)境空氣主要污染物變化分析

2.2.1 PM2.5與PM10月值變化

由圖2可知,污染物PM2.5的最高值出現(xiàn)在2016年12月,為161 μg/m3,最低值出現(xiàn)在2018年4月、2020年8月,為23 μg/m3,最高值為最低值的7倍。除2016年最高值出現(xiàn)在12月外,其余4年最高值均出現(xiàn)在1月。PM2.5月均數(shù)值呈U型分布,1月和12月PM2.5濃度值都在80 μg/m3以上,而5—8月PM2.5濃度值都在50 μg/m3以下?？梢钥闯?PM2.5的濃度冬季高于夏季,這可能是由于夏季降雨較多,對PM2.5有沖洗作用,冬季干燥少雨、氣溫低及化石燃料燃燒導致PM2.5濃度上升[3],河南各地春夏大氣擴散能力比秋冬強,冬季大氣過于穩(wěn)定,不利于顆粒物的擴散。

圖2 2016—2020年P(guān)M2.5月平均濃度值Fig.2 Monthly mean concentration of PM2.5 from 2016 to 2020

由圖3可知,污染物PM10的濃度最高值為2016年1月的229 μg/m3,最低值為2020年8月的50 μg/m3,最高值為最低值的4.58倍,5年最高值均出現(xiàn)在1月。而3月出現(xiàn)第二次高峰,這與鄭州市沙塵暴頻發(fā)期的時間一致。PM10多來源于揚塵(包括土壤塵沙、施工道路揚塵、機動車尾氣等),而PM2.5多來自于燃料燃燒、工業(yè)源及二次離子形成[4],受沙塵暴的影響較小。從圖2、圖3可知,兩者變化趨勢一致。研究表明,PM10主要為一次顆粒物(SO2和NO2的直接貢獻較大),PM2.5主要為二次顆粒物(SO2和NO2的非均相反應氣-粒轉(zhuǎn)化過程貢獻較大)[5]。刀谞等[6]研究發(fā)現(xiàn),PM10與PM2.5濃度之間有很好的相關(guān)性,兩者的污染來源相關(guān),受人為因素及氣候因素的共同影響,季節(jié)變化特征相同,表現(xiàn)為冬>春>秋>夏的特點。

圖3 2016—2020年P(guān)M10月平均濃度值Fig.3 Monthly mean concentration of PM10 from 2016 to 2020

2.2.2 SO2與NO2月值變化

對SO2各月均值進行統(tǒng)計,繪制曲線如圖4所示,污染物SO2月均值整體呈V型分布,局部來看,1月、2月濃度較高,這是因為冬季取暖過程排放大量污染物,邊界層降低不利于污染物擴散。7月、8月份全年最低,夏季高溫時段,工廠與企業(yè)停工,化石燃料消耗減少,降水頻繁,濕沉降作用明顯,導致氣態(tài)污染物濃度降低[6]。從時空特征分析,各月月均值呈逐年下降趨勢,2020年SO2各月月均值均低于前4年,可能是由于工業(yè)脫硫技術(shù)的改進和推廣,與2014年鄭州市完成煤改氣、引熱入鄭、鍋爐拆改等重大民生工程有關(guān)。

圖4 2016—2020年SO2月平均濃度值Fig.4 Monthly mean concentration of SO2 from 2016 to 2020

對NO2各月均值進行統(tǒng)計,由圖5可知,NO2月均值全年大體呈V型分布,每年2月出現(xiàn)拐點,可能與春節(jié)假期、工廠企業(yè)停工及人員車輛流動較少有關(guān),尤其是2020年2月為5年來最低,可能與2020年春節(jié)人們外出活動水平大幅度降低有關(guān)。NO2濃度呈季節(jié)性變化,1月、12月較高,7月、8月濃度較低。NO2源排放強度的季節(jié)性變化,如鄭州冬季寒冷需要更多的化石能源消耗烘暖,NO2輸送、停留的大氣環(huán)境呈季節(jié)性差異,如季風的變化影響NO2輸送。NO2濃度年際變化不大,并沒有因為煤改氣的實施而出現(xiàn)較明顯降低,說明除燃煤外,其他污染源排放的NO2濃度在增加。研究表明,近年來隨著機動車保有量的增加,流動源排放的NO2大于固定源的趨勢在加強[7]。

圖5 2016—2020年NO2月平均濃度值Fig.5 Monthly mean concentration of NO2 from 2016 to 2020

2.2.3 CO與O3月值變化

與SO2主要源自固定污染源、NO2主要源自移動污染源不同,CO源自工業(yè)過程及汽車尾氣,是固定和移動污染源的雙重指標物[8]。因此CO濃度的月濃度變化特征與SO2、NO2存在類似點。由圖6可知,月均值呈U型分布,冬季高、夏季低、春秋季大致相當,自11月以后逐步上升,這可能由于11月以后鄭州氣溫開始降低,供暖區(qū)域開始增多,燃料燃燒不充分導致的。從時空分布來看,月均值年際變化呈逐年下降趨勢,2018—2020年大氣中CO各月均值均低于2016—2017年。

圖6 2016—2020年CO月平均濃度值Fig.6 Average monthly CO concentration values from 2016 to 2020

對2016—2020年鄭州市O3-8h max各月均值進行統(tǒng)計,結(jié)果顯示,月均值呈M型分布,最高值出現(xiàn)在6月,最低值出現(xiàn)在1月,季節(jié)變化為夏季>春季>秋季>冬季,由于O3主要是其前體物NOX、CO及VOCS等在合適的紫外照射下經(jīng)光化學反應生成的二次污染物[9],因此其季節(jié)變化受紫外輻射強度的影響。平流層折疊導致O3向?qū)α鲗訚B透也可能是造成鄭州市夏季濃度偏高的原因。7月、8月有所降低,可能與鄭州市7—8月雨水較多,云層較厚有關(guān)。而冬季由于光伏射強度較弱不利于光化學反應的發(fā)生,使得O3濃度偏低[10]。由圖7可以看出,O3-8h max月均值年際變化差別不大,但2016—2020年總體濃度略有升高,說明O3帶來的污染在加重,因此加強O3污染防控不容忽視。

圖7 2016—2020年O3月平均濃度值Fig.7 Average monthly O3 concentration values from 2016 to 2020

由以上分析可知,鄭州市2016—2020年SO2和CO的污染相對較輕,PM10、PM2.5的污染較嚴重,其次是NO2和O3污染,這可能與《大氣污染防治行動計劃》(國發(fā)[2013]37號)的實施有關(guān),加大綜合治理力度,減少多污染物排放、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu),增加清潔能源供應、嚴格節(jié)能環(huán)保準入,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)空間布局等措施有助于SO2、NO2等污染物的減排?！多嵵菔腥济何廴局卫砉ぷ鞣桨浮?鄭政文[2013]80號)等環(huán)保政策落實到位,整體來看,環(huán)境空氣質(zhì)量逐年向好。

2.3 特征污染物與氣象因素相關(guān)性分析

2.3.1 PM2.5濃度與風速相關(guān)性分析

結(jié)合河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心提供的2016—2020年數(shù)據(jù),進行空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)值、PM10濃度月值與氣象因素相關(guān)性分析,結(jié)果如表2所示。

表2 月均AQI值、PM10濃度與氣象要素相關(guān)系數(shù)

AQI值與平均氣溫、平均降雨量顯著性負相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為-0.456、-0.399,AQI值與平均相對濕度邊緣顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.202(P=0.061)。PM10濃度與平均氣溫、平均相對濕度、平均降雨量顯著性負相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為-0.753、-0.372、-0.693?？梢钥闯?平均氣溫、平均相對濕度、平均降雨量對AQI與PM10有顯著的抑制作用。地面氣溫越高,大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越低,近地面對流越旺盛,越有利于大氣的垂直運動,促使大氣污染物向上輸送。大氣中的相對濕度越大,水汽越多,越有利于污染物的凝聚。降雨對污染物有沖洗作用,尤其對大顆粒物的沖洗更為明顯,可有效降低PM10的濃度。

風速對AQI、PM10濃度影響較小,與AQI呈微弱負相關(guān)(|γ|<0.3),與PM10呈弱正相關(guān)(|γ|<0.3)。風速對大氣污染的影響主要是稀釋作用,風速大稀釋污染物的能力強,污染物迅速吹到下風向,因此空氣污染指數(shù)較低,但是風速大,地面塵土易被刮起,空氣中大顆粒物較多,造成PM10濃度升高。

各氣象因素間存在顯著相關(guān)關(guān)系,風速與相對濕度、降雨量負相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)分別為-0.497、-0.280。氣溫與相對濕度、降雨量顯著正相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)分別為0.293、0.764。相對濕度與降雨量顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為0.618。

2.3.2 PM10濃度與降雨量相關(guān)性分析

對2016—2020年AQI、PM10季值與氣象因素進行相關(guān)性分析,結(jié)果如表3所示。風速在夏季與AQI、PM10濃度呈顯著性正相關(guān)(P<0.01),在冬季呈弱的負相關(guān)(P=0.094)。相對濕度在冬季與AQI值呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)(P<0.05)。這主要是由于夏季大氣層結(jié)穩(wěn)定性低,利于污染物的擴散,AQI、PM10的濃度低于其他季節(jié),夏季風速大,地面的揚塵易被擴散到空氣中,揚塵對污染物的貢獻值較為明顯。冬季大氣穩(wěn)定,相對濕度越低,越不利于污染物的擴散與沉降,而風速對污染物有稀釋作用,冬季受燃煤的影響,AQI、PM10濃度較大,由風引起的揚塵貢獻值相對較低,因此呈弱的負相關(guān)。

表3 季度AQI值、PM10濃度與氣象要素相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

對鄭州市2016—2020年環(huán)境空氣質(zhì)量狀況及變化特征進行分析,探討AQI、PM10濃度與氣象因素的相關(guān)性分析,得出以下結(jié)論:鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率由2016年的43.4%提高到2020年的63.1%,嚴重污染天數(shù)占比由2.2%降到0,總體趨勢向好。實施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、煤改氣能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)能減排等一系列環(huán)保措施后,環(huán)境空氣中SO2和CO排放得到了有效控制,但仍呈季節(jié)性變化規(guī)律。機動車保有量迅速增長,流動源的污染呈逐年上升趨勢,環(huán)境空氣中NO2濃度年際變化不明顯。有機污染物的排放量增加導致O3的前體物量增加,O3濃度略有上升趨勢,O3污染不容忽視。環(huán)境空氣首要污染物為PM2.5,呈逐年下降趨勢,PM2.5污染主要集中在冬季。氣溫、相對濕度、降雨量與其顯著負相關(guān),風速對大氣污染物的影響較小;而季度尺度下氣象因素與AQI、PM10相關(guān)性較低,原因可能是不同尺度對真實值的反映程度不同,尺度越大對真實值的掩蓋越大。