北京市空氣污染指數(shù)及其影響因素分析

周景博，王 鑫，杜婉君，薛伊寰

1．中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100872

2．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)量控制重點實驗室，北京 100012

北京空氣質(zhì)量是當(dāng)今社會關(guān)注的重要環(huán)境問題，客觀評價其變化趨勢及影響因素，不僅有利于正確認(rèn)識北京空氣質(zhì)量，也可為有效預(yù)報、控制和治理大氣污染提供依據(jù)。

空氣污染指數(shù)(API)是反映和評價空氣質(zhì)量的常用方法。API將常規(guī)監(jiān)測的各空氣污染物濃度簡化為單一分指數(shù)，取當(dāng)日分指數(shù)最大值為當(dāng)日API值，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—1996)(現(xiàn)已作廢)，評價的污染物包括SO2、NO2和PM103項。2000年以來，直至《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)頒布以前，部分城市API數(shù)據(jù)每天公開發(fā)布，有很高的社會認(rèn)知度，已成為城市空氣質(zhì)量特征分析的重要信息基礎(chǔ)。盡管2013年以來，包含污染物種類更多的AQI代替了API，但已有API數(shù)據(jù)的長期時序仍然是分析城市空氣污染趨勢的重要依據(jù)。

API受氣象條件和人類活動等多種要素的共同作用。氣象條件對API的影響主要通過降水、溫度等要素表現(xiàn)。李小飛等［1］分析了 2001—2010年中國42個城市的空氣質(zhì)量變化特征，認(rèn)為API與降水量、風(fēng)速等存在線性相關(guān)關(guān)系。周兆媛等［2］利用相關(guān)分析和主成分回歸法分析了2001—2010年北京、天津和石家莊的API與各氣象要素的關(guān)系。結(jié)果表明，氣壓與API指數(shù)存在顯著正相關(guān)關(guān)系，氣溫、降水量和相對濕度等氣象要素與API指數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。李文杰等［3］分析了2001—2010年京津冀的API和地面氣象要素數(shù)據(jù)，認(rèn)為北京空氣污染狀況逐步改善，夏季空氣質(zhì)量最好，氣溫、氣壓、風(fēng)速與API存在一致相關(guān)關(guān)系。

人類生產(chǎn)和消費活動多具有以星期為周期的循環(huán)特征，對API的影響表現(xiàn)為星期效應(yīng)或周末效應(yīng)。侯靈等［4］分析了1980—2009年環(huán)北京地區(qū)API和氣象資料，認(rèn)為API存在周循環(huán)特征(周三最大、周日最小)。任婉俠等［5］采用小波變化分析了2000年7月—2012年6月北京、上海、天津和重慶的API，認(rèn)為北京城市空氣質(zhì)量逐年改善，空氣質(zhì)量季節(jié)性變化明顯，且呈現(xiàn)周末效應(yīng)。章志芹等［6］分析了2000—2006年無錫的API和氣象資料，認(rèn)為氣象要素與空氣污染指數(shù)有較好的相關(guān)性，且受供電量影響，都存在周末效應(yīng)。

綜上，以API表征的城市空氣質(zhì)量受氣象因素和人類活動的共同影響，呈現(xiàn)季節(jié)性、周循環(huán)等特征。在分析方法上，已有研究多采用描述統(tǒng)計、相關(guān)分析等方法，盡管可以分析出API的變化趨勢和特征，但并不能得出在其他因素保持不變的情況下某一因素的作用是否顯著的結(jié)論。以北京2001—2012年API數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先采用描述統(tǒng)計方法分析了北京市空氣質(zhì)量的變化趨勢;進(jìn)而綜合考慮各研究中所涉及的API影響要素，并加入北京所特有的交通限行因素，通過構(gòu)建廣義線性模型(GLM)，討論和驗證氣象、人類活動、政策等多因素對北京空氣質(zhì)量的影響，并分析是否存在季節(jié)效應(yīng)和周末效應(yīng)，以及交通限行政策對減少空氣污染的作用，以期為評價、預(yù)報、控制北京空氣質(zhì)量提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 方法和變量

采用描述統(tǒng)計方法，用均值和標(biāo)準(zhǔn)差分析北京市空氣質(zhì)量特征(時間趨勢、季節(jié)特征和周循環(huán)特征);構(gòu)建GLM分析、討論和驗證在保持其他因素不變的前提下，氣象、人類活動、政策等因素對北京市空氣質(zhì)量是否具有顯著影響。GLM是一般線性模型的推廣，適于處理定量、定類資料并存的情況，且對不能滿足傳統(tǒng)統(tǒng)計方法的正態(tài)性、方差齊性和獨立性的情況進(jìn)行修正。

模型為

式中:API為空氣污染指數(shù);T為時間，即年份;Si為季節(jié)，0～1 變量，i=1，2，3，依次表示春季、夏季和秋季，冬季為對照組;Wj為星期，0～1變量，j=1，2，…，6，依次表示星期一至星期六，星期日為對照組;Mk為氣象因素，k=1，2，…，8，依次表示日均氣壓(hPa)、日均氣溫(℃)、日最高溫(℃)、日最低溫(℃)、日均相對濕度(%)、日降水量(mm)、日均風(fēng)速(m/s)和日照時數(shù)(h);P為交通限行政策，0～1變量，0表示不限行，1表示限行;ε為隨機(jī)項。βi為各變量的系數(shù)。模型系數(shù)采用極大似然法估計。

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

北京市API數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心(2000年6月5日—2013年1月14日)，考慮到數(shù)據(jù)的完整性，取2001年1月1日—2012年12月31日，共12 a的API數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總樣本數(shù)為4 383個，其中7 d缺少數(shù)據(jù)發(fā)布，因此有效樣本數(shù)為4 376個。

氣象資料源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

季節(jié)劃分為12、1、2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

非自然周末同樣影響生產(chǎn)活動和交通出行，因此根據(jù)中國假日制度對工作日和周末進(jìn)行部分調(diào)整。將春節(jié)、五一、十一等假期開始的前一天定為周五，假期的第一天定為周六，以后幾天假期都定為周日，假期結(jié)束的第一個工作日定為周一。

北京機(jī)動車限行始于2007年，2007年8月17—20日舉行好運北京系列測試賽，北京全市執(zhí)行單雙號限行;2008年7月20日—8月27日北京奧運會期間，全市再次執(zhí)行單雙號限行，8月28日起，限行范圍縮小到五環(huán)內(nèi);自2008年10月11日至今，執(zhí)行尾號限行規(guī)定。對上述實施限行政策的日期，P賦值為1，對未實施限行政策的日期，P賦值為0。

2 北京市API變化特征

2.1 時間趨勢

2001—2012年API數(shù)據(jù)年際變化見圖1。

圖1 北京市2001—2012年API變化趨勢

由圖1可見，2001—2012年，北京市API總體呈明顯下降趨勢，2006年前波動略大，2006年之后基本保持持續(xù)下降。2001—2012年北京市API總均值為96.1，空氣質(zhì)量水平平均為良。2007年前(包括2007年)高于12 a的總均值，也高于100，為輕微污染，2008年起，年均API均低于100，達(dá)到良。說明北京市空氣質(zhì)量雖然有一定波動，但整體上趨于不斷改善。

2.2 季節(jié)特征

2001—2012年API數(shù)據(jù)季節(jié)特征見表1。

表1 北京市2001—2012年API季節(jié)特征

由表1可見，2001—2012年，北京市API表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)差異特征，春季空氣質(zhì)量最差，其次是冬季，夏季空氣質(zhì)量最好，為83.2。與總體均值(96.1)相比較，春季和冬季劣于均值，夏季和秋季優(yōu)于均值。單因素方差分析也表明(F為49.2，P為0.00)，北京市空氣質(zhì)量季節(jié)差異顯著。從每個季節(jié)內(nèi)的空氣質(zhì)量差異看，春季空氣質(zhì)量的變化較大，夏季差異很小。總體而言，夏季空氣質(zhì)量普遍較好，春季較差，且波動較大。

2.3 星期特征

2001—2012年API數(shù)據(jù)星期特征見表2。

表2 北京市2001—2012年API星期特征

由表2可見，2001—2012年，北京市API的星期差異并不明顯。周末(周六和周日)的API均值、標(biāo)準(zhǔn)差與工作日有差異，但并沒有表現(xiàn)出獨特的周末效應(yīng)特征。單因素方差分析也表明(F為0．185，P為0．981)，一星期內(nèi)的不同時間并無統(tǒng)計意義上的顯著差異。

3 北京市API影響因素分析

3.1 API與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

氣象要素與API的相關(guān)分析(表3)表明，氣壓、濕度、降水、日照時數(shù)等變量與API之間表現(xiàn)出顯著的正(或負(fù))相關(guān)，而氣溫和風(fēng)速與API相關(guān)不顯著。總體而言，氣象要素與API相關(guān)度不高，說明氣象要素對API的影響不是單因素作用，而是多因素共同作用，不能僅僅根據(jù)某一氣象要素來預(yù)測當(dāng)日API的高低，需要綜合分析。

表3 北京市2001—2012年API與氣象要素相關(guān)系數(shù)

3.2 交通政策與API

北京市實施交通限行時的API均值為82．6，未實施交通限行時的API均值為104．7，表現(xiàn)出明顯的差異，單因素方差分析也表明(F為158.538，P為0．000)，交通限行政策下API差異顯著。

3.3 基于GLM模型的API影響因素綜合分析

綜上，自然要素、人為要素等的變化與API的變化之間具有一定聯(lián)系，但簡單相關(guān)分析由于受其他變量的影響，反映的只是變量間非本質(zhì)的表面聯(lián)系，為正確反映在其他要素不變的情況下某一要素的獨立影響，構(gòu)建GLM模型，模型估計結(jié)果如表4所示。

由表4可見，北京市API表現(xiàn)出顯著的隨時間下降的趨勢，在其他因素不變的情況下，API平均每年下降1．214。盡管降幅較小，仍反映出北京市空氣質(zhì)量的確在逐漸改善。

北京市API表現(xiàn)出顯著的季節(jié)效應(yīng)，API四季有顯著不同，在其他因素不變的情況下，春季和冬季的空氣質(zhì)量最差，兩者API沒有顯著差異;夏季API平均值比冬季低41，接近一個空氣質(zhì)量級別，反映出夏季空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于冬季和春季;秋季空氣質(zhì)量明顯劣于夏季，API平均比夏季高31，但同樣顯著優(yōu)于冬季和春季。北京冬季和春季比較干燥，采暖季供暖排放的大氣污染物也高于其他季節(jié)，導(dǎo)致API較高。

表4 模型估計結(jié)果

北京市API沒有表現(xiàn)出顯著的星期效應(yīng)或周末效應(yīng)，所有的星期變量都不顯著。一般而言，星期效應(yīng)或周末效應(yīng)的存在主要是因為人類活動在一個星期的不同時間會有差異，生產(chǎn)活動和與生產(chǎn)相關(guān)的工業(yè)污染排放、通勤、物流主要發(fā)生在工作日，消費活動和與消費相關(guān)的交通出行主要發(fā)生在周末，這些活動對空氣質(zhì)量的影響有可能使API呈現(xiàn)星期效應(yīng)。北京沒有表現(xiàn)出顯著的星期效應(yīng)，原因可能有二，一是因為北京目前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以服務(wù)業(yè)為主，污染較大的工業(yè)生產(chǎn)活動的影響相對較小，二是盡管工作日的交通流量較大，但周末出游、購物等各種生活消費產(chǎn)生的交通流量也不小，所以工作日和周末的差異并不顯著。

除日最低溫外，所有氣象要素均對北京市API有顯著影響。其中，日均氣壓、日均氣溫、日降水量和日照時數(shù)與API呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，日最高溫、日均相對濕度和日均風(fēng)速與API呈正相關(guān)關(guān)系，即在其他因素保持不變的情況下，氣壓較高、氣溫較高、降水較多、日照時間較長(晴天)、日最高溫較低、濕度較小、風(fēng)速較小的日子，空氣質(zhì)量會較好。氣壓較低的天氣，特別是地面閉合低壓控制下，地面風(fēng)速下降，濕度加大，不利于污染物的擴(kuò)散;氣溫升高有助于污染物粒子在熱力對流的作用下加速運動和擴(kuò)散，但日最高溫較高(多發(fā)生在氣溫持續(xù)偏高時)時，由于冷空氣力量不足，反而容易造成污染物累積，導(dǎo)致API升高;在其他因素不變的情況下，濕度增大，污染物粒子易與水汽結(jié)合沉積于地表附近，造成大氣質(zhì)量下降，API升高;風(fēng)速加大容易導(dǎo)致地面揚塵，引起空氣污染加重，北京西北部為山脈，春季、夏季、秋季主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)，容易造成污染物在平原地區(qū)匯集，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，但風(fēng)力往往不足以將冬季燃煤等產(chǎn)生的大量污染擴(kuò)散出去;降水對污染物有顯著的清除作用，還可以抑制地面揚塵的發(fā)生，降水量越大，API越低;日照則有助于加快空氣粒子的運動，有利于污染物擴(kuò)散，日照時間越長，API越低。

交通限行政策對北京市API有顯著的正影響，在其他因素保持不變的情況下，實施交通限行時的API比未限行時平均低12，充分說明實施交通限行有利于緩解空氣污染，改善空氣質(zhì)量。

4 結(jié)論

對2001—2012年北京市API的分析結(jié)果表明，總體而言，以API為表征，北京空氣質(zhì)量呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢;空氣質(zhì)量季節(jié)差異顯著，冬季和春季空氣質(zhì)量較差，夏季空氣質(zhì)量較好;氣象因素對空氣質(zhì)量有顯著影響，氣壓、氣溫、降水、日照時間與API呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其升高有利于空氣質(zhì)量改善，而日最高溫、濕度、風(fēng)速與API呈正相關(guān)關(guān)系;2008年以來實施的交通限行政策對北京空氣質(zhì)量起到了顯著的改善作用，達(dá)到了預(yù)期效果。

［1］李小飛，張明軍，王圣杰，等．中國空氣污染指數(shù)變化特征及影響因素分析［J］．環(huán)境科學(xué)，2012，33(6):1 936-1 943．

［2］周兆媛，張時煌，高慶先，等．京津冀地區(qū)氣象要素對空氣質(zhì)量的影響及未來變化趨勢分析［J］．資源科學(xué)，2014，36(1):191-199．

［3］李文杰，張時煌，高慶先，等．京津石三市空氣污染指數(shù)(API)的時空分布特征及其與氣象要素的關(guān)系［J］．資源科學(xué)，2012，34(8):1 392-1 400．

［4］侯靈，姚展予．環(huán)北京地區(qū)空氣污染指數(shù)與降水的周循環(huán)特征及其影響機(jī)制研究［J］．大氣科學(xué)，2012，36(4):686-696．

［5］任婉俠，薛冰，張琳，等．中國特大型城市空氣污染指數(shù)的時空變化［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2013，32(10):2 788-2 796．

［6］章志芹，唐健，湯劍平．無錫空氣污染指數(shù)、氣象要素的周末效應(yīng)［J］．南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，43(6):643-654．