寧波市空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)及影響因素分析*

陳 磊 俞科愛(ài) 黃旋旋 朱純陽(yáng) 蔣飛燕 胡 曉 許岳庭

(1.慈溪市氣象局,浙江 慈溪 315300;2.寧波市氣象臺(tái),浙江 寧波 315012;3.寧波市氣象服務(wù)中心,浙江 寧波 3150124.鎮(zhèn)海區(qū)氣象局,浙江 鎮(zhèn)海 315202;5.鄞州區(qū)氣象局,浙江 鄞州 315194)

寧波市空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)及影響因素分析*

陳 磊1俞科愛(ài)2黃旋旋3朱純陽(yáng)4蔣飛燕4胡 曉4許岳庭5

(1.慈溪市氣象局,浙江 慈溪 315300;2.寧波市氣象臺(tái),浙江 寧波 315012;3.寧波市氣象服務(wù)中心,浙江 寧波 3150124.鎮(zhèn)海區(qū)氣象局,浙江 鎮(zhèn)海 315202;5.鄞州區(qū)氣象局,浙江 鄞州 315194)

利用2001—2013年寧波市空氣污染物濃度數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)報(bào)表資料,分析了寧波市空氣質(zhì)量的變化,探討了空氣環(huán)境質(zhì)量的影響因素。結(jié)果表明,2001—2013年寧波市空氣污染物濃度先升后降,整體空氣質(zhì)量2005年最差,2010年以后改善明顯,污染物濃度季節(jié)變化明顯,在冬季最高,空氣質(zhì)量也最差,夏季相反。寧波市首要空氣污染物為可吸入顆粒物,空氣質(zhì)量為良的日數(shù)最多,污染日中以輕度污染為主,重度污染和嚴(yán)重污染日數(shù)很少。工業(yè)廢氣排放量、各種能源消耗量、城市綠化率、汽車數(shù)量與寧波市空氣質(zhì)量變化有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,而地區(qū)產(chǎn)值變化、常住人口數(shù)等因素對(duì)空氣質(zhì)量的影響也不可忽視。

空氣質(zhì)量;污染等級(jí);灰色關(guān)聯(lián);影響因素

0 引 言

空氣環(huán)境質(zhì)量是自然環(huán)境質(zhì)量的重要組成部分之一,隨著城市化進(jìn)程的加快,空氣質(zhì)量正不斷遭到破壞,大氣中的硫氧化物、氮氧化物以及顆粒物的濃度普遍增加,灰霾、酸雨等天氣現(xiàn)象日益頻發(fā),對(duì)人體健康和生態(tài)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-4], 大氣污染已成為最突出的城市環(huán)境問(wèn)題之一,受到了公眾越來(lái)越多的關(guān)注,許多氣象和環(huán)境工作者紛紛對(duì)城市的空氣質(zhì)量變化及影響因素進(jìn)行了研究,并提出了一些治理措施[5-8]。寧波是浙江的經(jīng)濟(jì)中心之一,一直保持著較快的發(fā)展速度,2000年以來(lái)地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長(zhǎng)12.2%,2013年全市地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到了7128.9億元,全市人口也逐年遞增,到2013年末已達(dá)到766.3萬(wàn)人,同時(shí)能源消耗不斷增加、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,給寧波市的空氣環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力。本文對(duì)寧波市2001—2013年的空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,并探討了影響空氣質(zhì)量變化的因素,以期為寧波市推進(jìn)大氣污染治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

空氣污染物(SO2、NO2、PM10)濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于寧波市環(huán)保局提供的日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)時(shí)段為2001—2013年,空氣污染指數(shù)(API)數(shù)據(jù)是由空氣污染物濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到。文中所用的污染物濃度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—1996,2000年修改)[9]。社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于2001—2013年的《寧波統(tǒng)計(jì)年鑒》、《寧波市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》以及《寧波能源白皮書(shū)》。

1.2 研究方法

1.2.1 空氣污染指數(shù)(API)分級(jí)

空氣污染指數(shù)(API)同空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)類似,是用來(lái)評(píng)估空氣質(zhì)量狀況的指標(biāo),是反映和評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的數(shù)量尺度方法[10],API計(jì)入監(jiān)測(cè)的污染物為SO2、NO2和可吸入顆粒物(PM10),AQI計(jì)入監(jiān)測(cè)的污染物比API多3種,但AQI是2012年上半年才開(kāi)始啟用,資料年限尚短,無(wú)法表征之前寧波市的空氣質(zhì)量狀況,因此從研究的連貫性考慮,本文統(tǒng)一采用API進(jìn)行分析,API分6級(jí),即0～50,51～100,101～150,151～200,201～300,>300,分別對(duì)應(yīng)空氣質(zhì)量等級(jí)優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染。

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色理論是研究空氣環(huán)境質(zhì)量常用的方法之一[11]。灰色關(guān)聯(lián)度是系統(tǒng)中兩個(gè)因素關(guān)聯(lián)性大小的量度,關(guān)聯(lián)度的大小直接反映系統(tǒng)中的各因素對(duì)目標(biāo)值的影響程度。分別將SO2、NO2、PM10年均值以及API年均值作為參考序列x0,各影響因素序列記為xi,先將參考序列和影響因素序列的值標(biāo)準(zhǔn)化,并將與參考序列呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的影響因素序列進(jìn)行倒數(shù)化算子變化,然后計(jì)算參考序列與影響因素序列在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)ε(k),則該影響因素與參考序列的關(guān)聯(lián)度γi為:

(1)

式中:m為時(shí)間點(diǎn)總數(shù),最后根據(jù)不同影響因素關(guān)聯(lián)度的排序,找出影響較大的因子。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣污染物濃度變化

從圖1來(lái)看,3種污染物的濃度變化各有特點(diǎn)。PM10的濃度值相對(duì)較大,在2010年之前整體呈緩慢上升趨勢(shì),2010年和2011年達(dá)到了最大值,但仍沒(méi)有超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.10 mg/m3),2012—2013年P(guān)M10的濃度明顯下降。2001年以來(lái)SO2和NO2的濃度也均達(dá)到了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.06 mg/m3和0.08 mg/m3),其中SO2的濃度在2002年相對(duì)較低,2003—2008年變化較為平緩,2009年開(kāi)始有較明顯的減小趨勢(shì)。NO2濃度的最大值出現(xiàn)在2005年,2006—2010年有小幅波動(dòng),之后開(kāi)始逐年下降,到2013年NO2的濃度已經(jīng)達(dá)到了國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.04 mg/m3)。

從3種污染物濃度的月際變化來(lái)看(圖2),都呈現(xiàn)出兩頭高、中間低的變化趨勢(shì),特別是PM10的濃度曲線“U”型變化最為明顯,其中PM10和SO2的最高濃度均出現(xiàn)在12月(1月SO2濃度也為最大值),NO2的最大濃度出現(xiàn)在11月,而7、8月3者的濃度均為一年中的最低值。從季節(jié)變化的角度來(lái)看,在冬季3種污染物濃度均達(dá)到全年峰值,主要是由于此階段大氣層結(jié)普遍較穩(wěn)定,不利于污染物的擴(kuò)散。而夏季正好相反,對(duì)流旺盛,大氣交換頻繁,各污染物的濃度也均降到了全年最低值。

圖1 2001—2013年寧波市主要大氣污染物濃度年際變化

圖2 2001—2013年寧波市主要大氣污染物濃度月際變化

2.2 空氣質(zhì)量變化

根據(jù)API值和API分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)了寧波市不同空氣質(zhì)量等級(jí)的年累計(jì)日數(shù)和月累計(jì)日數(shù),并將輕度污染及以上均統(tǒng)計(jì)為污染日數(shù)。從年際變化來(lái)看(圖3),空氣質(zhì)量為良的日數(shù)2002年比2001年有明顯的增加,而空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)明顯減少,污染日數(shù)有所增加,導(dǎo)致空氣質(zhì)量2002年比2001年降低較明顯,之后空氣質(zhì)量為良的日數(shù)變化較平緩,空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)變化與污染日數(shù)的變化呈現(xiàn)出較明顯的對(duì)稱性,其中2005年空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)最少,而當(dāng)年的污染日數(shù)達(dá)到了最大值,從API在2005年的峰值可以看出當(dāng)年的空氣質(zhì)量是最差的。2012—2013年空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)增加明顯,空氣質(zhì)量為良的日數(shù)有所減少,但污染日數(shù)基本不變,所以總的空氣質(zhì)量在這兩年的轉(zhuǎn)好趨勢(shì)還是比較明顯的。從不同污染等級(jí)年累計(jì)日數(shù)(表1)來(lái)看,寧波市的空氣污染程度是以輕度污染為主,中度污染的出現(xiàn)日數(shù)每年在10 d之內(nèi),重度污染日數(shù)每年不超過(guò)5 d,嚴(yán)重污染日數(shù)最少,只在2007和2011年分別出現(xiàn)了2 d和1 d。

表1 2001—2013年寧波市不同污染等級(jí)年累計(jì)日數(shù)

從月際變化來(lái)看(圖略),API全年前3個(gè)高值分別出現(xiàn)在11、1和12月,而在7、8和9月API的值最小,說(shuō)明寧波的空氣質(zhì)量冬季最差,夏季最好?？諝赓|(zhì)量為優(yōu)或良的日數(shù)在冬季相對(duì)較少,污染日數(shù)在冬季增加明顯。進(jìn)入6月后,空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)明顯增多,在8月達(dá)到最大值,而空氣質(zhì)量為良的日數(shù)從6月開(kāi)始減少,在8月出現(xiàn)了全年最低值,由于污染日數(shù)在6—9月變化很小,可見(jiàn)空氣質(zhì)量為良的日數(shù)在6—8月的減少量基本上都轉(zhuǎn)為了空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)的增加量,以致空氣環(huán)境質(zhì)量在夏季好轉(zhuǎn)明顯。細(xì)分到不同污染等級(jí)(表略),輕度污染日數(shù)在冬季最多,夏季最少,11月和12月的中度污染日數(shù)明顯高于其他月份,4—10月未出現(xiàn)過(guò)重度污染日,嚴(yán)重污染日出現(xiàn)的次數(shù)最少,只在4月和5月分別出現(xiàn)了2次和1次。

圖3 2001—2013年寧波市空氣污染指數(shù)及不同空氣質(zhì)量等級(jí)日數(shù)年際變化

本文利用API計(jì)算過(guò)程中得到的各污染物的分指數(shù),進(jìn)一步確定造成不同空氣質(zhì)量的首要污染物。從表2的結(jié)果可以看出,寧波市的空氣污染主要是可吸入顆粒物(PM10)污染,SO2為首要污染物的日數(shù)出現(xiàn)頻率最小,當(dāng)空氣出現(xiàn)輕度以上污染時(shí),首要污染物皆為PM10。同時(shí)有研究指出2012—2013年寧波首要空氣污染物是以可吸入顆粒物中的細(xì)顆粒(PM2.5)為主[12],由此表明可吸入顆粒物對(duì)寧波的空氣質(zhì)量變化一直有著重要影響,控制可吸入顆粒物的濃度對(duì)治理空氣污染來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。

表2 2001—2013年寧波市主要大氣污染物造成的不同空氣質(zhì)量等級(jí)日數(shù)

2.3 空氣質(zhì)量影響因素分析

影響空氣質(zhì)量的因素是多種多樣的,本文從寧波市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度考慮,根據(jù)2001—2013年的《寧波統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料,選取了4個(gè)類別的27項(xiàng)與空氣質(zhì)量狀況或污染物濃度相關(guān)的指標(biāo)(表3),對(duì)所選取的指標(biāo)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算每項(xiàng)指標(biāo)與SO2、NO2、PM10以及空氣污染指數(shù)的關(guān)聯(lián)度,并從中分別提取出與各類污染物以及空氣污染指數(shù)關(guān)聯(lián)度最大的5項(xiàng)指標(biāo)(表4)。

由灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果可知,影響寧波市城市空氣質(zhì)量的主要指標(biāo)中,工業(yè)污染排放因素的關(guān)聯(lián)度比較高,能耗因素和地區(qū)產(chǎn)值因素也占有不少的比例,城市綠化及其他因素也對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生了重要影響。

1)工業(yè)污染排放因素。寧波是我國(guó)長(zhǎng)三角南翼的經(jīng)濟(jì)中心,建有鎮(zhèn)海煉化公司和北侖、鎮(zhèn)海等大型火電企業(yè)。工業(yè)污染特別是工業(yè)廢氣中含有的SO2、CO2、NO、NO2等污染物對(duì)寧波的空氣質(zhì)量造成了直接影響。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果來(lái)看,與SO2關(guān)聯(lián)度最高的是工業(yè)SO2排放量,關(guān)聯(lián)度達(dá)到了0.895;工業(yè)煙塵排放量與PM100.943的關(guān)聯(lián)度也是所有指標(biāo)中最高的;工業(yè)廢氣排放量與SO2、NO2、API的關(guān)聯(lián)度均在0.891以上,排在各自所有指標(biāo)中的第二位。自“24·10”減排工程和 “十二五”后各項(xiàng)減排措施順利開(kāi)展以來(lái),寧波市整體空氣質(zhì)量在逐漸好轉(zhuǎn)(圖3),可見(jiàn)控制工業(yè)廢氣排放對(duì)寧波市空氣污染狀況的改善是有積極作用的。

表3 選取的影響因素名稱

表4 與各污染物及空氣質(zhì)量指數(shù)關(guān)聯(lián)度最大的5項(xiàng)指標(biāo)

2)能源消耗因素。21世紀(jì)以來(lái),寧波市現(xiàn)代化進(jìn)程加速,全市能源消費(fèi)快速增長(zhǎng),由于受重化型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響,煤炭和原油是主要的消耗能源,也是空氣環(huán)境污染的重要源頭之一。從灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果來(lái)看,SO2與萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值能耗的關(guān)聯(lián)度為0.769,排在所有指標(biāo)的第5位,在表4未列出的指標(biāo)中,人均能源消耗和人均原油消耗分別排在第7和第8位;與NO2關(guān)聯(lián)度最高的5項(xiàng)指標(biāo)中,人均能源消耗和萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值能耗分別排在第4和第5位,關(guān)聯(lián)度為0.790和0.785;人均原油消費(fèi)與PM10和API的關(guān)聯(lián)度分別達(dá)到了0.762和0.786,同時(shí)全社會(huì)能源消耗、原油消耗跟PM10和API的關(guān)聯(lián)度也均排在所有指標(biāo)前10以內(nèi)。2006年是寧波市達(dá)到國(guó)家要求、五年內(nèi)使地區(qū)單位GDP能耗下降20%目標(biāo)任務(wù)的第一年,之后SO2、NO2以及API都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖1、圖3),可見(jiàn)能源消耗因素跟寧波市的空氣環(huán)境質(zhì)量有著密切的關(guān)系。

3)地區(qū)產(chǎn)值因素。上世紀(jì)90年代起,寧波的輕重工業(yè)一直發(fā)展迅速,持續(xù)增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)效益所帶來(lái)的能源消耗和污染排放等行為必然引起空氣質(zhì)量的變化。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析,工業(yè)總產(chǎn)值與PM10的關(guān)聯(lián)度為0.780,排在所有指標(biāo)第3;第一產(chǎn)業(yè)增加值與SO2、NO2、API的關(guān)系在所有產(chǎn)值因素里是最密切的,主要可能是自本世紀(jì)初開(kāi)始,隨著寧波市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,第一產(chǎn)業(yè)的比重下降最快,相應(yīng)的污染排放量也調(diào)整最大,導(dǎo)致它與空氣質(zhì)量的關(guān)系在3類產(chǎn)業(yè)中最明顯?？偟膩?lái)說(shuō),除了地區(qū)生產(chǎn)總值之外,其他地區(qū)產(chǎn)值因素與SO2、NO2、PM10、API的關(guān)聯(lián)度均排在各自所有指標(biāo)的前10以內(nèi),這也說(shuō)明了產(chǎn)值因素對(duì)寧波市空氣污染程度是有一定影響的。

4)其他相關(guān)因素。在所選取的其他指標(biāo)中,建成區(qū)綠化覆蓋率和NO2的關(guān)系在所有指標(biāo)中最密切,關(guān)聯(lián)度達(dá)到了0.942;API和建成區(qū)綠化覆蓋率的關(guān)聯(lián)度為0.941,也在所有指標(biāo)中排首位;民用汽車擁有量與SO2、NO2、API的關(guān)聯(lián)度在所有指標(biāo)中均列第3,民用汽車擁有量與PM10的關(guān)聯(lián)度為0.764,在所有指標(biāo)中列第4,另外,常住人口數(shù)與PM10的關(guān)系也不可忽視,兩者的關(guān)聯(lián)度達(dá)到了0.783。寧波對(duì)城市園林綠化建設(shè)一直很重視,1996年寧波市政府提出第一個(gè)“綠化年”以來(lái),城市綠地率穩(wěn)步增加,另一方面,隨著汽車保有量的迅速增加,2009年寧波開(kāi)始從新車準(zhǔn)入、用車治理和提高油品質(zhì)量等3個(gè)方面進(jìn)行汽車尾氣污染治理,2012年起寧波對(duì)市區(qū)范圍內(nèi)在用機(jī)動(dòng)車全面開(kāi)展尾氣檢測(cè),排放不達(dá)標(biāo)的機(jī)動(dòng)車將不得上路行駛。從關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果來(lái)看,寧波市所采取的這幾項(xiàng)措施是非常有實(shí)際意義的。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)2001—2013年寧波市主要空氣污染物濃度均達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),污染物年均濃度普遍存在先上升后下降的趨勢(shì),其中NO2的年均濃度在2005年之后呈下降趨勢(shì),SO2與PM10的年均濃度在2010年以后開(kāi)始有較明顯的減小。污染物月均濃度的季節(jié)變化特征明顯,最高值均出現(xiàn)在冬季,夏季的濃度值最小。

2)2005年寧波市整體空氣質(zhì)量最差,之后有所好轉(zhuǎn),2010年后改善明顯,主要是由于空氣質(zhì)量日數(shù)為優(yōu)的日數(shù)增加和污染日數(shù)減少所致。2001—2013年空氣質(zhì)量為良的日數(shù)最多,污染日中以輕度污染為主,重度污染日數(shù)和嚴(yán)重污染日數(shù)出現(xiàn)頻率很小;寧波的空氣質(zhì)量冬季最差,夏季最好,不同等級(jí)的污染日大部分出現(xiàn)在冬季。

3)寧波市的空氣污染主要是可吸入顆粒物污染,SO2為首要污染物的日數(shù)出現(xiàn)頻率最小。當(dāng)出現(xiàn)空氣中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染時(shí),首要污染物皆為PM10。

4)影響寧波市空氣質(zhì)量的因素多種多樣,從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度考慮,工業(yè)廢氣排放量、各種能源消耗量、城市綠化率、汽車數(shù)量對(duì)污染物濃度及API的影響最大,同時(shí)地區(qū)產(chǎn)值變化、常住人口數(shù)等因素對(duì)空氣質(zhì)量的影響也不可忽視。

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2014-01-14

“公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)”(GYHY201206011)和“寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目”(2013C51013)資助