中國空氣污染指數(shù)變化特征及影響因素分析

李小飛 張明軍 王圣杰 趙愛芳 馬潛

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，城市環(huán)境空氣質(zhì)量也越來越成為人們普遍關(guān)注的熱點話題，因而對城市大氣環(huán)境質(zhì)量做出客觀、全面、實時的認識和評價是極其必要的。大氣環(huán)境質(zhì)量評價是對大氣環(huán)境狀況優(yōu)劣的定性和定量的評述，其將監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)與國家規(guī)定的大氣質(zhì)量標準等級相比較，進行綜合評價，不僅有利于人們認識和研究大氣環(huán)境質(zhì)量，還為有效治理和控制大氣污染提供必要的科學(xué)依據(jù)。

空氣污染指數(shù)（air pollution index，API）是反映大氣環(huán)境質(zhì)量水平的重要指標。根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標準和各項污染物對人體健康和生態(tài)環(huán)境的影響，將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數(shù)值形式，它將空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況分級表征，適合于表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢。

研究 API指數(shù)時空分布特征對城市環(huán)境空氣質(zhì)量分析與預(yù)報均具有宏觀指導(dǎo)意義。然而API指數(shù)時空分布一方面受局地和長距離輸送污染源的共同影響，另一方面氣象場形勢在一定程度上亦決定著污染擴散和污染水平。因此，多要素共同作用決定了 API指數(shù)時空分布的復(fù)雜性；國外對此研究不多，主要集中在對模型預(yù)測空氣污染指數(shù)的研究以及計算方法的改進。在國內(nèi)對空氣污染指數(shù)的研究大多數(shù)局限于少數(shù)區(qū)域、單一或少數(shù)幾個城市的空氣污染指數(shù)（分指數(shù)）或主要污染物的分析，僅僅得到的是特定地區(qū)和特定條件下空氣污染指數(shù)的分布特征，對大尺度區(qū)域，特別是全國性空氣污染的時空分布特征研究較少。基于此，本研究以全國 42個主要城市2001—2010年的日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)對我國 API的時空分布進行了分析，在較長時間和較大空間尺度上研究我國各站點城市 API的季變化、年變化和空間變化及分布特性，并對其時空分布特征的驅(qū)動機制做了探討；利用 API研究城市較長時期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢，對于進一步揭示我國城市大氣污染問題、制定合理科學(xué)的城市空氣質(zhì)量保護提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 空氣質(zhì)量分級標準

我國目前采用的空氣污染指數(shù)API分為5個等級（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V），7個檔，范圍為0～500。其中，50、100、200分別對應(yīng)我國空氣質(zhì)量標準中的日均值一、二、三類標準的污染物濃度限值，500對應(yīng)于人體健康產(chǎn)生明顯危害的污染水平，分別與 API值（0～50、51～100、101～200、201～300、301～500）相對應(yīng)。指數(shù)越大，級別越高，說明污染越嚴重，對人體健康的危害也越明顯。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用空氣污染指數(shù)資料取自中華人民共和國環(huán)境保護部網(wǎng)站重點城市空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)，選取2000年12月—2010年12月記錄完整的42個城市。日報資料主要包括逐日空氣污染指數(shù)、主要污染因子、空氣質(zhì)量級別和空氣質(zhì)量狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)變化特征

特定的季節(jié)、不同的天氣氣候條件會使得城市空氣質(zhì)量發(fā)生較大的變化；局地因素，即各個城市的氣象條件、地貌狀況、植被分布以及當(dāng)?shù)厝藗兊幕顒訝顩r是形成這種季節(jié)變化的關(guān)鍵因素。全國42個城市2000年12月—2010年12月API的季節(jié)變化均值顯示，我國城市空氣污染指數(shù)以夏季作為轉(zhuǎn)折點，冬季至夏季 API大幅度降低，夏季之后 API趨于升高；也即冬季空氣質(zhì)量最差，春季大氣污染指數(shù)次于冬季，夏秋兩季相對較好，總體上空氣污染指數(shù)＜100處于I或Ⅱ級；污染指數(shù)季節(jié)順序為冬季（88）＞春季（79）＞秋季（73）＞夏季（63）。依據(jù)我國環(huán)境污染的特點和污染防治重點，目前計入空氣污染指數(shù)的項目為：二氧化硫、氮氧化物（二氧化氮）和總懸浮顆粒物（PM10），其中可吸入顆粒物污染分指數(shù)的貢獻率為 73.04%，其余 6.11%來自二氧化硫和二氧化氮的貢獻；各季節(jié)主要污染因子出現(xiàn)天數(shù)均表現(xiàn)為：可吸入顆粒物＞無污染＞二氧化硫＞二氧化氮；可吸入顆粒物 10 a的季度平均值排列順序為：春＞秋＞冬＞夏，無污染是夏＞秋＞春＞冬，二氧化硫是冬＞春＞秋＞夏，二氧化氮冬＞秋＞春＞夏；污染因子二氧化硫、二氧化氮在四季中出現(xiàn)天數(shù)均較少，尤其夏季天數(shù)最少；無污染及可吸入顆粒物則相反，夏季出現(xiàn)天數(shù)較多?？晌腩w粒物可以被人直接吸入呼吸道內(nèi)造成危害，其主要的人為源是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動；大氣中的二氧化硫則主要來源于含硫燃料（特別是煤）的燃燒，其余則來自于冶金、硫酸制造等工業(yè)過程；二氧化氮是大氣中主要的含氮污染物，其人為源主要是燃料的燃燒，在城市則主要表現(xiàn)為汽車尾氣的排放。對各個城市空氣質(zhì)量狀況季節(jié)分布特征統(tǒng)計，我國城市空氣質(zhì)量狀況的季節(jié)變化總體上表現(xiàn)出，優(yōu)或良在總天數(shù)中所占比例較大，其次為輕微污染和輕度污染，中度污染、中度重污染和重度污染所占比重最小；夏、秋季I和Ⅱ級天數(shù)占總天數(shù)的45.66%，冬、春季 Ⅳ1、Ⅳ2和V級污染天數(shù)分別為 390、287和 673 d；空氣質(zhì)量狀況10 a的季度平均值排列順序表現(xiàn)為：優(yōu)是夏＞秋＞春＞冬，良是秋＞春＞夏＞冬，輕微污染、輕度污染、中度污染和中度重污染的規(guī)律相同，均為冬＞春＞秋＞夏，重度污染是是春＞冬＞秋＞夏，再次表明我國空氣質(zhì)量夏、秋季較好，春季次之，冬季最差。

綜上，四季大氣污染指數(shù)、主要污染因子以及空氣質(zhì)量狀況 10 a統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，冬季大氣污染最為嚴重，秋、春次之，夏季污染最低。這種季節(jié)變化規(guī)律，表現(xiàn)出我國以煤煙和二次揚塵的為主的大氣污染特征，也與天氣氣候條件以及局地因素的季節(jié)變化有關(guān)。冬季降水偏少，氣候干燥，植被干枯，西北風(fēng)強勁，易引發(fā)起沙、揚塵天氣；另外冬季，尤其是早晚，容易出現(xiàn)逆溫層抑制污染物在大氣中的擴散，同時冬季為采暖期，燃料消耗量大，污染物排放量大，更加劇了大氣污染。春季是沙塵暴頻發(fā)的季節(jié)，多發(fā)生于西北的沙塵暴借強勁的西北風(fēng)可長距離輸送影響中國的不少城市，有時會席卷大半個中國，沙塵加大了空氣中的含塵量，從而影響環(huán)境空氣質(zhì)量。然而，夏秋兩季降水增多，濕度增大，植被覆蓋度明顯增大（相對于春、冬兩季），而且太陽輻射強，近地面層熱力對流旺盛，逆溫出現(xiàn)的幾率小，空氣的擴散條件好，有利于污染物的稀釋和擴散，空氣質(zhì)量無疑相對較好。

2.2 年變化特征

2001—2010年全國站點城市空氣污染指數(shù)變化趨勢，API總體上表現(xiàn)為下降趨勢。從 2001—2005年API平均值表現(xiàn)出逐年下降的趨勢，波動較小，在2006年API陡然升高，之后又表現(xiàn)出平緩下降趨勢。2001—2010年無污染出現(xiàn)天數(shù)雖有波動但整體上表現(xiàn)出逐年增大，2010年全國站點城市無污染的天數(shù)為 4038 d；可吸入顆粒物作為首要污染物的天數(shù)2001—2010年表現(xiàn)為下降趨勢，2001—2006年下降幅度較小，甚至在2007年略微升高，但之后又急劇下降，至2010年趨于穩(wěn)定；二氧化硫作為污染物出現(xiàn)天數(shù)較少，10 a間分別于2003年和2008年出現(xiàn)一谷一峰；即2001—2003年二氧化硫天數(shù)呈減少趨勢，2003—2008年表現(xiàn)為上升趨勢，2008—2010年又趨于減少。主要污染因子中，二氧化氮出現(xiàn)天數(shù)最少，且年際變化波動較大，分別于2002年、2005年和2009年出現(xiàn)極小值，2004年和2007年出現(xiàn)2個峰值，總體上無規(guī)律可循。全國站點城市2001—2010年空氣質(zhì)量狀況的年際變化空氣質(zhì)量出現(xiàn)優(yōu)的天數(shù)雖略微有波動但整體上表現(xiàn)出逐年增大；良出現(xiàn)的天數(shù)在 2007年發(fā)生了變化，即2001—2007年良出現(xiàn)天數(shù)呈增大趨勢，2007年之后則表現(xiàn)為趨于減小；2001—2010年輕微污染和輕度污染出現(xiàn)天數(shù)減小均趨勢明顯，波動較?。恢卸任廴?、中度重污染和重度污染出現(xiàn)天數(shù)較少，10 a間雖有較大的波動但總的趨勢是趨于減??；同時，本研究發(fā)現(xiàn)3種空氣質(zhì)量級別在2006年均表現(xiàn)出增大的轉(zhuǎn)折，加之API在2006年的陡然升高，表明2006年全國出現(xiàn)了較大范圍的空氣污染。

綜上，大氣污染指數(shù)、主要污染因子以及空氣質(zhì)量狀況10 a統(tǒng)計分析結(jié)果表明：API的年際變化表現(xiàn)為逐年減小，空氣污染趨于良好；主要污染因子當(dāng)中無污染出現(xiàn)的天數(shù)逐年增大，可吸入顆粒物出現(xiàn)天數(shù)也明顯趨于減少，二氧化硫和二氧化氮出現(xiàn)天數(shù)雖有波動，但減少趨勢也較為明顯；空氣質(zhì)量狀況的年際變化也進一步表明了2001—2010年全國城市空氣質(zhì)量的好轉(zhuǎn)趨勢。這與近年來各地方政府和環(huán)保部門在大氣污染治理方面的工作密不可分，也與城市綜合整治力度的加大，環(huán)境建設(shè)和環(huán)境管理工作的不斷地深入，科學(xué)有效地治理措施以及全民的參與密不可分。

2.3 空間變化特征

選取中華人民共和國環(huán)境保護部網(wǎng)站重點城市空氣質(zhì)量日報數(shù)據(jù)，所有站點城市的空間分布，基本涵蓋我國南北以及沿海內(nèi)陸地區(qū)（東西差異）。我國城市大氣環(huán)境質(zhì)量在區(qū)域上存在明顯的差異，API、主要污染因子和空氣質(zhì)量狀況均表現(xiàn)出從南向北，從沿海至內(nèi)陸的變化趨勢。API的空間分布，雖然空氣質(zhì)量均表現(xiàn)為 I 或 Ⅱ 級（蘭州、烏魯木齊表現(xiàn)為Ⅲ1），在區(qū)域上則南方和沿海城市 API均值較低，其中珠海、湛江和?？诒憩F(xiàn)為 I 級，北方與內(nèi)陸城市空氣質(zhì)量皆為Ⅱ 級，且均是 API高值區(qū)。無污染的區(qū)域特征表現(xiàn)為南方及沿海城市出現(xiàn)天數(shù)較多，北方和內(nèi)陸城市出現(xiàn)天數(shù)較少；可吸入顆粒物和二氧化硫則表現(xiàn)為北方和內(nèi)陸城市出現(xiàn)天數(shù)較多，南方及沿海城市較少；二氧化氮作為污染物主要出現(xiàn)在南京、南通、上海、溫州、福州、廈門、汕頭、深圳、珠海、廣州、南寧等沿海城市和西北干旱區(qū)的呼和浩特、銀川和烏魯木齊，以及蘭州和哈爾濱，區(qū)域差異主要表現(xiàn)為沿海城市大于內(nèi)陸城市，南方大于北方城市；?？凇⒄拷?、合肥以及拉薩等，10 a來從未出現(xiàn)過二氧化硫和二氧化氮的天數(shù)?？諝赓|(zhì)量狀況的區(qū)域分布特征也比較明顯，空氣質(zhì)量級別優(yōu)或良出現(xiàn)天數(shù)表現(xiàn)為南方和沿海城市大于北方和內(nèi)陸城市；輕微污染、輕度污染、中度污染、中度重污染和重度污染出現(xiàn)天數(shù)均表現(xiàn)為北方和內(nèi)陸城市大于南方和沿海城市，并且南方和沿海的部分城市10 a來并沒有出現(xiàn)過輕度污染或輕度污染以上的空氣質(zhì)量狀況，如珠海、海口、湛江和昆明等城市。

總之，我國城市大氣環(huán)境質(zhì)量在區(qū)域上存在顯著差異，API、主要污染因子以及空氣質(zhì)量狀況均表現(xiàn)出從南到北、從沿海到內(nèi)陸的變化趨勢。北方和內(nèi)陸城市API較高，主要污染因子類型多且出現(xiàn)天數(shù)較多，空氣質(zhì)量級別齊全，I或Ⅱ級的天數(shù)較少，Ⅲ2級或Ⅲ2級以上的污染出現(xiàn)天數(shù)較多；南方和沿海城市則相反，總體上表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的大氣環(huán)境質(zhì)量。導(dǎo)致這種差異出現(xiàn)的原因是：北方城市（尤其是進入采暖期），污染物的排放量顯著增加，再加上北方地區(qū)受季風(fēng)影響相對較弱，西北地區(qū)城市多以山谷盆地（特別是蘭州）等特殊地形為主，更加重了大氣環(huán)境污染；東部沿海地區(qū)多處于平原，地形平坦，季風(fēng)氣候顯著，有利于污染物的擴散和稀釋?？梢?，氣象條件、地形以及人們的活動狀況均對城市大氣質(zhì)量的區(qū)域變化和分布產(chǎn)生著重要影響。

3 討論

3.1 污染源對城市空氣質(zhì)量的影響

通過對各城市污染物的統(tǒng)計，可吸入顆粒物作為主要污染物出現(xiàn)的頻率最高，可見中國城市大氣污染受燃煤影響嚴重。燃煤，特別是在采暖期燃煤量急劇增加，導(dǎo)致了我國北方采暖期的顆粒物排放量、二氧化硫含量以及API值的升高，空氣質(zhì)量下降。局地地面土壤揚塵及西北地區(qū)沙塵傳輸造成的自然降塵對 API中可吸入顆粒物濃度的貢獻也很大。局地地面揚塵主要指綠化率和硬質(zhì)覆蓋度，地面裸露程度越高越容易引起揚塵，在多風(fēng)干燥季節(jié)對局地城市空氣質(zhì)量的影響不容忽視。作為中亞沙塵暴區(qū)的重要組成部分——中國西北地區(qū)，主要包括南疆的塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地、內(nèi)蒙古西部沙地（巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地、烏蘭布和沙漠）、內(nèi)蒙古東部沙地（渾善達克沙地和科爾沁沙地）和黃土高原；西北地區(qū)荒漠化和沙漠化的現(xiàn)狀，再加上我國西高東低的地勢，致使發(fā)生于我國西北地區(qū)的沙塵天氣會順勢而下，并在高空強西北氣流作用下，影響到我國華北廣大地區(qū)和東部沿海地區(qū)。

3.2 氣象條件對城市空氣質(zhì)量的影響

氣象要素是制約污染物在大氣中稀釋、擴散、遷移和轉(zhuǎn)化的重要因素。與大氣污染有關(guān)的氣象要素很多，主要包括降水量、風(fēng)、逆溫、地面氣壓、地面溫度、相對濕度、云量等。污染物在水平方向上的擴散由風(fēng)速決定，風(fēng)速越大，污染物越容易擴散，風(fēng)速小甚至靜風(fēng)時，污染物難以擴散，容易形成污染物局地積累；污染物在垂直方向的擴散受到垂直方向上溫度的分布狀況控制，當(dāng)?shù)孛婵諝鉁囟雀哂诟呖罩写髿鉁囟葧r，大氣是不穩(wěn)定的，在熱力對流的作用下污染物向上擴散，地面污染物濃度降低，當(dāng)高空中大氣溫度高于地面空氣溫度時，就形成了所謂的逆溫現(xiàn)象，這時熱力對流減弱甚至消失，大氣狀況變得穩(wěn)定，污染物的垂直擴散受到抑制，地面污染物累積；降水（降雨、降雪）對空氣污染物能起到清除和沖刷作用：在雨水作用下，大氣中的一些污染氣體能夠溶解在水中，降低空氣中污染氣體的濃度，較大的雨雪對空氣污染物粉塵顆粒也起著有效的清除作用。馮宏芳等對福州污染物濃度與氣象條件的關(guān)系進行了較為全面的分析，結(jié)果表明污染物的濃度變化與空氣污染氣象條件的優(yōu)劣密切相關(guān)，各氣象要素對大氣污染物有一定的制約關(guān)系。陳雷華等在其研究中也對氣象條件與空氣污染的相關(guān)關(guān)系進行了分析。API與降水量和風(fēng)速相關(guān)關(guān)系曲線。烏魯木齊 API指數(shù)與月總降水量在0.05水平上呈負相關(guān)，其線性相關(guān)系數(shù)為－0.289；東南部城市API與月平均降水在 0.05的水平上呈明顯的負相關(guān)，其線性相關(guān)系數(shù)為－0.629。說明降水對污染物有顯著的清除作用，降水量越大，API指數(shù)越小，反之亦然。烏魯木齊 API與風(fēng)速在 0.001的水平上呈明顯負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.812，說明風(fēng)速的大小直接影響著烏魯木齊 API指數(shù)的變化，風(fēng)速越大，越有利于污染物的擴散，API指數(shù)就越小。究其原因，風(fēng)速加大更有利于污染物的擴散，雖然風(fēng)速增大可能會帶來沙塵天氣，但北疆城市尤其是烏魯木齊，污染日首要污染物更多的是SO2；東南部地區(qū)API與月平均風(fēng)速在0.01的水平上呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較小僅為0.079，這是由于風(fēng)速加大容易觸發(fā)地面塵土的揚起，空氣污染會因此而加重，表現(xiàn)出API與風(fēng)速呈正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，污染天氣過程與近地層逆溫層的出現(xiàn)相對應(yīng)。由于季節(jié)因素，夏季逆溫層厚度較薄，高度相對偏低；冬天逆溫天氣出現(xiàn)的頻率較多，大氣比較穩(wěn)定，不利于空氣污染物的擴散稀釋，因此我國空氣污染表現(xiàn)出明顯的冬高夏低的季節(jié)特征。

3.3 地形因素對城市空氣質(zhì)量的影響

由中國地形起伏度空間分布趨勢和海拔高度規(guī)律可知，西部地區(qū)地形起伏度高于東部，南部高于北部；最高值分布在藏東南—橫斷山區(qū)和天山地區(qū)，除一些巨大的盆地外，由此二處向兩側(cè)逐漸降低；最低值分布在東北平原、華北平原和塔里木盆地，四川盆地、內(nèi)蒙古高原、江南地區(qū)、華南地區(qū)為次低值區(qū)域；全國低海拔地區(qū)以低值地形起伏度為主，高海拔地區(qū)以高值地形起伏度為主。中國的地貌類型復(fù)雜多樣，地勢西高東低，形成3大階梯的總特征，主要表現(xiàn)為：西北部多高原、盆地和山地，東南部以平原、丘陵和低山地貌為主，地勢低平，沃野千里。我國地形的空間差異對氣象條件分布產(chǎn)生著巨大影響，進而影響著大氣環(huán)境質(zhì)量的區(qū)域變化。山谷盆地地形阻塞易出現(xiàn)閉合環(huán)流的小風(fēng)，對氣流產(chǎn)生阻擋效應(yīng)，會使這一地區(qū)的污染加重；山區(qū)地形起伏使得接受的太陽日輻射強度和輻射冷卻不均勻，由此引起的熱力環(huán)流形成地形風(fēng)，再加上山區(qū)逆溫維持時間比平原地區(qū)長，限制了空氣的擴散，加重了污染；平原地區(qū)則由于風(fēng)向和風(fēng)速在某一水平面上基本是均勻的，污染物的輸送規(guī)律比較簡單，主要由當(dāng)?shù)仫L(fēng)向頻率所決定，有利于污染物的擴散和稀釋。

3.4 人類活動對城市空氣質(zhì)量的影響

人類活動對城市大氣環(huán)境的影響既存在消極的方面同時也存在積極的方面。隨著城市人口遞增，工業(yè)、生活爐灶與采暖鍋爐排放量增加，機動車擁有量及排放量也逐年上升，能源消費量和燃油消耗量大幅增加，市政施工揚塵和道路揚塵加重，使大氣污染不容忽視；另一方面，隨著人類環(huán)保意識的增強，對城市大氣環(huán)境產(chǎn)生著積極地影響：投資和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高能源利用率并積極開發(fā)新能源，逐年提高城市的綠化覆蓋率和道路綠化總長度，制定并實行新的經(jīng)濟指標（綠色GDP、單位GDP能耗），加強污染的預(yù)防、治理和法律職能等，城市空氣質(zhì)量也表現(xiàn)出進一步好轉(zhuǎn)趨勢。

4 結(jié)論

（1）我國城市受燃煤影響較為嚴重，特別是在采暖期燃煤量急劇增加，導(dǎo)致了我國北方采暖期的顆粒物排放量、二氧化硫含量以及API值的升高；總體上，城市API處于I或Ⅱ級，主要污染因子以可吸入顆粒物出現(xiàn)頻率最高，空氣質(zhì)量狀況較好，以優(yōu)、良和輕微污染居多。

（2）API、主要污染因子以及空氣質(zhì)量狀況表現(xiàn)出顯著的時空變化。從時間變化上看，不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的特征，冬春季較夏秋季空氣污染最嚴重；從年際變化看，空氣質(zhì)量表現(xiàn)出逐年好轉(zhuǎn)趨勢；在空間變化上，東西南北差異較大，空氣質(zhì)量由南到北，從沿海到內(nèi)陸的逐漸變差。

（3）我國城市空氣質(zhì)量主要受污染源、氣象條件、地理因素和人類活動的影響。其中，污染源主要來自于局地污染及西北地區(qū)沙塵傳輸造成的自然降塵；各氣象要素對大氣污染物有一定的制約，其中空氣污染指數(shù)與降水量、風(fēng)速和逆溫線性相關(guān)；地形的空間差異間接影響著空氣質(zhì)量的空間變化，人類活動則對其產(chǎn)生著雙重作用；各影響因素并非孤立，而是相互交織共同作用于空氣質(zhì)量的變化。

（摘自《環(huán)境科學(xué)》2012年第6期）