中國空氣污染指數(shù)時空分布特征及其變化趨勢（2001—2015）

孔鋒 呂麗莉 方建 徐宏輝

2013年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）公布了全球氣候變化第 5次評估報告（AR5），與 2007年公布的全球氣候變化第4次評估報告（AR4）相比，第5次評估報告指出氣候變化要比原來認(rèn)識到的更加嚴(yán)重，而且有 95%以上的置信度認(rèn)為人類活動影響極可能是氣候變化的主要原因。

大氣氣溶膠作為空氣的重要組成部分，不僅作為凝結(jié)核影響降雨的形成，而且其數(shù)量的多少將影響空氣質(zhì)量。氣溶膠按來源可分為人為源和自然源。自然源主要包括：海鹽、氣粒轉(zhuǎn)換、風(fēng)沙揚塵、林火煙粒、火山噴發(fā)（變化很大）、隕星余燼、植物花粉等；人為源主要有：氣粒轉(zhuǎn)換、工業(yè)過程、燃料燃燒、固體廢棄物的焚燒、交通運輸、農(nóng)業(yè)活動排放、生物質(zhì)等。大氣中氣溶膠的主成分主要包括以人為源為主的硫酸鹽、硝酸鹽、黑碳和有機(jī)碳等，以及以自然源為主的沙塵和海鹽等。研究發(fā)現(xiàn)，人為源氣溶膠的年平均排放量和濃度只占?xì)馊苣z總量的10%～20%，但是人為源氣溶膠產(chǎn)生的光學(xué)厚度卻占到總氣溶膠光學(xué)厚度的 50%左右。自然源氣溶膠濃度相對穩(wěn)定，在多年的地球大氣的演變過程中漸進(jìn)平衡狀態(tài)，對于天氣及氣候的短周期變化影響較小。北半球人為氣溶膠的增加可能使云滴數(shù)濃度增加15%，氣溶膠作為凝結(jié)核導(dǎo)致云量和云生命時間的變化，最終都必將對降水產(chǎn)生間接的影響。

大氣污染物就是人為產(chǎn)生的氣溶膠的主要組成部分。從1978年改革開放以來，中國經(jīng)歷了一個城市化進(jìn)程快速發(fā)展的時期，城市面積、城市人口、GDP、人均 GDP、用電量等都呈上升的趨勢。尤其是 2000年以來，隨著工業(yè)化、城市化日益加劇，人類活動排放的污染物迅速增多，且污染物在穩(wěn)定的無風(fēng)天氣狀況下持續(xù)時間不斷延長。以北京2014年2月霧霾為例，其發(fā)生時間從2月20日持續(xù)到2月27日，在此之前也有持續(xù)較長的霧霾發(fā)生。霧霾發(fā)生期間能見度低，空氣混濁，太陽輻射難以穿透大氣層到達(dá)地面?？梢娙藶榕欧诺拇髿鈿馊苣z通過改變大氣成分、輻射及反照率等影響著天氣和氣候。1980年代以來城市化、工業(yè)化迅猛發(fā)展，大氣污染物不斷增加，降水尤其是小雨不斷減少，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。其中大氣氣溶膠對長期氣候變化的影響國內(nèi)外已有不少研究。因此研究清楚大氣氣溶膠的時空格局及其變化趨勢對從成因機(jī)制上研究大氣氣溶膠對不同強(qiáng)度降水具有十分重要的作用。

空氣污染指數(shù)（air pollution index，簡稱 API）是反映空氣質(zhì)量的一種方法，就是將常規(guī)監(jiān)測的幾種主要空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性數(shù)值形式、并分級表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度，其結(jié)果簡明直觀，適用于表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢。API近年來逐漸被納入到氣象預(yù)報中，因為 API值的大小不僅會像其它氣象常規(guī)因子（如降水、氣溫等）影響著天氣狀況，而且 API值的大小會直接對人們的健康和日常生活產(chǎn)生十分重要的影響。目前我國所用的空氣指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)為API50點對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值一級標(biāo)準(zhǔn)；API100點對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值二級標(biāo)準(zhǔn)；API200點對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值三級標(biāo)準(zhǔn)；API更高值段的分級對應(yīng)于各種污染物對人體健康產(chǎn)生不同影響時的濃度限值，當(dāng) API超過 300點時會對健康的人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害影響。另外 API包含了多種大氣氣溶膠，但由于大氣氣溶膠作為凝結(jié)核影響降水主要受其尺度影響，與氣溶膠種類關(guān)系不大，所以本文可以選用 API既可以作為空氣質(zhì)量的表征，又作為氣溶膠濃度的表征。因此，研究清楚 API的在我國不同地區(qū)的時空分布及其變化趨勢，不僅對不同地區(qū)、不同季節(jié)人們的健康和活動有指導(dǎo)意義，也對進(jìn)一步從成因機(jī)制上研究 API對不同強(qiáng)度降水的影響具有十分重要的作用。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的 API日值數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部官方網(wǎng)站的數(shù)據(jù)中心。每日的 API表征了每日最主要污染物濃度的日均值，它表征了每日最主要的三種污染物PM10，NO2和 SO2中，污染指數(shù)最高的污染物濃度的日均值。其中，API與 PM10，NO2和 SO2濃度的對應(yīng)關(guān)系。文章選取了中國重點城市空氣質(zhì)量日報 119個主要城市臺站從初始觀測之日到2015年12月31日的 API數(shù)據(jù)，其中大多數(shù)的站點觀測值開始于2000—2001年之間。根據(jù)API觀測臺站數(shù)據(jù)，統(tǒng)計春、夏、秋、冬季度多年 API日值的平均狀態(tài)和變化趨勢。

1.2 計算方法

本研究采用多年均值統(tǒng)計和、最小二乘法，對不同季節(jié)的 API數(shù)據(jù)分別進(jìn)行均值統(tǒng)計和一元線性回歸。多年均值統(tǒng)計的具體步驟如下：對于每個 API觀測臺站，如果數(shù)據(jù)長度為 n 年的序列 APIij（i＝1，2，…，4；j＝1，2，…n）為其平均狀態(tài)表示為：

式中：Si為春夏秋冬4個季節(jié)數(shù)組；i為觀測數(shù)據(jù)的季節(jié)數(shù)組序號，j為觀測數(shù)據(jù)春、夏、秋、冬 4個季節(jié)的天數(shù)。春季為 3，4，5月、夏季為 6，7，8月，秋季為 9，10，11月、冬季為12，1，2月。對于每個API觀測臺站變化趨勢值，采用最小二乘法進(jìn)行計算，計算方法如下：對于每個 API觀測臺站，如果數(shù)據(jù)長度為 n年的序列 APIij（i＝1，2，…，n），用 tij表示 APIij所對應(yīng)的時刻，建立 APIij與tij之間的一元線性回歸方程：

式中的 j為春夏秋冬每個季節(jié)的天數(shù)?；貧w系數(shù) b的符號表示變量的線性趨勢。b＞0表明隨時間增加 x呈上升趨勢，b＜0表示隨時間增加x呈下降趨勢。b的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。本文將回歸系數(shù) b稱為變量的變化趨勢值。最后采用IPCC AR5中給出的信度檢驗閾值進(jìn)行變化趨勢的統(tǒng)計檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 四季API時空格局

從時間上看，中國四季的 API多年日值平均態(tài)從高到低依次是冬季、春季、秋季、夏季。一方面這是因為中國地區(qū)一般從10月底的秋末季節(jié)到次年的 4月初的初春季節(jié)是中國北方集中供暖的季節(jié)，供暖的資源一般是以煤炭為主的化石類資源。一般供暖最為嚴(yán)峻的季節(jié)是冬季，這個時段煤炭資源的消耗會很大，因此會有大量的污染排放。另一方面中國冬季氣溫相比夏季要低很多，而且冬季中國大部分地區(qū)太陽直射角較小，白晝時間較短，夜晚時間相對較長，這樣冬季的逆溫持續(xù)時間要比夏季的逆溫持續(xù)時間要長很多。逆溫持續(xù)的時間越長越不利于污染物的擴(kuò)散。

從站點數(shù)看，各均值的站點比例可以看到API處于50～75和75～100是站點分布最為集中，占據(jù)了80%以上的站點。春、秋、冬3個季節(jié)占得比例更大，超過 90%。另外平均空氣污染物濃度的區(qū)域分布并不是完全由污染排放源決定的，濕沉降的清除機(jī)制和大氣動力混合對于大氣污染物的分布也有重要影響。中國北方地區(qū)人為污染物排放量明顯高于南方地區(qū)和中國內(nèi)陸地區(qū)，且由于夏季中國北方的降水總量和降水頻率都明顯少于南方地區(qū)，因此，中國北方地區(qū)夏季濕沉降的清除作用較弱，使得中國北方地區(qū)的大氣污染物濃度相對于南方地區(qū)得以更久地滯留在空氣中。

從空間上看，中國四季的 API多年均值具有顯著的南北區(qū)域差異。南北差異一方面是由于上述冬季集中供暖產(chǎn)生的，因為在中國秦嶺－淮河一線以南地區(qū)冬季不集中進(jìn)行供暖，所以該地區(qū)的污染物排放要比北方地區(qū)少。另一方面南方地區(qū)冬季的濕沉降的清除作用也要比北方地區(qū)強(qiáng)。另外由于空氣污染物濃度會隨著較為清潔空氣的動力混合而減少，所以，在開闊的沿海地區(qū)，空氣污染物濃度的減少會比盆地或者內(nèi)陸地區(qū)更多，空氣相對比較清潔，這也使得污染物濃度存在東西區(qū)域格局差異。此外，由于沿海地區(qū)水汽充足，較大尺度的海鹽氣溶膠能夠作為成云致雨的凝結(jié)核，這樣也會使得空氣中的空氣污染物濃度減少。因此，沿海地區(qū)的觀測臺站中 API的觀測值一般要比內(nèi)陸地區(qū)觀測臺站的 API觀測值小。

2.2 四季API變化趨勢

根據(jù) IPCC AR5給出的信度范圍閾值可以得到，春季、夏季、秋季、冬季各有13.45%、11.76%、14.29%、11.76%的站點未通過信度檢驗。從 API趨勢變化來看下降的站點數(shù)目要多于上升的站點數(shù)目，說明近年來環(huán)境改善明顯。從時間上看，API濃度下降趨勢顯著的季節(jié)從高到低依次是春季、夏季、秋季、冬季。這可能是從春季開始?xì)鉁刂饾u升高，并且中國大部分地區(qū)的白晝時間變長，使得逆溫持續(xù)的時間較冬季縮短，大氣動力混合較冬季增強(qiáng)，有利于污染物的擴(kuò)散。同時從春末開始到夏季中國大部分地區(qū)的降水逐漸增多，這使得濕沉降的清除作用越來越顯著。API濃度上升趨勢顯著的季節(jié)從高到低依次是冬季、秋季、春季、夏季。秋末、冬季、一方面是因為初春是中國北方地區(qū)集中供暖的時期，API排放較夏季多。另一方面是因為冬季氣溫較夏季低，白晝時間縮短，夜晚時間變長，使得逆溫持續(xù)的時間變長，不利于污染物的排放。

從空間上看，API濃度上升和下降的站點交錯分布，大致上升顯著的區(qū)域主要集中在以京津唐為主的環(huán)首都圈地區(qū)?？赡苤饕怯捎谶@里地處北方地區(qū)，冬季 API排放多，氣溫較南方地區(qū)低，不利于污染物的擴(kuò)散，并且這個地區(qū)城市化水平發(fā)展較快使得人為排放的 API的不斷增多。上升的分布集中在京津唐工業(yè)區(qū)，山東半島，滬寧杭工業(yè)區(qū)以及珠江三角洲工業(yè)區(qū)以及其他一些工業(yè)中心附近，說明工業(yè)的發(fā)展對API影響較大。

3 結(jié)論及討論

3.1 結(jié)論

綜上所述，API具有明顯的時間和空間上的區(qū)域差異。① 從時間上來看，API濃度上升趨勢和下降趨勢顯著的季節(jié)從高到低依次是冬季、秋季、春季、夏季和春季、夏季、秋季、冬季。上升顯著的區(qū)域主要集中在以京津唐為主的環(huán)首都圈地區(qū)，而下降顯著的區(qū)域比較分散，沒有明顯的區(qū)域規(guī)律。② 從空間上來看，主要是中國北方人口稠密的城市地區(qū)多年API平均狀況要大于中國南方地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)。③ 從站點數(shù)目來看，多年 API均值介于50～75和75～100之間的站點分布最為集中，占據(jù)了80%以上的站點，春、秋、冬三個季節(jié)占得比例更大，超過 90%。④ 從趨勢上來看，API一年四季中下降趨勢站點數(shù)目比上升趨勢站點多，但是由于數(shù)據(jù)持續(xù)時間較為短，還不能就未來 API的變化做出診斷。但就目前 API排放下降的站點多并不能代表排放量就會減少，也不代表區(qū)域的 API整體均值會減小。

3.2 討論

從上可以看出還有一些問題需要進(jìn)一步研究探討。

（1）API時間上的差異可能一方面主要是由于中國北方地區(qū)秋、冬、春季節(jié)用以煤炭為主的化石類燃料取暖和冬季逆溫時間持續(xù)時間較長產(chǎn)生的。另一方面可能主要是由于中國北方地區(qū)夏季的降水量和降水頻率要明顯少于南方地區(qū)，從而導(dǎo)致中國北方地區(qū)的濕沉降的清潔作用明顯小于南方地區(qū)。是否還有其它因素的影響時間上的分布，還有待于進(jìn)一步研究。

（2）API空間上的差異可能一方面與中國人類活動強(qiáng)度大、人口密度大、城市化水平高的地區(qū)相重合?；径嘉挥谀樱v沖一線以界限的胡煥庸線以東。這里是改革開放以來中國最先開發(fā)的地區(qū)。高密度的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和高密度的人口是否是導(dǎo)致 API排放較多的原因，還有待于從微觀水平去做對比驗證。但是由于受到局地的 API數(shù)據(jù)在時間分辨率和空間分辨率上的限制以及 API數(shù)據(jù)的持續(xù)時間有限，即使如此也很難獲取此類觀測的排放數(shù)據(jù)，這些都是限制近一步從空間上深化的原因之一。

（3）API變化趨勢一方面主要可能是由于中國南北降水量和降水頻率的區(qū)域差異和中國東西城市群規(guī)模區(qū)域差異引起的。另一方面可中國沿海地區(qū)的多年 API平均狀況要小于中國內(nèi)陸地區(qū)。這主要可能是是由于沿海地區(qū)地形開闊，水汽充足，人為排放的 API和更大尺度的海鹽氣溶膠能夠作為成云致雨的凝結(jié)核，從而大大減少。

（4）需要進(jìn)一步深入API對霾發(fā)生的影響。API作為人類排放的污染物，雖然政府對其部分排放源有所限制，但其仍然呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。API中的PM作為霾的主要成分，控制 API中PM的排放對減少霾的發(fā)生具有重要作用。在大氣觀測上，霾主要由兩個氣象變量判定：① 水平能見度小于10 km；② 相對濕度一般小于 80%。因而當(dāng)大氣相對濕度小于 80%時，大氣渾濁視野模糊導(dǎo)致的能見度變化主要是霾造成的。近年來霾發(fā)生在不斷加劇。在空間上發(fā)生范圍不斷擴(kuò)大。近年來霾的發(fā)生范圍逐漸擴(kuò)大，已經(jīng)基本覆蓋了整個華北平原，并有強(qiáng)勁的增加趨勢。在時間上，進(jìn)入21世紀(jì)以來不論是年單站平均霾日數(shù)，還是四季的單站平均霾日數(shù)都呈現(xiàn)不斷增加趨勢；此外霾發(fā)生后持續(xù)時間不斷增長，而且近年來嚴(yán)重霾日數(shù)的比例占霾總?cè)諗?shù)的比例不斷增大。綜上可以看到霾已經(jīng)成為影響人民生活的氣象災(zāi)害之一。在霾的發(fā)生過程中，自然塵降貢獻(xiàn)率占多少，人類排放貢獻(xiàn)率占多少，尤其是人類排放的哪些污染物對霧霾的發(fā)生貢獻(xiàn)大，哪些領(lǐng)域和行業(yè)又占據(jù)這些污染物排放源的寡頭是政府和人民關(guān)注的焦點，目前這個問題由于受到數(shù)據(jù)限制，尤其是長期序列的霧霾數(shù)據(jù)的限制，還沒有較為客觀的證據(jù)來得到學(xué)界的廣泛認(rèn)同。這個領(lǐng)域還處于初步階段，尚待更加深入系統(tǒng)的研究。

綜上所述，城市化的水平的不斷提高，使得人類徹底的改變了自然地表景觀。原始大片的自然地表覆蓋被不同規(guī)模的城市取代。各類城市逐漸成為連綿的城市群（京津唐、長三角、珠三角城市群）使得API等氣溶膠以更大規(guī)模的尺度排放。大氣中的人為排放的氣溶膠和自然產(chǎn)生的氣溶膠各自占到多大的比例還有待于進(jìn)一步研究，因為這關(guān)系到人為排放的氣溶膠對長期氣候變化的作用，有助于為減緩氣候變化，制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。

（摘自《災(zāi)害學(xué)》2017年第2期）