聊城市空氣質量及相關大氣污染事件特征分析

紀凡華，韓雪蕾，徐 娟，王 麗，寧瑞斌

(聊城市氣象局，山東聊城 252000)

自2012年以來，許多地方接連出現了嚴重的大氣污染天氣[1]，據國家氣候中心資料，持續(xù)大規(guī)模的灰霾天氣涉及到17個省、市、自治區(qū)，影響到近6億人口[2-3]。近年來, 國內學者對大氣污染的時空分布及基本氣候特征、變化趨勢進行了詳細分析和探討[4]。廖志恒等[5]分析了珠三角地區(qū)SO2、NO2、O3和PM10濃度的年、月變化及空間分布特征；周輝等[6]分析了陜西省關中霾天氣時空分布特征；李胃勝等[7]采用聯(lián)系數Vague集方法對濟南市的城市環(huán)境空氣質量進行處理，構建城市的環(huán)境空氣質量評價模型；杜怡心等[8]分析了2016年西安市氣象條件對大氣污染影響；胡江波等[9]分析了漢中市空氣污染特征及氣象條件；丁一匯等[10]分析了主要污染事件霧、霾的變化特征。

近幾年來，魯西平原地區(qū)污染狀況愈來愈重。2013—2017年，聊城站的各月空氣質量指數在全國所有城市中排第8～15名，在山東全省空氣質量最差，嚴重影響了人們的生活和健康。但是目前對此地區(qū)大氣污染和大氣污染事件的研究較少，更缺少兩者相關性的探索。本文通過對聊城站2009—2017年污染成分特征、污染日數特征和污染事件特征進行統(tǒng)計分析，以期對某些污染型企業(yè)工廠的選址、政府部門的大氣環(huán)境治理決策等提供參考，也可以為進一步研究污染生成的天氣學條件及其預報提供科學依據。

1 資料來源

大氣污染資料由環(huán)保部門提供，包括聊城站2009年1月1日—2017年12月31日主要大氣污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM10)質量濃度日數據、2012年1月1日—2017年12月31日PM2.5質量濃度日數據，以及同時段的全省年平均質量濃度數據、聊城站日空氣質量指數(AQI)。

地面氣象觀測資料來自聊城市氣象局，與大氣污染有關的天氣現象包括霧、霾、沙塵暴、揚沙、浮塵、塵卷風等，提取 AQI大于100并產生較大影響的天氣現象為大氣污染事件。

2 研究方法

四季劃分采用氣候學方法，即春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月—翌年2月?？諝赓|量等級采用空氣質量指數(AQI)劃分，分為5級：優(yōu)(0～50)，良(51～100)，輕度污染(101～150)，中度污染(151～200)，重度污染(201以上)。

統(tǒng)計聊城站不同大氣污染物年平均質量濃度和AQI值、逐年首要污染物及其出現日數、逐月各空氣質量等級日數，構建聊城市月、季、年大氣污染災害數據集。利用傾向趨勢法，分析聊城市的月、季及年污染日數和污染物質量濃度變化特征。利用皮爾遜相關系數法研究污染日數和主要大氣污染事件的相關性[11]。

3 結果分析

3.1 大氣污染年際變化特征

3.1.1 污染物質量濃度的年際變化 統(tǒng)計聊城

城市主要污染物多年平均質量濃度，并與山東全省平均值對比(表1)，發(fā)現主要污染物中：CO質量濃度最高，達2.3 mg/m3，比全省平均偏高28%；PM2.5為101.0 μg/m3，比全省平均偏高32%；PM10為160.3 μg/m3，比全省平均偏高17%。而其他污染物質量濃度比全省平均偏低，其中：O3為55.6 μg/m3，比全省平均偏低27%；SO2為59.9 μg/m3，比全省平均偏低4%；NO2為43.7 μg/m3，比全省平均低0.8%。對比中國環(huán)境空氣質量標準(GB 3095—2012)中主要污染物的質量濃度限值，聊城大氣中CO年平均質量濃度明顯低于限值，SO2和O3年平均質量濃度稍低于限值；而NO2、PM10和PM2.5年平均質量濃度高于限值，其中PM2.5偏高189%、PM10偏高129%、NO2偏高9%?？梢婎w粒物類污染物質量濃度明顯偏高，污染比較嚴重。

表1 聊城2009—2017年污染物質量濃度多年平均 μg/m3

統(tǒng)計聊城2009—2017年主要污染物平均質量濃度年際變化(表2)，并與山東全省各年平均值比較。結果發(fā)現：聊城站SO2平均質量濃度總體呈降低趨勢，年平均降幅7.97 μg/m3；NO2平均質量濃度呈波動降低趨勢，年平均降幅0.79 μg/m3；CO平均質量濃度呈降低趨勢，年平均降幅0.35 mg/m3；O3年平均質量濃度呈升高趨勢，年平均升幅2.1 μg/m3，但 2009—2016年均較全省平均值偏低，2017年突然偏高9%；PM10年平均質量濃度呈微弱降低趨勢，年平均降幅1.88 μg/m3，僅2010年、2011年比全省平均值偏低；PM2.5(只有2012—2017年數據)平均質量濃度呈降低趨勢，年平均降幅10.06 μg/m3，但各年平均質量濃度均較全省偏高。

表2 聊城主要污染物平均質量濃度年際變化 μg/m3

注：—表示無數據，下同

綜上分析，聊城2009—2017年主要污染物中除O3質量濃度呈小幅升高外，其他污染物質量濃度都呈下降趨勢。表明聊城的空氣污染治理取得一定成效，但PM2.5對全省的空氣污染有正貢獻，大氣環(huán)境污染情況仍不容樂觀。2012年后距平偏高年份增多，治理效果減弱，需要加大治理力度。

3.1.2 大氣污染日數的年際變化 聊城2009—2017年大氣污染日數年際變化呈減少趨勢，平均降幅3 d/a，年平均污染日數244 d，中到重度污染日數87 d，污染狀況較為嚴重(圖1)。其中2009年污染日數最多達311 d，其次2013年為302 d，2011年最少為171 d。重度污染日數呈增加趨勢，平均增幅4 d/a ，2013年最多為111 d，2011年最少為6 d；中度污染日數亦呈增加趨勢，平均增幅2 d/a ，2013年、2014年最多為58 d，2011年最少為23 d；輕度污染日數呈減少趨勢，平均降幅11 d/a，2009年最多達247 d，2015年最少為126 d。各級污染日數所占比例呈階段性，2009—2011年輕度污染日數較多，中到重度污染日數占當年污染日數的17%，其中重度污染日數占3.5%；2012年后輕度污染日數比之前明顯減少，但中度和重度污染日數較之前明顯增加，特別是2013年中到重度污染占56%，其中重度污染占36.7%?？傮w來看，2009—2017年聊城污染日數呈減少趨勢，中到重度污染日數占比有增加趨勢，平均每年增加0.03%。重度污染日數占比增加趨勢最明顯，平均每年增加2.93%。

圖1 聊城2009—2017年大氣污染日數年際變化

3.1.3 首要污染物出現日數的年際變化 從首要污染物出現日數的年際變化(表3)可看出，2009年和2010年首要污染物主要為PM10和CO，2011年為PM10，2012年主要為PM2.5和PM10，2013年之后為PM2.5。從主要污染物的年際變化來看，2009—2011年CO作為日首要污染物出現的日數迅速減少，其他污染物作為日首要污染物出現的日數明顯增加。2012年之后開始觀測PM2.5，且PM2.5作為首要污染物出現的日數迅速增加，其他污染物作為首要污染物出現的日數明顯減少。表明2011年之前聊城產業(yè)結構調整成果較好[12]，但是2012年開始大力推進“工業(yè)強市”方針，建設有色金屬及金屬加工基地，造成能源消耗增加，同時城市規(guī)模繼續(xù)擴大，每年新增12萬汽車等，使顆粒物污染有所增加，污染情況不容樂觀。

表3 聊城2009—2017年首要污染物出現日數年際變化 d

3.2 大氣污染日數月、季節(jié)變化特征

由2009—2017年月平均污染日數變化(圖2),發(fā)現其變化成波浪型，1月、12月最多達27 d，8月最少14 d。1—5月月平均污染日數逐月減少，8—12月逐月增加，6、7月均為21 d，是夏季小高峰。中到重度污染日數也有類似的變化，12月最多達16 d，5、8月最少2 d。1—5月平均中到重度污染日數逐月減少，6月為5 d，是夏季小高峰，7—8月又有所減少，9—12月逐月增加。綜上可得，聊城12月為污染最嚴重月份，1月次之，8月最輕。

圖2 聊城2009—2017年大氣污染日數月平均分布

從季節(jié)來看，冬季平均污染日數75 d、秋季61 d、夏季55 d、春季54 d。中到重度污染日數，冬季最多41 d，秋季27 d，春季13 d，夏季10 d?？梢姡疚廴咀顕乐?，夏季最輕。

3.3 大氣污染事件年際變化特征

由霾日和霧日數年際變化(圖3)可看出，9 a內，聊城霾天氣發(fā)生最頻繁，年平均137 d，并呈波動減少變化，降幅4 d/a。2009年最多為175 d，2016年最少為108 d；2009—2011年霾日數逐年減少，2012—2013年有所增加，之后又逐年減少，2017年有所回升。能見度小于3 km的中到重度霾天氣呈增加趨勢，2012—2017年比2009—2011年明顯增加，年平均75 d，是此時段中到重度大氣污染日數明顯增多的原因之一。年平均霧日數11 d，呈減少趨勢，2009、2011年最多為18 d，2014年最少為6 d。浮塵、揚沙天氣年平均日數小于1 d，屬于小概率事件，沙塵暴、塵卷風天氣沒有發(fā)生。

圖3 聊城2009—2017年出現霧和霾的出現日數年際變化

分析霾、霧等逐月出現日數與大氣污染日數的相關性，發(fā)現逐月霧日數與中到重度污染日數有明顯的正相關，相關系數達0.862；霧和霾逐月總日數與污染日數有較明顯的正相關，相關系數0.776。說明霾和霧為代表的靜穩(wěn)天氣是聊城大氣污染嚴重的主要天氣學原因。

4 結論

分析2009—2017年聊城站日污染物質量濃度和日空氣質量指數(AQI)，探究聊城市空氣質量及相關大氣污染事件特征，得出以下結論。

(1)聊城主要污染物中，CO、PM10、PM2.5、NO2多年平均質量濃度高于山東省平均水平，其中NO2、PM10和PM2.5年平均質量濃度高于中國環(huán)境空氣質量標準限值，顆粒物污染比較嚴重。

(2)聊城主要污染物年平均質量濃度除PM10呈逐年小幅增加外，其他污染物質量濃度都呈不同幅度下降趨勢；污染日數總體有減少趨勢，但是中到重度污染日數及占比有增加趨勢，重度污染日數占比增加趨勢最明顯。

(3)2012—2017年首要污染物出現日數，PM2.5迅速增加，其他污染物明顯減少。月平均污染日數成波浪型變化，1月和12月最嚴重；冬季污染最嚴重，夏季最輕。

(4)霾為聊城最主要的污染天氣現象，其次為霧。霾、霧天氣出現日數與月污染日數呈明顯正相關，表明靜穩(wěn)天氣多發(fā)是大氣污染嚴重的主要天氣學原因。