2014—2017年太原市空氣質(zhì)量變化特征分析

戴燕燕，張鵬飛

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引言

近年來，隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快以及全國各地機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增加，帶來了越來越嚴(yán)重的大氣污染問題，嚴(yán)重地影響了社會的發(fā)展和人們的身體健康[1-3]，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣程度已成為一個(gè)地區(qū)和城市的軟實(shí)力和競爭力的重要方面.太原作為主要的能源、重工業(yè)基地之一，空氣污染較為嚴(yán)重[4]，為此省市政府提出煤改氣、煤改油、推行新能源汽車、實(shí)行機(jī)動(dòng)車限號等措施，對大氣污染的改善起到了一定的效果.為定性地了解太原市環(huán)境綜合治理水平，需要對近年來太原市空氣質(zhì)量和各污染物濃度的變化特征和原因展開研究.目前，關(guān)于太原市大氣環(huán)境質(zhì)量方面已進(jìn)行了一些研究，馬小榮[1]等研究了太原市2013年環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征；姚清晨[2]等采用相關(guān)分析、小波分析等方法研究了太原市2013—2016年空氣質(zhì)量變化特征；宋麗紅[3]研究了2016年太原市PM2.5時(shí)空分布特征；邱文[4]等采用受體模型和箱模型對太原市PM10開放源起塵量進(jìn)行估算；王翠紅[5]等利用2007—2012年山西省11個(gè)城市的空氣質(zhì)量日報(bào)資料研究了空氣質(zhì)量的變化特征及其影響因素；閆雨龍[6]等研究了太原市城區(qū)臭氧變化特征及影響因素；呂佳莉[7]等研究了太原城區(qū)PM2.5重金屬元素季節(jié)變化及形態(tài)分析.但是以上有關(guān)太原市空氣污染的研究大多集中在PM2.5，PM10和臭氧等指標(biāo)以及與氣象因子相關(guān)性分析中，而針對太原市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的不同時(shí)間序列變化特征的研究尚不多見.本研究利用中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺的監(jiān)測資料對2014—2017年太原市空氣質(zhì)量指數(shù)的年變化、季節(jié)變化、月及月期間變化、周內(nèi)變化和日變化規(guī)律及與各大氣主要污染物的相互關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析與討論，以期為太原市空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和支持.

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本文整理了太原市2014—2017年逐日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù).空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺 (http://www.aqistudy.cn).本文首先采用描述統(tǒng)計(jì)的方法對太原市2014—2017年的空氣質(zhì)量特征進(jìn)行了描述和統(tǒng)計(jì)，分別從年內(nèi)、季節(jié)、月內(nèi)、月期間、周內(nèi)和日內(nèi)角度分析了太原市空氣質(zhì)量的變化情況；然后通過單因子評價(jià)法，分析太原市各年份和各季節(jié)AQI 的日均值與影響空氣質(zhì)量的大氣主要污染物(PM2.5,PM10,CO,NO2,SO2,O3)的相關(guān)性，進(jìn)一步闡明影響太原市空氣質(zhì)量的主要大氣成分，相關(guān)數(shù)據(jù)處理在 Excel 2013中完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 2014—2017年太原市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況

圖1給出了2014—2017年太原市空氣質(zhì)量等級出現(xiàn)概率的逐年變化.由圖1可知，2014—2017年太原市空氣質(zhì)量以良和輕度污染為主，全年優(yōu)良率平均為59.3%，其中優(yōu)率為6.5%，良率52.8%，輕度污染率27.7%，中度污染率7.3%，重度污染率4.6%，嚴(yán)重污染率1.2%，出現(xiàn)優(yōu)、重度污染和嚴(yán)重污染天的概率較低.從逐年變化來看，2015年和2016年有輕微改善，優(yōu)良率分別比2014年上升了8.5%和6.4%，其中優(yōu)率分別上升了3.3%和0.8%，而2017年呈顯著下降趨勢，優(yōu)良率比2014年下降了9.9%，其中優(yōu)率下降了3.3%，良率下降了6.6%，特別是2016年和2017年嚴(yán)重污染天的出現(xiàn)概率同比2014年和2015年平均嚴(yán)重污染率0.3%上升了1.65%.

圖1 2014—2017年太原市空氣質(zhì)量等級出現(xiàn)概率的逐年變化

圖2給出了2014—2017年太原市空氣質(zhì)量等級出現(xiàn)概率的逐月變化.太原市空氣質(zhì)量月優(yōu)良率變化特征較明顯，呈單峰型分布，其中3—9月都在60%以上，最高出現(xiàn)在8月，為85.5%，其次是9月，下降了10個(gè)百分比，為75%，最低出現(xiàn)在12月，僅為34.7%；除9月外(16.7%)，優(yōu)率都在10%以下，5月最低為0%；良率出現(xiàn)最多的是8月，為77.4%，其次是4—6月，都在60%以上，12月良率出現(xiàn)次數(shù)最少，為29.8%；輕度污染率最大值出現(xiàn)在6月，為33.3%，最小值出現(xiàn)在8月，為14.5%；中度污染率出現(xiàn)最多的是11月，為20%，4—9月出現(xiàn)概率都在6%以上，其中8月最低為0%；重度污染主要發(fā)生在1—2月和10—12月，出現(xiàn)概率最大的是12月，為19.4%，剩下的7個(gè)月均低于1%；而嚴(yán)重污染率主要出現(xiàn)在11,12和1月，最大值是4.8%(1月和12月)，除5月的0.8%外，其他月份均未出現(xiàn)嚴(yán)重污染天.

圖2 2014—2017年太原市空氣質(zhì)量等級出現(xiàn)概率的逐月變化

2.2 AQI時(shí)間變化趨勢分析

2.2.1 年際變化特征

2014—2017年太原市 AQI年際變化特征如表 1 所示.由表 1 可知，太原市空氣質(zhì)量指數(shù)平均值除2015年有所下降外，自2014年以來基本逐步上升，空氣質(zhì)量呈現(xiàn)惡化的趨勢.從數(shù)值上看2015年空氣質(zhì)量最好，空氣質(zhì)量指數(shù)約為93.04，為良級別，而2017年空氣質(zhì)量最差，空氣質(zhì)量指數(shù)約為113.92，為輕度污染級別.就空氣質(zhì)量的波動(dòng)情況來看，2015 年空氣質(zhì)量整體良好并且空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)值最為平穩(wěn)，而 2014、2016 和2017年的 AQI 波動(dòng)有所增大，數(shù)值差異較為顯著.

表1 2014—2017年太原市AQI年際變化特征

2.2.2 季節(jié)變化特征

2014—2017年太原市 AQI季節(jié)變化特征如表 2所示.由表 2 可知，太原市春季和夏季的AQI平均值均為良級別，而秋季和冬季的AQI平均值均為輕度污染級別，從數(shù)值上看，夏季空氣質(zhì)量最好，空氣質(zhì)量指數(shù)約為86.02；春季空氣質(zhì)量相對較好，空氣質(zhì)量指數(shù)約為95.03；秋季空氣質(zhì)量次之，空氣質(zhì)量指數(shù)約為106.97；冬季空氣質(zhì)量較差，空氣質(zhì)量指數(shù)約為125.24.從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，夏季數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，而春季、秋季和冬季數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性呈逐漸變差趨勢，冬季數(shù)據(jù)波動(dòng)性最大.

表2 2014—2017年太原市AQI季節(jié)變化特征

2.2.3 月及月期間變化特征

2014—2017年太原市 AQI月和月期間變化特征如表3和表4所示.由表3可知，太原市從3月到9月的AQI平均值均為良級別，1,2月份及10—12月份的AQI平均值均為輕度污染級別，從數(shù)值上看8月份空氣質(zhì)量最好，空氣質(zhì)量指數(shù)約為74.79，12月份空氣質(zhì)量最差，空氣質(zhì)量指數(shù)約為143.94.從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，8月份數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，12月和1月數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，顯示了較大的波動(dòng)性.由表4可知，2014—2017年太原市的月期間的AQI平均值相差不大，空氣質(zhì)量等級均為輕度污染級別，其中下旬的空氣質(zhì)量相對較好，指數(shù)為102.23.從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，下旬?dāng)?shù)據(jù)最穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差為48.33，上旬?dāng)?shù)據(jù)穩(wěn)定性最差，標(biāo)準(zhǔn)差為57.24，顯示了較大的波動(dòng)性.

表3 2014—2017年太原市AQI月變化特征

表4 2014—2017年太原市AQI月期間變化特征

2.2.4 周內(nèi)變化特征

2014—2017年太原市 AQI周內(nèi)變化特征如表5所示.由表5可知，太原市從周一到周日的AQI平均值均為輕度污染級別，其中在周五與周六平均值最高，存在一定程度的周末效應(yīng).與此前在北京的研究結(jié)果相似[8].從數(shù)值上看，周六數(shù)值最高，為108.42；周五其次，為104.94；周二數(shù)值最小，為100.82.從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，周二數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差為48.57，星期六數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最差，標(biāo)準(zhǔn)差為56.23，顯示了較大的波動(dòng)性.

表5 2014—2017年太原市AQI周內(nèi)變化特征

2.2.5 日變化特征

圖3 太原市AQI日變化特征(2017.1.1和2017.7.1)

2017年1月1日和7月1日太原市AQI日變化特征如圖3所示.由圖3可知，太原市7月1日與1月1日的AQI日變化特征是相反的，1月1日從早晨6:00到下午15:00空氣質(zhì)量等級為重度污染，凌晨和夜晚時(shí)間段的空氣質(zhì)量等級為嚴(yán)重污染，早晨6:00-15:00時(shí)間段的空氣質(zhì)量相對較好，這是由于從夜間開始，環(huán)境溫度降低，大氣層結(jié)變得非常穩(wěn)定，污染物質(zhì)逐漸積累，不易擴(kuò)散造成的.而7月1日大部分是在晚上20:00到凌晨3:00較其他時(shí)間段的空氣質(zhì)量較好，空氣質(zhì)量等級為良，其他時(shí)間段空氣質(zhì)量等級為輕度污染，這是由于夏季空氣污染的主要污染物是來自機(jī)動(dòng)汽車的尾氣排放，在晚上20:00到凌晨3:00之間機(jī)動(dòng)汽車數(shù)量較少，帶來的污染物質(zhì)較少.

2.3 AQI相關(guān)性分析

通過單因子評價(jià)法，分析太原市各年份和各季節(jié)AQI 的日均值與PM2.5，PM10，CO，NO2，SO2，O3的相關(guān)性，進(jìn)一步闡明影響太原市空氣質(zhì)量的主要大氣成分.如表6和表7所示.由表6可知，從2014到2016年P(guān)M2.5與AQI呈顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，2016年相關(guān)系數(shù)最大，為0.962，2017年呈中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.798，2014—2017年也呈中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.897.2014，2015，2017及2014—2017年P(guān)M10與AQI呈中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均低于0.9，其中2017年相關(guān)系數(shù)最小，為0.782，而2016年呈顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.905.除2016年外，其他年份及2014—2017年SO2，CO及NO2與AQI的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)基本上均低于0.5，其中NO2較其他兩種污染物與AQI的相關(guān)程度最低，相關(guān)系數(shù)整體上均低于0.4，特別是2014年NO2與AQI的相關(guān)系數(shù)僅為0.225，顯示了較差的相關(guān)性，而2016年SO2，CO及NO2與AQI的相關(guān)性相對較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.633，0.561和0.652.除2015年O3與AQI呈極差的正相關(guān)外，其他年份與整個(gè)調(diào)查期間的四個(gè)年份的O3與AQI存在一定程度的負(fù)相關(guān).從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，在本次調(diào)查年份期間PM2.5、PM10和AQI的相關(guān)性明顯高于其他大氣污染物，說明PM2.5和PM10是影響太原市空氣質(zhì)量的首要污染物.

由表7可知，太原市各季節(jié)AQI 與各大氣主要污染物相關(guān)性在秋冬季明顯高于春夏季，在秋冬季PM2.5，PM10與AQI呈顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均高于0.9，特別是在冬季相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別為0.988和0.951，PM2.5，PM10與AQI在春季呈中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.658和0.801，而在夏季相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)分別為0.468和0.600，就PM2.5，PM10與AQI的相關(guān)程度比較而言，春夏季中PM10與AQI的相關(guān)性明顯高于PM2.5與AQI的相關(guān)性，秋冬季中PM2.5與AQI的相關(guān)性高于PM10與AQI的相關(guān)性.在所有季節(jié)中，SO2，CO及NO2與AQI的相關(guān)性明顯低于PM2.5，PM10與AQI的相關(guān)性；特別是春夏季SO2，CO及NO2與AQI的相關(guān)性是最差的，其中春季相關(guān)系數(shù)最小，均低于0.1；除秋季CO與AQI呈中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.738外，在秋冬季這三種大氣污染物與AQI呈低度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均處于0.5左右.在春夏季O3與AQI呈正相關(guān)，特別是夏季相關(guān)程度最高，相關(guān)系數(shù)為0.821，而在秋冬季呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)橄募咎栞椛鋸?qiáng)，日照充足，氣溫較高，非常有利于光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而造成臭氧污染較為嚴(yán)重.

表6 2014—2017年太原市各年份AQI與各大氣主要污染物濃度相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表7 2014—2017年太原市各季節(jié)AQI與各大氣主要污染物濃度相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

根據(jù)2014—2017年太原市逐日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析了2014—2017年太原市空氣質(zhì)量變化特征及其與其他污染物濃度的關(guān)系，得出結(jié)論如下：

1)從整體來看，2014—2017年太原市空氣質(zhì)量以良和輕度污染為主，全年優(yōu)良率平均為59.3%，出現(xiàn)優(yōu)、重度污染和嚴(yán)重污染天的概率較低.從逐年變化來看，2015年和2016年空氣質(zhì)量有輕微改善，2017年最差.從逐月變化來看，太原市空氣質(zhì)量月優(yōu)良率變化特征較明顯，呈單峰型分布，優(yōu)良率最大值出現(xiàn)在8月，為85.5%，最小值出現(xiàn)在12月，僅為34.7%.

2)不同時(shí)間序列的AQI的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2015年的空氣質(zhì)量指數(shù)最低，約為93.04，為良級別，2017年空氣質(zhì)量指數(shù)最高，約為113.92，為輕度污染級別.從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性來看，2015 年空氣質(zhì)量整體良好并且空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)值最為平穩(wěn)，而2016年穩(wěn)定性最差，說明2016年存在重污染天氣的概率較大.從季節(jié)角度來看，秋冬季節(jié)污染較為嚴(yán)重，春夏季節(jié)污染相對較輕，其中夏季空氣質(zhì)量最好，冬季空氣質(zhì)量最差，兩者AQI差為39.22，冬季無論是AQI平均值還是標(biāo)準(zhǔn)差都最大，說明冬季污染天氣頻發(fā)而且重污染天氣出現(xiàn)的概率較大.從月及月期間角度來看，8月的數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)差最小，顯示了較好的空氣質(zhì)量，12月的數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明空氣污染的天數(shù)較多，程度較大；而月期間(上旬、中旬和下旬)的數(shù)值相差不大，均為輕度污染級別，下旬?dāng)?shù)據(jù)波動(dòng)性最小，上旬波動(dòng)性較大，說明上旬出現(xiàn)重污染天氣的天數(shù)更多.從周內(nèi)變化來看，太原市AQI存在一定程度的周末效應(yīng)，周六空氣質(zhì)量最差，周五次之，周二空氣質(zhì)量最好.從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來看，周六和周日的穩(wěn)定性最差，說明周末外出人流較多，帶來較多的交通出行量，從而對太原市空氣質(zhì)量帶來一定的影響.從日內(nèi)角度來看，2017年1月1日與7月1日的AQI小時(shí)變化特征是相反的，1月1日早晨到下午空氣質(zhì)量相對較好，凌晨和夜晚空氣質(zhì)量較差；7月1日空氣質(zhì)量較好的時(shí)間段出現(xiàn)在晚上8點(diǎn)到凌晨3點(diǎn)之間，這是由于該時(shí)間段機(jī)動(dòng)汽車數(shù)量較少，帶來了較少的污染物質(zhì).

3)相關(guān)性分析結(jié)果表明，各年份AQI與PM2.5，PM10，SO2，NO2、CO呈正相關(guān)，其中與PM2.5和PM10的相關(guān)性最高，說明兩者是影響太原市空氣質(zhì)量的首要污染物；而除2015年外，各年份AQI與O3呈負(fù)相關(guān).從季節(jié)角度來看，除O3外，AQI與各大氣主要污染物相關(guān)性在秋冬季明顯高于春夏季，說明PM2.5，PM10，SO2，NO2，CO是影響秋冬季空氣質(zhì)量的主要污染物，而O3在夏季與AQI相關(guān)程度最高，說明臭氧是夏季的主要空氣污染物.