青島市大氣顆粒物PM2.5動態(tài)分析

邵錫浩

摘要：基于青島市主城區(qū)大氣自動監(jiān)測站實(shí)時(shí)發(fā)布的數(shù)據(jù)， 分析顆粒物PM2.5濃度的時(shí)空變化規(guī)律，并對PM2.5與其它顆粒物之間的相關(guān)性和影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，PM2.5顆粒物濃度年際變化起伏不定;年內(nèi)變化冬、春季濃度較高，夏、秋季濃度低。根據(jù)PM2.5與其它顆粒物之間的相關(guān)曲線看，PM2.5與SO2、NO2、O3之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，它們濃度的升高會引起PM2.5濃度增大，其來源相同或相關(guān)。

Abstract： Based on real-time data released by the atmospheric automatic monitoring station in the main urban area of Qingdao， the temporal and spatial variation of PM2.5 concentration in particulate matter is analyzed， and the correlation and influencing factors between PM2.5 and other particulate matter are analyzed. The results showed that the interannual variation of PM2.5 particle concentration fluctuated; the concentration during the year was higher in winter and spring， and lower in summer and autumn. According to the correlation curves between PM2.5 and other particulate matter， PM2.5 has a significant positive correlation with SO2， NO2， and O3. An increase in their concentration will cause an increase in PM2.5 concentration， which is the same or related source.

關(guān)鍵詞：青島市;PM2.5;污染;空氣質(zhì)量

Key words： Qingdao;PM2.5;pollution;air quality

中圖分類號：X513 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0183-04

0 ?引言

山東省青島市是中國非常重要的沿海開放城市和經(jīng)濟(jì)中心城市，自從改革開放開始，青島市綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力穩(wěn)步增長，尤其是近幾年經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，城市發(fā)展日新月異，涌現(xiàn)了海信、海爾、青島啤酒等一大批強(qiáng)有力的名牌產(chǎn)品和企業(yè)集團(tuán)，形成了以港口運(yùn)輸、濱海旅游、商貿(mào)、金融和信息服務(wù)為主體的發(fā)展格局。作為一座典型的北方城市，煤炭資源依舊是城市取暖和工業(yè)發(fā)展的主要能源。青島市雖然經(jīng)過實(shí)施過各種防污減排措施，大大減少了顆粒污染物和污染氣體（如二氧化硫、二氧化氮和一氧化氮等）的排放量，使得大氣低空面源的污染得以控制，明顯提高了青島市的大氣空氣質(zhì)量，但由于目前青島市的燃料結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，并且受經(jīng)濟(jì)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素制約，燃煤所產(chǎn)生的污染問題總體治理水平不高，城市的空氣污染仍屬于典型的煤煙型污染。大氣污染問題是城鎮(zhèn)化和工業(yè)化加速發(fā)展背景下人類活動與自然環(huán)境之間關(guān)系緊張的具體體現(xiàn)，由不合理的人類活動所引起，又進(jìn)一步限制人類活動（比如城鎮(zhèn)化和工業(yè)化）高質(zhì)量發(fā)展[1]。隨著中國生態(tài)文明建設(shè)和“五化”協(xié)同發(fā)展逐步推進(jìn)，解決大氣污染問題既是落實(shí)生態(tài)文明和“五化”協(xié)同的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)，也是追求人與自然和諧發(fā)展的內(nèi)在要求[2，3]。

青島市是山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的龍頭城市，是我國東部沿海地區(qū)著名的旅游度假城市。雖然很早之前就有對于青島市主城區(qū)PM2.5顆粒物的研究，但多數(shù)數(shù)據(jù)的觀測點(diǎn)分散、觀察時(shí)間較短，并且缺乏連續(xù)時(shí)間、多空間和多角度的研究。本次研究所利用的數(shù)據(jù)來源于青島市主城區(qū)大氣監(jiān)測站2013年至2019年（主要選取14-18年重點(diǎn)分析）持續(xù)監(jiān)測所獲得的空氣質(zhì)量指數(shù)以及PM2.5的顆粒物質(zhì)量濃度，并基于此數(shù)據(jù)對青島市大氣顆粒物PM2.5的時(shí)空變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，揭示青島市主城區(qū)大氣污染顆粒物的特征，并分析大氣顆粒物的主要組成及其變化所引起的大氣環(huán)境問題，以便為青島市近地面大氣環(huán)境污染防治及進(jìn)一步進(jìn)行的環(huán)境優(yōu)化提供理論依據(jù)。目前，中國基于空氣質(zhì)量狀況建立了空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、空氣污染指數(shù)API及各類污染物指標(biāo)數(shù)據(jù)的監(jiān)測發(fā)布系統(tǒng)[4]。據(jù)此分析青島市環(huán)境空氣污染狀況。

1 ?研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和進(jìn)步，全球的氣候變暖、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化、海平面上升、大氣污染嚴(yán)重等已然成為各個(gè)國家所共同面臨和亟待解決的嚴(yán)峻問題。自從1992年6月，聯(lián)合國在巴西的里約熱內(nèi)盧召開世界各國政府首腦參加的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展會議，在該會期間簽訂《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，在1994年3月開始生效。該公約要求發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家履行相應(yīng)義務(wù)，擔(dān)當(dāng)相應(yīng)責(zé)任。到2015年12月12日，在巴黎氣候變化大會上通過，在紐約簽署的氣候變化協(xié)定《巴黎協(xié)定》，成為首份具有法律約束力的全面應(yīng)對氣候變化協(xié)定，該協(xié)定為2020年后全球應(yīng)對氣候變化行動作出安排并進(jìn)行了國際分工。其中，我國制定氣候變化目標(biāo)是2030年的碳排放量增長速度達(dá)到最大值，并且相比于2005年下降百分之六十至百分之六十五。

為了加強(qiáng)各城市的大氣污染防治，我國于1994年加入世界衛(wèi)生組織的健康城市計(jì)劃，2007年在北京、上海、杭州等10個(gè)市（區(qū)、鎮(zhèn)）開展健康城市試點(diǎn)，健康城市的建設(shè)將逐步成為全國甚至全球城市建設(shè)的發(fā)展趨勢[5]。

2 ?數(shù)據(jù)采集

本次研究所采用的數(shù)據(jù)主要來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺。目前國內(nèi)主要依靠各種精密儀器檢測空氣中的大氣顆粒物污染物濃度。但由于觀測儀器的成本高，國家只能通過在城市部分地區(qū)設(shè)立環(huán)境監(jiān)測站來檢測大氣顆粒物濃度及大氣質(zhì)量。但這種空氣質(zhì)量的檢測方法是粗略的、精確度不高的，大氣質(zhì)量的監(jiān)測點(diǎn)并不能覆蓋城市的所有角落。所以本文提出了一種基于圖像的空氣質(zhì)量等級檢測方法，試圖通過移動檢測設(shè)備所采集的圖像檢測空氣質(zhì)量等級，移動檢測設(shè)備的廣泛使用將使得通過圖像細(xì)粒度檢測空氣質(zhì)量成為可能，該方法利用空氣污染對圖像顏色通道和灰度通道局部信息熵的影響構(gòu)建空氣質(zhì)量等級檢測模型[6]，并采用該平臺提供的分析結(jié)果。

3 ?數(shù)據(jù)分析

3.1 青島市空氣質(zhì)量指數(shù)月變化趨勢（年內(nèi)變化）

從中國天氣網(wǎng)中選取青島市2014年至2018年空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）月變化趨勢。由圖1可以看出，年與年之間變化較大，最高峰與最高峰之間也有較大差別，并通過研究青島歷年來的天氣狀況，發(fā)現(xiàn)冬季AQI值大，夏季AQI小。初步推測AQI值與季節(jié)和天氣狀況有著密切聯(lián)系。

3.2 青島市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）等級月變化趨勢

從中國天氣網(wǎng)選取2014年至2018年青島市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）等級月變化趨勢。經(jīng)圖2可以發(fā)現(xiàn)，每年空氣質(zhì)量指數(shù)最大值均出現(xiàn)在一月或附近，最小值出現(xiàn)在七八月份。這個(gè)結(jié)果與已有的研究結(jié)論相符合，我國城市大氣顆粒物PM2.5質(zhì)量濃度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，即冬春季節(jié)污染較重而夏秋季節(jié)污染相對較輕[7]。青島市大氣顆粒物PM2.5月平均濃度變化整體趨勢呈現(xiàn)出單高峰單低谷型。從整個(gè)圖片來看，青島市PM2.5月均濃度最高值出現(xiàn)在一月份，月濃度最低值出現(xiàn)在出現(xiàn)多個(gè)波峰和波谷七月份，并有規(guī)律的呈現(xiàn)波浪形變化。自2014年1月至2018年12月，每年空氣質(zhì)量指數(shù)等級在7月份左右達(dá)到最高，在2月到4月達(dá)到最低。

通過分析表1（取自中國天氣網(wǎng)）：在空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到最低的時(shí)候，PM2.5、PM10以及二氧化硫都達(dá)到每年最低值;在空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到最差的時(shí)候，PM2.5、PM10以及二氧化硫都達(dá)到每年最高值。通過近幾年數(shù)據(jù)，從各個(gè)季節(jié)結(jié)果來看，夏季風(fēng)向多為東風(fēng)、東南風(fēng)，從海洋帶來清潔空氣，城市內(nèi)部耗煤量低，所以空氣質(zhì)量情況最佳;冬由于煤等化石燃料燃燒排放量大、不利風(fēng)向條件（冬季多為西北風(fēng)，北風(fēng)）及向外輸送不良等影響，導(dǎo)致空氣質(zhì)量較差。從各月份結(jié)果來看，每年8月或八月附近空氣質(zhì)量最佳，八月前后幾月尤其是5月至10月期間，各個(gè)污染物的濃度均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，空氣質(zhì)量也較好。而每年的12月至來5月期間，氮氧化物、硫氧化物等大氣顆粒物量濃度較其余月份有明顯增加，空氣質(zhì)量等級也不高，甚至出現(xiàn)多次輕度污染;PM10的濃度增減和PM2.5的增減趨勢相似，夏季附近濃度較低，冬季濃度較高。

從青島市環(huán)保局網(wǎng)站得知，在2017年，青島市共啟動過大氣重污染天氣應(yīng)急預(yù)警3次，其中大氣污染藍(lán)色預(yù)警1次，黃色預(yù)警2次。2次的黃色大氣污染預(yù)警都是按照山東省區(qū)域應(yīng)急聯(lián)防聯(lián)控統(tǒng)一部署的要求啟動，通過天氣污染預(yù)警，青島市組織全市采取應(yīng)急響應(yīng)措施，減少造成大氣污染的顆粒物排放，并且發(fā)揮了降低大氣污染顆粒物濃度和減少污染天氣出現(xiàn)的積極作用，大氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果未達(dá)到啟動青島市重污染天氣應(yīng)急預(yù)案中的黃色預(yù)警條件，明顯提高了青島市的大氣質(zhì)量指數(shù)。同年，青島市由于受不利天氣條件，導(dǎo)致大氣顆粒污染物向外輸送不便，導(dǎo)致該年共出現(xiàn)4天大氣重度污染，其中三天出現(xiàn)在一月，一天出現(xiàn)在2月，符合以上研究。與前幾年相比，出現(xiàn)重度天氣污染及以上等級天氣污染天數(shù)有所減少，是2013年以來出現(xiàn)嚴(yán)重不良天氣天數(shù)最少的一年[8]。

青島市是一個(gè)天然能源匱乏并且新型能源待開發(fā)潛力較大的城市。目前青島市使用的天然一次能源以煤和石油為主，并且能源全部依靠外地的輸入。新型清潔能源的開發(fā)情況基本上處于空白，尚未出現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用新型能源的局面。雖然這種污染物排放量大的能源結(jié)構(gòu)格局已經(jīng)延續(xù)了很多年，但一次天然能源與新型清潔能源的比例在逐年改變，新型清潔能源也初步出現(xiàn)并投入使用。能源的質(zhì)量在不斷提高。并且作為北方城市，冬季供暖所需能源比例很大。城市的快速發(fā)展導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是城市建筑的增加、能源結(jié)構(gòu)不合理、下墊面的硬化、車輛增多、城市人口增多、工業(yè)的集聚、綠地和水體面積的減少、城市風(fēng)速的降低等[9]。龐華基等研究認(rèn)為，青島市的城市熱島效應(yīng)在冬季比較明顯，這與青島市的冬季供暖應(yīng)存在聯(lián)系。城市化進(jìn)程的加快與城市熱島效應(yīng)的增強(qiáng)有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系[10]。2017年至2018年青島市供熱總面積超一億平方米，但城市熱化率不足60%，利用清潔能源供熱占比30%?，F(xiàn)有的城市集中供熱是由大型熱電聯(lián)產(chǎn)供熱廠、企業(yè)單位鍋爐房、區(qū)域地區(qū)小型鍋爐房、新型能源供熱等組成，具體的構(gòu)成和能源消耗量估算見表2。

除此之外還有城市的分散式、個(gè)體式取暖，主要是以煤碳、石油油、電、天燃?xì)獾葹槿剂系霓k公室或家庭采暖[11]。

除此之外，大氣顆粒物PM2.5濃度一般也會與氣象因子之間存在密切聯(lián)系[12]。例如PM2.5顆粒物濃度會隨著風(fēng)速的增大而導(dǎo)致擴(kuò)散傳播加快，從而使得污染物濃度降低，但與此同時(shí)也會將大氣顆粒物PM2.5輸送至其他地方[13]，這也就是大氣顆粒物的向外輸送的主要途徑。與之相符的研究顯示，青島市主城區(qū)大氣顆粒物濃度在吹陸風(fēng)（即以西風(fēng)、西北風(fēng)為主）且風(fēng)速較小的時(shí)候較高，主要原因就是陸風(fēng)帶來了內(nèi)陸其他地區(qū)的大氣顆粒物;在吹海風(fēng)（以東風(fēng)、東南風(fēng)為主）且風(fēng)速較大時(shí)污染物濃度較低，主要原因時(shí)海風(fēng)帶來了海洋的清潔空氣，使得青島市空氣質(zhì)量指數(shù)高。風(fēng)向能影響空氣中顆粒物的轉(zhuǎn)移、聚集和擴(kuò)散。在春季，西南、西北風(fēng)向下，PM2.5顆粒物濃度最高;夏季，東南、東風(fēng)向上，PM2.5濃度較低;秋季，西北、西風(fēng)向下，PM2.5濃度較高;冬季，西、西北風(fēng)向下，PM2.5濃度較高。是因?yàn)榍鄭u市南、冬、北三面環(huán)海，在西風(fēng)、西北風(fēng)時(shí)會受到內(nèi)陸地區(qū)大氣向外部輸送的影響，來自西伯利亞冷氣團(tuán)的空氣會將京津冀地區(qū)以及山東省西部內(nèi)陸地區(qū)的污染物帶到青島，導(dǎo)致大氣污染物濃度的升高，形成不良天氣。

當(dāng)風(fēng)速較小和靜風(fēng)時(shí)，大氣顆粒物的水平擴(kuò)散條件較差，不利于青島市當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生氮氧化物和硫氧化物的輸送和擴(kuò)散，導(dǎo)致大氣污染物質(zhì)量濃度提高。同時(shí)臭氧在該天氣條件下時(shí)質(zhì)量濃度最低，此時(shí)大氣污染物濃度與平均相比減少了百分之四十左右。而靜風(fēng)時(shí)氮氧化物的濃度高，推測可能是因?yàn)殪o風(fēng)時(shí)氮氧化物與臭氧發(fā)生相互作用，同時(shí)靜風(fēng)時(shí)大氣水平作用力較小，沒有外來的臭氧補(bǔ)充，導(dǎo)致當(dāng)?shù)爻粞鯘舛冗_(dá)到最低，但是由于缺乏對揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的檢測資料，臭氧與氮氧化物之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步分析[14]。

4 ?結(jié)論

①從月變化情況看，青島市主城區(qū)PM2.5月濃度最低及空氣質(zhì)量指數(shù)月等級最高出現(xiàn)在7月及8月份;PM2.5月濃度最高及空氣質(zhì)量指數(shù)月等級最低出現(xiàn)在12月及1月份。

②青島市冬季空氣質(zhì)量指數(shù)最低的原因由多方面造成。一，冬季城區(qū)供暖能源結(jié)構(gòu)主要為一次能源，造成大量的空氣污染物;二，青島市氣候類型為溫帶大陸性氣候，冬季所吹的西風(fēng)西北風(fēng)帶來內(nèi)陸地區(qū)的空氣污染物，造成了空氣質(zhì)量指數(shù)低。

③青島市關(guān)于大氣污染的主要防治措施是控制大氣污染顆粒物的排放，包括煤煙塵、工業(yè)廢氣、汽車尾氣等廢氣排放;加強(qiáng)綠化、提倡公交出行、城市禁鞭、實(shí)施相關(guān)法律等是有效的提高大氣質(zhì)量措施;再有就是預(yù)防氮氧化物、硫氧化物等污染物的二次轉(zhuǎn)化，所以防治大氣污染需要防治結(jié)合，包括減少污染物的排放、控制污染物輸送及預(yù)防污染顆粒二次轉(zhuǎn)換等問題。

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