2016～2018年自貢市城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量特征及與氣象因素的相關性分析

李孝林，楊 茜

(1. 上?？茲芍腔郗h(huán)境科技有限公司，上海 200000；2.自貢市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 自貢 643000)

引 言

環(huán)境空氣質(zhì)量與人的身體健康及生活息息相關，近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，空氣環(huán)境污染問題日益嚴重?？諝馕廴静粌H危害人類健康、影響人類生活，對動植物的生長同樣存在危害。有研究表明空氣污染可能會影響老年人的認知水平[1]，降低能見度[2]，O3和其他氣體污染物會對農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響[3]?？諝馕廴編淼牟焕绊懯怯心抗捕玫模諝赓|(zhì)量越來越受到社會大眾的廣泛關注，針對城市空氣環(huán)境質(zhì)量問題開展的研究和探討也越來越多[4～8]。

自貢地處四川盆地南部，屬亞熱帶溫潤季風氣候區(qū)，氣候多云霧，風速小，全年多靜風，冬季尤為突出；地勢西北高東南低，屬低山丘陵河谷地貌類型。主城區(qū)位于自貢市中部，海拔較低。特殊地形地貌及氣象條件導致污染物易累積、難擴散，加之人為活動影響，從而使空氣中污染物濃度長期居高不下。本文重點對2016～2018年自貢市城區(qū)環(huán)境空氣污染物日數(shù)據(jù)和環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)進行了分析，旨在為自貢市制定環(huán)境空氣防治措施提供借鑒，為城區(qū)空氣質(zhì)量預報提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選自國家空氣質(zhì)量聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測管理平臺和四川省空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡管理系統(tǒng)自貢市城區(qū)環(huán)境空氣6參數(shù)(PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO)逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)與環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。

1.2 研究方法

將2016～2018年自貢市空氣自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)進行時間變化分析，評價標準參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量技術評價規(guī)范(試行)》(HJ663-2013)、《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)。其中，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)規(guī)定，空氣質(zhì)量指數(shù)分為六級，依次為優(yōu)(≤50)、良(≤100)、輕度污染(≤150)、中度污染(≤200)、重度污染(≤300)、嚴重污染(>300)。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量年變化趨勢

2016～2018年自貢市城市空氣質(zhì)量狀況見表1。由表1可見，SO2和NO2年均濃度值、CO第95百分位數(shù)濃度值均達到環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準，PM10、PM2.5年均濃度值3年均超標，2016年和2017年O3第90百分位數(shù)濃度值均達到環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準，2018年超標。SO2濃度近3年變化較穩(wěn)定，NO2和CO先升高后下降，但變幅不大，PM10和PM2.5濃度均逐年下降，O3濃度逐年增加。AQI年均值逐年下降，AQI日變化范圍分別為29～366、28～325、24～263，超標率分別為39.1%、38.1%、34.1%。本文采用綜合指數(shù)評價2016～2018年自貢市空氣質(zhì)量，從表1可見綜合指數(shù)隨著年份增加呈先上升再下降的趨勢，2018年降至4.96，表明2018自貢市空氣質(zhì)量得到較好的改善。

2018年PM10和PM2.5濃度較2016年分別下降了23.2%和27.4%，雖然顆粒物濃度均有不同程度的降低，但2018年PM10和PM2.5年均濃度仍分別超標8.6%和51.4%。

表1 2016～2018年自貢市城市空氣質(zhì)量監(jiān)測年均值統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of annual average value of urban air quality monitoring in Zigong City from 2016 to 2018 (μg/m3)

2.2 空氣質(zhì)量時間變化規(guī)律

2.2.1 AQI時間變化規(guī)律

2016～2018年AQI時間變化特征見圖1和表2。由圖1可見， 2016～2018年輕度污染各月均有出現(xiàn)(除2016年7月)。2016年中度污染出現(xiàn)在1～3月、5月、8～12月；重度污染出現(xiàn)在1～2月、5月、11～12月；嚴重污染出現(xiàn)在2月和5月。2017年中度污染出現(xiàn)在1～2月、7月、11～12月，重度污染出現(xiàn)在1～2月、11～12月，嚴重污染出現(xiàn)在1月。2018中度污染出現(xiàn)在1～8月、11～12月；重度污染出現(xiàn)在1～2月，無嚴重污染天氣。由此可見，2016年中重度及以上污染天氣主要出現(xiàn)在春季、秋季和冬季，2017年中重度及以上污染天氣主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，2018年中重度污染天氣主要出現(xiàn)在冬夏季。

由表2可見，自貢市空氣質(zhì)量具有明顯的季節(jié)變化特征。2016～2017年AQI均表現(xiàn)出冬季>春、秋季>夏季；2018年AQI季節(jié)變化特征為冬季>春、夏季>秋季。這與中重度及以上污染天氣變化特征一致。

冬季是自貢市空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，冬季污染最重一方面與氣象因素有關。冬季降水少，受靜穩(wěn)天氣與霧霾天氣較多等不利氣象條件協(xié)同影響，空氣擴散條件差，加之夜晚大氣逆溫明顯，污染物累積不斷加劇；另一方面與人為因素有關，人為因素主要是工業(yè)企業(yè)生成、汽車尾氣、道路揚塵、建筑揚塵等。春秋季節(jié)降雨較少，擴散條件較穩(wěn)定，污染物擴散較弱，加上春秋季節(jié)秸稈焚燒，顆粒物污染較嚴重，隨著政府采取禁止秸稈焚燒的相關措施，春秋季節(jié)空氣質(zhì)量不斷得到改善，超標天數(shù)逐年減少。夏季氣溫高，大氣層常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，大氣對流強利于顆粒物擴散，降雨較多利于顆粒物沉降，因此夏季顆粒物污染較少，夏季AQI高主要因太陽光照強造成O3污染較重，隨著年份增加，自貢市城區(qū)夏季空氣質(zhì)量有逐步變差的趨勢。

2018年AQI總體上較2016～2017年有所降低，但在污染較重的冬季除了12月有明顯改善，1～2月污染緩解情況較弱，自貢市城區(qū)顆粒物污染依然嚴重，其次，自貢市O3污染逐年嚴重。

圖1 2016～2018年AQI月均值分布Fig.1 Distribution of monthly mean value of AQI from 2016 to 2018

表2 2016～2018年AQI季節(jié)變化及空氣質(zhì)量等級統(tǒng)計表Tab.2 AQI seasonal change and air quality levels from 2016～2018

2.2.2 污染物濃度時間變化規(guī)律

鑒于近3年空氣質(zhì)量月變化趨勢基本相似，故僅分析2018年污染物濃度的月變化規(guī)律，2018年自貢市各環(huán)境空氣質(zhì)量參數(shù)月均值變化見圖2。從圖2可見，SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO(第95百分位數(shù)濃度值)變化趨勢大體一致，均表現(xiàn)為冬季濃度值高，夏季濃度值低；O3(第90百分位數(shù)濃度值)變化規(guī)律相反，表現(xiàn)為夏季值高，冬季值低，這主要是因為大氣中NOX、揮發(fā)性有機物VOCs等氣體在氣溫較高、陽光充足的條件下易產(chǎn)生光化學反應生成O3。

圖2 2018年自貢市各空氣質(zhì)量參數(shù)月均值變化趨勢Fig.2 Trend of monthly mean value of air quality parameters in Zigong City in 2018

2018年自貢市AQI與各環(huán)境空氣參數(shù)之間的相關關系見表3。結(jié)果表明，AQI與SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3均有極顯著正相關關系，尤其與PM2.5、PM10的相關性極高，達到0.8以上，說明自貢市空氣質(zhì)量受顆粒物的影響最重。其次AQI與NO2和CO的相關性較高，NO2來源比較廣泛，電力、鍋爐、燃煤、交通等均會產(chǎn)生NO2，CO主要來源于燃料不完全燃燒和工業(yè)排放。AQI與SO2和O3相關性在0.42左右，SO2主要來源于工業(yè)企業(yè)排放以及燃煤，O3濃度主要受前體物影響，前體物主要是NOX、VOCs等。因此控制工業(yè)企業(yè)、生活中顆粒物、NO2、CO、SO2、VOCs等污染物的排放對于改善自貢市空氣質(zhì)量有重要作用。

表3 AQI與各空氣質(zhì)量因子相關關系Tab.3 Correlation between AQI and various air quality factors

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關。

2.3 污染物貢獻比例及首要污染物、達標率變化特征

2016～2018年各污染因子對環(huán)境空氣質(zhì)量貢獻率如表4所示。由表4可知按照污染負荷占比大小排序，排在前3位的因子：2016年為PM2.5、PM10、NO2，2017年和2018年均為PM2.5、PM10、O3。2016～2018年顆粒物(PM10和PM2.5)每年污染負荷貢獻率均超過了50%，PM2.5和PM10為主要的污染因子，且占比有逐年下降的趨勢，O3占比逐年增大，SO2、NO2、CO污染負荷逐年變化不明顯。

表4 2016～2018各污染物污染負荷貢獻率統(tǒng)計表Tab.4 Contribution rate of pollution load of each pollutant from 2016 to 2018 (%)

2016～2018年自貢市城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量出現(xiàn)首要污染物的天數(shù)全年占比分別為82.2%、84.8%、78.6%，首要污染物分布特征如圖3。

由圖3可知，2016～2017年首要污染物變化特征一致，均表現(xiàn)為PM2.5作為首要污染物在全年各月均有出現(xiàn)，冬季出現(xiàn)頻次最高，春秋季次之，夏季最低；2018年PM2.5作為首要污染物除在7月～8月沒有出現(xiàn)，其余月份均有出現(xiàn)，且在冬季出現(xiàn)頻次最高，春秋季次之，夏季最低。2016～2018年PM2.5作為首要污染物的天數(shù)全年占比分別為：73.0%、55.2%、38.7%。2016～2018年夏季O3污染逐年嚴重，2016～2018年O3作為首要污染物的天數(shù)全年占比分別為4.6%、23.8%、34.9%。PM2.5和O3作為首要污染物天數(shù)占比規(guī)律與污染物負荷變化趨勢一致。PM10作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)較少，2016～2018年分別出現(xiàn)了20d、21d、21d，差別不大。NO2作為首要污染物僅在2017年的10月和11月各出現(xiàn)一天。自貢市城區(qū)環(huán)境空氣污染以PM2.5污染起著主導作用，夏季O3污染逐年嚴重。

圖3 2016～2018年首要污染物分布特征圖Fig.3 Distribution characteristics of primary pollutants from 2016 to 2018

為了分析自貢市近幾年空氣質(zhì)量達標率情況，統(tǒng)計了2014～2018年自貢市城市空氣質(zhì)量達標率和空氣質(zhì)量情況，見表5。如表5可見，環(huán)境空氣質(zhì)量達標率由2014年的62.2%上升到2018年的65.9%。雖然2016～2017年達標率有所下降，但2018年空氣質(zhì)量有明顯改善。另外， 2018年重度及以上污染天氣減少比較明顯，全年共出現(xiàn)7d，較2014年減少了17d，中度污染天數(shù)也有所下降，但輕度污染總體上呈上升趨勢， 2018年自貢市輕度污染天數(shù)增加主要與O3污染加重密切相關。

表5 2014～2018年自貢市城市空氣質(zhì)量達標率和空氣質(zhì)量情況Tab.5 Urban air quality compliance rate and air quality in Zigong City from 2014 to 2018 (d)

2.4 自貢市國控站點及省控站點污染物濃度分布情況

自貢市共5個國控站點：大塘山、青杠林路、檀木林體育館、春華路站、南湖救助站，其中大塘山站在大安區(qū)，青杠林路站在貢井區(qū)，檀木林體育館站和春華路站在自流井區(qū)，南湖救助站在沿灘區(qū)，大塘山在主城區(qū)邊界，其余4個國控站均在主城區(qū)；4個省控站點，沿灘區(qū)發(fā)改委、榮縣行政中心、富順縣行政中心、大安區(qū)環(huán)保局站。

2016～2018年自貢市9個站點污染物濃度(3年均值)分布情況見圖4。圖4反映了空氣污染物存在一定的空間差異。從圖4可見，9個站點SO2、NO2、CO濃度差別不大，表現(xiàn)出一定的區(qū)域污染特征，總體上看顆粒物在主城區(qū)濃度略高于其他區(qū)縣，表現(xiàn)出一定的局地污染特征，城區(qū)顆粒物濃度較高與自貢市興建住宅，建筑工地揚塵、道路運輸揚塵、以及開山建房造成的揚塵等有關。此外，主城區(qū)O3濃度普遍較其他區(qū)縣高，O3濃度變化同VOCs排放有很大關系，說明主城區(qū)VOCs排放較大。9個站點中位于主城區(qū)邊界的大塘山站點各項污染物濃度均較高，這與其地理位置關系較大，大塘山鄰近農(nóng)村，近處的農(nóng)村秸稈焚燒加上遠處的鄰市綜合污染源，以及大塘山偏西南方向工廠園區(qū)的污染源排放，都對污染物濃度升高有一定的貢獻，特別是對顆粒物。

圖4 2016～2018年自貢市9個站點污染物濃度分布情況Fig.4 Concentration distribution of pollutants at nine stations in Zigong City from 2016 to 2018

自貢是一個老工業(yè)城市，小型工業(yè)企業(yè)較多，排放的空氣污染物多而復雜；其次，機動車數(shù)量不斷增加，汽車尾氣問題日益突顯，受道路交通網(wǎng)絡局限性影響，交通堵塞情況時有發(fā)生，加重了機動車尾氣的污染；自貢存在春季、秋季秸稈焚燒，秸稈焚燒時節(jié)顆粒物濃度明顯升高。

下一步建議加強自貢市城市揚塵控制力度，特別是建筑工地和道路揚塵的控制；加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，集中處理排放不達標的工業(yè)企業(yè)，減少污染物的排放，鼓勵工業(yè)企業(yè)引進新的技術和設備，大力推廣清潔生產(chǎn)能源；加大對機動車尾氣排放污染的防治；排查VOCs污染源，控制VOCs污染；加大環(huán)境保護環(huán)保宣傳力度，進行全民環(huán)保教育，加大秸稈焚燒、煙花爆竹禁燃措施力度；應對特殊天氣，尤其是冬季，應及時啟動相應的應急預案，做好相應的控制措施。

2.5 自貢市空氣質(zhì)量與氣象因素相關性分析

氣象因素對空氣質(zhì)量的改善影響較大，污染物濃度與風速、降雨量、氣溫、相對濕度、氣壓等氣象因素關系密切。自貢市共有5個國家空氣站點(春華路站、檀木林體育館站、青杠林站、大塘山站、南湖救助站)，本文選擇5個站點中具有代表性的春華路站點作為研究對象討論污染物與氣象因素之間的關系。空氣污染物與氣象因素之間相關性見表6。

表6 空氣質(zhì)量因子與氣象因素相關關系表Tab.6 Correlation between air quality factors and meteorological factors

注：*為在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關；**為在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關。

由表6可見，AQI與濕度、風速均有極顯著負相關關系，濕度、風速對空氣質(zhì)量影響較大，濕度增加、在一定范圍內(nèi)增大風速能夠改善空氣質(zhì)量。

自貢市春秋兩季時間較短，冬夏兩季相對較長，冬季由于局地污染源以及不利氣象條件的存在，顆粒物污染較嚴重，夏季氣溫高，O3污染較為嚴重，使得自貢市空氣污染有明顯季節(jié)性。通過相關性分析得出，氣溫與PM10、PM2.5、NO2、CO均有極顯著負相關關系，與PM2.5的相關系數(shù)最大，為0.411；與O3有極顯著正相關關系，且相關系數(shù)為0.622，與SO2有顯著正相關關系。這與污染物的季節(jié)性特征一致，即高溫的夏季顆粒物濃度低、O3濃度高，冬季顆粒物濃度高，臭氧濃度相對較低。濕度與PM2.5、PM10、O3、NO2、CO均有極顯著負相關關系，與O3的相關系數(shù)最大，為0.604。風速與PM2.5、PM10、NO2、CO均有極顯著負相關關系，與4種污染物的相關系數(shù)均在0.4～0.5之間。氣壓與PM10、PM2.5、NO2、CO均有極顯著正相關關系，相關系數(shù)接近0.3；氣壓與SO2、O3均有極顯著負相關關系，與臭氧的相關系數(shù)最大，為0.593。降雨量與PM10、PM2.5、CO均有極顯著負相關關系，相關系數(shù)均大于0.5，且與PM2.5、PM10相關系數(shù)分別為0.734、0.759，與NO2有顯著負相關關系；降雨量與O3有顯著正相關關系。由此可知，氣象因素與空氣質(zhì)量之間存在有一定的相關關系，氣象因素可對局部地區(qū)空氣中污染物濃度造成相應的影響。

自貢市污染以顆粒物污染為主，通過相關性分析表明，氣溫、濕度、風速越大，氣壓越小，降雨量越多，越有利于顆粒濃度的降低。氣溫越高，大氣穩(wěn)定度越弱，大氣對流活動越強，對顆粒物能夠起到很好的稀釋擴散作用；濕度大利于顆粒物聚集、沉降，同時濕度大能減少地面揚塵；風對大氣污染物擴散有很重要的作用，并決定著污染物輸送的方向，能夠凈化空氣中污染物；高氣壓可造成靜穩(wěn)天氣，低氣壓可造成氣象條件不穩(wěn)定，容易引起刮風下雨，利于顆粒物稀釋擴散；降雨能夠降低城區(qū)塵土飛揚，對顆粒物有明顯的去除作用。根據(jù)氣候特征，自貢市冬季和春秋季節(jié)降雨量少，近地面風速較小，氣象條件不利于污染物稀釋、擴散，因此冬季、春季、秋季為顆粒物污染防治重點時段，尤其是冬季。

2018年自貢市夏季O3污染較為嚴重，臭氧是一種典型的二次污染物，在強日照、高溫、低濕度、低風速等氣象條件下，NOX和VOCs等在紫外線照射下生成O3?？刂谱载暿谐鞘蠴3污染的關鍵點在于控制前體物質(zhì)的產(chǎn)生，特別是VOCs等人為源排放。

通過以上氣象因素的相關性分析，在氣溫高的季節(jié)應限制VOCs排放源的排放量；利用氣象條件改善空氣質(zhì)量主要依靠增雨實現(xiàn)，即人工增雨，對于顆粒物污染較重時，根據(jù)氣象條件適時的施以人工降雨能有效地改善空氣質(zhì)量。風速對空氣質(zhì)量改善也很大，每個地區(qū)都有一定的盛行風向，利用好盛行風向來改善空氣質(zhì)量也是一個較好的發(fā)展方向。

3 結(jié) 論

3.1 2018年自貢市空氣質(zhì)量有明顯改善，近3年，SO2和NO2年均濃度值、CO第95百分位數(shù)濃度值均達到環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準，PM10、PM2.5均超標，2018年O3第90百分位數(shù)濃度值超標。AQI超標率分別為：39.1%、38.1%、34.1%。PM10和PM2.5每年污染負荷貢獻率均超過了50%，為主要的污染因子，但占比逐年下降，2018年PM10和PM2.5年均濃度分別超標8.6%和51.4%；O3污染負荷貢獻率逐年增大。

3.2 自貢市空氣質(zhì)量具有明顯的季節(jié)變化特征，整體呈現(xiàn)為冬季最差，夏季較好。在時間尺度上，SO2、NO2、PM10、PM2.5和CO均表現(xiàn)為冬季濃度值高，夏季濃度值低，O3相反。

3.3 2016～2018年自貢市PM2.5作為首要污染物天數(shù)全年占比分別為：73.0%、55.2%、38.7%，夏季O3作為首要污染物天數(shù)全年占比分別為4.6%、23.8%、34.9%。自貢市城區(qū)空氣污染以PM2.5為主，夏季O3污染有逐年加重趨勢。

3.4 自貢市9個空氣自動站點，SO2、NO2、CO表現(xiàn)出一定的區(qū)域污染特征，顆粒物和O3表現(xiàn)出一定的局地污染特征，主城區(qū)顆粒物和O3濃度要略高于周邊區(qū)縣。

3.5 自貢市AQI與 PM2.5、PM10的相關性極高，達到0.8以上，顆粒物對AQI影響最大。代表站AQI與濕度、風速均有極顯著負相關關系，氣溫、濕度、風速、降雨量均與PM2.5、PM10有極顯著負相關關系，降雨量與PM2.5、PM10相關系數(shù)最大，分別為0.734和0.759，其余氣象因素與PM2.5、PM10相關系數(shù)均小于0.5，氣壓與PM2.5、PM10有極顯著正相關關系。