衡陽市PM2.5污染特征及影響因素相關(guān)性分析

劉作云，劉衡林

（1.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院生態(tài)宜居學(xué)院,湖南衡陽 421005；2.湖南省衡陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,湖南衡陽 421001）

細(xì)顆粒物（PM2.5）具有粒徑小、質(zhì)量輕、易粘附有害物質(zhì)、占可吸入顆粒物的比重大等特點(diǎn)［1］，能在空氣中長時(shí)間漂浮，并長距離遷移。人們在呼吸過程中，極易將PM2.5吸入到細(xì)支氣管和肺泡［2］，從而影響肺的通氣功能。此外，由于細(xì)顆粒物自身或粘附物質(zhì)中有可能夾雜有毒有害成份，當(dāng)與肺泡等接觸并沉積后容易形成病灶，產(chǎn)生其他中毒或病理反應(yīng)。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化的不斷加快，PM2.5已經(jīng)成為影響城市發(fā)展和人民群眾生活質(zhì)量的主要環(huán)境空氣污染物之一，并被納入2016年起全面實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）。相關(guān)研究表明，PM2.5濃度高低受諸多因素影響，如氣象因素［3-5］、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素［6-8］等。此外，其他污染因子［9-14］對PM2.5的濃度也有一定影響。利用2016—2019年衡陽市PM2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析其時(shí)空分布特征，并探討其與氣象因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及其他污染因子之間的相關(guān)性，對科學(xué)防控衡陽市PM2.5污染提供依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

研究對象包括PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)（衡陽市及下轄各縣市區(qū)月均值和年均值）、氣象參數(shù)（月平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均濕度、平均氣壓和平均風(fēng)速）及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（衡陽市及下轄各縣市區(qū)年末常住人口、城鎮(zhèn)人口、GDP、人均GDP、第一/二/三產(chǎn)業(yè)增加值、工業(yè)增加值、房地產(chǎn)開發(fā)投資額、森林覆蓋率、建成區(qū)綠化率等）。

數(shù)據(jù)來源：污染指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)摘自衡陽市環(huán)境質(zhì)量狀況通報(bào)［15］；氣象數(shù)據(jù)來自衡陽市氣象局（57872站）；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于衡陽市及下轄各縣市區(qū)國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［16］。

1.2 研究方法

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件的Pearson相關(guān)性分析功能，分別計(jì)算各種影響因素與PM2.5的相關(guān)系數(shù)及顯著性，并對相關(guān)性顯著的指標(biāo)采用線性回歸分析進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 衡陽市PM2.5污染時(shí)空分布特征

對2016—2019年衡陽市及下轄各縣市區(qū)PM2.5年均濃度及月平均濃度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較。

從圖1可以看出，自2016年以來，衡陽市及下轄的縣市區(qū)PM2.5年均濃度大致呈逐年下降趨勢。全市除南岳區(qū)外，其他地區(qū)PM2.5濃度普遍超過GB 3095—2012中二級標(biāo)準(zhǔn)［17-18］限定的35μg/m3，且中心城區(qū)（雁峰區(qū)、珠暉區(qū)、石鼓區(qū)、蒸湘區(qū)）濃度高于其他縣市區(qū)。

圖1 衡陽市PM2.5濃度空間分布規(guī)律Fig.1 The regular pattern of spatial distribution of the concentration PM2.5 in Hengyang

從圖2可以看出，衡陽市中心城區(qū)PM2.5濃度具有明顯的季節(jié)性，隨氣溫升高濃度逐漸降低，且在每年的冬季（12月至次年1月）形成濃度高峰，全年只有酷暑季節(jié)（6月至8月）濃度能滿足GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 衡陽市PM2.5濃度時(shí)間分布規(guī)律Fig.2 The regular pattern of temporal distribution of the concentration PM2.5 in Hengyang

衡陽市PM2.5污染形勢仍然嚴(yán)峻，尤其各縣市區(qū)應(yīng)加強(qiáng)防控，擴(kuò)大宣傳，加大對污染源的監(jiān)管，結(jié)合PM2.5的時(shí)空分布特征，合理制定防控措施。

2.2 PM2.5與氣象因素的相關(guān)性分析

對衡陽市中心城區(qū)2016—2019年逐月的PM2.5濃度值與氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析，并對有明顯相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析。結(jié)果表明：六項(xiàng)氣象因素中，平均氣壓、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和降水量與環(huán)境空氣中PM2.5濃度有相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)度大小為平均氣壓（高度正相關(guān)）＞平均氣溫（高度負(fù)相關(guān)）＞日照時(shí)數(shù)（中度負(fù)相關(guān)）＞平均風(fēng)速（中度負(fù)相關(guān)）＞降水量（低度負(fù)相關(guān)）。PM2.5濃度與平均濕度相關(guān)關(guān)系不明顯。

表1 PM2.5濃度與氣象因素Pearson相關(guān)分析Table 1 The correlation analysis by Pearson betweent the concentration of PM2.5 and meteorological factors

圖3 PM2.5濃度與氣象因素的線性回歸關(guān)系Fig.3 The relationship of linear regression between the concentration of PM2.5 and meteorological factors

氣壓直接影響大氣穩(wěn)定度，易形成逆溫層，不利于空氣擴(kuò)散和稀釋，導(dǎo)致懸浮在高空中的顆粒物下沉，并在低空聚集，濃度攀升，與相關(guān)研究相比［19］，衡陽PM2.5濃度與氣壓的相關(guān)度較高，這可能與衡陽市所處的盆地地形有關(guān)聯(lián)。氣溫影響空氣的活躍程度，溫度越高，低空空氣抬升，將PM2.5等污染物帶至高空，從而在低空形成低濃度。太陽照射能使氣溫升高而提高空氣活躍度，風(fēng)速能加速污染物遷移，降水可使污染物隨雨水沉降，因此均與PM2.5濃度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 PM2.5與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性分析

對衡陽市各縣市區(qū)2016—2019年P(guān)M2.5濃度值與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行相關(guān)性分析和線性回歸分析。結(jié)果表明：社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與PM2.5濃度的相關(guān)性普遍表現(xiàn)較弱，僅有森林覆蓋率相關(guān)系數(shù)接近-0.75～-0.30范圍，說明加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)，提高森綠覆蓋率對降塵有一定幫助。

表2 PM2.5濃度與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素Pearson相關(guān)分析Table 2 The correlation analysis by Pearson betweent the concentration of PM2.5 and socio-economic factors

2.3 PM2.5與其他污染因子的相關(guān)性分析

對衡陽市中心城區(qū)2016—2019年逐月的PM2.5濃度值與其他五項(xiàng)污染因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并對有明顯相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析。結(jié)果表明：五項(xiàng)主要污染因子均與PM2.5濃度存在相關(guān)關(guān)系，相關(guān)程度為PM10（高度正相關(guān)）＞CO（高度正相關(guān)）＞NO2（高度正相關(guān)）＞SO2（中度正相關(guān)）＞O3（中度負(fù)相關(guān)）。

表3 PM2.5濃度與其他污染因子Pearson相關(guān)分析Table 3 The correlation analysis by Pearson betweent the concentration of PM2.5 and other pollution factors

PM2.5與PM10的相關(guān)系數(shù)為0.953，P＜0.01，其線性關(guān)系方程為y=0.89x-15.01，決定系數(shù)0.907，兩項(xiàng)指標(biāo)高度正相關(guān)，且擬合程度較好。PM2.5是PM10中粒徑小于2.5μm的部分，從2016—2019年衡陽市逐月PM2.5和PM10濃度值可以看出，PM2.5/PM10比值范圍為48.78%～89.36%，50%以上的月份達(dá)97.92%，因此PM10濃度越高，PM2.5濃度升高的幾率越大，換言之，PM2.5是使PM10濃度升高的主要原因之一。

圖4 PM2.5濃度與其他污染因子的線性回歸關(guān)系Fig.4 The relationship of linear regression between the concentration of PM2.5 and other pollution factors

PM2.5與CO的相關(guān)系數(shù)為0.873，P＜0.01，其線性關(guān)系方程為y=45.81x-17.83，決定系數(shù)0.757，兩項(xiàng)指標(biāo)高度正相關(guān)，且擬合程度較好。CO活性很強(qiáng)，是大氣中主要的反應(yīng)性氣體［20］，對大氣中CO2、CH4等成分的含量影響明顯，間接使局部地區(qū)氣溫上升。同時(shí)，CO還是光化學(xué)反應(yīng)的重要參與成分，能參與形成含氮有機(jī)物顆粒物［21］，從而影響PM2.5濃度。

PM2.5與NO2的相關(guān)系數(shù)為0.861，P＜0.01，其線性關(guān)系方程為y=1.81x-5.82，決定系數(shù)0.736，兩項(xiàng)指標(biāo)高度正相關(guān)，且擬合程度較好。PM2.5與NO2在污染來源上具有很強(qiáng)的相似性，兩者均與化石燃料使用、汽車尾氣排放等相關(guān)。此外，NO2是形成大氣氣溶膠的主要成分，而氣溶膠是大氣中顆粒物的主要成分［22］，因此，大氣中NO2濃度能間接加劇PM2.5污染。

PM2.5與SO2的相關(guān)系數(shù)為0.774，P＜0.01，其線性關(guān)系方程為y=3.60x-7.78，決定系數(shù)0.590，兩項(xiàng)指標(biāo)中度正相關(guān)，擬合程度一般。SO2在大氣中能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫酸鹽等細(xì)顆粒物，或經(jīng)氧化生成氣溶膠［23］，對大氣中PM2.5濃度有一定貢獻(xiàn)。

PM2.5與O3的相關(guān)系數(shù)為-0.565，P＜0.01，其線性關(guān)系方程為y=-0.89x+162.27，決定系數(shù)0.304，兩項(xiàng)指標(biāo)中度負(fù)相關(guān)，擬合程度一般。高溫、強(qiáng)輻射能促進(jìn)O3的形成，濃度升高，同等條件下，PM2.5會(huì)隨空氣上浮和擴(kuò)散，近地面濃度較低，因此出現(xiàn)PM2.5和O3濃度變化出現(xiàn)相反的趨勢，兩者之間的關(guān)聯(lián)度不大。此外，O3濃度較高時(shí)，因發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)等原因［14］，消耗部分PM2.5，但有一定的季節(jié)性。

3 結(jié)論

PM2.5是影響衡陽市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物之一，通過分析衡陽市環(huán)境空氣中PM2.5的時(shí)空分布特征，剖析其與氣象因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及其他污染因子之間的相關(guān)性，得出以下結(jié)論：

（1）在空間上，衡陽市及下轄縣市區(qū)PM2.5濃度超標(biāo)形勢依然嚴(yán)峻，且中心城區(qū)濃度高于其他縣市區(qū)；在時(shí)間分布上，每年12月至次年1月出現(xiàn)PM2.5濃度高峰，6月至8月基本達(dá)到GB 3095—2012二級標(biāo)準(zhǔn)。

（2）衡陽市PM2.5濃度與平均氣壓、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和降水量均有顯著相關(guān)關(guān)系，與平均濕度相關(guān)關(guān)系不明顯，相關(guān)度大小為平均氣壓（R=0.874，高度正相關(guān)）＞平均氣溫（R=-0.841，高度負(fù)相關(guān)）＞日照時(shí)數(shù)（R=-0.547，中度負(fù)相關(guān)）＞平均風(fēng)速（R=-0.546，中度負(fù)相關(guān)）＞降水量（R=-0.338，低度負(fù)相關(guān)）。

（3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與環(huán)境空氣中PM2.5濃度的相關(guān)性普遍表現(xiàn)較弱，相關(guān)關(guān)系不明顯。

（4）衡陽市中心城區(qū)PM2.5濃度值與PM10、CO、NO2、SO2和O3均有顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)度大小為PM10（R=0.953，高度正相關(guān)）＞CO（R=0.873，高度正相關(guān)）＞NO2（R=0.861，高度正相關(guān)）＞SO2（R=0.774，中度正相關(guān)）＞O3（R=-0.565，中度負(fù)相關(guān)）。

（5）在開展衡陽市PM2.5的防控工作時(shí)，一方面應(yīng)加強(qiáng)污染源的監(jiān)管，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合PM2.5的時(shí)空分布特征、當(dāng)?shù)貧庀髼l件等，合理制定防控措施，并與其他污染物聯(lián)防聯(lián)控。