2016年-2020年天津市空氣質(zhì)量及大氣污染物變化特征

韓 放，黃 昀

（1.天津市寶坻區(qū)突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布中心，天津 301800；2.福建省龍巖市氣象局，福建 龍巖 364200）

近年來(lái)，城市化和工業(yè)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，在給人類生活帶來(lái)便利的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了一系列污染，特別是城市空氣質(zhì)量的嚴(yán)重惡化，日益加劇的霧霾天氣，嚴(yán)重影響了人類的生存環(huán)境與正常生產(chǎn)和生活，危害著人類的身體健康。大氣污染物包括氣態(tài)污染物和顆粒物，氣態(tài)污染物包括二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）等；顆粒物例如粉塵、煙霧、PM10和PM2.5（指動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于10 μm和2.5 μm的顆粒物）。

污染物的復(fù)雜特性對(duì)氣候、大氣環(huán)境和人體健康有著嚴(yán)重的危害。除了造成能見(jiàn)度的下降之外，PM2.5等顆粒物還會(huì)通過(guò)直接或間接作用影響地球系統(tǒng)的輻射收支平衡。此外，隨著粒子粒徑的降低，粒子在大氣中的保留時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，運(yùn)輸?shù)木嚯x也會(huì)更遠(yuǎn)，更容易被人體吸入肺部，可吸入顆粒物的濃度升高與呼吸系統(tǒng)及心肺系統(tǒng)疾病的發(fā)病率關(guān)系密切。長(zhǎng)期暴露于空氣中的PM2.5和PM10中會(huì)引起和加重慢性呼吸道和心血管疾病，減弱機(jī)體防御能力，引起肺功能下降并損害肺組織，甚至導(dǎo)致癌癥和過(guò)早死亡[1]。長(zhǎng)期接觸過(guò)量的SO2和NO2也會(huì)使心血管疾病加重，引起呼吸系統(tǒng)疾病和肺防御系統(tǒng)的改變，甚至能對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。因此，大氣污染物的研究受到了社會(huì)公眾和政府部門的高度重視。

天津市位于我國(guó)華北平原海河五大支流匯流處，地屬中緯度亞歐大陸東岸，季風(fēng)盛行，主要受季風(fēng)環(huán)流的支配，屬溫帶季風(fēng)氣候?？偯娣e1.19萬(wàn)平方公里，常住人口1 562萬(wàn)人，是中國(guó)北方最大的沿海開(kāi)放城市。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展，人類活動(dòng)造成的排放急劇增加，環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)峻，污染物的來(lái)源十分復(fù)雜，包括化石燃料燃燒的排放、生物質(zhì)燃燒排放、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等等。因此，本文收集并整理了2016年至2020年天津市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和大氣污染物NO2、SO2、PM2.5、PM10以及一氧化碳（CO）等數(shù)據(jù)，分析探索天津市近5年大氣污染情況，為天津市的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 結(jié)果與討論

1.1 天津市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）表示空氣的清潔或污染的程度，以及對(duì)健康的影響。一共分為6個(gè)等級(jí)，從一級(jí)至六級(jí)分別為優(yōu)（0-50），良（51-100），輕度污染（101-150），中度污染（151-200），重度污染（201-300）和嚴(yán)重污染（300+）。2016年至2020年天津市日值 AQI 總有效監(jiān)測(cè)天數(shù)為1 821天，空氣質(zhì)量主要以優(yōu)、良為主，優(yōu)良總天數(shù)為1 345天，總達(dá)標(biāo)率為73.86%。輕度污染及以上天數(shù)476天，污染率為26.14%。由表1可見(jiàn)，天津市2016年至2020年AQI的年均值逐年下降，由2016年的98.51下降至2020年的75.66，優(yōu)良率也提升至80.87%，可見(jiàn)近年來(lái)天津市對(duì)污染物的防治有明顯的效果。

表1 2016年-2020年天津市AQI級(jí)別天數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 PM2.5、PM10變化特征

大氣顆粒物是大氣中組成成分復(fù)雜、危害較大的污染物之一，是造成灰霾天氣的主要污染物，也是目前人們最廣泛關(guān)注的一種大氣污染物。由圖1可見(jiàn)，2016年至2020年，天津市的PM2.5及PM10年平均濃度整體呈顯著下降趨勢(shì)。但PM2.5的年平均濃度仍未達(dá)到年濃度限值國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（35 μg m－3）[2]。2020年天津市PM10年平均濃度為68.9 μg m－3，達(dá)到年濃度限值國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（70 μg m－3）。圖2是依據(jù)數(shù)據(jù)整理的天津市PM2.5和PM10的五年內(nèi)的月均濃度變化曲線，可以看到月平均濃度變化較為明顯，呈現(xiàn)出冬季污染較為嚴(yán)重，夏季污染較輕的特征，在夏季前后呈現(xiàn)出明顯的U型曲線。這可能是因?yàn)槲覈?guó)北方地區(qū)冬季的取暖造成了大量的化石燃料燃燒排放。且秋冬季節(jié)降水少，大氣穩(wěn)定度高，顆粒物濃度上升快且不容易擴(kuò)散，導(dǎo)致了污染物累積。而夏季邊界層相對(duì)較高，降雨增加，污染物更易被去除。

圖1 2016年-2020年天津市PM10，PM2.5年均值的變化。

圖2 PM10，PM2.5，NO2，SO2以及CO在2016年～2020年平均月均值的變化。

1.3 NO2、SO2、CO變化特征

N O2主要來(lái)源于化石燃料的燃燒排放、交通排放以及工業(yè)排放等。2016年至2020年，天津市的NO2日濃度范圍8.71～141.79 μg/m3，2016年、2017年、2018年、2019年、2020年天津市的NO2年平均濃度依次為49.54 μg/m3、50.15 μg/ m3、44.84 μg/m3、42.32 μg/m3、39.2 μg/m3，呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，并且在2020年達(dá)到環(huán)境空氣污染物年濃度限值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（40.0 μg/m3）。通過(guò)計(jì)算2016年至2020年的季節(jié)平均值發(fā)現(xiàn)，NO2的季節(jié)平均濃度整體表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季的特征。如圖2所示，NO2整體表現(xiàn)為年初、年末濃度偏高，年中濃度偏低，4月份～12月份NO2質(zhì)量濃度值呈“U”型分布，波動(dòng)振幅相對(duì)于其他污染物偏大。12月達(dá)到月平均質(zhì)量濃度最大值，為63.33 μg/m3，在7月達(dá)到月平均質(zhì)量濃度最小值，為26.39 μg/m3。NO2污染物的時(shí)間特征和顆粒物基本類似，主要源自冬季較多的化石燃料燃燒的排放。

SO2是酸雨形成的主要前體物，而近些年，我國(guó)針對(duì)其的控制已取得了明顯的進(jìn)步，可以看到2016年至2020年五年的年均值分別為20.46 μg/m3，16.26 μg/m3，11.74 μg/m3，10.92 μg/ m3，8.56 μg/m3，污染濃度逐年下降，且均遠(yuǎn)低于環(huán)境空氣污染物年濃度限值國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（60.0 μg/m3）。SO2全年變化明顯，也存在冬高夏低的季節(jié)特征，每年度的日濃度最高值均出現(xiàn)在冬季，日濃度最低值均出現(xiàn)在夏季[3]。

CO的主要來(lái)源包括機(jī)動(dòng)車尾氣的排放和燃料的不完全燃燒。2016年至2020年，CO的年平均濃度分別為1.39 mg/m3，1.31 mg/ m3，1.05 mg/m3，0.96 mg/m3，0.89 mg/m3，呈現(xiàn)逐年降低的狀態(tài)。2016年和2017年分別有5天和3天超過(guò)環(huán)境空氣污染物年濃度限值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（4 mg/m3），2018年至2020年這段時(shí)期均未超過(guò)環(huán)境空氣污染物年濃度限值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（4 mg/m3）。

1.4 2020年AQI及各項(xiàng)污染物濃度變化特征

如圖3所示是2020年天津市AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的濃度日均值隨時(shí)間變化情況，可以看出各類大氣污染物濃度在一年內(nèi)的增減波動(dòng)情況具有很強(qiáng)的相關(guān)性，AQI與PM2.5，PM10以及SO2、NO2、CO有相同的時(shí)間變化特征，表明了它們之間具有相似的來(lái)源。整體上看，各類大氣污染物在1月份至3月份以及10月份至12月份的濃度相對(duì)偏高，在7、8、9月份振幅較小，較為穩(wěn)定。查閱資料得知，天津市2019年供暖期自2019年11月1日至2020年3月31日，2020年供暖期由11月1日開(kāi)始，由此可以推測(cè)，冬季采暖是各類大氣污染物的重要來(lái)源，在采暖期間減少大氣污染物的排放仍然是急需解決的問(wèn)題[4]。

圖3 2020年，AQI（a）以及PM10，PM2.5（b），NO2，SO2，CO（c）濃度的時(shí)間序列圖

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2016年至2020年AQI以及各類污染物的分析，本文得出如下結(jié)論，（1）2016年至2020年天津市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI五年來(lái)的優(yōu)良率顯著提高。（2）從五年間的年變化上看，天津市PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO均呈下降趨勢(shì)。（3）從季節(jié)變化來(lái)看，PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2都表現(xiàn)為“冬高夏低”，推測(cè)這主要是因?yàn)樘旖虻貐^(qū)冬季采暖，燃煤量增加，導(dǎo)致污染物濃度升高。在采暖期間減少大氣污染物的排放仍然是急需解決的問(wèn)題。