淮安市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況及其影響因素分析

周郡嬌, 盧 妍, 張贏心, 季圣婕, 陸秋晴, 曹甜甜

(淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

0 引言

作為地球系統(tǒng)重要部分的大氣圈,其組成成分自19世紀(jì)的工業(yè)革命以來就發(fā)生了顯著的變化,如：大氣臭氧衰減導(dǎo)致地表紫外線輻射增加、大氣溫室氣體增加及其相關(guān)的氣候變化等[1]．近年來,城市大氣污染問題給社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來了諸多問題,大氣環(huán)境質(zhì)量下降成為威脅人類健康的主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)之一[2]. 隨著公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng),大氣環(huán)境研究已成為研究熱點(diǎn)[3]．

2018年10月,國務(wù)院正式批復(fù)《淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》,淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略,推進(jìn)淮河流域綜合治理、促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展已成為值得關(guān)注的重要問題[4]．作為淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略首推城市的淮安市,在經(jīng)濟(jì)城市發(fā)展的過程中更需要貫徹落實(shí)新發(fā)展理念,打造水清、地綠、天藍(lán)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)．近年來,淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出[5],給淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展帶來了諸多問題．本文以淮安市2014-2018年間的大氣質(zhì)量為研究對(duì)象,從植被、地表氣象要素兩方面分別探究其年際變化和月際變化的趨勢和主要影響因素．

1 研究區(qū)概況

淮安市位于江蘇省中北部,江淮平原東部,北接連云港市,東毗鹽城市,西鄰宿遷市,屬暖溫帶向亞熱帶過渡的季風(fēng)氣候．其占地面積10 072 km2,擁有眾多動(dòng)植物．淮安市還擁有中國第四大淡水湖——洪澤湖,湖泊面積1 576.9 km2,較大程度上調(diào)節(jié)了氣候,滋潤了一方土地,為動(dòng)植物生長提供良好的環(huán)境．淮安市礦產(chǎn)資源較為豐富,分布相對(duì)集中在洪澤區(qū)、金湖縣．淮安市林業(yè)資源以人工林為主同時(shí)兼有天然林,林業(yè)資源總量及產(chǎn)業(yè)化水平居全國先進(jìn)行列．

2 研究方法

空氣污染指數(shù)(API)是一種反映和評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的數(shù)量尺度方法,是將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數(shù)數(shù)值形式,并分級(jí)表征空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況；空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)．API值和AQI值的計(jì)算分別參考我國城市空氣質(zhì)量API分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和空氣質(zhì)量分指數(shù)(AQI)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值表[6]．

AQI計(jì)算步驟與API基本相似,具體數(shù)據(jù)C大、C小、I大、I小在污染物項(xiàng)目濃度限值中尋找,AQI=MAX(I1,I2…Ii…In)．

3 結(jié)果與分析

3.1 淮安市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況

3.1.1 大氣環(huán)境質(zhì)量概況

淮安市2014-2018年間的空氣污染指數(shù)即API的平均值處于良好狀態(tài)(50

AQI參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012),引入6種污染物濃度．按照AQI標(biāo)準(zhǔn),2014-2018年：AQI最高值414在2014年2月2日出現(xiàn),為嚴(yán)重污染,最低值22分別出現(xiàn)在2018年11月6日和2018年7月8日．淮安市空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)、良的天數(shù)占總天數(shù)的66.6%,明顯低于API標(biāo)準(zhǔn)下的比例．污染以輕度污染為主,占所有污染天氣的72.8%,中度污染和重度污染只占小部分,其中嚴(yán)重污染只有兩天,均出現(xiàn)在2014年．對(duì)比可知,2014-2018年間PM2.5為淮安市大氣的主要污染物,其作為主要污染物出現(xiàn)的天數(shù)占比高達(dá)86.5%,其次是PM10和O3．

3.1.2 大氣污染變化特征

淮安市2014-2018年間大氣污染狀況年際變化見表1．由表1可見淮安市年平均API值波動(dòng)不大,大氣污染較輕且年際變化較小,總體呈下降趨勢.2015年API值較2014年變化幅度最大,空氣質(zhì)量大幅度改善,之后三年變化幅度趨于平緩穩(wěn)定．AQI值普遍高于API值,2014-2015年間變化略大,之后趨于平穩(wěn),與API值變化大致相同．2017年AQI值小幅度上升后,2018年重新呈現(xiàn)下降趨勢．

表1 淮安市2014-2018年間API、AQI值

圖1 淮安市2018年API、AQI值月變化

以淮安市2014-2018年間API、AQI月平均值為研究對(duì)象，探究淮安市API、AQI的月際變化,得出結(jié)論相對(duì)一致(圖1). 冬季1月份兩者達(dá)到峰值是因?yàn)槎静膳V物燃料使用量增加使得污染物排放增多是造成冬季大氣污染較重的主要原因之一．以2018年為例,2、3、4月API值與AQI值趨于平穩(wěn),5月API、AQI值驟降,6月回升后7月下降并又一次趨于平穩(wěn)．夏季污染物排放減少,加上有利于污染物擴(kuò)散和清除的氣象條件,尤其是降水對(duì)污染物的強(qiáng)清除作用,使得夏季8月份淮安市的API值與AQI值均達(dá)到最低．8月之后API、AQI值均逐漸攀升,9月至10月API與AQI值均出現(xiàn)大幅度的急速升高,之后3個(gè)月均呈上升趨勢．

3.2 影響大氣環(huán)境質(zhì)量的因素分析

3.2.1 植被

植被是生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者與穩(wěn)定者,是組成人類生存環(huán)境必不可少的部分．當(dāng)前城市快速發(fā)展帶來的熱島效應(yīng)、雨島效應(yīng)等問題日趨嚴(yán)重,因此城市植被綠化的作用也逐漸被人們重視．植被具有凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候和改善環(huán)境的功能,可以為維護(hù)生態(tài)平衡創(chuàng)造條件．另外,喬灌草植物配置模式對(duì)大氣顆粒有顯著的消減作用,消減率可達(dá)50%以上[7].因此,在研究空氣質(zhì)量時(shí),植被的作用是不容忽視的．

利用ENVI軟件結(jié)合NDVI指數(shù)在ArcGIS中對(duì)淮安市2014-2018年間的LANDSAT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8],計(jì)算淮安市綠地面積,其變化情況如圖2所示．

(a) 2014年淮安市的植被覆蓋圖 (b) 2015年淮安市的植被覆蓋圖 (c) 2016年淮安市的植被覆蓋圖

研究得到淮安市2014年植被覆蓋度為0.61,2015年下降為0.58,2016年再次下降為0.57,2017年降低到0.46,平均下降速度為0.068．2018年植被有明顯的增幅趨勢(如表2)．

表2 淮安市2014-2018年間的植被覆蓋率

淮安市2018年API、AQI值為近5年來最低．淮安市的植被主要分布在東北部,東部以及南部,其中南部植被減少得最為明顯．城市的擴(kuò)張導(dǎo)致綠化面積大幅度下降,近5年來淮安市的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,不少綠地變成了建筑物．植被迅速減少導(dǎo)致城市空氣質(zhì)量持續(xù)下降,不利于減少土壤侵蝕和地表釋塵,也不利于降低大氣中粉塵顆粒物的含量,增加了霧霾形成的條件．淮安市自2017年起,重視環(huán)境整治,增加了東北地區(qū)的植被覆蓋,緩解了淮安市的空氣污染問題．

淮安市2014年成立了市大氣污染防治工作領(lǐng)導(dǎo)小組,制定了治霾八項(xiàng)措施,隨后幾年API、AQI值受此政策影響有所降低,在此期間植被的影響微乎其微．而2015年后,隨著政策干預(yù)的減少,植被對(duì)大氣環(huán)境的影響逐漸顯著,植被可以影響城市地表能量平衡過程,減少凈輻射和感熱通量以及增加潛熱通量[10],并因此導(dǎo)致環(huán)境濕度的增加,濕度越大,越有利于大氣中的污染物顆粒的沉降．研究表明,城市植被會(huì)增加其表面污染物的干沉降速率[11],即促進(jìn)其吸收清除過程,在輕中度污染下,植被可以有效地吸收大氣中的PM10、PM2.5以及CO2[12],2016-2017年間,淮安市植被覆蓋率降低了11.4%．由于植被的減少,淮安市的API值升高,2018年淮安市植被覆蓋率重新增加到城市面積一半以上,API值也重新降低．但是由于淮安市2016年、2017年和2018年的植被覆蓋率沒有大的變化,均在45%-55%間浮動(dòng),再加上政府政策的平穩(wěn)實(shí)行,淮安市API、AQI值呈現(xiàn)穩(wěn)定,浮動(dòng)不大．

3.2.2 地面氣象要素

溫度、氣壓、風(fēng)速和相對(duì)濕度是表征大氣狀態(tài)的基本要素,與污染物濃度密切相關(guān)．平均風(fēng)速與API、AQI值呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3)．風(fēng)速越大,單位時(shí)間內(nèi)污染物被輸送的距離越遠(yuǎn),混入的空氣量也就越多,區(qū)域空間內(nèi)污染物質(zhì)量濃度降低,從而使得API值和AQI值變?。?/p>

圖3 平均風(fēng)速與API、AQI值的關(guān)系 圖4 相對(duì)濕度與API、AQI值的關(guān)系

相較于負(fù)相關(guān)更為明顯的平均風(fēng)速,API、AQI值與相對(duì)濕度的關(guān)系較為復(fù)雜(圖4),3-9月相對(duì)濕度與API、AQI值呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,濕度越大,API、AQI值越小;10-12月呈正相關(guān),濕度越大,API、AQI值越大，說明相對(duì)濕度與API、AQI值之間的關(guān)系受到季節(jié)的影響,需要在不同的季節(jié)背景下進(jìn)行研究．夏季氣溫較高,地面盛行上升氣流,氣流上升時(shí)遇冷液化、遇大氣凝結(jié)核易成云致雨．因此,夏季濕度越大,越有可能形成降雨,濕潤大氣可以吸附一定的污染物,使得濃度得以降低,API值與AQI值隨之變小;而冬季盛行下沉氣流,濕潤氣體不易揮發(fā)或成云致雨,呈高度濕潤的氣象條件反而有利于氣溶膠吸濕增長以及污染物的聚集和二次轉(zhuǎn)化[13],反而使得污染物情況加劇,API值與AQI值因此變大．

平均溫度和平均氣壓與API、AQI之間的關(guān)系不顯著,可以從極值的角度考慮．由于在開放環(huán)境下,溫度越高,氣壓越低,所以平均氣壓和平均溫度兩者負(fù)相關(guān)(圖5、圖6)．全年API、AQI值的最小值均出現(xiàn)在8月,此時(shí)平均氣壓處于全年最低值,平均溫度處于全年最高值．大部分氣溫高,氣壓低的月份,API、AQI值均小于平均值,反之亦然．

圖5 平均溫度與API、AQI值的關(guān)系 圖6 平均氣壓與API、AQI值的關(guān)系

由于API、AQI值的大小和變化趨勢與大氣主要污染物密切相關(guān),因此,可以將溫度、氣壓、風(fēng)速和相對(duì)濕度這幾項(xiàng)大氣基本要素與主要污染物各單項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)．

表3 大氣主要污染物與氣象要素相關(guān)性分析

從表3可以看出平均風(fēng)速與PM10、O3、NO2、CO、SO2呈正相關(guān),但只與SO2有顯著性關(guān)系,與其他幾項(xiàng)污染物沒有明顯的相關(guān)性．因?yàn)轱L(fēng)速越大可以更快清除空氣中的污染物并降低污染物的濃度,因此呈正相關(guān)．但是風(fēng)速過大也會(huì)將地面的塵土顆粒等污染物卷起從而加重空氣污染,因此平均風(fēng)速與其他幾項(xiàng)污染物沒有顯著的相關(guān)性．

相對(duì)濕度與O3呈正相關(guān),無明顯相關(guān)性,與PM10、NO2、SO2呈顯著的負(fù)相關(guān),與CO呈負(fù)相關(guān),無明顯相關(guān)性．這可能是因?yàn)闈穸容^小時(shí),地面的塵土容易被風(fēng)卷起，濕度加大時(shí),大氣中的SO2、NO2可以在高濕度的情況下轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4-、NO3-而沉降,濕潤的大氣有利于PM10結(jié)塊從而沉降[14]，但是相對(duì)濕度與O3、CO沒有顯著的相關(guān)性．

平均氣壓與PM10、NO2、CO、SO2呈顯著的正相關(guān),與O3呈顯著的負(fù)相關(guān)．因?yàn)楦邭鈮合率⑿邢鲁翚饬?大氣層結(jié)相對(duì)維持較高的穩(wěn)定度,不利于污染物的擴(kuò)散[15].因此氣壓越高,污染越嚴(yán)重．由于O3源于臭氧層,氣壓越高,O3向下擴(kuò)散的速度會(huì)因?yàn)榈孛婵諝夥€(wěn)定而變慢,因此平均氣壓與O3呈顯著的負(fù)相關(guān)．

平均溫度與O3呈顯著的正相關(guān),與PM10、NO2、CO、SO2呈顯著負(fù)相關(guān)．溫度越高,O3分解地越快,濃度越低,因此呈顯著的正相關(guān)．高溫有利于大氣的快速流動(dòng),污染物擴(kuò)散,濃度降低,因此平均溫度越高,PM10、NO2、CO、SO2的濃度越低．

地面氣象因素與單項(xiàng)污染物有比較明顯的相關(guān)性,而污染物單項(xiàng)濃度與API、AQI值有直接關(guān)系．因此,空氣API、AQI值受到地面氣象要素的影響．

4 結(jié)論

淮安市2014-2018年間API平均值均處于良好狀態(tài)．空氣污染以輕度污染為主,PM2.5為主要污染物,出現(xiàn)天數(shù)占比為86.5%,其次為PM10和O3．

淮安市2014-2018年間API、AQI值年變化總體呈下降趨勢．在人為干預(yù)不嚴(yán)重的情況下,植被對(duì)大氣環(huán)境的影響逐漸顯著,植被覆蓋率提高,API值隨之降低．

淮安市2018年API、AQI值月際變化與平均溫度、平均氣壓、平均風(fēng)速和相對(duì)濕度有關(guān)．平均風(fēng)速越大,污染物質(zhì)量濃度越低；大部分氣溫高,氣壓低的月份,API、AQI值均小于平均值；污染物單項(xiàng)值與平均氣壓、平均氣溫之間有顯著相關(guān)性．

在污染治理方面可以考慮在盡量減少排放污染物的同時(shí)結(jié)合氣象規(guī)律,促進(jìn)污染物擴(kuò)散從而降低污染物濃度．政府和相關(guān)部門可以嘗試應(yīng)用大氣污染防治高新技術(shù)，如：大氣污染熱點(diǎn)網(wǎng)格管理、大氣污染預(yù)警新技術(shù)應(yīng)用、強(qiáng)聲聚結(jié)作用等．