保定市PM2.5和臭氧污染特征分析

李歡歡，張 凱，牛 璨，羅宇騫，王 濤，支敏康，張迎仲，玄兆坤

1. 河北大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，河北 保定 071000

2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012

2013年以來，我國大氣污染治理力度不斷加大，PM2.5濃度大幅下降，但臭氧(O3)污染尚未得到有效遏制，呈加劇趨勢[1]，尤其是京津冀及周邊地區(qū)[2-4]，給人體健康和生態(tài)環(huán)境安全造成不利影響[5-6]. Fang等[7]通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，O3濃度隨其他空氣污染物濃度的增加而降低，與其他空氣污染相比，O3污染容易在輕度和中度污染時期形成；程麟鈞等[3]發(fā)現(xiàn)，京津冀及周邊地區(qū)PM2.5濃度總體呈下降趨勢，但O3濃度居高不下；Jia等[8]認(rèn)為，大氣復(fù)合污染的季節(jié)變化由大氣環(huán)境中PM2.5與O3季節(jié)性變化的相互作用決定；Li等[1]通過模擬表明，華北平原O3污染趨勢更加嚴(yán)重的主要原因是，PM2.5濃度在2013-2017年期間減少了40%，減緩了過氧化氫自由基(HO2)的氣溶膠沉降，從而刺激了O3的產(chǎn)生；孫金金等[9]發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)O3濃度小于100 μg/m3時，O3濃度與PM2.5濃度呈負(fù)相關(guān)，大于100 μg/m3時二者呈正相關(guān)；Marais等[10]對尼日利亞中部地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著明火和燃料/工業(yè)排放物的增加，O3問題不斷惡化.

綜上，PM2.5與O3之間的相互作用復(fù)雜，目前雖已有對保定市PM2.5與O3污染的相關(guān)研究，但多包含在京津冀地區(qū)的研究[2,11-14]中或是針對某月的重污染過程分析[15]，尚缺少對保定市PM2.5與O3污染特征及連續(xù)年份的變化規(guī)律分析. 通過對保定市歷年各月O3-8 h (O3日最大8 h滑動平均值)濃度的篩選和分析發(fā)現(xiàn)，“輕中度及以上”污染天多集中在4-9月，基于此，該研究利用小波分析法對2013-2020年每年4-9月PM2.5與O3-8 h濃度的在線數(shù)據(jù)進行分析，探討保定市PM2.5、O3-8 h、NO2污染序列變化的主周期以及O3-8 h與PM2.5、NO2的協(xié)同關(guān)系，以期為保定市O3污染控制提供參考.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

保定市大氣污染物(PM2.5、NO2和O3)濃度和AQI數(shù)據(jù)來自大氣環(huán)境科學(xué)綜合數(shù)據(jù)采集與共享平臺(https://napcdata.craes.cn)，數(shù)據(jù)時間段為2013-2020年每年4-9月，“XX年4-9月”簡稱為“XX年”. 數(shù)據(jù)使用前進行了有效數(shù)據(jù)篩查，確保數(shù)據(jù)合理，分析結(jié)果可靠. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計有效性按照GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16]和HJ 663-2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》[17]執(zhí)行. PM2.5與O3采用GB 3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)，即PM2.5日均值大于75 μg/m3為超標(biāo)，O3-8 h濃度大于160 μg/m3為O3超標(biāo).

1.2 小波分析方法

以Matlab為數(shù)據(jù)處理平臺，使用Morlet小波函數(shù)[18]：

式中，c為常數(shù)，i為虛數(shù)，t為時間.

對于時間序列f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為

式中， Ψ(t)為 Ψ (t)的 復(fù)共軛函數(shù)，Wf(a,b)小波變換系數(shù)，其中a為尺度參數(shù)，b為平移量. 利用小波系數(shù)制作二維等值線圖〔選擇小波函數(shù)類型cmor(1-1.5)、取樣周期為1、最大尺度為128〕，從而獲得時間序列變化的小波實部圖. 不同時間尺度的小波系數(shù)可以反映污染物濃度的演化特征差異[19].

為了判斷序列的主要周期，進行小波方差計算，即將小波系數(shù)的平方值在b域積分，其計算公式為

小波方差隨尺度a的變化過程即為小波方差圖，能反映信號波動能量隨尺度a的分布情況，對應(yīng)峰值處(局部極大值)的尺度稱為該序列的主要時間尺度，用以反映時間序列的主要周期[20]，曲線最高點所對應(yīng)的時間尺度為第1主周期，曲線第二高點所對應(yīng)的時間尺度為第2主周期，以此類推.

2 結(jié)果與討論

2.1 保定市PM2.5和O3污染現(xiàn)狀分析

2013年起，保定市O3污染呈逐年加重趨勢；O3超標(biāo)天數(shù)逐年增多，且超標(biāo)時間逐年提前(見圖1)；2018年超標(biāo)天數(shù)最多，O3-8 h最大峰值濃度達347 μg/m3，是GB 3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)的2.1倍，其次為2017年5月27日，濃度為298 μg/m3；2019年和2020年O3-8 h峰值濃度與超標(biāo)天數(shù)均有所下降.

圖 1 2013?2020年保定市PM2.5與O3-8 h日均濃度變化趨勢Fig.1 Variation trends of the daily average concentrations of PM2.5 and O3-8 h in Baoding City from 2013 to 2020

從PM2.5日均濃度變化可以看出：2013年保定市PM2.5超標(biāo)天數(shù)最多，輕度、中度污染占比較大，且有嚴(yán)重污染天出現(xiàn)；隨著2013年《大氣污染防治行動計劃》的頒布與實施，PM2.5超標(biāo)情況逐年改善，保定市PM2.5濃度從2013年的88 μg/m3降至2020年的29 μg/m3；2013年保定市空氣綜合污染指數(shù)為7.76，在河北省內(nèi)排名第8位(由低到高)，2017年頒布實施《保定市大氣污染防治條例》，空氣綜合污染指數(shù)從2017年的6.34降至2020年的4.40，空氣質(zhì)量明顯改善. 這說明大氣治理措施的實施對空氣質(zhì)量的改善有重要意義.

2013-2020年保定市PM2.5濃度與O3-8 h濃度超過GB 3095-2012二級標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(見圖2)顯示，PM2.5超標(biāo)天數(shù)由2013年的97 d減至2020年的1 d，降幅極為顯著；而O3超標(biāo)天數(shù)由2013年的3 d增至2018年的95 d，2020年減至61 d，雖然2020年O3超標(biāo)天數(shù)有所減少，但O3超標(biāo)天數(shù)占兩種污染物超標(biāo)總天數(shù)的比例從2013年的3%增至2020年的98%. 整體而言，保定市PM2.5污染狀況有極大改善，但O3超標(biāo)天數(shù)占兩種污染物超標(biāo)總天數(shù)的比例逐年上升，說明O3逐漸成為影響保定市4-9月空氣質(zhì)量的主要污染物. 茍銀寅等[21]研究也表明，2013-2018年O3是保定市所有污染物中年均濃度唯一上升的污染物，因此保定市4-9月空氣質(zhì)量改善的關(guān)鍵在于加強O3污染的治理.

圖 2 2013—2020年保定市污染物超標(biāo)天數(shù)及O3超標(biāo)天數(shù)占比的變化Fig.2 Days of exceeding secondary limit of NAAQS for each pollutant during summer in Baoding City from 2013 to 2020

2013年保定市空氣綜合污染指數(shù)為7.76，在京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市中排名第19位，2020年降至3.86，在“2+26”城市中排名第3位，空氣質(zhì)量明顯改善. 由表1可見，2013年保定市PM2.5濃度超出“2+26”城市均值的14.28%，2020年則低于其均值的13.25%；對于O3-8 h濃度，2013年低于“2+26”城市均值的28.87%，2015年則高出20.76%，2016-2020年逐年接近“2+26”城市均值；對于NO2，除2015年和2016年略超出“2+26”城市均值外，其他年份均低于其均值. 2020年保定市O3-8 h濃度較2017-2019年有所下降，與“2+26”城市均值基本持平，說明保定市O3污染與周邊地區(qū)有共同的影響因素或相互作用[15,22-23]，這與當(dāng)?shù)卣畬M2.5與O3采取的一系列協(xié)同控制措施有關(guān).

表 1 2013?2020年保定市與“2+26”城市主要污染物濃度的距平結(jié)果Table 1 Anomalous results of main pollutant anomalies between Baoding and the ‘2+26’ cities from 2013 to 2020

綜上，保定市PM2.5濃度從高于“2+26”城市均值(2013-2018年)到低于其均值(2019-2020年)；NO2濃度從低于“2+26”城市均值(2013-2014年)，到高于其均值(2015-2016年)，再低于其均值(2017-2020年)；O3-8 h濃度從低于“2+26”城市均值(2013年)，到高于其均值(2014-2019年)，隨后逐漸與其均值持平(2020年)，說明保定市近年來對PM2.5與NO2的治理效果明顯，而O3-8 h由于受整個區(qū)域大氣氧化性的影響，其濃度較高，O3成為影響空氣質(zhì)量的主要污染物，因此需加大對O3的管控和治理力度.

2.2 小波分析結(jié)果

圖3~6分別為保定市AQI及PM2.5、O3-8 h、NO2污染序列的小波系數(shù)實部和小波方差，其中震蕩信號強弱通過小波系數(shù)的大小來表示：小波系數(shù)越大，顏色越深，代表污染物濃度越高，污染越嚴(yán)重；小波系數(shù)越小，顏色越淺，則污染物濃度越低；0代表突變點.

由圖3可見，保定市2014年、2015年和2017年AQI均以60 d時間尺度為第1主周期，2013年、2016年、2018年、2019年、2020年的第1主周期分別為20、105、90、50、70 d時間尺度. 2013-2020年AQI的第2主周期分別為80、30、110、10、85、45、30、20 d時間尺度.

由圖4可見，保定市2013-2018年P(guān)M2.5污染序列的第1主周期分別為20、55、105、110、60、10 d時間尺度，2019年和2020年均為50 d時間尺度.2013-2020年P(guān)M2.5污染序列的第2主周期分別為80、20、40、10、20、35、10、30 d時間尺度.

由圖5可見，保定市2014年和2016年O3-8 h污染序列均以110 d時間尺度為第1主周期，2013年、2015年、2017-2020年第1主周期分別為90、40、60、90、50、70 d時間尺度. 2013、2014和2020年O3-8 h污染序列的次周期均為20 d時間尺度，2015-2019年分別為90、35、85、45、30 d時間尺度.

由圖6可見，保定市2013年、2014年、2019年NO2污染序列分別以110、60、50 d時間尺度為第1主周期，2015年、2017年和2020年第1主周期均為105 d時間尺度，2016年和2018年均為10 d時間尺度.

圖 3 2013—2020年AQI的小波系數(shù)實部與小波方差Fig.3 The wavelet power and variance for AQI from 2013 to 2020

圖 4 2013—2020年P(guān)M2.5的小波系數(shù)實部與小波方差Fig.4 The wavelet power and variance for PM2.5 from 2013 to 2020

圖 5 2013—2020年O3-8 h的小波系數(shù)實部與小波方差Fig.5 The wavelet power and variance for O3-8 h from 2013 to 2020

圖 6 2013—2020年NO2的小波系數(shù)實部與小波方差Fig.6 The wavelet power and variance for NO2 from 2013 to 2020

從各污染序列的主周期可以看出：2013-2020年(除2015年和2018年外)保定市AQI與PM2.5污染序列的第1主周期相近，從2016年開始AQI與O3-8 h污染序列的第1主周期趨于一致，從2017年開始，二者的第1主周期和第2主周期均一致，說明從2016年開始空氣質(zhì)量與O3-8 h濃度密切相關(guān)，并且從2017年開始其相關(guān)性變強；2019年AQI、PM2.5、O3-8 h和NO2污染序列的第1主周期均為50 d時間尺度，且都存在25 d時間尺度的第2主周期. 由此說明，近年來保定市逐漸由PM2.5污染轉(zhuǎn)為PM2.5與O3復(fù)合污染.

從不同時間尺度的震蕩情況來看：小波實部圖中小波系數(shù)值越大、對應(yīng)的顏色越深，表明污染物濃度越高. 在同一時間尺度范圍內(nèi)，PM2.5與O3-8 h污染序列的震蕩頻率基本一致，說明保定市4-9月PM2.5濃度與O3-8 h濃度存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系，這與Jia等[8,24]的研究結(jié)論一致；在大時間尺度(＞80 d)范圍內(nèi)，PM2.5濃度的增減較O3-8 h有一些延后；但在較小時間尺度(＜80 d)范圍內(nèi)，O3-8 h濃度的增減具有一定的延后性，這可能是因為O3污染還與日照時長、高溫、靜風(fēng)、逆溫條件相關(guān)[25-27]. 2015-2019年，NO2與O3-8 h污染序列的震蕩頻率趨于一致，NOx是O3形成的前體物之一，O3-8 h濃度與前體物NOx呈復(fù)雜的非線性響應(yīng)關(guān)系[28-29]，說明保定市O3-8 h濃度受前體物NO2影響較大. 2020年4月和5月NO2與O3-8 h污染序列的震蕩頻率大致相同，之后有較大差異(2020年6-9月未出現(xiàn)重污染天氣，其他年份均有出現(xiàn))，這可能是受新冠肺炎疫情后效應(yīng)的影響. 新冠肺炎疫情得到基本控制之后，我國大部分地區(qū)的工業(yè)熱源企業(yè)雖已逐步有序地恢復(fù)生產(chǎn)，但復(fù)工區(qū)域仍處于低能耗水平，生產(chǎn)規(guī)模尚未完全恢復(fù). 研究表明，2020年3月底，我國省道總交通量恢復(fù)到了上一年同期的46.6%，其中，客車交通量是上一年同期的34.5%，貨車交通量是上一年同期的70.3%[30]，因此NOx、PM2.5排放強度同比降低，導(dǎo)致NO2和O3-8 h污染序列的震蕩頻率出現(xiàn)較大差異. 綜上，保定市大氣復(fù)合污染防治工作應(yīng)著力減少NO2的排放，實現(xiàn)多污染物的協(xié)同控制.

3 結(jié)論

a) 2013-2020年保定市PM2.5濃度明顯下降，超標(biāo)天數(shù)顯著減少. 2013-2018年保定市O3污染逐年加重，2019年O3-8 h濃度開始下降，但仍較高.

b) O3超標(biāo)天數(shù)占PM2.5與O3超標(biāo)總天數(shù)的比例從2013年的3%增至2020年的98%，O3-8 h濃度從低于“2+26”城市均值到逐漸高于或接近其均值，說明O3逐漸成為影響保定市4-9月空氣質(zhì)量的主要污染物.

c) 小波分析發(fā)現(xiàn)，AQI從與PM2.5污染序列的第1主周期相近，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕cO3-8 h污染序列的第1主周期和第2主周期均一致，說明保定市由PM2.5污染逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻M2.5與O3的復(fù)合污染. 在同一時間尺度范圍內(nèi)，PM2.5濃度與O3-8 h濃度存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系.

d) O3污染治理需著力減少前體物NO2的排放，多污染物協(xié)同控制的長期策略是實現(xiàn)保定市空氣質(zhì)量改善的主要途徑.