基于新國標的寧夏城市空氣質(zhì)量分布特征分析

邵 建， 楊苑媛， 張曉茹， 裴曉蓉， 賈 樂， 陳 敏

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002； 3.寧夏氣象臺，寧夏 銀川 750002； 4.吳忠市氣象局，寧夏 吳忠 751100)

寧夏位于西北內(nèi)陸高原，地處中國地質(zhì)、地貌“南北中軸”的北段，地形南北狹長，地勢南高北低，西部高度差較大，東部起伏較緩[1].隨著寧夏“兩大戰(zhàn)略”沿黃城市帶發(fā)展戰(zhàn)略和百萬貧困人口攻堅戰(zhàn)略的大力實施，寧夏的經(jīng)濟快速增長，城市化進程加快，城市大氣污染日益嚴重，已成為公眾廣泛關(guān)注的環(huán)境問題[2].空氣污染影響氣候變化、生態(tài)平衡[3—4]及人體健康[5—7].2012年， GB 3095—2012發(fā)布實施[8]，空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)代替了空氣污染指數(shù)(API)，新增了PM2.5，O3，CO這3項指標，減小了PM10、NO2、鉛和苯并芘的濃度限值，這對改善環(huán)境空氣質(zhì)量、保護生態(tài)環(huán)境和保障人類健康等有重要作用.但在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)標準及配套技術(shù)規(guī)范在不同區(qū)域的適應(yīng)性存在一些問題，例如標準體系中的狀態(tài)參數(shù)、PM2.5監(jiān)測結(jié)果的濕度影響、空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)，對空氣質(zhì)量快速變化描述的準確性，以及標準中6項污染物濃度限值的匹配性都存在不妥之處.因此，2018年年底，生態(tài)環(huán)境部牽頭再次修訂該標準，并對生態(tài)環(huán)境法律體系進行健全完善.與發(fā)達國家相比，我國的大氣污染監(jiān)測起步較晚，且有關(guān)空氣污染的研究主要集中在東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)[9—13].隨著城市化的快速發(fā)展，城區(qū)內(nèi)的大氣污染問題日趨嚴重[14—15].在新國標的推動下，我國的大氣污染監(jiān)測發(fā)展迅速，但有關(guān)北方地區(qū)空氣質(zhì)量及各類污染物濃度的研究較少[16—20].寧夏空氣質(zhì)量的研究主要集中在首府銀川地區(qū)[21—26]，且對新增的PM2.5，CO，O3污染物的研究較少.這2次標準修訂對空氣質(zhì)量的評價工作產(chǎn)生了較大影響，對于寧夏，新國標的執(zhí)行對空氣質(zhì)量及大氣污染物濃度的評價產(chǎn)生何種影響，需進行深入研究.筆者根據(jù)2015年9月至2019年12月寧夏5市大氣中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3等污染物的質(zhì)量濃度資料，分析新國標下寧夏大氣污染物質(zhì)量濃度的時空分布特征，旨在深入了解和掌握現(xiàn)階段寧夏不同地域內(nèi)的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，為進一步治理和控制大氣污染、改善寧夏大氣環(huán)境質(zhì)量研究提供參考.

1 研究資料及其方法

1.1 研究資料

數(shù)據(jù)均來自環(huán)境監(jiān)測自動站和國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng).其中，2015年9月1日至2019年12月31日寧夏大氣污染物(PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3)、空氣質(zhì)量指數(shù)、逐日質(zhì)量濃度資料來自環(huán)保部門的公開數(shù)據(jù)；石嘴山市和銀川市大氣污染物的逐時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng).

1.2 研究方法

根據(jù)氣象學(xué)方法把每個月劃分為上旬(1—10日)、中旬(11—20日)和下旬(21—30日或21—31日)；把一年劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月).

污染物日、月、旬、季、年的平均質(zhì)量濃度，空氣質(zhì)量指數(shù)的確定，參照HJ 633—2012[27]和GB 3095—2012.

為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確度，對有效日采集的數(shù)據(jù)進行處理，剔除由于儀器故障或維修等原因造成的浮動較大數(shù)據(jù)或無效數(shù)據(jù)，最終得到的有效數(shù)據(jù)占96.4 %，達到統(tǒng)計標準.

2 寧夏空氣質(zhì)量及大氣污染物

2.1 空氣質(zhì)量特征

依據(jù)GB 3095—2012和HJ 633—2012[27]的規(guī)定，空氣質(zhì)量分為6級，分別為優(yōu)(IAQ≤50)、良(50300).各類污染物的質(zhì)量濃度等級標準見表1.

由空氣質(zhì)量指數(shù)IAQ的年平均值(表2)可知，觀測期間，寧夏整體空氣污染指數(shù)為92，空氣質(zhì)量級別為二級，空氣質(zhì)量狀況屬于良.石嘴山等5市的空氣質(zhì)量狀況雖各有高低，但均屬于良，其中石嘴山市和中衛(wèi)市的空氣污染指數(shù)最高(IAQ>96)，銀川市的次之(IAQ=94)，固原市的最低(IAQ=80).從修訂前后(2018年12月)的空氣質(zhì)量分級對比看(圖略)，修訂后優(yōu)良時間(天數(shù))增多3%、污染時間(天數(shù))減少8%，其中輕度、中度、重度、嚴重級別的污染時間(天數(shù))分別減少7%，5.5%，16%，26.7%.

由于地形和氣候的差異，寧夏所轄區(qū)內(nèi)5個地級市的大氣污染物質(zhì)量濃度和分布特征也有所不同，因而呈現(xiàn)的大氣污染問題也不盡相同.不同等級空氣質(zhì)量的發(fā)生頻率(圖1)顯示，觀測期間，寧夏空氣質(zhì)量為良的出現(xiàn)頻率最高，為71.2 %，輕度污染的出現(xiàn)頻率為21.4 %，優(yōu)的出現(xiàn)頻率為2.5 %，重度污染的出現(xiàn)頻率僅為0.8 %.5市中空氣質(zhì)量為良和優(yōu)的出現(xiàn)頻率最高均為固原市(分別為75.9 %，11.6 %)，輕度污染和重度污染的出現(xiàn)頻率最高分別為石嘴山市和吳忠市(分別為24.6 %，1.6 %)，中度污染出現(xiàn)的頻率最高為銀川市(5.7 %)，這可能與固原市的重工業(yè)較少、車輛保有量較低有關(guān)，亦與石嘴山市、吳忠市的資源類產(chǎn)業(yè)和重工業(yè)較多有關(guān).總體而言，固原市的空氣質(zhì)量稍好于其他市，而其他4市的差別不大.分析其原因，主要是由于固原市的城市發(fā)展結(jié)構(gòu)有別于石嘴山市，固原市更側(cè)重于農(nóng)業(yè)發(fā)展，即人為活動造成的空氣污染較輕.

表1 不同大氣污染物的質(zhì)量濃度限值

表2 寧夏不同大氣污染物質(zhì)量濃度的年平均值

圖1 寧夏不同等級空氣質(zhì)量的發(fā)生頻率

分析觀測期間寧夏各月不同等級空氣質(zhì)量的出現(xiàn)頻率(圖2)，發(fā)現(xiàn)全區(qū)除12月輕度污染出現(xiàn)的頻率最高外，其他各月均是良出現(xiàn)的頻率最高，其中8—10月良的頻率高于82.2 %，以9月出現(xiàn)的頻率最高(高達89.1 %).5—7月出現(xiàn)輕度污染的頻率較高，處于25.8 % ～ 43.8 %.全年空氣狀況為優(yōu)、中度污染和重度污染的頻率都很低，其中優(yōu)、中度污染和重度污染的出現(xiàn)頻率最高的月份分別為9，12，5月，出現(xiàn)頻率依次為10.9%，8.4 %，5.4%；出現(xiàn)頻率最低的月份為6—7月、6—10月、1—4和6—10月.

圖2 寧夏及其5市各月不同等級空氣質(zhì)量的出現(xiàn)頻率

5市各月不同等級空氣質(zhì)量的出現(xiàn)頻率各不相同.5市各月出現(xiàn)頻率最高的均為良，其中，固原市7月的頻率最高(86.0%)；石嘴山市和吳忠市8月的頻率最高，均為76.7%；銀川市和中衛(wèi)市9月的頻率最高，分別為84.0%，84.8%.空氣質(zhì)量為優(yōu)的出現(xiàn)頻率，石嘴山市和吳忠市的9月最高(16.8%)，其他市的10月最高，為12.9%～31.2%.輕度污染出現(xiàn)的頻率，固原市的3月最高(19.4%)，其他市均為6月，為34.8%～41.6%.5市其他等級空氣質(zhì)量的出現(xiàn)頻率不超過10%.綜合看，5市空氣狀況為中度污染和重度污染的頻率較低，尤其是固原市.受污染物排放源和大氣擴散條件影響，8—10月寧夏的空氣質(zhì)量狀況相對全年較好.

2.2 大氣污染物質(zhì)量濃度的年際變化

觀測期間，寧夏大氣中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3的年平均質(zhì)量濃度分別為109.2，42.6，33.9，30.5，0.88，61.6 μg/m3，其中,PM10,PM2.5的質(zhì)量濃度超過年平均二級標準，且分別超標0.56，0.22倍.GB 3095—2012中未給出CO，O3的年平均二級標準，但根據(jù)CO的日平均值和O3的日最大8 h平均值的二級標準計算，發(fā)現(xiàn)CO的日平均值及O3的日最大8 h的平均值均未超標.

由表1可知，寧夏5市大氣中的PM10年平均質(zhì)量濃度均超標，超標分別為0.60，0.57，0.52，0.77，0.34倍，其中超標最嚴重的是中衛(wèi)市，質(zhì)量濃度為123.8 μg/m3.PM2.5的年平均質(zhì)量濃度除固原市(33.9 μg/m3)達標外，其他市均超標，其中,銀川市PM2.5的年平均質(zhì)量濃度最高，達47.0 μg/m3，超標0.34倍，這可能是銀川市的機動車排放、道路與建筑揚塵、各類工業(yè)生產(chǎn)過程等產(chǎn)生的PM2.5較其他市高造成的.大氣中SO2的年平均質(zhì)量濃度，石嘴山市的最高，為52.8 μg/m3.SO2主要來源于含硫燃料的燃燒.石嘴山市作為寧夏典型的煤炭資源型工業(yè)城市，各種工業(yè)生產(chǎn)過程，尤其是燃煤、化工等行業(yè)直接排放的粗顆粒物較多[22].近3 a來，寧夏加強生態(tài)文明建設(shè)，整頓和規(guī)范礦產(chǎn)資源開發(fā)，石嘴山市大氣中SO2的平均質(zhì)量濃度在逐年下降，由2016年的66.4 μg/m3(超過年平均二級標準)降至2018年的39.24 μg/m3.NO2的年平均值銀川市最高，達37.1 μg/m3，但未超標.NO2的人為排放源主要是燃料的燃燒，一般2/3來自于機動車等流動源的排放，這也反映出銀川市機動車保有量較其他市高.根據(jù)國家標準，寧夏5市大氣中CO質(zhì)量濃度的日平均值和O3的日最大8 h平均值較二級標準均未超標.

寧夏中部和南部的吳忠市、中衛(wèi)市和固原市，各類污染物的質(zhì)量濃度均低于寧夏北部的石嘴山市和銀川市，尤其固原市，除PM10(94.0 μg/m3)的質(zhì)量濃度超標0.34倍外，其他污染物均達標，這與當?shù)刂饕?jīng)濟發(fā)展類型和城市化進程速度相關(guān).固原市位于寧夏的南部山區(qū)，以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主，因此主要污染物濃度較低，工業(yè)生產(chǎn)等人為活動造成的空氣污染不明顯.

環(huán)境保護部于2017年委托中國工程院對《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》開展了專題評估，評估報告中指出,在2012年的標準中，污染物的質(zhì)量濃度和排放量是按照標準狀態(tài)(即0 ℃，1個標準大氣壓)來計算的，但對于年平均氣溫高于0 ℃，特別是高原地區(qū)與東部沿海地區(qū)，氣象要素(主要指氣壓、氣溫、濕度)差別大，由于顆粒物在大氣中沉降速率具有很強的區(qū)域性差異，高原地區(qū)顆粒物類的質(zhì)量濃度易被高估而氣態(tài)污染物的質(zhì)量濃度被低估.寧夏處黃土高原，該特征表現(xiàn)較明顯.從2019年前后大氣污染物的質(zhì)量濃度變化對比(圖略)看，確實存在著修訂后大氣中PM2.5，PM10的質(zhì)量濃度較修訂前略偏低，而CO，SO2，NO2的質(zhì)量濃度略偏高，同時空氣質(zhì)量指數(shù)較修訂前略偏高.

2.3 大氣污染物質(zhì)量濃度的季變化特征

圖 3 寧夏及其5市大氣污染物質(zhì)量濃度的季變化

2.4 大氣污染物質(zhì)量濃度的月變化特征

圖4為觀測期間寧夏大氣污染物的逐月變化，顯示出5市大氣污染物質(zhì)量濃度的月變化特征基本相似.大氣中PM10的質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在11—12月(5市的峰值分別為130.6，146.5，135.1，136.9，109.7 μg·m-3)，6—8月的質(zhì)量濃度最低.冬季大氣中PM10的質(zhì)量濃度較高，主要原因是,冬季燃煤取暖致使污染物排放量大，且污染物擴散條件差.春季大氣中PM10的質(zhì)量濃度高,是由于寧夏春季風速較大，且植被覆蓋率低，裸露地面的塵土和微塵容易被風卷起，多揚沙、浮沉天氣.

5市大氣中PM2.5，SO2，NO2，CO的質(zhì)量濃度月變化均呈“U”型分布，1，11，12月為污染物質(zhì)量濃度較高月份，而6—8月污染物的質(zhì)量濃度較低.由上述分析可知，這與不同時間段內(nèi)的污染物排放量和大氣擴散條件息息相關(guān).比較發(fā)現(xiàn)，寧夏5市大氣中NO2的月平均質(zhì)量濃度標準差均較其他污染物小，尤其相較于SO2，這是由于污染物的主要來源不同造成.SO2主要來源于含硫化石燃料的燃燒，冬季受燃煤供暖和較穩(wěn)定的大氣層結(jié)共同影響，SO2排放量較夏季增加明顯.NO2的主要排放源是機動車，而機動車尾氣的月質(zhì)量濃度變化不明顯.受太陽輻射強度分布影響，6—7月為各市大氣中O3質(zhì)量濃度最高月.

2.5 大氣污染物質(zhì)量濃度的旬變化特征

寧夏主要的大氣污染物為PM10，PM2.5，O3.將全年分為36旬，并對以上3種污染物進行逐旬統(tǒng)計(平均值)分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)大氣中PM10的質(zhì)量濃度在3月中旬和5月上旬較高，固原市的質(zhì)量濃度較其他4市偏低.地區(qū)大氣中PM2.5的質(zhì)量濃度，固原市無明顯周期性變化，其他市均呈明顯的周期變化，且周期在3—5旬.大氣中O3的質(zhì)量濃度峰值主要出現(xiàn)在6月下旬至7月下旬，且無周期性變化，其中石嘴山市在9月下旬的質(zhì)量濃度異常高.

2.6 大氣污染物質(zhì)量濃度的日變化特征

相較于其他市，寧夏北部2市大氣污染物的質(zhì)量濃度處于較高水平.為進一步揭示寧夏大氣污染物質(zhì)量濃度的變化特征，對石嘴山市和銀川市的6種大氣污染物質(zhì)量濃度的日變化進行分析(圖6).由圖6可知，6種大氣污染物的質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)顯著的日變化特征，其中，大氣中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO的質(zhì)量濃度日變化呈明顯的雙峰分布，而O3的質(zhì)量濃度呈單峰分布.

對于大氣污染物PM10，NO2，石嘴山市和銀川市的日變化規(guī)律較一致，即質(zhì)量濃度最高值和次高值均分別出現(xiàn)在夜間和上午.其中，大氣中PM10的質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在夜間21—23時，次高值在上午10—11時；大氣中NO2的質(zhì)量濃度最高值和次高值出現(xiàn)時間提前，尤其是次高值，出現(xiàn)在上午8—9時.這是因為,早間為交通高峰期，機動車排放使NO2出現(xiàn)高值，但2種污染物的質(zhì)量濃度均在15—17時最低.與PM10不同，2市大氣中PM2.5質(zhì)量濃度的日變化特征差異較大，其中石嘴山的主次峰分別出現(xiàn)在10時和22時，而銀川市與之相反，其主次峰分別出現(xiàn)在23時和11時，但2市大氣污染物質(zhì)量濃度的最低值均出現(xiàn)在17時.大氣中SO2的質(zhì)量濃度最高值，2市均出現(xiàn)在12時，次高在21—23時，質(zhì)量濃度最低值在17—18時.2市大氣中CO質(zhì)量濃度的主次峰均分別出現(xiàn)在9時和22時，17時的質(zhì)量濃度最低.

圖6 石嘴山市和銀川市大氣污染物質(zhì)量濃度的日變化

各種大氣污染物的質(zhì)量濃度具有明顯的日變化特征,其最高值均出現(xiàn)在9—12時和21—23時，而最低值均在16—18時，這與人為活動、污染物擴散條件等因素有關(guān).早晨，隨著人為活動的開始，工業(yè)生產(chǎn)、機動車尾氣和道路揚塵等排放量增加，且早上空氣對流弱，甚至存在逆溫層結(jié)，不利于污染物擴散，因而污染物容易富集積累，致使中午前后出現(xiàn)質(zhì)量濃度最高或次高值.午后溫度上升，空氣湍流增強，污染物逐漸擴散稀釋，其質(zhì)量濃度降至最低.傍晚輻射減弱，氣溫下降，空氣湍流減弱，污染物又較難擴散，且人為活動增加，導(dǎo)致污染物的質(zhì)量濃度積累，再次在夜間出現(xiàn)峰值.午夜后，人類活動減弱，污染物的質(zhì)量濃度也逐漸減小并進入低值區(qū).此外，主要受太陽輻射影響，石嘴山市和銀川市大氣中O3的質(zhì)量濃度均呈單峰形日變化特征，質(zhì)量濃度最高值和最低值分別出現(xiàn)在16，8時.

值得注意的是，不同于其他污染物，大氣中NO2，CO的質(zhì)量濃度，銀川市高于石嘴山市，這與銀川市的機動車保有量較高有關(guān)，這在一定程度上也反映出銀川市的空氣質(zhì)量受交通影響較大.

3 結(jié)論

1)寧夏空氣質(zhì)量呈南優(yōu)北劣分布，固原市遠優(yōu)于其他4市.觀測期間，全區(qū)空氣質(zhì)量為良的出現(xiàn)頻率最高，為71.2 %，輕度污染次之.受污染物排放源和大氣擴散條件影響，8—10月為寧夏空氣質(zhì)量狀況相對較好月.標準修訂后，空氣質(zhì)量為優(yōu)良的時間(天數(shù))增多3%、污染時間(天數(shù))減少8%.

2) 寧夏大氣中PM10，PM2.5，SO2，NO2，O3的年平均質(zhì)量濃度分別為109.2，42.6，33.9，30.5,61.6 μg/m-3,CO的年平均質(zhì)量濃度為0.88 mg/m3，其中PM10,PM2.5分別超標0.56,0.22倍，其他污染物未超標.受經(jīng)濟發(fā)展類型和城市化進程速度等影響，寧夏中部和南部的吳忠市和固原市，各類污染物質(zhì)量濃度均低于寧夏中部和北部的中衛(wèi)市、石嘴山市和銀川市，尤其是固原市.標準修訂后，PM2.5，PM10的質(zhì)量濃度偏低，而CO，SO2，NO2的質(zhì)量濃度偏高,相應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)偏高.

3) 寧夏5市大氣污染物PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO質(zhì)量濃度的季、月、旬變化特征相似.冬季燃煤供暖使污染物排放量增加，且冬季多為靜穩(wěn)天氣，不利于污染物擴散，從而導(dǎo)致污染物累積出現(xiàn)高值.夏季污染物排放相對少，大氣層結(jié)不穩(wěn)定使污染物擴散條件較好，且夏季多降水過程，對污染物的沖刷稀釋作用強，因而夏季大氣污染物的濃度較低.

4)寧夏及其5市大氣中PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3的日變化呈明顯的雙峰分布， 9—12時和21—23時為大氣污染物質(zhì)量濃度較高時段，這與人為活動、污染物擴散條件等因素相關(guān).與上述污染物不同，O3主要受太陽輻射強度影響，其質(zhì)量濃度最高為6—7月，O3的質(zhì)量濃度日變化為單峰形，在 16時的質(zhì)量濃度最大.

5)修訂后的新國標，增加了3類大氣污染物，有利于對空氣質(zhì)量進行綜合和精細化評價.