昆明城區(qū)大氣污染物時空分布特征

郭麗輝，尹惠敏，顏翔，徐小峰，黃曉

昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站

因空氣質(zhì)量狀況較好，受經(jīng)濟發(fā)展水平、地域位置、科研水平等條件影響，對昆明大氣污染物污染特征研究的關注度不高，而其他城市近年來已開展了大量相關研究[1-10]。如趙熠琳等[2]選取了武漢、寧波、中山、南寧4個代表性的南方重點城市對大氣污染物特征進行研究，提出O3的污染特征受城市地理位置、氣象因素、大氣擴散條件及本地排放污染源構成等因素影響存在一定的差異和分組相似性。林燕芬等[3]對上海市O3污染時空分布特征進行研究，提出了上海市夏季以O3污染為主的結論。張智勝等[5]利用2009—2010年成都城區(qū)PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，PM2.5濃度的季節(jié)變化特征為秋冬季顯著高于春夏季。李名升等[8]對中國2014年161個城市PM2.5濃度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，夏季及春末、秋初PM2.5污染相對較輕，冬季污染較重；京津冀及周邊地區(qū)，中部地區(qū)的湖北、湖南、安徽PM2.5污染較重，東南沿海和云南、西藏污染相對較輕。王化杰等[9-10]對城市大氣污染物時空分布特征做了更為深入的研究，得出了城市大氣污染具有較強的季節(jié)性、區(qū)域性與復合性的特征。

2016—2020年昆明市為數(shù)不多的輕度污染天以O3、PM2.5和PM10為首要污染物，這與其他城市首要污染物以及O3濃度上升顯著的變化趨勢相一致[11-13]，但是污染物峰值出現(xiàn)的季節(jié)和變化趨勢略有不同。昆明市的O3、PM2.5和PM10濃度最高值都出現(xiàn)在春季，O3超標天數(shù)占比卻是春、夏季平分秋色，而PM2.5、PM10濃度超標天集中在冬季；根據(jù)2018—2020年中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，全國168個城市6項污染物超標天數(shù)的首要污染物占比，PM2.5、O3、PM10居前3位，而昆明市污染物超標天數(shù)的首要污染物占比排序居前3位的為O3、PM2.5、PM10，可見 O3已經(jīng)代替 PM2.5成為昆明市最主要的大氣污染物。

自GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》增設了PM2.5和O38 h平均濃度2項指標以來，關于昆明市環(huán)境空氣6項污染指標多點位長時間序列的研究較少，污染物影響因素分析以單指標居多[14-15]，污染物來源解析也以單點位短期觀測研究為主[16]。因此，筆者運用2013—2020年昆明空氣質(zhì)量監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析昆明城區(qū)環(huán)境大氣污染物濃度時空分布特征及變化趨勢，以期為昆明市空氣污染防治，特別是PM2.5和O3的污染防治、污染物來源解析研究、空氣質(zhì)量預警預報工作提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 監(jiān)測點位

昆明市的國家城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點共有7個，分別為金鼎山、東風東路、碧雞廣場、官渡區(qū)博物館(關上)、呈貢新區(qū)、龍泉鎮(zhèn)、西山森林公園（圖1），其中，西山森林公園站點為清潔對照點，不參與全市污染物濃度均值統(tǒng)計。因監(jiān)測站點搬遷，2018年9月30日起關上站點變更為官渡區(qū)博物館站點，全文統(tǒng)一稱為官渡區(qū)博物館站點。

圖1 昆明城區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測站點分布示意Fig.1 Distribution of urban air quality monitoring points in Kunming

1.2 數(shù)據(jù)來源

O3、PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO 6 項指標濃度年均值、季節(jié)均值、小時均值數(shù)據(jù)均來源于昆明市國家城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點的監(jiān)測結果，各站點污染物濃度統(tǒng)計按照HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術規(guī)范(試行)》附錄A.1進行，城市污染物濃度統(tǒng)計按照附錄A.2進行，需要說明的是O3、CO濃度的年際變化分別采用O3第90百分位數(shù)、CO第95百分位數(shù)表征，其余指標按年均值表征，O3季節(jié)均值為1個日歷季內(nèi)O38 h算術平均值。6項常規(guī)污染物濃度年際變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計年限取2013—2020年，季度變化、空間分布、首要污染物天數(shù)占比數(shù)據(jù)統(tǒng)計年限取2016—2020年，日變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計年限取2018—2020年。

2 結果與討論

2.1 污染物濃度年際變化特征

圖2給出了2013—2020年昆明城區(qū)O3、PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO濃度年際變化特征。從圖2可以看出，除O3濃度呈上升趨勢外，其他污染物濃度總體表現(xiàn)為下降趨勢，其中CO濃度2016年略有上升，NO2濃度2017—2019年有小幅反彈后恢復下降趨勢。O3濃度由2013年的121 μg/m3增至2020 年的 126 μg/m3，增幅為 4.1%；SO2濃度降幅最大，為67.9%；NO2濃度降幅度最小，為35.0%；CO、PM10、PM2.5濃度降幅分別為55.0%、48.8%、42.9%。

圖2 2013—2020年昆明城區(qū)大氣污染物濃度年際變化趨勢Fig.2 Interannual variation trends of atmospheric pollutants concentration in urban area of Kunming from 2013 to 2020

2016—2020年昆明城區(qū)共有22 d輕度污染，其余為優(yōu)良天氣，輕度污染天首要污染物為O3、PM2.5、PM10的天數(shù)占比分別為 63.64%、22.73%、13.64%。因輕度污染天數(shù)較少，用良級天數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來呈現(xiàn)變化趨勢較為恰當，且大氣污染物濃度超過GB 3095—2012一級標準，可認為屬于有可能超過二級標準的敏感天。圖3是超過一級標準的首要污染物的天數(shù)占比統(tǒng)計，由于SO2和CO均達到一級標準，因此不做統(tǒng)計。從圖3可以看出，PM2.5為首要污染物的天數(shù)占比逐年增加，由2016年的9.9%增至2020年的16.2%；PM10則逐年減少，由2016年的 49.5%減少到 2020年的 22.8%；NO2在2018年和2019年出現(xiàn)小幅增加后回落至2017年的水平；O3增加最為明顯，由2016年的39.6%增至2020年的59.9%。輕度污染時，首要污染物天數(shù)占比表現(xiàn)為 O3＞PM2.5＞PM10；良級天氣時，首要污染物天數(shù)占比表現(xiàn)為 O3＞PM10＞PM2.5。

圖3 2016—2020年超過一級標準的首要污染物天數(shù)占比Fig.3 Proportion of days with primary pollutants exceeding the Level 1 standard from 2016 to 2020

2.2 污染物濃度季節(jié)變化特征

昆明城區(qū)大氣污染物濃度季節(jié)變化特征見圖4。從圖4可以看出，O3濃度春季最高，夏季次之，秋季最低；PM10和PM2.5濃度春、冬季高，夏季最低；SO2、NO2、CO濃度冬季最高，夏季最低，但SO2和NO2濃度四季變化幅度較其他污染物小。

圖4 2016—2020年昆明城區(qū)大氣污染物濃度季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of atmospheric pollutants concentration in urban area of Kunming from 2016 to 2020

大氣污染物濃度變化受污染物排放量與大氣環(huán)境容量2個因素的影響，在污染物排放量基本穩(wěn)定的情況下，O3、PM2.5和PM10等污染物濃度的季節(jié)變化主要受濕度、邊界層高度、風速、降水、輻射強度等的影響，總體而言，太陽輻射強度對O3濃度的影響較顯著，而降水對SO2和NOx的去除效果不明顯[17-18]。對昆明市O3污染影響因素的相關研究表明[19]，O3月均濃度與月均日照時間、月均風速、輻射月均值、月均溫度呈正相關，但與月均溫度相關性不高，與月均相對濕度呈負相關性。為更好地表征氣象參數(shù)的季節(jié)變化對污染物濃度的影響，表1給出了各氣象參數(shù)的季節(jié)排序。由表1和圖4可以看出，昆明市春季輻射最強、日照時間最長、風速最高、相對濕度最低，因此春季O3濃度最高，夏季次之，且2016—2020年輕度污染時，O3為首要污染物天數(shù)占比春季和夏季均為50%，這說明昆明市O3的污染防治應以春、夏季為重點；昆明城市三面環(huán)山，一面臨水的壩子地形極其容易形成逆溫，冬、春季逆溫頻率最高，逆溫厚度也最大，PM10和PM2.5的擴散稀釋受到抑制，另一方面，昆明市冬、春季少雨干燥的氣候特征也加重了揚塵，逆溫和少雨干燥的雙重作用導致冬、春季PM2.5和PM10濃度較高，夏季充沛的降水對PM10和PM2.5有沖刷稀釋作用，因此夏季PM10和PM2.5的濃度最低；SO2、NO2、CO在當前濃度范圍內(nèi)受氣候等因素的影響較 O3、PM10和PM2.5小。

表1 氣象參數(shù)的季節(jié)排序Table 1 Seasonal ordering of the values of meteorological parameters

2.3 污染物濃度日變化特征

由2.2節(jié)可知，當前昆明市大氣污染防治的關鍵季節(jié)是春季，為了獲取污染物濃度24 h變化情況，又兼顧數(shù)據(jù)的代表性，以2018—2020年春季污染物24 h濃度數(shù)據(jù)為研究對象，其日變化如圖5所示。從圖5可以看出，O3濃度日變化呈單峰型分布，CO、NO2、PM10、PM2.5濃度呈雙峰型分布，但 PM10、PM2.5濃度峰谷變化不明顯，NO2、CO、PM2.5、PM10濃度第1個峰值出現(xiàn)在早高峰時段，O3濃度峰值出現(xiàn)在14:00—15:00，SO2濃度上午高于下午。

圖5 2018—2020年昆明城區(qū)大氣污染物濃度日變化Fig.5 Diurnal variations of atmospheric pollutants concentration in urban area of Kunming from 2018 to 2020

CO、NO2、PM10、PM2.5受汽車尾氣排放的影響，濃度曲線變化規(guī)律基本一致，07:00—09:00早高峰期間濃度達到第1個峰值，因昆明晚高峰持續(xù)時間長，17:00以后濃度開始爬升，又受逆溫影響，在23:00后才達到另一峰值。CO濃度峰值晚高峰不如早高峰高。SO2濃度日變化非常小，說明排放源來自城區(qū)以外，到達城區(qū)后濃度趨于穩(wěn)定，受風速影響，10:00以后濃度緩慢降低，至下午風速最大時達到最低，20:00后濃度略微上升。O3和NO2濃度呈顯著負相關，NO2對O3的滴定作用使二者的濃度曲線表現(xiàn)為明顯的此消彼長特征。早高峰汽車尾氣排放的O3前體物揮發(fā)性有機物和NO2等在太陽光照射下經(jīng)復雜的光化學反應持續(xù)生成O3，太陽輻射強度在11:00—13:00達到最強，O3最高濃度滯后于最強太陽輻射強度時間，于14:00—15:00達到峰值。

2.4 污染物濃度空間分布特征

金鼎山、碧雞廣場原為工業(yè)園區(qū)類型的站點，歷史上站點所在的西山區(qū)、五華區(qū)是昆明的老工業(yè)區(qū)和高新技術產(chǎn)業(yè)園區(qū)，近10年來隨著產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，污染企業(yè)整體搬遷，園區(qū)升級，工業(yè)區(qū)功能已發(fā)生改變。目前整個昆明城區(qū)都屬于居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)等功能區(qū)，城區(qū)又南瀕滇池，因此不考慮區(qū)域面積絕對大小、站點數(shù)量均衡等因素，將空氣質(zhì)量監(jiān)測站點依地理位置劃分為城區(qū)東部和城區(qū)西部站點，城區(qū)東部站點包括東風東路、官渡區(qū)博物館、呈貢新區(qū)、龍泉鎮(zhèn)站點，城區(qū)西部站點包括金鼎山、碧雞廣場站點。

城區(qū)東部、西部站點2016—2020年大氣6項常規(guī)污染物濃度空間分布特征明顯，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO城區(qū)西部濃度比東部高，O3則相反(圖 6)。2020 年與 2016 年比較，SO2、PM2.5、NO2、PM10、CO濃度城區(qū)西部比城區(qū)東部分別高54.5%、20.0%、17.9%、14.9%、2.4%，O3濃度城區(qū)西部比城區(qū)東部低8.2%。城區(qū)東西部SO2、PM2.5和NO2較高的濃度差異及CO較低的濃度差異說明，城區(qū)西部空氣質(zhì)量受上風向安寧工業(yè)園區(qū)污染的影響要大于東部。城區(qū)東部站點所在區(qū)域因是歷史上傳統(tǒng)的居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)，綠化覆蓋率高于西部，植物性VOCs排放高于西部，東部NO2對O3的滴定作用又弱于西部，雙重因素下，O3濃度城區(qū)西部比城區(qū)東部略低。

圖6 昆明城區(qū)大氣污染物濃度空間分布Fig.6 Spatial distribution of atmospheric pollutants concentration in urban area of Kunming

2016—2020年昆明城區(qū)東部、西部站點大氣6項常規(guī)污染物濃度比較見圖7。從圖7可以看出，東部、西部站點SO2、NO2、O3濃度差異表現(xiàn)為逐年減小，PM2.5、PM10、CO濃度差異表現(xiàn)為略有波動。SO2濃度差異逐年減小較為明顯，不排除上風向安寧工業(yè)園區(qū)污染傳輸影響變?nèi)醯目赡苄?，需要結合安寧大氣自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)和相關氣象數(shù)據(jù)進行更深入的研究。

圖7 2016—2020年昆明城區(qū)東部、西部站點大氣污染物濃度變化比較Fig.7 Comparison of atmospheric pollutants concentration changes between eastern and western stations in urban area of Kunming from 2016 to 2020

3 結論

（1）2013—2020年昆明城區(qū)O3濃度總體呈上升趨勢，增幅為4.1%；其余污染物濃度呈下降趨勢，其中SO2濃度降幅為67.9%，其余污染物濃度降幅為35.0%～55.0%。超過 GB 3095—2012一級以上標準的首要污染物天數(shù)占比顯示，O3已經(jīng)代替PM2.5成為昆明市最主要的大氣污染物。

（2）O3濃度春季最高，夏季次之，秋季最低；PM10和 PM2.5濃度春、冬季高，夏季最低；SO2、NO2、CO濃度冬季最高，夏季最低。SO2、NO2四季變化幅度較其他污染物小，春、夏季的O3，冬、春季的PM2.5是昆明大氣污染物的防治的重點。

（3）O3濃度日變化呈單峰型分布，CO、NO2、PM10、PM2.5濃度日變化均呈雙峰型分布，但PM2.5和 PM10濃度峰谷不明顯。NO2、CO、PM2.5、PM10第1個濃度峰值出現(xiàn)在早高峰時段，O3濃度峰值出現(xiàn)在14:00—15:00，SO2濃度上午高于下午。

（4）大氣污染物濃度分布具有明顯的空間差異，總體上看，SO2、PM2.5、NO2、PM10、CO 濃度城區(qū)西部高于東部，分別高出 54.5%、20.0%、17.9%、14.6%、2.4%，O3濃度則是相反，城區(qū)東部比西部高9.0%，SO2、NO2、O3城區(qū)東西部濃度差異呈逐年減少趨勢，不排除上風向安寧工業(yè)園區(qū)污染傳輸影響變?nèi)醯目赡苄?，需要結合安寧大氣自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)和相關氣象數(shù)據(jù)進行深入研究。

（5）昆明城區(qū)的國家城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點因建成時間早，多數(shù)集中于老城區(qū)，監(jiān)測覆蓋面不均衡，本次研究重在反映城區(qū)多點位長時間序列污染物總體的時空分布，在新增加的國家城市空氣質(zhì)量監(jiān)測站點數(shù)據(jù)積累到一定數(shù)量后，可對研究結果做進一步的補充。