湖北省五市空氣質量時空差異及首要污染物分析

張?zhí)煲?，董羽吉，羅艾虎，宋文瑄，宋慧婷，李玉華

(湖北大學資源與環(huán)境學院,湖北 武漢430062)

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)化、城市化進程的加快，一些大中型城市的大氣污染源和空氣污染物不斷增加，空氣污染問題愈發(fā)嚴重，制約并沖擊著城市的可持續(xù)發(fā)展性.長期吸入污濁的空氣還會引發(fā)各種疾病[1].據相關統(tǒng)計，中國每年因為城市大氣污染問題而造成的呼吸系統(tǒng)門診病例高達35萬人，急診病例約680萬人，死亡人數高達17.8萬人，所造成的環(huán)境與健康損失占全年GDP的7%.大氣污染對人類健康的危害已成為影響人們生活質量的重要因素之一[2].

本研究以湖北省代表城市的空氣質量指數來分析污染物濃度水平得到時空變化規(guī)律，為揭示湖北省環(huán)境空氣的演變規(guī)律、控制空氣污染提供一定的理論依據.

1 研究區(qū)域與數據來源

圖1 研究內容區(qū)域布設

1.1 區(qū)域布設以省會城市武漢為中心輻射四個方位，選取襄陽市、宜昌市、咸寧市和黃岡市為代表，分析湖北省空氣質量與時空變化規(guī)律，如圖1所示.武漢市位于湖北省東部、長江與漢水交匯處,地理位置為北緯29°58′～31°22′,東經113°41′～115°05′；襄陽市位于湖北省西北部,東經110°45′～113°43′,北緯31°14′～32°37′，南鄰宜昌市；宜昌市位于湖北省西南部地跨東經110°15′～112°04′、北緯29°56′～31°34′；咸寧市位于湖北省東南部，地理坐標為東經114°06′～114°43′，北29°39′～30°02′；黃岡市位于湖北省東部，地理方位為：東經114°25′～116°8′、北緯29°45′～31°35′.五市氣候特征均為亞熱帶季風性氣候，常年雨量充沛.除宜昌市主導風向為東南風外，其余4個城市主導風向均為北風和偏北風.

1.2 數據獲取及其處理在我國，以空氣質量日報為主要數據來源的空氣質量指數(air quality index，AQI)是研究城市大氣污染的重要數據來源[10].本研究分別從武漢市、黃岡市、宜昌市、襄陽市、咸寧市環(huán)保局環(huán)境空氣質量月報獲取2018年3月到2019年2月的每日空氣質量AQI 指數，與國家頒發(fā)的地區(qū)環(huán)境空氣質量標準《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)進行比較，得出各市每月的環(huán)境空氣質量優(yōu)良天數.用ArcMap對數據進行繪圖，分析城市空氣質量變化與時空變化規(guī)律的關系.PM2.5濃度數據和溫度數據來自中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺(www.aqistudy.cn).用Origin軟件線性擬合分析PM2.5濃度和溫度之間的關系.

2 湖北省五市空氣質量時空變化特征

2.1 五市空氣質量時間變化規(guī)律五市2018年3月至2019年2月份空氣質量優(yōu)良天數如圖2所示，隨著季節(jié)變化，除了在六月份有一個轉折外，空氣質量由春至夏逐漸變好，然后由夏至冬逐漸變差，由冬至春又會好轉，如圖3.其中一月份為環(huán)境空氣質量最差的時間段，一月份空氣質量嚴重下滑，宜昌市出現(xiàn)了最低點，空氣優(yōu)良天數為0天.

圖2 五市空氣質量優(yōu)良天數匯總

圖3 五市空氣質量優(yōu)良天數隨季節(jié)變化圖

冬季空氣質量差與城市冬季供暖有關.淮河是規(guī)定的供暖界限(淮河以北供暖，淮河以南不供暖)，淮北城市大量供暖會增加顆粒污染，同時北方的冬季十分干燥，有利于顆粒污染物的擴散，因此北方冬季的霧霾情況總體上要比南方嚴重[11].湖北地處我國中部內陸地區(qū)，且地勢較低，所以經常會有北風吹向湖北，也就會將北方的污染物帶來，武漢市無明顯主導風向，境內多為東北方向，黃岡市常年主導風向為北方，襄陽市常年主導風向為偏北風，咸寧市常年主導風向為偏北風，這4個城市受北方供暖而導致的顆粒污染的影響較大[12].

秋冬季夜間地面溫度急劇降低，上層空氣降溫速度較慢，發(fā)生“逆溫”現(xiàn)象，這種下冷上熱的逆溫層結構一旦形成，空氣無法上下對流，污染物很難擴散[13].

其次，夏天較頻繁的降雨及大風天氣，有利于空氣中PM2.5、NO2、SO2的擴散和清除，因而一年中夏季的PM10、NO2、SO2等污染物濃度最低[14].而冬季氣團干燥，空氣流動性差，降雨量少且持續(xù)時間較短，風速和風力較小，對空氣中污染物的沖刷效果不明顯，這也是導致冬季空氣質量較差的原因之一[15].

還有一些非主要因素.如1月份過年時間市民燃放煙花爆竹導致空氣質量下降；春節(jié)期間市民回家過年客運增多，汽車排放量增大導致環(huán)境空氣質量下降[16]等.同時2019年2月份和2018年12月份的環(huán)境空氣質量水平也明顯低于一年內的平均標準，推測是在春節(jié)附近時段因相同原因造成.

[6]韓慶祥、張艷濤：《馬克思是如何以哲學的方式解讀現(xiàn)實問題的：兼論當代中國馬克思主義哲學的解讀方式》，《江海學刊》2008年第1期。

此外，2018年6月份5個城市的空氣質量優(yōu)良天數數據也同時出現(xiàn)了一定幅度下跌的現(xiàn)象.推測其原因為6月份是夏收秋種的關鍵時節(jié)，所以農民大部分會選擇在這個時間段燃燒秸稈，導致了6月份的空氣質量較低[17].

2.2 五市空氣質量空間變化分析

2.2.1 五市空氣質量空間變化規(guī)律 五市冬季的12月、1月、2月是全年空氣質量最差的季節(jié)，將這三月的數據運用ArcMap匯總于圖4，分析其空間分布規(guī)律.

圖4 五市優(yōu)良天數分布圖

由圖4可知，在12月、1月、2月這三個空氣質量最差的月份里，襄陽市和宜昌市的空氣質量遠低于武漢市、黃岡市和咸寧市.襄陽市地形為東低西高，由西北向東南傾斜.地理位置特殊，襄陽地處南襄盆地的南緣，是個低平缺口，東西向寬約300 km；南襄盆地北緣有方城缺口，是南襄盆地的通風廊道，也是北方大氣污染物、沙塵擴散南下的必經之道.加之襄陽市常年主導風向為偏北風，污染物在偏北風的攜帶下在襄陽市擴散、沉降，導致襄陽市空氣質量在極短時間內由良或輕度污染飆升至重度、嚴重污染.其中10月至次年3月，受北方冷高壓控制與影響，多刮偏北風，而這較差的地形導致由北方城市供暖所造成的大氣污染物會隨著北風而進入襄陽市，進而導致了較差的空氣質量.與襄陽市情況相似的城市便是宜昌市了.宜昌城區(qū)位于長江河谷地帶，西北為高山和半高山，東南為丘陵和平原，兩岸為低山，宜昌盛行靜風和東南風，受西北高山和半高山阻礙，常年風速較小，靜風頻率高，導致擴散條件不利[18].加上東部工業(yè)園區(qū)在城市上風方向，細小顆粒、鹽類污染物和碳氫有機污染物等非水成物氣溶膠容易自上風方向流入后受阻易形成“霧霾”天氣.這是宜昌市冬季空氣質量差的一個主要原因[19].

除去外部輸入以外，本地輸出也會對空氣質量產生較大影響.現(xiàn)有五市2014—2018年的GDP數據(中經數據網https://ceidata.cei.cn/jsps/Default?f=1)，和五市2018年能源消耗數據(五市各市政府的2018年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報)，制成表1、表2、圖5.

表1 五市2014—2018年GDP總額 千億元

表2 五市2018年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)能源消費總量 萬噸標準煤

由表1、表2、圖5可以看出，咸寧市和黃岡市的能源消耗量和GDP明顯低于襄陽市和宜昌市，結合圖4，咸寧市和黃岡市的確是五市中空氣質量較好的城市.將襄陽市和宜昌市與武漢市進行對比，武漢市的GDP和能源消耗量遠高于襄陽市和宜昌市，但是襄陽市和宜昌市的空氣質量在冬季時的空氣質量遠比武漢市差許多.可見本地輸出并非是襄陽市和宜昌市冬季空氣質量差的主導因素，綜上主導因素應是北方大量供暖以及常年主導風向為偏北風和較差的地理位置環(huán)境綜合所致.

將五市全年的數據用ArcMap匯總于圖6.武漢市的空氣質量優(yōu)良天數只比襄陽市多，五市中排在倒數第二位，比宜昌市還要差.武漢市作為湖北省的省會，是湖北省發(fā)展最好也是最繁盛的城市，同時也是人口最多的幾個城市之一.同時武漢作為長江中游地區(qū)最重要的交通樞紐，城市內部交通擁堵較嚴重，截至2018年2月底，武漢市機動車保有量283萬輛，2019年突破300萬輛大關幾無懸念，曾經設計的230萬輛“保有量紅線”早被超越.因此汽車尾氣的污染也是武漢市空氣質量較差的一個重要因素.

圖5 五市2014—2018年GDP總額

圖6 2018年3月—2019年2月五市月平均優(yōu)良天數分布圖

襄陽市和宜昌市空氣質量較差和兩市城鎮(zhèn)迅速工業(yè)化也有較大關系.近些年，襄陽市工業(yè)經濟發(fā)展迅猛，每年以30%以上的速度遞增.2008年，襄陽市工業(yè)經濟總量已突破千億元大關，規(guī)模以上企業(yè)突破一千家.2009年金融危機，襄陽市工業(yè)經濟仍然保持快速增長的勢頭，全年實現(xiàn)工業(yè)總產值1 528億元，比2008年增長了40.2%；工業(yè)增加值461.5億元，比2008年增長27.6%[20].宜昌市近些年工業(yè)綜合實力也大幅提升.2005年宜昌市規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)完成工業(yè)總產值556億元，2008年突破千億元大關，2010年實現(xiàn)兩年翻一番，達到2 218億元，是2005年的3.99倍，年均增長31.9%.2005年完成工業(yè)增加值247億元，2010年達到747.47億元，是2005的3.03倍，年均增長24.8%，占全市GDP比重由40.6%提高到48.3%.在整個“十二五”期間，宜昌經濟總量翻番，規(guī)模以上工業(yè)總產值突破5 500億元，是“十一五”末的2.5倍.工業(yè)增加值增速高于全國、全省.

同樣從五市政府的2018年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報獲得的五市全年工業(yè)產值數據列于表3.從中可看出，工業(yè)產值相對高的城市，空氣質量相對差.

表3 五市2018年規(guī)模以上工業(yè)主營業(yè)務收入 億元

從圖6中還可以看出，五市當中湖北省的西部城市比東部城市的環(huán)境空氣優(yōu)良天數要少，環(huán)境空氣質量要差.湖北省的西部城市更靠近于中國的內陸地區(qū)，地勢更低，全宜昌市呈現(xiàn)出自西向東地勢逐漸下降的趨勢，襄陽市地形為東低西高，由西北向東南傾斜.如此低的地勢會受北方部分城市污染空氣的影響.同時由于地勢低和地處內陸的原因，受污染的空氣易于沉積不易擴散，加重空氣污染持續(xù)時間[21].

五市中處于北部的城市(武漢市、黃岡市、襄陽市)與處于南部的城市(宜昌市、咸寧市)相比較時發(fā)現(xiàn)，北部城市的空氣質量要比南部城市的空氣質量差.這里有一幅中國空氣AQI指數圖(http://www.air-level.com/)，如圖7，顏色越深AQI指數越高，污染越嚴重.從圖中我們可清晰地看出湖北省周邊省市空氣質量最差的省份便是位于湖北省北方向的河北省、河南省、山西省、陜西省、山東省這五個省份.經查證，全年以AQI指數為標準，2018年全國空氣質量最差的20個城市全部來自以上北方五省[22]，因此推測出湖北省北部城市空氣質量比南部城市空氣質量差的原因就是距離以上北方五省較近，由于空氣的流通性強，空氣質量會受到它們的影響.而前文也曾提到，五市中有四個城市常年主導風向都有偏北風的情況，所以受到的影響可謂巨大[23].

圖7 2018年湖北省周邊省市空氣AQI指數圖

根據這樣的地理位置分布，推測五市中環(huán)境空氣質量最好的應該是地處湖北省西南角落的咸寧市了，與實際數據相符.生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了2019年3月份全國168個重點城市空氣質量排名，咸寧位居第13位，在“全國20個空氣質量較好城市”中，咸寧是湖北省唯一入圍城市，當然咸寧市的空氣質量好也不全是地理位置的原因.空氣質量的持續(xù)好轉，與咸寧市加大生態(tài)環(huán)境保護部署密不可分.近些年來，咸寧市開展“三禁三治”專項行動，從源頭上減少大氣污染.咸寧市共有339臺20 t/h以下燃煤鍋爐全部淘汰或改造；同時出臺條例，城區(qū)禁止燃放煙花炮竹.咸寧市財政部門安排3 000多萬以獎代補資金，淘汰黃標車及老舊車約3萬輛.咸寧市全市220座加油站進行油氣回收改造.今年以來咸寧市持續(xù)加強環(huán)境生態(tài)監(jiān)測改善力度，陸續(xù)出臺一系列新的環(huán)保政策.針對煉油污染問題，咸寧市拆除關閉8家土法煉油企業(yè)；咸寧市生態(tài)環(huán)境局聯(lián)同咸寧市住建局防治建筑施工揚塵；與此同時，咸寧市開展“綠滿鄂南”“精準滅荒”“森林質量精準提升”行動，全市新增8個九宮山大小(約196 km2)的森林面積，森林覆蓋率達50.44%，極大地改善了咸寧市空氣質量.

2.2.2 五市東西部代表城市特征污染物分析 選取的五市被分為湖北省靠東一側(武漢市、黃岡市、咸寧市)和靠西一側(宜昌市、襄陽市).而由圖6可看出，在靠東側的三市中空氣質量相對較差的是武漢市，靠西側兩市中空氣質量相對較差的是襄陽市.所以本文以這兩個城市為代表分析它們的大氣特征污染物.武漢市的大氣特征污染物情況見表4，襄陽市的大氣特征污染物情況見表5.

由表4、表5可看出在武漢市和襄陽市，PM2.5作為首要污染物是天數最多的，兩個城市大氣污染問題最嚴重的是都是PM2.5污染.在這一方面五市東西部城市所表現(xiàn)的問題相同，目前污染問題最嚴峻的就是PM2.5污染.從中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺搜集了武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月PM2.5每日濃度數據，并作出月均濃度表如表6和月均濃度圖如圖8.

表4 武漢市2018年3月—2019年2月大氣特征污染物情況表

表5 襄陽市2018年3月—2019年2月大氣特征污染物情況表

由圖8我們可以看出PM2.5濃度是冬季(12—2月)>秋季(9—11月)>春季(3—5月)>夏季(6—8月).PM2.5就是細顆粒物，而供暖系統(tǒng)則排放出大量的細顆粒物.所以當冬季氣溫降低，居民大量使用供暖系統(tǒng)時PM2.5濃度會顯著增加.與同樣為中部地區(qū)的省會城市長沙作比較，長沙市2013—2019年7年間同樣也是12月—次年2月PM2.5濃度明顯升高[24].在夏季，氣溫升高會促進大氣環(huán)流，同時伴有光化學反應，打破大氣原本的固有狀態(tài)，有利于PM2.5擴散.從圖8～10可以明顯觀察到溫度對于PM2.5濃度的影響，隨著溫度的升高，PM2.5有著顯著下降的趨勢.圖10是PM2.5濃度與溫度的線性擬合曲線，其中R2>0.75證明線性擬合結果較好，兩組數據之間線性關聯(lián)較強.同時夏季降雨較多，雨水的沖刷作用也會降低PM2.5濃度[25-26].而將武漢市與襄陽市的月均PM2.5濃度作比較，可以發(fā)現(xiàn)12月至次年3月份襄陽市PM2.5濃度明顯高于武漢市，其余時間襄陽市和武漢市PM2.5濃度相差無幾.這也是前文曾分析到的，襄陽市距離北方城市更近，且常年主導風向有偏北風，所以受到冬季北方供暖導致污染的影響更大，且地勢較低，污染物不易擴散.

表6 武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月PM2.5月均濃度表 μg/m3

圖8 武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月PM2.5月均濃度圖

圖9 武漢市、襄陽市2018年3月—2019年2月月均溫度圖

圖10 PM2.5與溫度線性擬合

由表4、表5得出在2018年5月—9月這一段時間內，武漢市和襄陽市主要的首要污染物為O3，地面O3的形成主要有兩大要素，一是由發(fā)電廠、機動車尾氣、燃煤鍋爐和涂料油漆排放出的NOX和TOC；二是夏季高溫居民會大量使用空調等制冷器，導致空氣中O3含量升高，同時發(fā)電廠的負荷加大，也會導致O3含量過高.7月、8月正值暑假，許多家庭會選擇出門旅游導致機動車尾氣排放增加，導致O3含量過高.將武漢市與襄陽市的O3日均值達標率作對比，武漢市的月均O3日均值達標率低于襄陽市(89.23%<92.83%).推測是由于武漢市作為湖北省省會城市，經濟更加發(fā)達，人口密度大，使用空調的居民多，居民用電量大，機動車數量也多.

在2018年10月份，武漢市和襄陽市主要的首要污染物是O3和NO2.十月份的國慶小長假，大量市民會選擇出行旅游，因此會造成機動車排放污染物含量過高，導致了O3和NO2含量過高.武漢市的NO2日均值達標率低于襄陽市，原因是武漢市車流量更大.

3 結論與展望

1)基于2018年3月—2019年2月AQI數據，分析了湖北省五市空氣質量時空分布規(guī)律，其中，2018年7月空氣質量最好，2019年1月空氣質量最差.五市空氣質量咸寧市最優(yōu)，襄陽市最差.其主要原因是北方供暖及偏北風和地理位置綜合所致，次要原因為城市工業(yè)化建設.

2)湖北省東西部代表城市武漢和襄陽的首要污染物均為PM2.5和O3，PM2.5濃度隨溫度升高而降低，PM2.5濃度按季節(jié)排序冬季>秋季>春季>夏季.

3)為積極響應國家碳減排政策，政府應嚴格控制機動車污染排放，大力開發(fā)、使用新型清潔能源汽車，在進行工業(yè)開發(fā)的同時也應注意“綠水青山”建設，積極響應國家政策，營造良好生態(tài)文明環(huán)境，為緩解人類氣候危機作出貢獻.