鎮(zhèn)江市大氣顆粒物污染的特征分析

楊 嚴(yán)，徐一凡，張玉菲，周文鱗*，陳 聰，鞠英芹

1.鎮(zhèn)江市氣象局，江蘇鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇理工學(xué)院，江蘇常州 213001；3.中國(guó)氣象局 氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院，湖北武漢 430074

大氣污染問題隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和工業(yè)化的成熟日益加劇，并成為影響我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的主要問題，嚴(yán)重影響著城市空氣質(zhì)量和人體健康。由此，人們逐漸意識(shí)到治理大氣環(huán)境的重要性，有關(guān)大氣污染的時(shí)空分布特征、成因和防治等問題逐漸被眾多學(xué)者所關(guān)注。

國(guó)外學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)大氣污染顆粒物含量與季節(jié)變換有很大關(guān)系。Parkhurst等[1]從 美 國(guó) 中 東 部1982—1991年8個(gè)采集點(diǎn)的PM2.5季節(jié)特點(diǎn)中總結(jié)出夏高冬低的規(guī)律；Judith等[2]在美國(guó)南加州對(duì)1987年大氣顆粒物的研究中發(fā)現(xiàn)，PM10質(zhì)量濃度和顆粒物中大部分化學(xué)物質(zhì)含量都在秋季最高；Villasenor等[3]從1997年 墨 西 哥 城 的PM2.5和PM10的時(shí)空特征中發(fā)現(xiàn)顆粒物季節(jié)變化明顯。駱紅[4]、岳麗[5]等人分別對(duì)我國(guó)北京市、石家莊市PM2.5與PM10的平均質(zhì)量濃度進(jìn)行研究，最終得出國(guó)內(nèi)的顆粒物污染均呈現(xiàn)冬季高、夏季低的季節(jié)變化特征的結(jié)論。

鎮(zhèn)江市位于江蘇省西南部，長(zhǎng)江下游南岸。東西最大直線距離、南北最大直線距離分別為95.5，76.9 km。全市土地總面積3 847 km2，占全省面積的3.7%。地貌走勢(shì)為西高東低、南高北低；北部以沿江沖積平原為主，市區(qū)南部為低山殘丘。氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候；年累計(jì)日照時(shí)數(shù)為1 912.7 h，年平均氣溫15.5 ℃，最高氣溫34 ℃，低氣溫0 ℃；年平均降雨量817 mm。因此，利用2013—2019年鎮(zhèn)江區(qū)域常規(guī)污染物數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量、顆粒污染物的時(shí)空變化特征展開分析，為大氣顆粒物污染防治提供科學(xué)決策。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)來自鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)、市疾控中心、新區(qū)辦事處、職教中心4個(gè)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)；監(jiān)測(cè)時(shí)間為2013年1月1日—2019年6月4日。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)NO2、SO2、CO、O3、PM10、PM2.5等6項(xiàng)污染物，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為監(jiān)測(cè)污染物的日均濃度。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 預(yù)處理 對(duì)鎮(zhèn)江市4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)6項(xiàng)污染物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。為了保證原始數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，刪除空白值和異常值（如負(fù)值），并將數(shù)據(jù)配對(duì)成時(shí)空結(jié)構(gòu)配對(duì)的數(shù)據(jù)組。將有效數(shù)據(jù)根據(jù)不同變量進(jìn)行分類儲(chǔ)存，便于后續(xù)數(shù)據(jù)提取。

1.2.2 AQI指數(shù)的計(jì)算 根據(jù)各項(xiàng)污染物分級(jí)濃度限值，通過AQI公式分別計(jì)算各項(xiàng)大氣污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)。取其中最大的值為當(dāng)天空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)。污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)按下式計(jì)算:

式中:IAQIp—污染物項(xiàng)目P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；

Cp—污染物項(xiàng)目P的質(zhì)量濃度值；

BPHi—表1(相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表)中與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；

BPL0—表1(相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表)與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；

IAQIHi—表1(相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表)中與BPHi對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；

IAQIL0—表1(相應(yīng)地區(qū)的空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表)中與BPL0對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。

1.2.3 空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn) 表1為空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 鎮(zhèn)江市環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

由鎮(zhèn)江市2013年—2018年環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)可得，鎮(zhèn)江市空氣質(zhì)量為優(yōu)或良的占比為整體的50%以上；之后呈現(xiàn)空氣污染等級(jí)越高占比越低的趨向。除2016年外，一級(jí)（優(yōu)）空氣質(zhì)量天數(shù)占比呈逐年上升；重度污染、嚴(yán)重污染天數(shù)占比呈逐年下降；但輕度污染為25%左右，空氣質(zhì)量問題依舊存在。2013—2018年間，鎮(zhèn)江市空氣質(zhì)量年均達(dá)標(biāo)率為64%，其中2013年達(dá)標(biāo)率最低，為61%；2016年達(dá)標(biāo)率最高，為71%。

2013—2018年間，鎮(zhèn)江市空氣質(zhì)量總體良好，丹徒區(qū)、市疾控中心、新區(qū)辦事處和職教中心4站優(yōu)良天數(shù)占比的多年均值為64.00%，其中2016年空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況最好，4站優(yōu)良天數(shù)歷年占比在68.85%～77.87%之間；2013年空氣質(zhì)量相對(duì)較差，丹徒區(qū)、市疾控中心和新區(qū)辦事處3站歷年達(dá)標(biāo)率在59.17%～62.19%之間。新區(qū)辦事處與丹徒區(qū)站點(diǎn)的歷年達(dá)標(biāo)率呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且前者增幅較大，后者增幅較為平坦。

污染天氣中，污染天數(shù)占比隨污染等級(jí)逐級(jí)降低，輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染占比多年均值依次為24.73%、7.70%、3.28%和0.28%。就輕度污染而言，市疾控中心和新區(qū)辦事處2站歷年達(dá)標(biāo)率呈波動(dòng)變化，2016年達(dá)谷值，2017年為峰值，丹徒區(qū)和職教中心2站變化不明顯；丹徒區(qū)和新區(qū)辦事處2站的中度污染天數(shù)占比逐年總體改善，市疾控中心和職教中心兩站波動(dòng)變化，歷年達(dá)標(biāo)率在6.30%～9.32%之間；丹徒區(qū)、市疾控中心和新區(qū)辦事處3站的重度污染天數(shù)占比趨勢(shì)表現(xiàn)為“減—增”，職教中心站變幅不大；嚴(yán)重污染天數(shù)占比極少，總體上僅在2013、2014和2017年有零星發(fā)生。

2.2 鎮(zhèn)江市首要污染物天數(shù)占比分析

分析鎮(zhèn)江市首要污染物天數(shù)占比可知，鎮(zhèn)江市以顆粒物污染為主，其中又以PM2.5作為首要污染物天數(shù)占比為最高，維持在30%～65%之間，但顆粒物污染整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。氣態(tài)污染物中，O3作為首要污染物天數(shù)的占比最高，并呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。2016年除新區(qū)辦事處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其他站點(diǎn)O3均超過PM2.5成為當(dāng)年占比最重的污染物。

2.3 大氣顆粒物的時(shí)間變化特征

2.3.1 年際變化特征 研究期間，鎮(zhèn)江市PM2.5、PM10的年平均質(zhì)量濃度如表2所示。2013—2018年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度年平均最大值、最小值分別為72 μg/m3，50 μg/m3，低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）中規(guī)定的二級(jí)濃度限值（75 μg/m3）。PM2.5、PM10年平均質(zhì)量濃度總體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，且最小值出現(xiàn)在2016年。

表2 各監(jiān)測(cè)站大氣顆粒物濃度年平均變化情況 μg/m3

在圖1、圖2、圖3中，紅線為2013—2018年大氣顆粒物日均濃度總體變化趨勢(shì)線，可見大氣顆粒物日均質(zhì)量濃度呈逐年下降趨勢(shì)；比較發(fā)現(xiàn)，PM10下降趨勢(shì)較PM2.5更為顯著?？傮w比較可發(fā)現(xiàn)每年顆粒物日均質(zhì)量濃度呈現(xiàn)高峰—低谷—高峰的趨勢(shì)，峰值均集中在冬季（即年末至次年初時(shí)段）。

圖1 市疾控中心監(jiān)測(cè)站顆粒物日均值與7天滑動(dòng)平均值時(shí)間序列

圖2 新區(qū)辦事處監(jiān)測(cè)站顆粒物日均值與7天滑動(dòng)平均值時(shí)間序列

圖3 職教中心監(jiān)測(cè)站顆粒物日均值與7天滑動(dòng)平均值時(shí)間序列

2.3.2 月變化特征 由4個(gè)站點(diǎn)PM10和PM2.5的月濃度特征分布可知，2013—2018年鎮(zhèn)江市大氣顆粒物質(zhì)量濃度月平均變化呈現(xiàn)兩邊高、中間低的特征，7—9月大氣顆粒物質(zhì)量濃度較低，12月、1月的大氣顆粒物質(zhì)量濃度較高，與夏季顆粒物濃度低，冬季顆粒物濃度高的季節(jié)特征相吻合。從2月開始，顆粒物月均濃度呈下降趨勢(shì)，并于8月份達(dá)到最低點(diǎn)。這是因?yàn)樘栞椛湓鰪?qiáng)，大氣的垂直氣流增強(qiáng)，大氣逆溫層不易形成。隨著季節(jié)轉(zhuǎn)變溫度升高，大氣水平流通能力增強(qiáng)。因此顆粒物擴(kuò)散能力顯著增強(qiáng)，濃度降低。其中，PM10在3月、5月出現(xiàn)濃度回升現(xiàn)象。

PM2.5/PM10的比值在6—11月變化不大；在12—翌年2月比值較高，說明冬季PM2.5污染加??；在3—5月比值較低，結(jié)合PM10在3月、5月出現(xiàn)濃度回升現(xiàn)象，分析原因可能為顆粒物可隨著季風(fēng)造成區(qū)域污染[7]。

2.4 空間分布特征

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)鎮(zhèn)江市4個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2013—2019年大氣顆粒污染物日均濃度及對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行聚類分析可知，大氣顆粒污染與AQI指數(shù)空間分布呈現(xiàn)以下規(guī)律，丹徒區(qū)監(jiān)測(cè)站、市疾控中心和職教中心3個(gè)站點(diǎn)的大氣顆粒污染及AQI指數(shù)分布特征具有共性，而新區(qū)辦事處較其他站點(diǎn)具有特異性，且大氣污染較重，可能與鎮(zhèn)江東部工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）2013—2018年，鎮(zhèn)江市空氣質(zhì)量總體良好，空氣質(zhì)量多年均達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)率為64%；首要污染物以顆粒物污染為主，其中PM2.5占比高于PM10。

（2）PM2.5、PM10年平均質(zhì)量濃度總體波動(dòng)下降，且最小值出現(xiàn)在2016年；季節(jié)規(guī)律為冬季＞春季＞秋季＞夏季，具有明顯的季節(jié)變化特征；7—9月大氣顆粒污染較輕，12月、1月的污染較重。

（3）AQI指數(shù)和大氣顆粒污染的空間聚類表明，新區(qū)辦事處站有別于丹徒區(qū)監(jiān)測(cè)站、市疾控中心和職教中心其他3站。