長(zhǎng)株潭城市群空氣質(zhì)量時(shí)間特征研究

郝麗婷，黃一民

（1.衡陽(yáng)師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421002；2.湖南省環(huán)境教育研究中心，湖南 衡陽(yáng) 421002）

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)一直呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但工業(yè)化與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)導(dǎo)致了一系列環(huán)境污染問(wèn)題，主要反映在大氣污染、水污染、土壤污染、噪聲污染等諸多方面，其中大氣污染成為人們最為關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空氣質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究，從空氣質(zhì)量的表征指標(biāo)來(lái)看主要包括三類(lèi)：①濃度類(lèi)指標(biāo)，如PM10、PM2.5和O3濃度等，但由于大氣污染是多種污染物復(fù)合作用結(jié)果，部分學(xué)者認(rèn)為任何單一污染物都難以全面反映大氣污染綜合狀態(tài)[2]；②排放類(lèi)指標(biāo), 如工業(yè)SO2、工業(yè)粉塵、工業(yè)廢氣等[3]；③綜合類(lèi)指標(biāo), 如以空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、空氣質(zhì)量二級(jí)及以上天數(shù)等綜合類(lèi)指標(biāo)來(lái)反映空氣污染程度[4]。從研究視角來(lái)看則包含：①揭示各污染物本身污染程度的高低特性及多種污染物相互比值關(guān)系特征下空氣質(zhì)量污染情況[5]；②根據(jù)不同時(shí)期、不同區(qū)域尺度空氣質(zhì)量狀況表現(xiàn)出的差異性，從整體上揭示空氣質(zhì)量的時(shí)空特征[6]。其研究方法與手段主要包含核密度分析、空間自相關(guān)分析、灰色關(guān)聯(lián)度法及社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法等[7-10]。研究區(qū)域覆蓋范圍可劃分為：①全國(guó)范圍的大尺度空氣質(zhì)量特征分析研究[11-12]；②重點(diǎn)污染省份與城市等中小尺度的空氣質(zhì)量動(dòng)態(tài)演化過(guò)程及特征分析研究[13-15]。城市群作為我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展的空間單元，是國(guó)家新型城鎮(zhèn)化的主體區(qū)與國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略核心區(qū)，在增強(qiáng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)活力與提升區(qū)域經(jīng)濟(jì)效率方面發(fā)揮著重要作用。因此，多時(shí)間尺度分析城市群空氣質(zhì)量演化特征，對(duì)城市群大氣污染治理、環(huán)境規(guī)劃及城市化發(fā)展具有重要參考價(jià)值。但迄今為止，關(guān)于城市群空氣質(zhì)量分析研究主要集中在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等區(qū)域[16-17]，對(duì)于長(zhǎng)株潭城市群空氣質(zhì)量在不同時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程與特征分析研究則甚少涉及。鑒于此，本研究基于長(zhǎng)株潭城市群2015年5月至2021年7月空氣質(zhì)量指數(shù)、常規(guī)污染物逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)株潭城市群空氣質(zhì)量不同時(shí)間尺度的變化特征進(jìn)行分析，以期為開(kāi)展大氣聯(lián)防聯(lián)控相關(guān)工作的實(shí)施與空氣質(zhì)量的改善措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

長(zhǎng)株潭城市群位于湖南省中東部，地理位置東經(jīng)111°55′～115°58′，北緯26°03′～28°30′。東鄰江西省，西靠益陽(yáng)市和婁底市，北接岳陽(yáng)市，南依衡陽(yáng)市和郴州市，包括長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三個(gè)省轄市。區(qū)域面積約為2.8萬(wàn)km2，屬于湘江下游，湘江自南向北流經(jīng)三市中心，是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長(zhǎng)極[18]。2007年，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立長(zhǎng)株潭城市群為資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，要求加快形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式。長(zhǎng)株潭城市群作為我國(guó)中部六省城市中全國(guó)城市群建設(shè)的先行者、中部崛起的中堅(jiān)力量，其空氣質(zhì)量研究在全國(guó)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制研究及“兩型”社會(huì)建設(shè)中的重要作用不言而喻。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究從中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（http:∥106.37.208. 233:20035/）收集了長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市自2015年5月至2021年7月逐時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)、常規(guī)污染物（PM2.5、PM10、O3、CO、SO2、NO2）濃度數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)分布24個(gè)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體如下：長(zhǎng)沙市有經(jīng)開(kāi)區(qū)環(huán)保局、高開(kāi)區(qū)環(huán)保局、馬坡嶺、湖南師范大學(xué)、雨花區(qū)環(huán)保局、伍家?guī)X、火車(chē)新站、天心區(qū)環(huán)保局、湖南中醫(yī)藥大學(xué)、沙坪；株洲市有天臺(tái)山莊、株冶醫(yī)院、市四中、火車(chē)站、市監(jiān)測(cè)站、大京風(fēng)景區(qū)、云田中學(xué)；湘潭市有板塘、市監(jiān)測(cè)站、江麓、岳塘、科大、昭山與韶山。根據(jù)《HJ 663—2013環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》要求，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量指數(shù)及常規(guī)污染物小時(shí)濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為整點(diǎn)時(shí)刻前1 h時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度的算術(shù)平均值。

2.2 空氣質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)

空氣質(zhì)量指數(shù)用于定量描述空氣質(zhì)量狀況，將專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成一個(gè)無(wú)量綱的指數(shù)，能夠較好地反映出某一地區(qū)各污染物的濃度，根據(jù)AQI大小將空氣質(zhì)量狀況劃分為“優(yōu)、良、中、差”等通俗易懂的等級(jí)[19]。AQI首先計(jì)算各參評(píng)因子（CO、NO2、SO2、O3、PM2.5、PM10）的空氣質(zhì)量分指數(shù)（Individual Air Quality Index，IAQI），然后以各IAQI的最大值作為AQI的值。

計(jì)算公式：

式中：IAQIp—污染物P的空氣質(zhì)量分指數(shù)；CP—污染物P的質(zhì)量濃度值；BPHi—與CP相近的污染物濃度限值的高位值；BPLO—與CP相近的污染物濃度限值的低位值；IAQIHi—與BPHi對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQILO—與BPLO對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；n—污染物項(xiàng)目。當(dāng) AQI＞50 時(shí)，IAQI的最大值即為首要污染物，若存在兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上IAQI最大時(shí)，則為并列首要污染物；當(dāng)IAQI＞100 時(shí)，為超標(biāo)污染物[20-21]。

3 結(jié)果分析

3.1 長(zhǎng)株潭城市群AQI日變化

一年中不同季節(jié)的氣溫、降水、光照等自然因素以及人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度存在著差異，對(duì)不同類(lèi)別污染物的排放、分解及擴(kuò)散會(huì)生產(chǎn)影響，進(jìn)而影響區(qū)域空氣質(zhì)量。為了揭示研究區(qū)域空氣質(zhì)量日內(nèi)的變化特征，分析了不同季節(jié)中AQI一天內(nèi)逐時(shí)變化，具體見(jiàn)圖1。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：①在同一季節(jié)中，研究區(qū)域內(nèi)的長(zhǎng)沙、株洲、湘潭的AQI日內(nèi)變化具有很好的一致性。這顯然與同一季節(jié)的自然因素（如大氣環(huán)流場(chǎng)、氣溫日內(nèi)變化等）相近有關(guān)。②AQI日內(nèi)變化均呈現(xiàn)出“雙峰型”特征，最高值均出現(xiàn)在夜間9時(shí)附近，次高值出現(xiàn)上午11時(shí)附近。在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的南京[22]、衡陽(yáng)[23]等地AQI日內(nèi)變化均存在雙峰型的特征，這主要是一天內(nèi)氣溫變化引起大氣運(yùn)動(dòng)及人類(lèi)活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。③AQI日內(nèi)變化幅度秋冬較春夏顯著，進(jìn)一步計(jì)算顯示，春季、夏季時(shí)AQI日內(nèi)變化范圍分別在53~79、35~54，日較差最?。磺锛?、冬季AQI日內(nèi)變化范圍分別在52~89、68~119，日較差最大時(shí)約為51。

3.2 長(zhǎng)株潭城市群AQI周內(nèi)變化

通常，雙休日制度（周末：周六和周日；工作日：周一至周五）下，工作日因排放的大氣污染物增加，空氣質(zhì)量會(huì)下降，而周末由于排放大氣污染物減少，空氣質(zhì)量會(huì)改善，即表現(xiàn)出“周末效應(yīng)”現(xiàn)象[24]?？紤]到同一季節(jié)中自然條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響相近，分析了不同季節(jié)研究區(qū)域AQI一周內(nèi)的變化特征（見(jiàn)圖2~圖4）。春季時(shí)，AQI的值在56~73，且在周一至周三區(qū)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并均在工作日達(dá)到一周最大值，這可能是因?yàn)樾瞧谝粸楣ぷ魅盏拈_(kāi)始，人類(lèi)活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，因此，導(dǎo)致空氣質(zhì)量指數(shù)值升高；夏季時(shí)，AQI周內(nèi)變化較小，AQI的值在38~57，其中8月份時(shí)周際變化波動(dòng)性最弱，一周內(nèi)AQI的值處于45~57。這可能源于研究區(qū)內(nèi)夏季太陽(yáng)的輻射較強(qiáng)，氣溫升高，大氣的穩(wěn)定性被破壞，空氣對(duì)流增強(qiáng)產(chǎn)生的空氣垂直湍流有利于近地層空氣中的懸浮顆粒物向上擴(kuò)散而被帶到高空稀釋?zhuān)沟妙w粒物質(zhì)量濃度降低[25]；就秋季來(lái)看，周內(nèi)變化曲線(xiàn)與8月相似，10月時(shí)AQI值便有所回升，并且工作日高于雙休日，到11月后，AQI指數(shù)變化明顯，最大值超過(guò)80。1月在周五附近出現(xiàn)最小值，最大值出現(xiàn)在周三，周一至周日變化整體呈倒“Z形”。冬季氣候變冷，溫度降低，空氣中的對(duì)流作用就會(huì)相對(duì)減弱，影響近地面的大氣顆粒物濃度，從而影響空氣質(zhì)量指數(shù)。將三個(gè)城市AQI周內(nèi)變化曲線(xiàn)對(duì)比可以看出，長(zhǎng)沙與湘潭周內(nèi)變化情況極為相似，其中兩個(gè)城市春冬季節(jié)AQI最大值都出現(xiàn)在周三，夏季最大值出現(xiàn)在周一，秋日AQI最大值則出現(xiàn)在周日；株洲大部分月份的AQI周內(nèi)變化曲線(xiàn)都呈現(xiàn)出雙休日＞工作日的趨勢(shì)。

圖2 長(zhǎng)沙AQI周內(nèi)變化

圖3 株洲AQI周內(nèi)變化

圖4 湘潭AQI周內(nèi)變化

3.3 長(zhǎng)株潭城市群AQI逐月變化

圖5給出了研究時(shí)段內(nèi)長(zhǎng)株潭AQI逐月變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，一年中研究區(qū)域內(nèi)三市的AQI均呈現(xiàn)出“U”型變化特征，每年11月至次年1月AQI偏高，1月出現(xiàn)峰值，2月后開(kāi)始逐漸降低，5—8月大部分情況下，空氣質(zhì)量指數(shù)低于85，該時(shí)段，氣溫升高，大氣層結(jié)變得不穩(wěn)定，利于污染物擴(kuò)散，另外夏季風(fēng)形成大量降水，雨水的沖刷對(duì)空氣污染起到很好的凈化作用[26]，即秋冬高、春夏低，這與其它研究結(jié)論是一致的[27-28]。另外，三市AQI年內(nèi)、年際具有同步變化趨勢(shì)顯然與研究區(qū)地形相對(duì)平坦、城鎮(zhèn)密集、污染物排放相互影響、層層迭加的特點(diǎn)密不可分[29]。研究時(shí)段內(nèi)，株洲AQI最大值達(dá)到144，出現(xiàn)在2017年1月；長(zhǎng)沙與湘潭AQI最大值分別約為135、129，前者出現(xiàn)在2017年1月，后者出現(xiàn)在2019年1月。

圖5 長(zhǎng)株潭城市群AQI逐月變化

3.4 長(zhǎng)株潭城市群空氣質(zhì)量等級(jí)變化

為了進(jìn)一步揭示研究時(shí)段內(nèi)區(qū)域空氣質(zhì)量的具體情況（見(jiàn)圖6~圖8），對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行了計(jì)算。研究時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三地空氣質(zhì)量狀況多為優(yōu)良級(jí)別，占比均在80%以上，其中株洲空氣質(zhì)量最佳，在2020年空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)時(shí)長(zhǎng)占比超過(guò)90%；湘潭與長(zhǎng)沙不同空氣質(zhì)量等級(jí)占比接近；長(zhǎng)沙空氣質(zhì)量相對(duì)較差，重度污染級(jí)別空氣質(zhì)量占比最大時(shí)超過(guò)3%，出現(xiàn)于2017年，輕度污染及以上等級(jí)占比最大年份為2016年，占比高達(dá)22%。從長(zhǎng)株潭城市群整體來(lái)看，從2016年起，三地優(yōu)良級(jí)別空氣質(zhì)量所占比例逐年遞增，2020年空氣質(zhì)量則具有明顯的改善，可能源于疫情期間工業(yè)停產(chǎn)等措施導(dǎo)致人為排放減少，使得部分大氣污染物減少，人為排放污染物的減少。

圖6 長(zhǎng)沙市空氣質(zhì)量等級(jí)占比

圖7 株洲市空氣質(zhì)量等級(jí)占比

圖8 湘潭市長(zhǎng)沙市空氣質(zhì)量等級(jí)占比

3.5 污染物演變趨勢(shì)分析

研究時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市各項(xiàng)污染物變化趨勢(shì)見(jiàn)圖9。PM2.5和PM10的平均濃度為46.2 μg/m3和66.5 μg/m3，分別超過(guò)國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（35 μg/m3和70 μg/m3）1.32倍和1.9倍。PM2.5濃度和PM10濃度的波動(dòng)范圍分別在2.67～427.3 μg/m3和1.3～677.7 μg/m3，峰值均出現(xiàn)于2017年1月28日，與三市AQI峰值出現(xiàn)的時(shí)間幾乎一致。SO2和NO2的平均濃度分別達(dá)到12.99 μg/m3和31.44 μg/m3，SO2、NO2濃度的最高值為245.3 μg/m3、135.3 μg/m3，均出現(xiàn)在2016年2月8日。CO濃度和O3濃度在此過(guò)程中的平均值為0.84 mg/m3和54.64 μg/m3。CO濃度最高值為2.87 mg/m3，出現(xiàn)在2015年12月12日21時(shí)，而O3濃度峰值可達(dá)244.3 μg/m3，出現(xiàn)在2019年9月29日14時(shí)。長(zhǎng)株潭城市群工業(yè)發(fā)展及工業(yè)布局是影響各類(lèi)污染物濃度的變化的內(nèi)在因素。長(zhǎng)株潭區(qū)域工業(yè)開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期保持高水平集聚，加上夏季相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象條件年際變化劇烈，秋季降水量較少，部分污染物的擴(kuò)散與沉降過(guò)程相對(duì)滯后，于是各類(lèi)污染物濃度時(shí)空變化存在顯著差異[30]。隨著長(zhǎng)株潭兩型社會(huì)示范區(qū)建設(shè)進(jìn)入新階段，政策驅(qū)動(dòng)促進(jìn)區(qū)域污染治理力度提高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、工廠(chǎng)搬遷、工業(yè)能耗降低、重點(diǎn)污染源整治等一系列措施促使長(zhǎng)株潭空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，但復(fù)雜的大氣復(fù)合污染和二次細(xì)顆粒物依舊是大氣污染形成的主要原因。

圖9 污染物濃度演變趨勢(shì)

為揭示長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市AQI與各項(xiàng)污染物的關(guān)系，對(duì)各污染物與AQI的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 污染物描述性統(tǒng)計(jì)

由表可見(jiàn)，PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO與AQI的相關(guān)系數(shù)逐漸減小，除CO外均通過(guò)了0.05顯著性水平的雙尾檢驗(yàn)。通過(guò)AQI與PM2.5、PM10等污染物之間進(jìn)行線(xiàn)性分析可知，空氣質(zhì)量指數(shù)的變化與PM2.5質(zhì)量濃度變化具有強(qiáng)相關(guān)性，當(dāng)AQI值增大時(shí)，PM2.5濃度也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，空氣質(zhì)量差的區(qū)域PM2.5則呈現(xiàn)高值，這與我國(guó)大部分空氣污染重點(diǎn)區(qū)域目前仍以大氣顆粒物中的細(xì)顆粒物為主的結(jié)論一致[31]，而SO2、NO2等污染物的濃度與AQI值的變化相關(guān)性相對(duì)較弱。PM2.5為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、道路揚(yáng)塵、工業(yè)粉塵等一次污染物和經(jīng)化學(xué)反應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)生成的硝酸鹽、硫酸鹽等二次污染物的混合物，而NOx和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）為汽車(chē)、工廠(chǎng)等污染源排入大氣的一次污染物，其需要在陽(yáng)光作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)才會(huì)生成二次污染物，因此，它們對(duì)AQI值的影響程度具有一定的差異。

4 結(jié)論

（1）長(zhǎng)株潭三個(gè)城市AQI日內(nèi)變化情況整體來(lái)看基本趨于一致，2—5月日內(nèi)波動(dòng)較小，6—9月日內(nèi)變化均呈現(xiàn)先將后升趨勢(shì)，12月—翌年1月為一年中空氣質(zhì)量最差的時(shí)段。

（2）春季時(shí)，AQI在周一至周三區(qū)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并均在工作日達(dá)到一周最大值，秋日AQI最大值則出現(xiàn)在工作日；株洲大部分月份的AQI周內(nèi)變化曲線(xiàn)都呈現(xiàn)出雙休日＞工作日的趨勢(shì)。

（3）三個(gè)城市空氣污染水平依次為長(zhǎng)沙＞湘潭＞株洲；三市AQI整體呈“U”型趨勢(shì)，空氣質(zhì)量都具有整體向好的趨勢(shì)，但持續(xù)五年內(nèi)AQI最大值均高于100，均在1月出現(xiàn)峰值。

（4）2016年起，三地優(yōu)良級(jí)別空氣質(zhì)量所占比例逐年遞增。長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三地空氣質(zhì)量狀況多為優(yōu)良級(jí)別，占比均在80%以上，其中株洲市空氣質(zhì)量最佳，湘潭市次之，長(zhǎng)沙市相對(duì)較差，重度污染級(jí)別空氣質(zhì)量占比最大時(shí)超過(guò)3%，輕度污染及以上等級(jí)占比最大年份占比高達(dá)22%。

（5）長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市PM2.5和PM10的平均濃度為46.2 μg/m3和66.5 μg/m3，AQI與PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3的濃度存在正相關(guān)性、與CO呈極弱負(fù)相關(guān)，空氣質(zhì)量指數(shù)的變化與PM2.5濃度變化具有一致性。