徐 美，李秀榮

(1.滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，河北滄州061001;2.滄州師范學(xué)院教務(wù)處，河北滄州061001)

滄州市環(huán)境空氣質(zhì)量變化特征

徐 美1，李秀榮2

(1.滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，河北滄州061001;2.滄州師范學(xué)院教務(wù)處，河北滄州061001)

為了解滄州市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況，利用2009～2012年滄州市空氣質(zhì)量日報(bào)數(shù)據(jù)(空氣污染指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級別和空氣質(zhì)量狀況)，分析了空氣質(zhì)量的主要變化特征，并結(jié)合HYSPLIT軌跡模式，討論了氣團(tuán)后向軌跡與空氣質(zhì)量的關(guān)系.結(jié)果表明，空氣污染指數(shù)季節(jié)變化明顯，冬季最高，夏季最低；可吸入顆粒物為大氣環(huán)境的首要污染物，出現(xiàn)比例為68%；空氣質(zhì)量狀況以優(yōu)和良天氣居多，所占比例為93%.氣流軌跡分析顯示，不同季節(jié)不同類型氣團(tuán)對API的貢獻(xiàn)水平存在差異；秋季北部氣團(tuán)、夏季西北氣團(tuán)比較清潔，對應(yīng)API的濃度最低；冬季本地排放源對API貢獻(xiàn)最高，采暖和不利的污染物擴(kuò)散條件可能是造成API較高的主要原因.

空氣質(zhì)量；變化特征；滄州；后向軌跡

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市環(huán)境空氣質(zhì)量問題愈來愈受到人們的廣泛重視，對城市大氣環(huán)境質(zhì)量做出準(zhǔn)確、全面、客觀的評價(jià)顯得極其重要.空氣污染指數(shù)(air pollution index,API)將常規(guī)監(jiān)測的幾種污染物濃度簡化為單一的概念性指數(shù)值形式，分級表征空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況，是反映和評價(jià)城市空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)[1](P96-101)[2][3](P1936-1943).許多城市和地區(qū)開展了大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)和研究工作.陳雷華等[4]選用蘭州市2001～2007年API資料，分析了API、空氣質(zhì)量級別和PM10濃度的年、季、月變化以及采暖期和非采暖期污染變化差異，同時(shí)結(jié)合地面氣象資料，找出不同季節(jié)對PM10濃度有顯著影響的氣象因素.孫丹等[5]利用2001～2010年京津冀、長三角和珠三角三大城市群9個(gè)代表城市每日API資料，分析了三大城市群和不同城市API年際和季節(jié)變化特征.李小飛等[3](P1936-1943)采用2001～2010年我國42個(gè)城市逐日API、主要污染因子、空氣質(zhì)量級別和空氣質(zhì)量狀況資料，分析了我國城市空氣質(zhì)量的變化特征.?；勖舻萚6]采用國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的2014年全國161個(gè)城市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù)，基于克里格插值、三維趨勢面等空間分析手段，揭示重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量時(shí)空分布格局.

滄州位于河北省東南部，處在環(huán)渤海中心地帶，具有一定的代表性，深入分析這一地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況非常必要.目前針對滄州市空氣質(zhì)量狀況分析的相關(guān)工作非常有限，筆者利用2009～2012年滄州市API日報(bào)數(shù)據(jù)，分析了滄州市空氣質(zhì)量變化特征，并運(yùn)用HYSPLIT v4.9模式，分析了不同季節(jié)不同氣團(tuán)后向軌跡與API的關(guān)系.研究結(jié)果將有助于深入了解滄州市空氣質(zhì)量狀況，對于研究如何控制和減輕空氣污染，改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量有著重要意義.

1 材料與方法

API分為5個(gè)等級，7個(gè)檔，范圍為0～500.指數(shù)越大，級別越高，說明污染越嚴(yán)重，對人體健康的危害也越明顯[3](P1936-1943).API范圍與空氣質(zhì)量級別、空氣質(zhì)量狀況、對健康影響和建議采取措施對應(yīng)關(guān)系可參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-8].本研究所用資料來源于河北省環(huán)境保護(hù)廳數(shù)據(jù)中心滄州市空氣質(zhì)量日報(bào)數(shù)據(jù).日報(bào)數(shù)據(jù)包括空氣污染指數(shù)、首要污染物、空氣質(zhì)量級別和空氣質(zhì)量狀況.覆蓋時(shí)段為2009年1月～2012年12月.

采用統(tǒng)計(jì)方法分析滄州市空氣質(zhì)量的年、季等變化特征，并使用Origin 9.0繪制相關(guān)圖件.利用美國海洋與大氣管理局(NOAA)空氣資源實(shí)驗(yàn)室(ARL)提供的混合型單粒子拉格朗日綜合軌跡模式(HYSPLIT)和NCEP GDAS數(shù)據(jù)，計(jì)算到達(dá)研究區(qū)的氣團(tuán)后向軌跡[9-10]，分析了不同季節(jié)不同氣團(tuán)對API的影響.目前，國內(nèi)外廣泛采用HYSPLIT軌跡模式來研究污染物的擴(kuò)散和傳輸問題[11-13].

2 結(jié)果與討論

2.1 API變化特征

圖1為2009～2012年滄州市API逐日變化，總體呈現(xiàn)兩邊凸、中間凹的特征.研究時(shí)段內(nèi)，API變化幅度較大，最小值和最大值分別為10(2011年7月20日)和168(2012年4月29日).按照我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)限值100(API)評價(jià)，超標(biāo)天數(shù)為97天，超標(biāo)率僅為6%；若以一級標(biāo)準(zhǔn)限值50(API)評價(jià)，超標(biāo)天數(shù)為1068，超標(biāo)率高達(dá)73%.整個(gè)研究時(shí)段，API均值為64，2009～2012年分別為69、64、59和61，年際變化不明顯，總體呈現(xiàn)出微弱的下降趨勢.

圖1 滄州市2009～2012年API逐日變化

圖2(a)顯示了2009～2012年API季節(jié)變化的情況.春、夏、秋、冬四季API的均值分別為63、50、61、80.結(jié)果表明，冬季空氣質(zhì)量最差，春、秋兩季空氣質(zhì)量居中，污染程度相差不大，夏季空氣質(zhì)量最好.總體上看API<100，環(huán)境空氣質(zhì)量屬于優(yōu)或良.

依據(jù)研究區(qū)污染物類型和污染程度的差異，首要污染物分為無污染、可吸入顆粒物(PM10)和二氧化硫(SO2)3種情況，并無二氧化氮(NO2)作為首要污染物出現(xiàn).圖2(b)顯示了首要污染物季節(jié)變化的情況.研究時(shí)段內(nèi)，以PM10為首要污染物出現(xiàn)天數(shù)最多(998天)，占到68%，其次為無污染日(393天)，占到27%，而出現(xiàn)SO2為首要污染物的天數(shù)僅占5%.首要污染物在不同季節(jié)出現(xiàn)的天數(shù)也均表現(xiàn)為PM10>無污染>SO2.不同污染因子出現(xiàn)天數(shù)季節(jié)差異性比較明顯，PM10出現(xiàn)的天數(shù)表現(xiàn)為春>冬>秋>夏，無污染出現(xiàn)的天數(shù)表現(xiàn)為夏>秋>春>冬，SO2在冬季出現(xiàn)次數(shù)最多，秋季較少，而春、夏季并沒有出現(xiàn).

研究區(qū)空氣質(zhì)量狀況主要包括優(yōu)、良、輕微污染和輕度污染，并未出現(xiàn)中度污染、中度重污染和重污染.圖2(c)顯示了不同空氣質(zhì)量級別在四季所占比例.研究時(shí)段內(nèi)，優(yōu)或良天氣所占比例最高，分別為27%和66%，輕微污染和輕度污染所占比例最小，說明空氣質(zhì)量總體較好.空氣質(zhì)量為優(yōu)或良天氣主要出現(xiàn)在夏季，其次為春季和秋季，冬季最少.輕微污染和輕度污染主要出現(xiàn)在冬季，而夏季并沒有出現(xiàn).

圖2 滄州市API、首要污染物、空氣質(zhì)量狀況季節(jié)變化

總體上看，研究區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差，春、秋兩季次之，夏季空氣質(zhì)量最好，這一結(jié)果與北方城市污染特征一致[1](P96-101).這種季節(jié)差異與多種因素有關(guān)，冬季北方處在取暖期，燃煤貢獻(xiàn)不容忽視，而且地表裸露部分較多，二次揚(yáng)塵也增加了空氣污染程度；夏季降水對各種大氣污染物的清除作用比較明顯；春季平均風(fēng)速較大，一方面造成了地面二次揚(yáng)塵，增加了大氣污染物的濃度，另一方面，增強(qiáng)了大氣的污染物的擴(kuò)散和稀釋作用，降低了大氣污染物的濃度.

2.2 氣團(tuán)后向軌跡分析

為分析滄州周邊地區(qū)對研究區(qū)域空氣質(zhì)量的影響，選取500m高度[14-15]，進(jìn)行72h的氣團(tuán)后向軌跡模擬.采用HYSPLIT v4.9模式的聚類分析工具，按照氣流軌跡傳輸?shù)乃俣群头较蜻M(jìn)行分類，春、夏、秋、冬四季分別獲得3、4、3、4類氣團(tuán)，代表性氣團(tuán)來向如圖3所示.

圖3 滄州市四季平均氣團(tuán)后向軌跡分布

不同季節(jié)不同氣團(tuán)類型對API的貢獻(xiàn)水平存在差異，如表1所示.春季主要包括西北氣團(tuán)長、中距離輸送和本地排放源，出現(xiàn)比例分別為25%、36%、38%，對API的影響水平相當(dāng)，API分別為66、61和68；夏季主要包括本地排放源、東南和西南以及西北氣團(tuán)的輸送，出現(xiàn)比例分別為38%、33%、9%、20%，以西南氣團(tuán)對應(yīng)API水平最高(68)，西北氣團(tuán)API水平最低(45)；秋季主要包括本地氣團(tuán)、北部和西北氣團(tuán)的輸送，出現(xiàn)比例分別為56%、19%、26%，以北部氣團(tuán)對應(yīng)API最低(37)，要低于夏季西北氣團(tuán)的貢獻(xiàn)水平；冬季主要包括西北偏西長、中距離輸送和西北氣團(tuán)、本地氣團(tuán)，出現(xiàn)比例分別為15%、27%、34%、25%，本地氣團(tuán)對應(yīng)API最高(92).總的來說，秋季北部氣團(tuán)、夏季西北氣團(tuán)比較清潔，對應(yīng)API最低，冬季本地排放源對應(yīng)API最高，冬季采暖和不利污染物擴(kuò)散的氣象條件，可能是造成API較高的主要原因.

表1 四季不同氣團(tuán)后向軌跡對應(yīng)API

注：不同季節(jié)氣團(tuán)后向軌跡如圖3所示.

3 結(jié)論

(1)2009～2012年滄州市API年均值分別為69、64、59和61，年際變化不明顯；冬季空氣質(zhì)量最差，春、秋兩季空氣質(zhì)量居中，夏季空氣質(zhì)量最好；

(2)PM10為首要污染物出現(xiàn)天數(shù)最多，占到68%，SO2為首要污染物僅占5%；空氣質(zhì)量狀況以優(yōu)、良為主，并未出現(xiàn)中度污染和重度污染；

(3)氣團(tuán)后向軌跡分析表明，不同季節(jié)不同類型氣團(tuán)對API的貢獻(xiàn)水平存在差異；秋季北部氣團(tuán)、夏季西北氣團(tuán)比較清潔，對應(yīng)API最低；冬季本地排放源對API貢獻(xiàn)最高，采暖和不利污染物氣象擴(kuò)散條件可能是造成冬季API較高的主要原因.

[1] 李向陽,丁曉妹,高宏,等.中國北方典型城市API特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2011,25(3):96-101.

[2] 王斌,高會旺.中國沿海城市空氣污染指數(shù)的分布特征[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(2):542-548.

[3] 李小飛,張明軍,王圣杰,等.中國空氣污染指數(shù)變化特征及影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(6):1936-1943.

[4] 陳雷華,余曄,陳晉北,等.2001-2007年蘭州市主要大氣污染物污染特征分析[J].高原氣象,2010,29(6):1627-1633.

[5] 孫丹,杜吳鵬,高慶先,等.2001年至2010年中國三大城市群中幾個(gè)典型城市的API變化特征[J].資源科學(xué),2012,34(8):1401-1407.

[6] ?；勖?涂建軍,姚作林,等.中國城市空氣質(zhì)量時(shí)空分布特征[J].河南科學(xué),2016,34(8):1317-1321.

[7] 李文杰,張時(shí)煌,高慶先,等.京津石三市空氣污染指數(shù)(API)的時(shí)空分布特征及其與氣象要素的關(guān)系[J].資源科學(xué),2012,34(8):1392-1400.

[8] 任彥卿,曹國良,涂娟.陜西省4市2007-2009年空氣污染指數(shù)分析[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2010,30(8):43-45.

[9] Pu W, Zhao X, Shi X, et al. Impact of long-range transport on aerosol properties at a regional background station in Northern China[J]. Atmospheric Research, 2015,153:489-499.

[10] Zhu L, Huang X, Shi H, et al. Transport pathways and potential sources of PM10in Beijing[J]. Atmospheric Environment, 2011,45(3):594-604.

[11] Juda-Rezler K, Reizer M, Oudinet J-P. Determination and analysis of PM10source apportionment during episodes of air pollution in Central Eastern European urban areas: The case of wintertime 2006[J]. Atmospheric Environment, 2011,45(36):6557-6566.

[12] Wang F, Chen D, Cheng S, et al. Identification of regional atmospheric PM10transport pathways using HYSPLIT, MM5-CMAQ and synoptic pressure pattern analysis[J]. Environmental Modelling & Software, 2010,25(8):927-934.

[13] 徐曉斌,劉希文,林偉立.輸送對區(qū)域本底站痕量氣體濃度的影響[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2009,20(6):656-664.

[14] Karaca F, Anil I, Alagha O. Long-range potential source contributions of episodic aerosol events to PM10profile of a megacity[J]. Atmospheric Environment, 2009,43(36):5713-5722.

[15] Karaca F, Camci F. Distant source contributions to PM10profile evaluated by SOM based cluster analysis of air mass trajectory sets[J]. Atmospheric Environment, 2010,44(7):892-899.

[責(zé)任編輯：尤書才]

Variation Characteristics of Air Quality in Cangzhou City

XU Mei1, LI Xiu-rong2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Cangzhou Normal University, Cangzhou, Hebei 061001, China;2.Office of Teaching Affairs, Cangzhou Normal University, Cangzhou, Hebei 061001, China)

In order to understand the environmental air quality in Cangzhou city, the variation characteristics of air quality were analyzed with the daily air pollution index (API), primary pollutant, air quality level and status from 2009 to 2012. The relationship between air mass backward trajectory and air quality was discussed with HYSPLIT trajectory model. The results showed that API presented obvious seasonal variations with the highest value in winter and the lowest in summer. PM10was the principal pollutant and accounts for 63% during the whole period. The percentage of excellent and good air quality was 93% during the whole period. The cluster analysis of backward trajectories showed that the contributions of different types of air masses to API were different in four seasons. The north air mass in fall and northwest air mass in summer had the lowest API; while the local source led to the highest API, suggesting that the heating and adverse weather conditions in winter may be the main cause of high API in winter.

air quality; variation characteristics; Cangzhou; backward trajectory

2017-03-27

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目“滄州大氣顆粒物中金屬元素污染特征及來源研究”，編號：No.QN2015305；滄州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“基于GIS技術(shù)的大氣顆粒物金屬元素分布特征研究”，編號：No.151303003；滄州市社科聯(lián)項(xiàng)目“京津冀地區(qū)霾污染研究”，編號：No.2016060.

徐 美(1980-)，女，河北滄州人，滄州師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院講師，工學(xué)碩士，研究方向：環(huán)境監(jiān)測和評價(jià).

X513

A

2095-2910(2017)02-0053-05