張朝雨， 廉麗姝， 李瑞平， 馮亞潔， 譚麗榮， 程 禛

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，276826，山東省日照市)

近年來，我國消耗大量能源，導(dǎo)致大氣污染愈加嚴(yán)重[1].2018年我國能源消費(fèi)總量為464 000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，煤炭和石油各占59.0 %和18.9 %[2]，全年338個地級及以上城市發(fā)生重度污染1 899天次，嚴(yán)重污染822天次[3].大氣重污染問題已受到全社會普遍關(guān)注.關(guān)于大氣重污染問題，已有學(xué)者開展了一系列研究.劉海猛,等[4]分析了京津冀城市群大氣污染的時空特征，結(jié)果表明：其PM2.5濃度秋冬高、春夏低，東南高、西北低.孔君,等[5]發(fā)現(xiàn)若污染源無較大改變，氣象因子會在很大程度上影響污染過程.目前，此類研究大多對重污染類型不加以區(qū)分.然而，氣象條件復(fù)雜多樣，其引發(fā)的大氣重污染事件的特征和類型也不同.此外，山東省環(huán)境空氣質(zhì)量狀況不容樂觀，李名升,等[6]分析了中國PM2.5污染的空間格局，發(fā)現(xiàn)京津冀及其周邊的山東、河南、山西是污染最重的地區(qū).李恬等[7]指出1961—2013年，山東省的年均霾日數(shù)整體呈上升趨勢，濟(jì)南位居山東省霾日高發(fā)區(qū)域首位.

濟(jì)南市位于山東省中西部，36°01′N～37°32′N，116°11′E～117°44′E之間(下頁圖1).

濟(jì)南北、東、南三面環(huán)山，使盛行的E、S、ENE風(fēng)受到阻擋，通風(fēng)條件差，污染物不宜擴(kuò)散.同時，濟(jì)南人口多，2018年常住人口達(dá)746.04萬人，能源消耗密集，污染物排放多且集中，一旦遇到持續(xù)性的不利天氣，空氣質(zhì)量會迅速變差.2018年，濟(jì)南市區(qū)PM2.5和PM10年均濃度分別為國家二級標(biāo)準(zhǔn)限值[8]的1.5倍和1.6倍.

本文采用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、污染物質(zhì)量濃度以及氣象要素日值數(shù)據(jù)，對2014—2018年濟(jì)南市區(qū)大氣重污染特征及其類型進(jìn)行分析，并識別不同類型大氣重污染的主要?dú)庀笥绊懸蜃樱瑸闈?jì)南市區(qū)不同氣象條件下的大氣污染防治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持.

1 數(shù)據(jù)來源與方法

采用全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺(http:∥106.37.208.233:20035/)公布的濟(jì)南市區(qū)AQI日值數(shù)據(jù)、8個國控點(diǎn)(圖1)的PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的質(zhì)量濃度日值數(shù)據(jù)以及中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https:∥data.cma.cn/)公布的濟(jì)南市區(qū)氣象要素日值數(shù)據(jù).并對8個監(jiān)測站點(diǎn)每日的污染物濃度進(jìn)行多站點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值計算，得到整個濟(jì)南市區(qū)污染物濃度的均值.記錄時間為2014-01-01～2018-12-31，資料具有比較好的連續(xù)性和完整性.

圖1 山東省地形及濟(jì)南市區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

參考有關(guān)規(guī)定[9]，本研究中的“污染”指AQI在100以上的大氣污染，而“重污染”專指AQI在200以上的大氣污染.季節(jié)劃分以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季.

分別采用主成分分析和相關(guān)性分析計算重污染條件下各氣象因子影響權(quán)重和污染物濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù).

參考前人的分類[1]，將濟(jì)南市區(qū)發(fā)生的大氣重污染事件分為積累型、沙塵型、O3光化學(xué)型以及復(fù)合型.積累型因不利大氣擴(kuò)散條件導(dǎo)致污染物積累而形成；沙塵型因沙塵天氣而形成；O3光化學(xué)型因強(qiáng)烈的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量O3而形成；復(fù)合型則由多種因素共同導(dǎo)致.

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣重污染特征分析

2.1.1 大氣重污染整體特征

2014—2018年濟(jì)南市區(qū)共出現(xiàn)大氣污染1 047天，頻率為57.3 %，期間，重污染131天，頻率為7.2 %.重污染發(fā)生時，PM2.5和PM10超標(biāo)(AQI分指數(shù)>100)[9]比例非常高，重污染日中濃度分別超標(biāo)127天和126天；NO2超標(biāo)比例較高，重污染日中濃度超標(biāo)67天；而SO2、CO和O3超標(biāo)比例較低，重污染日中濃度分別超標(biāo)12天、7天和7天.

從季節(jié)分布來看，重污染主要發(fā)生在冬季，重污染天數(shù)占全年的67.2 %，其中，又以12月至次年1月最多(圖2)；其次為秋季和春季，重污染天數(shù)分別占全年的18.3 %和11.5 %；夏季最少，僅占全年的3.1 %.但在春、夏、秋、冬四季的重污染日中，O3的超標(biāo)天數(shù)分別為1天、4天、2天和0天，冬季沒有發(fā)生超標(biāo)，與以冬季為主的重污染季節(jié)分布規(guī)律相反.

圖2 2014—2018年濟(jì)南市區(qū)各月份大氣重污染天數(shù)

從年際變化來看，2014—2018年重污染天數(shù)分別為35天、38天、24天、20天、14天，大致呈減少趨勢；重污染次數(shù)(跨年的重污染過程計入其開始的年份)分別為24次、19次、15次、10次、5次，也呈逐年減少的趨勢.

從首要污染物來看，131個重污染日中，首要污染物為PM2.5、PM10和O3的天數(shù)分別為113天、14天和4天，說明濟(jì)南市區(qū)大氣重污染均為顆粒物重污染和O3重污染，且PM2.5重污染最為突出，2014—2018年大氣重污染日PM2.5的平均質(zhì)量濃度為日均濃度國家二級標(biāo)準(zhǔn)限值[8]的2.6倍.

2.1.2 大氣重污染類型特征

2013年后，濟(jì)南加大揚(yáng)塵源頭治理和管控，對鋼鐵、水泥、石化等高污染行業(yè)限期治理，加快工業(yè)余熱利用和燃煤鍋爐達(dá)標(biāo)升級，擴(kuò)大清潔能源推廣使用，減少了污染物的排放，濟(jì)南的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”取得了顯著成果.2014—2018年濟(jì)南市區(qū)共出現(xiàn)73次大氣重污染，年均14.6次，積累型、沙塵型、O3光化學(xué)型以及復(fù)合型分別為 37、3、4、29次，分別占總次數(shù)的50.7 %、4.1 %、5.5 %和39.7 %.

從各季節(jié)大氣重污染事件的類型來看，秋、冬、春3季以積累型和復(fù)合型為主，偶有沙塵型重污染出現(xiàn).秋季11次重污染中9次為積累型，2次為復(fù)合型；冬季43次重污染中20次為積累型，21次為復(fù)合型，2次為沙塵型；春季15次重污染中8次為積累型，6次為復(fù)合型，1次為沙塵型.濟(jì)南市區(qū)夏季大氣重污染的次數(shù)不多，以O(shè)3光化學(xué)型為主，研究期間夏季的4次重污染全部為O3光化學(xué)型(圖3a).

圖3 2014—2018年濟(jì)南市區(qū)大氣重污染月際變化及年際變化

從各類大氣重污染事件的年際變化來看，2014—2018年濟(jì)南市區(qū)大氣重污染以積累型為主，積累型重污染分別出現(xiàn)11次、11次、9次、3次、3次，基本呈減少趨勢；沙塵型重污染出現(xiàn)的次數(shù)不多，于2014年出現(xiàn)2次，于2017年出現(xiàn)1次；近年來，O3光化學(xué)型重污染開始顯現(xiàn)，于2017年和2018年各出現(xiàn)2次；復(fù)合型重污染的次數(shù)僅次于積累型重污染，是較為主要的一種重污染類型，但這5年來呈明顯減少趨勢，2014—2017年分別出現(xiàn)11次、8次、6次、4次，2018年沒有復(fù)合型重污染發(fā)生(圖3b).

從各類大氣重污染事件的污染物濃度來看，積累型重污染發(fā)生時，多數(shù)污染物濃度同步升高，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均濃度分別為年平均值的2.7倍、2.1倍、1.8倍、2.2倍、1.7倍和0.4倍；沙塵型重污染發(fā)生時，顆粒物濃度急劇升高，并且以粗顆粒為主，其他污染物濃度與積累型重污染發(fā)生時差異較小，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均濃度分別為年平均值的1.8倍、2.2倍、2.3倍、1.4倍、1.2倍和0.4倍；O3光化學(xué)型重污染發(fā)生時，O3濃度極高，而其他5種污染物濃度均較低，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均濃度分別為年平均值的1.0倍、1.0倍、0.6倍、1.0倍、1.1倍和2.7倍；復(fù)合型重污染發(fā)生時，多數(shù)污染物的濃度比其他3類重污染高，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的平均濃度分別為年平均值的2.7倍、2.2倍、2.8倍、2.1倍、1.8倍和0.5倍(表1).

表1 2014—2018年濟(jì)南市區(qū)4種大氣重污染類型的污染物濃度

2.2 大氣重污染的氣象影響因子分析

2.2.1 影響大氣重污染的氣象要素

大氣污染會受到氣象條件的影響[10]，根據(jù)前人經(jīng)驗[11]篩選出對大氣污染影響較大的5項氣象要素，分別為風(fēng)速、相對濕度、氣壓、氣溫和日照時數(shù)，其年平均值分別為2.4 m/s、55.7 %、996.8 hPa、15.4 ℃和6.2 h，重污染日平均值分別為1.8 m/s、64.6 %、1 002.5 hPa、7.1 ℃和3.4 h.重污染日平均值高于年平均值的為相對濕度和氣壓，而風(fēng)速、氣溫和日照時數(shù)的重污染日平均值均在年平均值以下.較小的風(fēng)速和高壓不利于污染物的擴(kuò)散，污染物易堆積在近地面，導(dǎo)致大氣重污染；在一定的濕度范圍內(nèi)，相對濕度越大越有利于形成顆粒物；重污染日平均氣溫低于年平均值與重污染多發(fā)生在氣溫較低的采暖期有關(guān)；而日照主要影響O3的形成.

利用主成分分析計算重污染條件下風(fēng)速、相對濕度、氣壓、氣溫和日照時數(shù)影響權(quán)重分別為0.253、0.302、0.080、0.132、0.234，對空氣質(zhì)量影響最大的氣象因子為相對濕度，風(fēng)速和日照時數(shù)次之，氣溫和氣壓影響較小.

將2014—2018年濟(jì)南市區(qū)3種首要污染物(PM2.5、PM10和O3)全年平均濃度、重污染日平均濃度及非重污染日平均濃度分別與5項氣象要素的值進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，發(fā)現(xiàn)污染物濃度與各氣象要素的相關(guān)性存在顯著差異.

表2 2014—2018年濟(jì)南市區(qū)3種首要污染物濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

從全年來看，PM2.5和PM10濃度均與氣壓正相關(guān)，與風(fēng)速、氣溫和日照時數(shù)負(fù)相關(guān)，而二者與相對濕度的相關(guān)性相反，PM2.5濃度與其正相關(guān)，PM10濃度與其負(fù)相關(guān).O3濃度與各項氣象要素的相關(guān)性與PM2.5均相反，表明促進(jìn)O3形成的氣象條件與促進(jìn)顆粒物形成的氣象條件有較大差異，5年間，濟(jì)南市區(qū)的O3光化學(xué)型重污染的發(fā)生季節(jié)與其他3類重污染不同，均發(fā)生在夏季，也印證了這一點(diǎn).此外，將重污染日與非重污染日對比，就通過了相關(guān)性檢驗的項目來講，重污染日和非重污染日的污染物濃度與氣象因子的相關(guān)性在方向上呈一致，且重污染日的相關(guān)程度絕大部分大于非重污染日，整體上，重污染日的污染物濃度與氣象因子的相關(guān)性更強(qiáng).

2.2.2 不同類型大氣重污染的氣象條件差異

各類重污染事件發(fā)生時的氣象條件各不相同，故分別對4類大氣重污染事件的氣象條件(圖4)進(jìn)行討論.

圖4 2014—2018年濟(jì)南市區(qū)4種大氣重污染類型的氣象要素分布

積累型重污染一般在靜穩(wěn)天氣下發(fā)生，期間，風(fēng)速小(<3 m/s)(圖4a)，相對濕度大(≥50 %)(圖4b)，平均風(fēng)速為1.5 m/s，平均相對濕度為72.6 %，分別為年平均值的0.6倍和1.3倍.此外，積累型重污染期間，氣壓、氣溫和日照時數(shù)的分布區(qū)間較廣(圖4c、d、e)，平均氣壓為1 002.7 hPa，平均氣溫為6.6 ℃，平均日照時數(shù)為2.6 h，分別為年平均值的1.0倍、0.4倍和0.4倍，這和積累型重污染在秋、冬、春3季都有分布有關(guān).積累型重污染的發(fā)生還與近地層逆溫有關(guān).輻射逆溫出現(xiàn)頻率高、厚度大、強(qiáng)度高，會使大氣變得更加穩(wěn)定，限制大氣污染物的稀釋和擴(kuò)散[12].

沙塵天氣發(fā)生時，沙塵粒子劇增，致使顆粒物濃度迅速升高，極易造成沙塵型重污染，期間，風(fēng)速較大(>3 m/s)(圖4a)，相對濕度小(<60 %)(圖4b)，平均風(fēng)速為4.0 m/s，平均相對濕度為40.7 %，分別為年平均值的1.7倍和0.7倍.易導(dǎo)致沙塵型重污染的大風(fēng)多在冬季和春季產(chǎn)生，故沙塵型重污染期間，氣壓的分布比較分散(圖4c)，平均氣壓為1 002.4 hPa，為年平均值的1.0倍；氣溫和日照時數(shù)的分布也比較分散，且沒有較高的值(圖4d、e)，平均氣溫為7.7 ℃，平均日照時數(shù)為4.7 h，分別為年平均值的0.5倍和0.7倍.

O3光化學(xué)型重污染期間，氣象狀況相對停滯，風(fēng)速較小(<2 m/s)(圖4a)，相對濕度多在40%～60 %之間(圖4b)，平均風(fēng)速為1.7 m/s，平均相對濕度為59.3 %，分別為年平均值的0.7倍和1.1倍.其氣壓、氣溫和日照時數(shù)的分布明顯異于其他3類重污染，氣壓值均較低，氣溫和日照時數(shù)的值均較高(圖4c、d、e).這是因為在光照充足且高溫時，汽車尾氣和工業(yè)排放出的氮氧化物及揮發(fā)性有機(jī)化合物會與氧發(fā)生反應(yīng)，生成大量O3[13-14]，從而造成大氣重污染，而氣壓偏低可能與氣溫有關(guān)，夏季高溫一般對應(yīng)低氣壓，故而O3光化學(xué)型重污染期間，氣壓較低(<995 hPa)(圖4c)，氣溫高(>25 ℃)(圖4d)，日照時數(shù)多(>9 h)(圖4e)，平均氣壓為986.2 hPa，平均氣溫為28.7 ℃，平均日照時數(shù)為10.7 h，分別為年平均值的1.0倍、1.9倍和1.7倍.

復(fù)合型重污染由多種因素共同影響所致，一般因污染物積累及沙塵天氣共同作用而形成[15]，其氣象條件不確定性較大，風(fēng)速、相對濕度、氣壓、氣溫和日照時數(shù)分布區(qū)間較廣(圖4)，平均風(fēng)速為2.2 m/s，平均相對濕度為53.6 %，平均氣壓為1003.6 hPa，平均氣溫為6.0 ℃，平均日照時數(shù)為3.9 h，分別為年平均值的0.9倍、1.0倍、1.0倍、0.4倍和0.6倍.

3 結(jié) 論

本文通過分析2014—2018年濟(jì)南市區(qū)大氣重污染特征及氣象影響因子，得出以下結(jié)論：

(1)2014—2018年濟(jì)南市區(qū)大氣重污染發(fā)生較為頻繁，其季節(jié)分布和年際變化特征顯著.從季節(jié)分布來看，重污染主要發(fā)生在冬季，其次為秋季和春季，夏季最少.從年際變化來看，重污染天數(shù)和次數(shù)呈逐年減少趨勢.此外，PM2.5是濟(jì)南市區(qū)最主要的大氣污染物.

(2)不同類型大氣重污染的特征各有不同.2014—2018年濟(jì)南市區(qū)發(fā)生的大氣重污染，主要為積累型和復(fù)合型.從季節(jié)分布來看，秋、冬、春3季的大氣重污染以積累型和復(fù)合型為主，有沙塵型重污染出現(xiàn)，但并不頻繁.夏季大氣重污染的次數(shù)不多，以O(shè)3光化學(xué)型為主.從年際變化來看，積累型和復(fù)合型重污染基本呈減少趨勢；沙塵型重污染出現(xiàn)次數(shù)不多；近年來，O3光化學(xué)型重污染開始顯現(xiàn).此外，各類重污染發(fā)生時污染物濃度變化各不相同.

(3) 氣象條件會影響環(huán)境空氣質(zhì)量.相對濕度和氣壓的重污染日平均值高于年平均值，而風(fēng)速、氣溫和日照時數(shù)則相反.5項氣象要素中，相對濕度對空氣質(zhì)量影響最大，風(fēng)速和日照時數(shù)次之，氣溫和氣壓影響較小.污染物濃度與各氣象要素的相關(guān)性存在顯著差異.

(4) 各類重污染事件發(fā)生時的氣象條件各不相同.積累型重污染和沙塵型重污染期間，氣壓、氣溫和日照時數(shù)的分布區(qū)間均較廣，前者多發(fā)生在風(fēng)速小、相對濕度大的時期，后者多發(fā)生在風(fēng)速較大、相對濕度小的時期；O3光化學(xué)型重污染期間，風(fēng)速較小，相對濕度較大，氣壓較低，氣溫高且日照強(qiáng)；復(fù)合型重污染期間，氣象條件的不確定性較大.