任艷培,張洪偉,謝國紅

（河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

空氣污染是我國目前主要的環(huán)境問題之一,對環(huán)境、氣候、人類健康和交通等帶來很大影響,據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,全球每年有高達300多萬人因室外空氣污染而死亡[1].隨著科技進步、社會發(fā)展,城市化、工業(yè)化的進程不斷加快,產(chǎn)生了各種空氣污染,如工業(yè)廢氣、生活燃煤、汽車尾氣、核爆炸等,嚴重破壞了我們賴以生存的空氣環(huán)境,空氣污染問題更加突出[2].由于嚴重的區(qū)域性污染事件的頻繁發(fā)生,中國的空氣污染日益受到廣大公眾、科研人員和決策者的關(guān)注.Hu等[3]分析了華北平原和長三角PM2.5和PM10的時空變異性,在250 km內(nèi)的城市之間,PM2.5和PM10的時間相關(guān)性很強,在所有城市中,PM2.5、PM10和其他氣態(tài)污染物（CO、SO2、NO2和O3）沒有明顯的工作日/周末差異.Guan等[4]對甘肅省西部重點地區(qū)顆粒物時空變異性進行研究,春冬PM組分的值普遍較高,夏季和秋季的質(zhì)量濃度較低,人為活動與邊界層高度和風(fēng)力共同導(dǎo)致了PM的日變化.Chai等[5]研究我國26個城市顆粒物和氣態(tài)污染物的時空變化,中國北方城市的SO2和CO質(zhì)量濃度遠高于南方城市,對于O3和NO2北方城市和南方城市之間沒有顯著差異.Zhao等[6]對西南最大城市群SO2和NO2的長期趨勢進行分析,在第十一個五年計劃期間NO2排放減少并沒有成功,在第十二個五年計劃之后,NO2的下降并不明顯.Sabin Kasparoglu等[7]對土耳其馬爾馬拉地區(qū)農(nóng)村和城市地點O3、NO和NO2質(zhì)量濃度的時空變化進行分析,分析得出地表O3是馬爾馬拉地區(qū)普遍存在的問題,O3和NO之間存在相反的季節(jié)性行為.雖然這些研究對區(qū)域性空氣治理提供了有價值的見解,但對河南鄭州的空氣污染分析很少.

鄭州市位于河南省中部,是河南省省會,兩條橫貫中國東西和南北的鐵路線——京廣線和隴海線在此交匯,因此被人們稱為“火車拉來的城市”,也是國務(wù)院批復(fù)確定的中國中部地區(qū)重要的中心城市.鄭州市作為我國重要的交通樞紐,人口基數(shù)大,房屋密集性強,研究鄭州空氣污染物的變化規(guī)律對鄭州空氣污染防治起著關(guān)鍵作用.近幾年來,鄭州市采取的污染防控措施取得一定的成效,但鄭州的經(jīng)濟增長在一定程度上依賴于高污染產(chǎn)業(yè),對煤炭、石油的需求量很大,生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的污染物,質(zhì)量濃度較高,對環(huán)境影響十分嚴重[8],2019年,全國337個地級市及以上城市中,180個城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標,占53.4%,根據(jù)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評價,鄭州市空氣質(zhì)量排名在后20名[9],需引起重視.本文主要研究鄭州市綜合空氣污染指標及PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3的時空變化,研究污染物和氣象因素之間的相互關(guān)系,更全面地了解鄭州市空氣污染現(xiàn)狀,以期為鄭州市開展空氣污染治理、促進鄭州市經(jīng)濟健康發(fā)展提供全面直觀的參考數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中的數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站（http：//www.cnemc.cn/）發(fā)布的AQI和6種污染物的小時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),本文所有數(shù)據(jù)均以小時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過計算算術(shù)平均值獲得.由于監(jiān)測儀器存在的調(diào)試、斷電等情況,監(jiān)測會有中斷的可能,在計算平均濃度之前,只有當監(jiān)測日超過19 h的有效數(shù)據(jù)時,才能計算每種污染物的24 h平均濃度.每個月監(jiān)測日少于27 d數(shù)據(jù)的月份視為無效監(jiān)測,不參與本文數(shù)據(jù)分析.以前的一些研究也使用了相同的方法來分析華北平原和長三角地區(qū)夏季PM2.5和PM10[3].

1.2 評價方法

AQI（Air quality index）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的非線性無量綱指數(shù),以《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB 3095—2012）和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）為評價依據(jù),參與評價的空氣污染物有細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）和一氧化碳（CO）共6種[10],數(shù)據(jù)每小時更新一次.空氣質(zhì)量指數(shù)按（1）式計算

式（1）中：IAQI為空氣質(zhì)量分指數(shù),n為污染物項目.

AQI僅表示某區(qū)域空氣污染程度但不表示某種具體污染物的含量值.本文通過對2015—2019年間日平均AQI對鄭州市空氣質(zhì)量進行評估,根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的大小,可把空氣質(zhì)量分為6個級別（見表1）.

表1空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）分級Tab.1 Classification of air quality index（AQI）

2 結(jié)果與分析

2.1 鄭州市2015年—2019年空氣質(zhì)量統(tǒng)計分析

圖1可以看出鄭州市2015—2019年空氣質(zhì)量等級的占比及空氣達標情況.空氣達標天數(shù)共占統(tǒng)計天數(shù)的55%,其中空氣質(zhì)量為良的有901 d,占統(tǒng)計天數(shù)的49%,空氣質(zhì)量為優(yōu)級的天數(shù)有104 d,僅占統(tǒng)計天數(shù)的6%.未達標天數(shù)中,輕度污染占25%,為450 d,中度、重度及嚴重污染共有364 d,共占統(tǒng)計天數(shù)的20%.

圖1 2015—2019年鄭州空氣市質(zhì)量狀況Fig.1 Air quality in Zhengzhou from2015 to 2019

研究表明,空氣污染對人的身體健康造成一定的危害,主要表現(xiàn)在呼吸道疾病與生理機能障礙,以及眼鼻等黏膜組織受到刺激而患病.當空氣質(zhì)量為輕度污染時,人體吸入的灰塵會由鼻腔的黏液和各類支氣管里的黏液將灰塵黏連住,易感人群眼鼻等黏膜組織會受到刺激而患病.當空氣質(zhì)量為中度污染時,健康人群可能會引起急性鼻炎和急性支氣管炎等病癥[11]；心臟病和肺病等患者有明顯的加重現(xiàn)象,出現(xiàn)呼吸急促、困難等現(xiàn)象.長期生活在重度污染狀況下的健康人群會出現(xiàn)一些阻塞性肺氣腫、支氣管哮喘等呼吸道疾病[12].當空氣污染程度達到嚴重時,呼吸道的凈化作用將降低,甚至完全喪失,病人和老年人可能會提前死亡[13-15].

2.2 時間變化

2.2.1年變化 圖2表示了鄭州市2015—2019年AQI及6種主要污染物年變化情況.近5年來,AQI指數(shù)分別為135.3、118.8、112.3、107.5和97,空氣污染指數(shù)下降28.31%,呈明顯線性下降趨勢.2015—2018年鄭州市整體空氣質(zhì)量超過國家二級標準,為輕度污染,2019年鄭州市整體空氣質(zhì)量達到國家二級標準,空氣質(zhì)量等級為良.PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2污染物質(zhì)量濃度都呈明顯的下降趨勢,2019年與2015年相比,PM10、PM2.5、SO2、CO和NO2質(zhì)量濃度的下降比率分別是36.25%、37.55%、71.58%、27.71%和40.57%,下降比率最高的是SO2.2015年P(guān)M2.5與PM10分別超過環(huán)境空氣質(zhì)量標準限定二級標準的63.14%、57.84%,2019年P(guān)M2.5與PM10分別超過環(huán)境空氣質(zhì)量標準限定二級標準的40.99%、33.87%,明顯下降.O3質(zhì)量濃度有明顯上升趨勢,2019年與2015年相比O3的質(zhì)量濃度上升27.44%,2019年與2018年相比,O3質(zhì)量濃度有稍微下降,下降了1.02 ug/m3,降低1.49%.整體來說,鄭州市空氣環(huán)境質(zhì)量得到一定的改善,這與鄭州的經(jīng)濟政策、空氣防控治理有顯著的關(guān)系.

圖2 鄭州市2015—2019年AQI指數(shù)及主要污染物年變化趨勢Fig.2 Annual variation trend of AQI and major pollutantsin Zhengzhou from2015 to2019

2.2.2季節(jié)變化 圖3表示2015—2019年來整體AQI及6種主要污染物的季節(jié)性污染程度.

圖3 鄭州市2015—2019年整體AQI及主要污染物季節(jié)變化趨勢Fig.3 Seasonal variation trend of AQI and major pollutantsin Zhengzhou from2015 to2019

近5年來鄭州市的空氣質(zhì)量指數(shù)呈明顯的“兩頭高,中間低”的季節(jié)性變化,冬季AQI指數(shù)最高,平均AQI值為161.8,春季次之,平均AQI值為116.2,秋季、夏季AQI值較低,平均值分別為96.8、81.8,其排序為冬季＞春季＞秋季＞夏季.CO和NO2的季節(jié)性質(zhì)量濃度為冬＞秋＞春＞夏,PM10,PM2.5和SO2的季節(jié)性質(zhì)量濃度為冬＞春＞秋＞夏,O3季節(jié)性質(zhì)量濃度為夏＞春＞秋＞冬.整體來說,5年來冬季污染物質(zhì)量濃度最高,O3反之[16].5年P(guān)M2.5平均質(zhì)量濃度超過環(huán)境空氣質(zhì)量標準限定二級標準的52.49%,污染程度最高,這些季節(jié)變化反映了氣象條件和排放的影響.

鄭州城市建筑密度大,冬季干燥,隨著逆溫天氣,大氣層穩(wěn)定,出現(xiàn)以淺層混合層為特征的停滯氣象條件,污染氣體堆積不容易擴散,導(dǎo)致高的質(zhì)量濃度,當達到一定質(zhì)量濃度時就會有霧霾出現(xiàn)[17].每年供暖時間集中在12月至次年3月,多以煤炭和生物質(zhì)燃燒為基礎(chǔ)家庭供暖,也有助于冬季形成高污染；夏季由于多高壓活動,溫度較高,空氣流動比較頻繁,有利于污染物的擴散,且夏季降雨比冬季多,有利于污染物的淋洗.O3表現(xiàn)出相反的季節(jié)性變化,夏季質(zhì)量濃度最高,冬季最低,因為O3的形成速率取決于太陽輻射的強度[18].

2.2.3月變化 近5年來的AQI及主要污染物（O3除外）的月均值逐月變化趨勢相近,如圖4所示,變化曲線整體呈“U”型,O3變化曲線呈“∩”型,PM2.5、PM10的月變化比較顯著,SO2、NO2的月變化幅度比較小,主要污染物質(zhì)量濃度的峰值都集中在1月（O3除外）,谷值存在些許差異：CO、SO2、NO2、PM2.5的質(zhì)量濃度谷值都集中在7月,AQI和PM10的質(zhì)量濃度谷值都集中在8月.相反,O3的質(zhì)量濃度峰值在6月,高達114.13μg/m3.5—10月的空氣質(zhì)量相對較好,1月份空氣質(zhì)量最差,其次是12月份,這與人為因素、天氣條件和氣象因素等多重條件影響有關(guān).5—10月特別是夏季,強烈的太陽輻射和較高的溫度有利于空氣污染物的擴散和稀釋,但是,持續(xù)高溫和強日照天氣,有利于氮氧化物和揮發(fā)性有機物發(fā)生空氣光化學(xué)反應(yīng),容易造成光化學(xué)煙霧和二次臭氧生產(chǎn),O3污染物的質(zhì)量濃度隨之升高,夏季降水量大,降水日多,對空氣進行淋洗,也對O3質(zhì)量濃度的降低起到了一定的作用；鄭州市冬季最長,空氣湍流和對流相對較弱,大氣層較穩(wěn)定,采暖期污染物排放量大,加之降水量較小,空氣質(zhì)量明顯較差.

圖4 鄭州市2015—2019年AQI及主要污染物月變化趨勢Fig.4 Monthly variation trend of AQI and major pollutants in Zhengzhou from2015 to 2019

2.2.4日變化 圖5表示了鄭州市2015—2019年空氣質(zhì)量指數(shù)日變化情況.2015—2019年鄭州市的空氣質(zhì)量日變化明顯,與季節(jié)性分析相符,兩邊高、中間低,冬、春季空氣質(zhì)量較差,AQI值較高,夏、秋季污染程度較小,AQI值較低；2016年峰值在冬季12月,為499.96,谷值在10月,為35.33；2019年峰值在冬季1月,為324.17,谷值在9月,為18.79.相比之下,峰值下降較為明顯.作為河南省省會,處于全國的交通中心區(qū)域,人口密度大,工業(yè)相對發(fā)達,污染物排放量較大,且建筑物密集,阻礙空氣流通,其環(huán)境治理政策及規(guī)模都會相對大一些,但空氣污染問題依舊嚴峻[19],可能是多種空氣污染物共同作用引起的.

圖5 鄭州市2015—2019年AQI日變化趨勢Fig.5 Daily variation trend of AQI in Zhengzhou from2015 to2019

2.3 6種主要污染物變化規(guī)律綜合分析

圖6為2015—2019年6種主要污染物質(zhì)量濃度變化.

圖6 鄭州市2015—2019年6種主要污染物質(zhì)量濃度變化特征Fig.6 Characteristics variation of the concentration of six main pollutants in Zhengzhou from2015 to 2019

由圖6可知,其與季節(jié)性變化分析相符,SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10污染物在冬春季質(zhì)量濃度較高,夏秋季污染物質(zhì)量濃度較低,特別是PM2.5和PM10,污染程度較高,1月份（如圖6-C,圖6-D）,0：00-24：00全天24 h污染物質(zhì)量濃度都居高不下.PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2質(zhì)量濃度趨勢呈“W”形,冬季變化尤為明顯,有兩個谷和兩個峰,鄭州冬季寒冷干燥,空氣下沉凝結(jié),不利于污染物擴散,且冬季取暖燃燒大量能源,導(dǎo)致廢棄物排放較多,除此之外,這與氣象條件、人類活動也有很大的關(guān)系.

第一個山谷發(fā)生在08：00左右,PM10和CO發(fā)生較早,在06：00左右,早上人類活動和污染物沉積較少.清晨起床,人類活動開始增加,車流量逐漸增多,加之車輛尾氣排放,污染物質(zhì)量濃度隨之升高,第一個峰值出現(xiàn)在10：00-11：00左右,第二個山谷發(fā)生在16：00左右,16：00之后污染物質(zhì)量濃度又出現(xiàn)升高現(xiàn)象,即將迎來下班高峰期,下班之后人類活動較多,污染物質(zhì)量濃度升高,21：00左右,污染物質(zhì)量濃度達到第二個峰值.SO2的第二個山谷在19：00左右,相對較晚,這可能與人類作息、化石燃料燃燒有關(guān),19：00之后質(zhì)量濃度升高.夏秋季節(jié)不用采暖,且高溫多雨,有利于空氣污染物的稀釋和分散,相對污染物質(zhì)量濃度都有明顯的降低（O3除外）.O3與NO2呈明顯的相反趨勢,O3質(zhì)量濃度在07：00出現(xiàn)谷值,15：00左右出現(xiàn)峰值,冬季O3質(zhì)量濃度較低,夏秋季節(jié)質(zhì)量濃度較高,夏季高溫輻射,有利于發(fā)生空氣光化學(xué)反應(yīng),O3隨著溫度升高而上升,6月份污染程度最高,在15：00左右,O3質(zhì)量濃度達到188.84μg/m3.

2.4 AQI指數(shù)與氣象要素相關(guān)性分析

2.4.1 AQI與6種主要污染物相關(guān)性分析 鄭州市2015—2019年AQI與6種主要污染物相關(guān)性分析結(jié)果見表2.

表2鄭州市2015—2019年AQI與六種主要污染物相關(guān)性Tab.2 Correlation analysisof AQI and six major pollutants in Zhengzhou from2015 to 2019

由表2知,AQI與PM10、PM2.5的相關(guān)系數(shù)分別為0.937、0.956,其絕對值均大于0.8,呈極強相關(guān),AQI與CO、NO2的相關(guān)系數(shù)分別為0.768、0.648,其絕對值介于0.6～0.8,呈強相關(guān),AQI與SO2的相關(guān)系數(shù)為0.516,其絕對值介于0.4～0.6,呈中度相關(guān),AQI與O3的相關(guān)系數(shù)為-0.323,呈弱相關(guān).

AQI值越大,PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2的質(zhì)量濃度越高,空氣污染越嚴重,空氣質(zhì)量越差.特別是鄭州在冬季采暖期.煤炭的不完全燃燒等使得CO質(zhì)量濃度升高,AQI值也迅速升高.

2.4.2 AQI與6種主要污染物及氣象要素相關(guān)性分析 氣象要素制約著空氣污染物的稀釋、擴散、輸送和轉(zhuǎn)化過程,影響空氣污染物的分布及污染物質(zhì)量濃度,在污染源相對穩(wěn)定的情況下,氣象要素對污染物質(zhì)量濃度變化影響十分顯著,是影響空氣質(zhì)量的主要因素之一.對2015—2019年鄭州市AQI值及6種主要污染物與氣象要素進行相關(guān)性分析[20].

AQI與濕度、NO2與濕度、O3與降水量及SO2與風(fēng)速沒有通過顯著性檢驗.除臭氧外,溫度、能見度、風(fēng)速（SO2與風(fēng)速沒有通過顯著性檢驗）及降水量與其他污染物及空氣質(zhì)量指數(shù)都呈負相關(guān),氣壓與其他污染物及空氣質(zhì)量指數(shù)呈正相關(guān).濕度與其他污染物的相關(guān)性相關(guān)系數(shù)普遍較低.溫度與AQI、CO、NO2、PM2.5、SO2的相關(guān)系數(shù)分別為-0.404、-0.433、-0.408、-0.467、-0.456,其絕對值介于0.4～0.6,呈中度相關(guān),溫度與O3相關(guān)系數(shù)為0.781,呈強相關(guān),氣壓與O3的相關(guān)系數(shù)為-0.716,呈強相關(guān),能見度與AQI、CO、NO2、O3、PM10、PM2.5的相關(guān)系數(shù)分別為-0.530、-0.595、-0.467、0.417、-0.458、-0.592,呈中度相關(guān).

由圖7結(jié)果顯示,濕度、風(fēng)速、降水量與AQI之間的相關(guān)性較小,AQI與溫度、能見度呈中度負相關(guān)性,鄭州市冬季能見度低,夏季能見度高,對應(yīng)的AQI值冬季偏高,夏季AQI值較低.這與分析的能見度、溫度與AQI值存在明顯的負相關(guān)性符合.AQI與溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.404,當溫度降低時,空氣狀態(tài)穩(wěn)定,擴散受阻,AQI指數(shù)升高,鄭州市冬季供暖,進而又增加了CO、NO2、SO2、PN2.5及PM10的排放量；CO、NO2、SO2、PN2.5及PM10與溫度呈明顯的負相關(guān)性.當氣溫升高時,熱力對流使得污染物向上擴散,AQI指數(shù)就會降低.兩者呈顯著的負相關(guān)性.鄭州市夏季降水量多,且風(fēng)速增大,空氣流動性增強,對空氣有明顯的凈化作用,可降低空氣污染[20].能見度與各項污染物相關(guān)度都較強,且呈負相關(guān)（臭氧除外）.

圖7 鄭州市2015—2019年AQI及6種主要污染物與氣象要素的相關(guān)分析Fig.7 Correlation analysisof AQI and six major pollutantswith meteorological factorsin Zhengzhou from2015 to2019

整體來說,當污染物質(zhì)量濃度降低,能見度就高.AQI與氣壓呈正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)為0.272.在高壓條件下,AQI偏高,近地面氣流下降,阻礙污染物擴散；低壓條件下,AQI偏低,可能帶來降水,吸附污染物粒子,降低污染物質(zhì)量濃度,降低空氣污染程度.風(fēng)速、降水量對空氣的凈化作用有助于減少污染物質(zhì)量濃度,則分析的主要污染物（O3除外）都與風(fēng)速降水量呈明顯的負相關(guān)性,臭氧質(zhì)量濃度與其他5項污染物不同,O3與溫度的相關(guān)性最顯著（r=0.781）,O3在夏季質(zhì)量濃度較高,冬季質(zhì)量濃度較低,與溫度呈明顯的正相關(guān)性,而氣壓夏季氣壓明顯低于冬季氣壓,O3與氣壓呈明顯的負相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為-0.716.O3夏季質(zhì)量濃度高,和持續(xù)高溫輻射有明顯關(guān)系,人為源的O3主要是人為排放污染物的光化學(xué)反應(yīng)生成.雖然臭氧與風(fēng)速呈弱相關(guān)（r=0.213）,相關(guān)系數(shù)較小,但對O3也能起到輕微的凈化作用.

3 小結(jié)

鄭州市空氣質(zhì)量指數(shù)在2015—2019年有明顯的日間變化,說明空氣質(zhì)量狀況是多種因素綜合的結(jié)果,與本研究的6種主要污染物有直接的關(guān)系,空氣質(zhì)量變化與季節(jié)有明顯關(guān)系,空氣質(zhì)量的優(yōu)劣程度依次為夏季＞秋季＞春季＞冬季.

這5年間，鄭州市的空氣質(zhì)量指數(shù)基本穩(wěn)定于Ⅱ級（良好）和Ⅲ級（輕度污染）,共1 351 d,共占所統(tǒng)計天數(shù)的74%,空氣質(zhì)量達標1 005 d,從2015年達標率36.26%,提升至2019年70.60%的達標率,5 a來平均達標率為55%,污染日數(shù)逐年減少,空氣質(zhì)量整體有所改善.

PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2與AQI月均值逐月變化相似,兩頭高,中間低,變化曲線為“U”型,PM2.5、PM10的月變化比較顯著,O3變化曲線為“∩”型,整體來說,1月份空氣質(zhì)量最差,7、8月份空氣質(zhì)量最好.鄭州市PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2的質(zhì)量濃度冬季最高,春季次之,秋、夏季相當；O3質(zhì)量濃度與其他5項主要污染物有相反的季節(jié)性變化趨勢.

AQI與6種主要污染物與氣象要素相關(guān)分析,AQI與PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2明顯正相關(guān),與O3呈負相關(guān).O3與溫度相關(guān)性最強,呈正相關(guān).影響鄭州市AQI的主要氣象因素為溫度和能見度,在夏秋季節(jié)空氣質(zhì)量相對較好,風(fēng)速和降水量對空氣質(zhì)量有一定的凈化作用,污染物質(zhì)量濃度與AQI值相對較低,冬季供暖期更為明顯,污染物質(zhì)量濃度越高,AQI值越大,空氣質(zhì)量越差,應(yīng)提高燃煤效率等減少CO等的排放,降低AQI值,有利于改善空氣質(zhì)量.