鄧 鑫, 于站良，趙桂英，包 云

(云南省生態(tài)環(huán)境科學研究院，昆明 650034)

前 言

2012年上半年國家規(guī)定采用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)替代原有的空氣污染指數(shù)(API)。AQI是將幾種常規(guī)空氣污染物的濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)按照不同的濃度限值標準轉(zhuǎn)化為空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)后從中取最大值。相比于API，AQI常規(guī)監(jiān)測中增加了PM2.5、O3-8h和CO三個項目，污染指標的增加使得評價也更加客觀。2013年昆明市作為云南省首批實施《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》[1](GB3095-2012)的城市，2014年增加曲靖市、玉溪市按新空氣質(zhì)量標準進行監(jiān)測和評價，2015年云南省全省16個州市共計39個監(jiān)測站開展新空氣環(huán)境質(zhì)量標準的監(jiān)測和評價。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗不斷增長，導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量承受巨大壓力，近年來，國內(nèi)外學者對空氣質(zhì)量、區(qū)域性大氣污染開展了相關(guān)研究。研究表明，大氣污染不再局限于單個城市，城市間區(qū)域性大氣污染傳輸日益加劇[2]，大氣污染呈現(xiàn)出區(qū)域性、復(fù)合型和長期性的特點[3-4]。目前關(guān)于大氣污染的區(qū)域性研究大多集中在京津冀、江浙、華北等污染嚴重的大中城市及地區(qū)[5～7]，對云南省的大氣污染現(xiàn)狀研究較為鮮見。云南省地處我國西南地區(qū)，因高溫低濕度強太陽輻射等生態(tài)特點，每至冬春季節(jié)不利污染擴散氣象條件下，部分城市易出現(xiàn)輕度及中度污染。本研究選取云南省為研究區(qū)域，以2015～2019年云南省空氣質(zhì)量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用空氣質(zhì)量指數(shù)、克里金插值法和Daniel趨勢檢驗等評價分析方法，對近5年云南省空氣質(zhì)量和相關(guān)大氣污染物的時空分布特征及變化趨勢進行分析和評價，為云南省大氣污染管理及防治提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所選用AQI值、環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)數(shù)據(jù)來源于云南省生態(tài)環(huán)境廳數(shù)據(jù)中心(http://sthJt.yn.gov.cn)每日發(fā)布的城市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時間序列為2015年1月1日至2019年12月31日。包括6項污染物(SO2、NO2、CO、O3-8h、PM10、PM2.5)的日均濃度、AQI、空氣質(zhì)量級別和超標污染物。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)(2015～2019年)，包括平均氣溫、平均風速、平均降水量和平均能見度。社會經(jīng)濟相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《云南省統(tǒng)計年鑒》(2013-2018)[8]及《云南省2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》[9]。

1.2 評價標準和方法

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)及《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ663-2013)[10], AQI指數(shù)分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染及嚴重污染6個等級，對應(yīng)的取值范圍分別為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、300～500。我國目前采用AQI來反映某一地區(qū)某一時段的空氣質(zhì)量水平，數(shù)值越高級別越大，表明空氣質(zhì)量越差，污染越嚴重。空氣質(zhì)量級別為優(yōu)級無首要污染物，空氣質(zhì)量級別為良及以上均會標注當日首要污染物，輕度污染及以上(AQI>100)均會標注超標污染物。

空氣質(zhì)量綜合指數(shù)是中華人民共和國環(huán)境保護部用于對74個重點城市空氣質(zhì)量進行評價、排名的一種工具。為評價時段內(nèi)，六項污染物濃度與對應(yīng)的二級標準值(根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》GB3095-2012)之商的總和，通常用于年際環(huán)境空氣質(zhì)量評價。

空間插值法通過區(qū)域已知點的值計算推導(dǎo)出該值在整個區(qū)域的分布情況，通常包括反距離權(quán)重法、規(guī)則樣條函數(shù)法及克里金法。大量研究表明克里金法通過考慮區(qū)域變量的空間結(jié)構(gòu)性特征，通過引用距離函數(shù)得到最優(yōu)插值結(jié)果，研究空氣質(zhì)量空間分布特征效果最佳[11-12]。本研究利用ArcGIS10.2軟件，選擇克里金法進行插值，得出云南省空氣質(zhì)量指數(shù)空間分布圖。

利用Excel完成污染數(shù)據(jù)平均值計算。Spearman秩相關(guān)系數(shù)法用以評判空氣污染物變化趨勢在統(tǒng)計學上的顯著性，利用SPSS19.0軟件進行相關(guān)性分析及折線圖制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量綜合指標分析

對云南省2015～2019年度空氣質(zhì)量狀況等級、空氣質(zhì)量綜合指數(shù)和超標污染物天數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1、表2。如表1所示，云南省主要空氣質(zhì)量狀況為優(yōu)(占比為60.70%)，發(fā)生過輕度污染及以上污染天數(shù)為541天(占比為1.85%)，從空氣質(zhì)量綜合指數(shù)年均值可以看出從年際水平而言，云南省空氣質(zhì)量優(yōu)良總體波動較小，呈逐年改善趨勢。

表1 云南省2015～2019年空氣質(zhì)量概況Tab.1 Overview of air quality in Yunnan from 2015 to 2019 (d)

表2 2015～2019年云南省超標污染物天數(shù)及比例Tab.2 Number of days and proportion of pollutants exceeding standards in Yunnan from 2015 to 2019

2015年3月22日普洱出現(xiàn)重度污染1天，當天全省9個州市出現(xiàn)空氣污染。云南省超標污染物種類少，僅有PM2.5、PM10、O3-8h和SO2，以PM2.5及O3-8h為超標污染物的天數(shù)占比大(見表2)，至2019年云南省超標污染物僅有PM2.5及O3-8h?？傮w上，PM2.5占超標污染物比例逐年下降，臭氧占比逐年上升，至2019年O3-8h作為超標污染物占比達57.52%。SO2作為超標污染物僅于2015年12月7日紅河州出現(xiàn)，當天SO2污染峰值出現(xiàn)于早上8點高達814μg/m3，污染主要來自發(fā)電及工業(yè)燃煤。

2.2 主要污染物時空變化特征

2.2.1 主要污染物濃度空間變化特征

以2015、2019年為例，采用克里金插值法進行空間插值，繪制云南省PM2.5和O3年均值分布圖。

由圖1可見2015～2019年P(guān)M2.5年均值范圍為11.18～37.92μg/m3，5年間PM2.5年均值為24.27，其中，2015年、2016年、2017年、2018年、2019年年均值分別為27.74、25.75、24.44、21.12、22.28，2015～2019年云南省PM2.5濃度呈下降趨勢。2019年云南省PM2.5年均值相對較高的區(qū)域主要在滇中昆明及玉溪、滇東南紅河、滇西南西雙版納及臨滄和滇西北怒江。相比于2015年，云南省PM2.5年均值相對較高區(qū)域面積略有減少，污染程度顯著減輕。

由圖2可見2015～2019年O3年均值范圍為50.42～97.83μg/m3，5年間O3年均值為79.15，其中，2015年、2016年、2017年、2018年、2019年年均值分別為77.03、76.32、80.14、77.20、85.06，2015～2019年間云南省O3濃度呈顯著上升趨勢。2019年云南省O3年均值相對較高的區(qū)域主要在滇東北昭通及曲靖，滇中昆明、楚雄及玉溪，滇東南紅河。相比于2015年云南省O3年均值相對較高區(qū)域面積顯著增加，部分地區(qū)污染程度有所增加。

從PM2.5、O3地域分布特征來看，云南省大氣污染物高濃度值區(qū)域主要在滇中。昆明、曲靖、玉溪、紅河均屬于經(jīng)濟發(fā)達，城市化水平高，火電、石化、冶金等重工業(yè)集群地區(qū)。怒江州及昭通市是云南省無霜期最短，也是最為寒冷的2個城市，冬季采暖民用散煤的燃燒可能加重兩地污染。3月為東南亞春耕季節(jié)，春季也是云南省西風氣流為主的季節(jié)[13]，此時東南亞大量秸稈的燃燒及遠距離運輸，極可能導(dǎo)致春季滇西南西雙版納、普洱及臨滄等區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度水平顯著提高。

圖1 2015、2019年云南省PM2.5年均值時空變化特征Fig.1 Temporal and spatial variation characteristics of PM2.5 in Yunnan between 2015 and 2019

圖2 2015、2019年云南省O3年均值時空變化特征Fig.2 Temporal and spatial variation characteristics of O3 in Yunnan between 2015 and 2019

2.2.2 主要污染物時間變化特征

由圖3對云南省主要污染物質(zhì)量濃度月均值變化特征可以看出，PM2.5與PM10均值變化趨勢基本一致，年均值表現(xiàn)出逐年下降趨勢，月均值冬春較高而夏秋季節(jié)較低，濃度高值出現(xiàn)在11月到次年4月，峰值出現(xiàn)在3月。云南春季風大雨少，日間作業(yè)易產(chǎn)生揚塵，且白天地表氣溫較高入夜易產(chǎn)生穩(wěn)定的逆溫層，使得顆粒物堆積不易擴散和去除。5月開始云南進入雨季，降雨頻次及降水量上升，大氣對流運動開始活躍，有利于顆粒物物擴散及去除。2月PM10上升幅度相比于PM2.5有所放緩甚至出現(xiàn)下降，可能源于春節(jié)假期部分建筑工地及工礦企業(yè)等春節(jié)停工停產(chǎn)，PM10的排放有所減少。

O3均值呈現(xiàn)逐年上升趨勢，與京津翼[4]、陜甘寧[11]等地O3高值出現(xiàn)在夏季，峰值出現(xiàn)在6月不同，云南省O3月均值呈現(xiàn)單峰型，高值出現(xiàn)在春季(3～5月)，3月及4月均為峰值，低值出現(xiàn)在夏季(6～8月)。O3是光化學反應(yīng)產(chǎn)物，其生成受日照及太陽輻射影響大，云南省秋冬季節(jié)太陽輻射較弱，春夏季太陽輻射強度相當，但云南夏季多云多雨日照時間短，6～8月降雨量占全年降雨量55%～65%，導(dǎo)致6～8月是云南省O3濃度低值期。

從2005年《云南省環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃》將SO2污染減排列入重點項目以來，工業(yè)企業(yè)脫硫設(shè)施建設(shè)加速，SO2排放量逐年下降。圖4可以看出云南省SO2年均值表現(xiàn)出逐年下降趨，月均值整體趨勢平穩(wěn)變化幅度不大，未像北方城市出現(xiàn)“冬高夏低”明顯季節(jié)變化曲線，可能原因是云南省大部分城市無霜期長，冬季不存在大面積燃煤取暖行為。

圖3 2015～2019年云南省主要污染物質(zhì)量濃度月均值Fig.3 Monthly average of pollutants concentration in Yunnan from 2015 to 2019

2.3 空氣質(zhì)量影響因素相關(guān)性分析

2.3.1 氣象條件

大量研究表明，空氣質(zhì)量受氣象條件影響[14-15]，氣象條件不同對污染物的擴散和稀釋作用不同從而影響空氣質(zhì)量。本研究從滇中、滇東南、滇西南、滇東北、滇西北共選取昆明市、紅河州、西雙版納州、昭通市及迪慶州5個州市，分析了2015年1月1日～2019年12月31日地區(qū)月平均降水量、氣溫、風速、能見度與月均AQI的相關(guān)性(表3)。從表3可以看出，AQI與平均降水量和平均能見度呈顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.342、-0.401，AQI值與平均氣溫及平均風速不存在顯著相關(guān)性。說明云南省空氣質(zhì)量及其能見度隨著降雨量增加而有明顯改善。

云南省平均降水量和平均氣溫呈顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.493，說明平均降水量受平均氣溫影響顯著，隨著氣溫上升降水量也大量上升，與云南省夏季多雨實情相符。平均能見度和平均風速呈顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.544，說明隨著風速加大雖然對污染物存在一定清除作用[16-17]，但更多的是將污染物向上傳輸形成揚塵，引起能見度下降。

表3 AQI與部分氣象因子相關(guān)性分析Tab.3 Correlation coefficient with AQI and partial meteorological factors

2.3.2 社會經(jīng)濟因子

能源消耗量及能源結(jié)構(gòu)對大氣環(huán)境有顯著影響。由圖4可見，云南省原煤消耗量逐年下降、電力消費量穩(wěn)中有增，能源及焦炭消費量在2015年后開始趨于平穩(wěn)上升趨勢但均未超過2014年消耗量。原煤占云南省能源消耗比重最高但占比逐年下降，由2013年占比64.13%到2018年占比53.88%。2018年云南省萬元GDP耗能為0.68t標準煤，比2013年下降了45.62%，云南省能源利用效率在逐年提高。

研究表明機動車保有量與城鎮(zhèn)人口數(shù)與AQI值顯著相關(guān)[12]，由圖4可知，云南省城鎮(zhèn)人口數(shù)與機動車保有量呈上升趨勢，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展還將繼續(xù)增加。從表1云南省2015～2019年空氣質(zhì)量概況表可以看出，云南省總體空氣質(zhì)量逐年改善。這表明，云南省油品質(zhì)量控制、節(jié)能降耗、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化及解決區(qū)域性環(huán)境污染工作上取得了一定成效。

圖4 2013～2019年云南省部分經(jīng)濟指標年趨勢圖Fig.4 Annual trend chart of some economic indicators

3 結(jié) 論

3.1 2015～2019年云南省空氣質(zhì)量綜合指數(shù)年均值為2.99且各年間綜合指數(shù)值波動較小， PM2.5及O3-8h為超標污染物的天數(shù)占全年輕度污染及以上天數(shù)的97.05%，2019年O3-8h作為超標污染物占比達57.52%。表明云南省整體空氣質(zhì)量優(yōu)良且逐年改善，云南省空氣污染類型由顆粒物污染轉(zhuǎn)為以顆粒物和臭氧為特征的復(fù)合型污染，O3污染問題日益凸顯，需加強O3生成前體污染物控制。

3.2 2015～2019年云南省SO2、PM2.5、PM10濃度呈下降趨勢，NO2濃度保持基本穩(wěn)定，O3濃度呈顯著上升趨勢。空間上， PM2.5年均值相對較高區(qū)域面積略有減少，O3年均值相對較高區(qū)域面積顯著增加。時間上，SO2月均值整體趨勢平穩(wěn)變化幅度不大，PM2.5與PM10月均值呈現(xiàn)冬春高夏秋低的變化規(guī)律，O3月均值為春季單峰高值。說明云南省空氣污染控制形勢以冬春季節(jié)最為嚴峻。

3.3 空氣質(zhì)量受各種氣象因素影響，云南省空氣質(zhì)量及其能見度隨著降雨量增加而有顯著改善。隨著氣溫上升氣流擴散加強且引起降水量上升，對空氣質(zhì)量有不顯著改善。風速加大使得污染物向上傳輸形成揚塵，引起能見度下降，對空氣質(zhì)量有不顯著污染。

3.4 減少原煤消費、節(jié)能降耗、污染物總量減排和油品質(zhì)量控制等環(huán)境綜合整治措施對云南省環(huán)境空氣保持優(yōu)良起到了重要作用。云南省各州市首要污染物不盡相同，環(huán)境管理部門應(yīng)當結(jié)合本地區(qū)大氣污染物來源解析等工作，制定相應(yīng)政策措施以達到改善環(huán)境的目的。