楊 嚴，徐一凡，張玉菲，周文鱗*，陳 聰，鞠英芹

1.鎮(zhèn)江市氣象局，江蘇鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇理工學院，江蘇常州 213001；3.中國氣象局 氣象干部培訓學院湖北分院，湖北武漢 430074

大氣污染問題隨著國家經濟迅速發(fā)展和工業(yè)化的成熟日益加劇，并成為影響我國可持續(xù)發(fā)展的主要問題，嚴重影響著城市空氣質量和人體健康。由此，人們逐漸意識到治理大氣環(huán)境的重要性，有關大氣污染的時空分布特征、成因和防治等問題逐漸被眾多學者所關注。

國外學者通過研究發(fā)現(xiàn)大氣污染顆粒物含量與季節(jié)變換有很大關系。Parkhurst等[1]從 美 國 中 東 部1982—1991年8個采集點的PM2.5季節(jié)特點中總結出夏高冬低的規(guī)律；Judith等[2]在美國南加州對1987年大氣顆粒物的研究中發(fā)現(xiàn)，PM10質量濃度和顆粒物中大部分化學物質含量都在秋季最高；Villasenor等[3]從1997年 墨 西 哥 城 的PM2.5和PM10的時空特征中發(fā)現(xiàn)顆粒物季節(jié)變化明顯。駱紅[4]、岳麗[5]等人分別對我國北京市、石家莊市PM2.5與PM10的平均質量濃度進行研究，最終得出國內的顆粒物污染均呈現(xiàn)冬季高、夏季低的季節(jié)變化特征的結論。

鎮(zhèn)江市位于江蘇省西南部，長江下游南岸。東西最大直線距離、南北最大直線距離分別為95.5，76.9 km。全市土地總面積3 847 km2，占全省面積的3.7%。地貌走勢為西高東低、南高北低；北部以沿江沖積平原為主，市區(qū)南部為低山殘丘。氣候屬于北亞熱帶季風氣候；年累計日照時數(shù)為1 912.7 h，年平均氣溫15.5 ℃，最高氣溫34 ℃，低氣溫0 ℃；年平均降雨量817 mm。因此，利用2013—2019年鎮(zhèn)江區(qū)域常規(guī)污染物數(shù)據(jù)，對環(huán)境空氣質量、顆粒污染物的時空變化特征展開分析，為大氣顆粒物污染防治提供科學決策。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基礎研究數(shù)據(jù)來自鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)、市疾控中心、新區(qū)辦事處、職教中心4個大氣環(huán)境監(jiān)測站點；監(jiān)測時間為2013年1月1日—2019年6月4日。監(jiān)測站點實時連續(xù)監(jiān)測NO2、SO2、CO、O3、PM10、PM2.5等6項污染物，數(shù)據(jù)的時間分辨率為監(jiān)測污染物的日均濃度。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 預處理 對鎮(zhèn)江市4個監(jiān)測站點6項污染物濃度數(shù)據(jù)進行預處理。為了保證原始數(shù)據(jù)的完整性與準確性，刪除空白值和異常值（如負值），并將數(shù)據(jù)配對成時空結構配對的數(shù)據(jù)組。將有效數(shù)據(jù)根據(jù)不同變量進行分類儲存，便于后續(xù)數(shù)據(jù)提取。

1.2.2 AQI指數(shù)的計算 根據(jù)各項污染物分級濃度限值，通過AQI公式分別計算各項大氣污染物的空氣質量指數(shù)。取其中最大的值為當天空氣質量指數(shù)(AQI)。污染物項目P的空氣質量分指數(shù)按下式計算:

式中:IAQIp—污染物項目P的空氣質量分指數(shù)；

Cp—污染物項目P的質量濃度值；

BPHi—表1(相應地區(qū)的空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)表)中與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；

BPL0—表1(相應地區(qū)的空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)表)與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；

IAQIHi—表1(相應地區(qū)的空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)表)中與BPHi對應的空氣質量分指數(shù)；

IAQIL0—表1(相應地區(qū)的空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)表)中與BPL0對應的空氣質量分指數(shù)。

1.2.3 空氣質量指數(shù)標準 表1為空氣質量指數(shù)標準。

表1 空氣質量指數(shù)

2 結果與分析

2.1 鎮(zhèn)江市環(huán)境空氣質量現(xiàn)狀

由鎮(zhèn)江市2013年—2018年環(huán)境空氣質量統(tǒng)計可得，鎮(zhèn)江市空氣質量為優(yōu)或良的占比為整體的50%以上；之后呈現(xiàn)空氣污染等級越高占比越低的趨向。除2016年外，一級（優(yōu)）空氣質量天數(shù)占比呈逐年上升；重度污染、嚴重污染天數(shù)占比呈逐年下降；但輕度污染為25%左右，空氣質量問題依舊存在。2013—2018年間，鎮(zhèn)江市空氣質量年均達標率為64%，其中2013年達標率最低，為61%；2016年達標率最高，為71%。

2013—2018年間，鎮(zhèn)江市空氣質量總體良好，丹徒區(qū)、市疾控中心、新區(qū)辦事處和職教中心4站優(yōu)良天數(shù)占比的多年均值為64.00%，其中2016年空氣質量達標情況最好，4站優(yōu)良天數(shù)歷年占比在68.85%～77.87%之間；2013年空氣質量相對較差，丹徒區(qū)、市疾控中心和新區(qū)辦事處3站歷年達標率在59.17%～62.19%之間。新區(qū)辦事處與丹徒區(qū)站點的歷年達標率呈波動增長趨勢，且前者增幅較大，后者增幅較為平坦。

污染天氣中，污染天數(shù)占比隨污染等級逐級降低，輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染占比多年均值依次為24.73%、7.70%、3.28%和0.28%。就輕度污染而言，市疾控中心和新區(qū)辦事處2站歷年達標率呈波動變化，2016年達谷值，2017年為峰值，丹徒區(qū)和職教中心2站變化不明顯；丹徒區(qū)和新區(qū)辦事處2站的中度污染天數(shù)占比逐年總體改善，市疾控中心和職教中心兩站波動變化，歷年達標率在6.30%～9.32%之間；丹徒區(qū)、市疾控中心和新區(qū)辦事處3站的重度污染天數(shù)占比趨勢表現(xiàn)為“減—增”，職教中心站變幅不大；嚴重污染天數(shù)占比極少，總體上僅在2013、2014和2017年有零星發(fā)生。

2.2 鎮(zhèn)江市首要污染物天數(shù)占比分析

分析鎮(zhèn)江市首要污染物天數(shù)占比可知，鎮(zhèn)江市以顆粒物污染為主，其中又以PM2.5作為首要污染物天數(shù)占比為最高，維持在30%～65%之間，但顆粒物污染整體呈現(xiàn)波動下降趨勢。氣態(tài)污染物中，O3作為首要污染物天數(shù)的占比最高，并呈波動上升趨勢。2016年除新區(qū)辦事處監(jiān)測點，其他站點O3均超過PM2.5成為當年占比最重的污染物。

2.3 大氣顆粒物的時間變化特征

2.3.1 年際變化特征 研究期間，鎮(zhèn)江市PM2.5、PM10的年平均質量濃度如表2所示。2013—2018年PM2.5質量濃度年平均最大值、最小值分別為72 μg/m3，50 μg/m3，低于《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095—2012）中規(guī)定的二級濃度限值（75 μg/m3）。PM2.5、PM10年平均質量濃度總體呈波動下降趨勢，且最小值出現(xiàn)在2016年。

表2 各監(jiān)測站大氣顆粒物濃度年平均變化情況 μg/m3

在圖1、圖2、圖3中，紅線為2013—2018年大氣顆粒物日均濃度總體變化趨勢線，可見大氣顆粒物日均質量濃度呈逐年下降趨勢；比較發(fā)現(xiàn)，PM10下降趨勢較PM2.5更為顯著。總體比較可發(fā)現(xiàn)每年顆粒物日均質量濃度呈現(xiàn)高峰—低谷—高峰的趨勢，峰值均集中在冬季（即年末至次年初時段）。

圖1 市疾控中心監(jiān)測站顆粒物日均值與7天滑動平均值時間序列

圖2 新區(qū)辦事處監(jiān)測站顆粒物日均值與7天滑動平均值時間序列

圖3 職教中心監(jiān)測站顆粒物日均值與7天滑動平均值時間序列

2.3.2 月變化特征 由4個站點PM10和PM2.5的月濃度特征分布可知，2013—2018年鎮(zhèn)江市大氣顆粒物質量濃度月平均變化呈現(xiàn)兩邊高、中間低的特征，7—9月大氣顆粒物質量濃度較低，12月、1月的大氣顆粒物質量濃度較高，與夏季顆粒物濃度低，冬季顆粒物濃度高的季節(jié)特征相吻合。從2月開始，顆粒物月均濃度呈下降趨勢，并于8月份達到最低點。這是因為太陽輻射增強，大氣的垂直氣流增強，大氣逆溫層不易形成。隨著季節(jié)轉變溫度升高，大氣水平流通能力增強。因此顆粒物擴散能力顯著增強，濃度降低。其中，PM10在3月、5月出現(xiàn)濃度回升現(xiàn)象。

PM2.5/PM10的比值在6—11月變化不大；在12—翌年2月比值較高，說明冬季PM2.5污染加?。辉?—5月比值較低，結合PM10在3月、5月出現(xiàn)濃度回升現(xiàn)象，分析原因可能為顆粒物可隨著季風造成區(qū)域污染[7]。

2.4 空間分布特征

利用SPSS統(tǒng)計軟件對鎮(zhèn)江市4個監(jiān)測站點2013—2019年大氣顆粒污染物日均濃度及對應的空氣質量指數(shù)進行聚類分析可知，大氣顆粒污染與AQI指數(shù)空間分布呈現(xiàn)以下規(guī)律，丹徒區(qū)監(jiān)測站、市疾控中心和職教中心3個站點的大氣顆粒污染及AQI指數(shù)分布特征具有共性，而新區(qū)辦事處較其他站點具有特異性，且大氣污染較重，可能與鎮(zhèn)江東部工業(yè)生產有關。

3 結論

（1）2013—2018年，鎮(zhèn)江市空氣質量總體良好，空氣質量多年均達標，達標率為64%；首要污染物以顆粒物污染為主，其中PM2.5占比高于PM10。

（2）PM2.5、PM10年平均質量濃度總體波動下降，且最小值出現(xiàn)在2016年；季節(jié)規(guī)律為冬季＞春季＞秋季＞夏季，具有明顯的季節(jié)變化特征；7—9月大氣顆粒污染較輕，12月、1月的污染較重。

（3）AQI指數(shù)和大氣顆粒污染的空間聚類表明，新區(qū)辦事處站有別于丹徒區(qū)監(jiān)測站、市疾控中心和職教中心其他3站。