南京市大氣質(zhì)量的變化趨勢與年內(nèi)變化特征分析

徐夢潔，史敏琦

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 南京 210095)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工廠數(shù)量激增，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國成為世界上主要的化石燃料消費國家。國內(nèi)城市大氣質(zhì)量逐漸下降，產(chǎn)生了酸雨、霧霾等惡劣的環(huán)境問題。近年來公眾對大氣環(huán)境的關(guān)注度不斷提升，大氣環(huán)境質(zhì)量的好壞逐漸成為公眾關(guān)心的焦點[1]。大氣環(huán)境質(zhì)量評價既是大氣環(huán)境質(zhì)量研究的重要組成部分，也是環(huán)境監(jiān)測與治理的基礎(chǔ)工作，在對大氣環(huán)境質(zhì)量做出客觀評價的基礎(chǔ)上，環(huán)境管理部門才能制定出針對性的污染治理規(guī)劃方案，評價結(jié)果是否合理，將直接影響大氣治理政策的實施與成效[2]。

相較于欠發(fā)達(dá)國家，發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程更早關(guān)注大氣污染及其治理，在大氣環(huán)境質(zhì)量評價中，學(xué)者們均試圖用各種理論、模型來準(zhǔn)確定位影響環(huán)境空氣質(zhì)量的因素，并積極探尋解決對策。Helmut Mayer[3]基于NO、NO2、O3的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過灰色模型對德國斯圖加特市機(jī)動車交通引起的空氣污染物的時間變異性進(jìn)行分析，指出了城市空氣污染評估的可行性；Onkal-Engin G等[4]以SO2、NO2、CO、O3、總懸浮顆粒物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評價法對歐洲的伊斯坦布爾的空氣質(zhì)量進(jìn)行了評價，將所得到的結(jié)果與EPA 空氣質(zhì)量指數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了比較。國內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量評價工作起步要晚于國外，大多數(shù)學(xué)者也是借鑒外國學(xué)者的研究路徑，對不同時間、不同區(qū)域采用某種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量化研究。肖新平[5]開創(chuàng)性地將灰色聚類法和灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評價研究；鄭成德[6]首先應(yīng)用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)B-P決策模型進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量評價研究，證實B-P網(wǎng)絡(luò)用于環(huán)境質(zhì)量評價具有客觀性和實用性；張紅日等[7]、李成等[8]基于SO2、NO2、PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用層次分析法對不同城市的大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價研究。這些研究有力地促進(jìn)了我國的大氣環(huán)境質(zhì)量管理水平。

由于我國北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展常年主要依靠工業(yè)拉動，污染源集中，且地表植被覆蓋率低，大氣環(huán)境污染程度明顯高于南方地區(qū)，因此國內(nèi)已有研究以北方城市居多[7，9，10]，而南方城市涉及較少。南京市作為江蘇省省會城市，近年來城市化和工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速，與此同時，城區(qū)空氣污染指數(shù)直線上升，霧霾圍城現(xiàn)象頻發(fā)[11]，給居民的生活和健康造成了極大的威脅。本文基于天氣后報網(wǎng)站公示的2013～2017年南京空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，首先通過秩相關(guān)系數(shù)法分析了研究期間大氣污染物的逐年變化趨勢，然后采用Topsis方法歸納了研究時段大氣污染物的年內(nèi)變化特征，研究結(jié)果可為南京市制定大氣環(huán)境污染防治對策提供參考，對于其他南方地區(qū)的大氣環(huán)境治理也具有借鑒意義。

2 研究區(qū)概況

南京市是江蘇省省會、南京都市圈核心城市，地處中國東部、長江下游、瀕江近海，總面積6587 km2，是長江國際航運(yùn)物流中心、長三角輻射帶動中西部地區(qū)發(fā)展的國家重要門戶城市，也是東部沿海經(jīng)濟(jì)帶與長江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略交匯的重要節(jié)點城市。2017年，南京市的GDP達(dá)到11715.10億元，三產(chǎn)結(jié)構(gòu)為2.3∶38.0∶59.7；年末總?cè)丝跀?shù)為833.5萬人，其中城鎮(zhèn)人口比重達(dá)82.29%(南京市2017國民經(jīng)濟(jì)和社會統(tǒng)計公報)。

近年來隨著城市環(huán)境污染的不斷加重，政府也加大了對環(huán)境污染治理的力度，南京市環(huán)境空氣質(zhì)量總體有所改善，但南京作為全國重要工業(yè)基地，工業(yè)污染排放量大，排放強(qiáng)度高，以石油、煤炭、天然氣為主的能源結(jié)構(gòu)使得燃料燃燒成為廢棄的主要來源，對環(huán)境空氣質(zhì)量影響較大，南京市的污染問題依然存在，且大氣污染形勢仍不容樂觀。據(jù)南京市環(huán)境保護(hù)局統(tǒng)計，2017年全市建成區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)為264 d；未達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)為101 d，其中，輕度污染83 d，中度污染15 d，重度污染2 d，嚴(yán)重污染為1 d，主要污染物為PM2.5和O3。

3 數(shù)據(jù)來源與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)南京市大氣污染狀況，參考前人的研究成果[12]以及《南京市環(huán)境狀況公報》，選取了PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO及O3六項評價指標(biāo)，來評價南京市大氣質(zhì)量。本文原始數(shù)據(jù)來源于登錄天氣后報網(wǎng)站(http//www.tianqihoubao.com/aqj/nanjing-201805html)，該網(wǎng)站提供了南京市2013年10月至今的逐日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。由于2013年和2018年的數(shù)據(jù)未覆蓋全年，故選擇2013年-2017年為研究時段。在數(shù)據(jù)下載之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，首先利用逐日數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計算得出逐月數(shù)據(jù)，再對逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理得到逐年數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行秩相關(guān)分析；在逐月數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對研究時段的數(shù)據(jù)作均值處理得到年內(nèi)逐月平均數(shù)據(jù)，以進(jìn)行TOPSIS分析。

3.2 研究方法

3.2.1 秩相關(guān)系數(shù)法

Daniel趨勢檢驗是衡量大氣環(huán)境污染變化趨勢在統(tǒng)計上有無顯著性的常用方法之一,使用spearman秩相關(guān)系數(shù), 稱為秩相關(guān)系數(shù)法。使用這種方法一般至少應(yīng)采用4個期間的數(shù)據(jù)，在給出時間周期y1，…,yn,和相應(yīng)值x(即監(jiān)測的年均值c1，…，cn), 并按從小到大排列后, 參照下式計算系數(shù)[13]：

di=Xi-Yi

(1)

式中di：變量Xi和變量Yi之間的差值；Xi：周期i到周期N按數(shù)值從小到大排列的序號；Yi：按時間排列的序號。

將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表[13]中的臨界值Wp進(jìn)行比較，當(dāng)rs≥Wp時，則表明變化趨勢有顯著意義。如果rs是負(fù)值則表明監(jiān)測值呈下降趨勢；如果rs是正值則表明監(jiān)測值呈上升趨勢。

3.2.2 TOPSIS法

TOPSIS法(Technique for order preference by similarity to ideal solution)是一種多目標(biāo)決策方法，于1981年被首次提出[14]。其基本原理為：在基于標(biāo)準(zhǔn)的原始矩陣中，找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案，然后分別計算出評價對象與最優(yōu)方案和最劣方案間的距離，獲得該評價對象與最優(yōu)方案的相對接近程度，以此作為評價對象優(yōu)劣的依據(jù)。其步驟如下[15]：①統(tǒng)一各項評價指標(biāo)的單調(diào)性；②對各項指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理；③進(jìn)行加權(quán)處理；④確定最優(yōu)方案和最劣方案；⑤分別計算各個評價對象與最優(yōu)方案及最差方案的距離；(6)計算綜合評價值。在分析南京市年內(nèi)污染物變化時，由于均涉及多項指標(biāo)，選用TOPSIS方法用于各月大氣質(zhì)量排序。

4 結(jié)果與分析

4.1 大氣質(zhì)量變化趨勢

檢驗結(jié)果表明，研究期間PM2.5、PM10、SO2、NO2的變化趨勢在5%的置信度水平上具顯著性，由于rs均小于0，因此2013～2017年南京市大氣中PM2.5、PM10、SO2、NO2含量呈下降趨勢；O3的變化趨勢在5%的置信度水平上具顯著性，其rs大于0，所以2013～2017年南京市大氣中O3含量呈上升趨勢；CO的變化趨勢在5%的置信度水平上不顯著(表1)。

表1 秩相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果

4.2 大氣質(zhì)量年內(nèi)變化特征

采用TOPSIS法對2014～2017年南京市年內(nèi)各月大氣質(zhì)量進(jìn)行評價，各項指標(biāo)的權(quán)重確定參考相關(guān)文獻(xiàn)(http://www.myzaker.com/article/59a940631bc8eDc d610003d5)及專家經(jīng)驗，賦予PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等指標(biāo)的權(quán)重分別為50%、15%、15%、10%、5%、5%。計算結(jié)果表明南京市各月大氣質(zhì)量由高到低依次排序為8月、9月、7月、10月、6月、4月、5月、11月、3月、2月、12月和1月。由此可以看出，南京市大氣質(zhì)量最優(yōu)的是8月，該月各項指標(biāo)的平均數(shù)值PM2.5為28.88348 μg/m3、PM10為54.01446 μg/m3、SO2為12.48665 μg/m3、NO2為32.60567 μg/m3、CO為0.814577 mg/m3、O3為70.25973 μg/m3，大氣質(zhì)量最差的是1月，該月各項指標(biāo)的平均數(shù)值PM2.5為90.3914 μg/m3、PM10為143.2358 μg/m3、SO2為29.77419 μg/m3、NO2為61.3172 μg/m3、CO為1.30979 mg/m3、O3為34.09435 μg/m3(表2)。

表2 綜合評價值

5 討論

南京市大氣質(zhì)量在研究期間，6項評價指標(biāo)中有4項指標(biāo)的數(shù)值呈現(xiàn)顯著下降趨勢，反映出南京市大氣質(zhì)量總體狀況逐漸好轉(zhuǎn)。南京市近年來倡導(dǎo)發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，同步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在追求GDP增長的同時更強(qiáng)調(diào)對環(huán)境的保護(hù)，并采取了多種舉措。這些舉措包括：重點加強(qiáng)工業(yè)廢氣污染防治，實施重點行業(yè)的脫硫、脫硝改造，推進(jìn)重點區(qū)域污染企業(yè)的關(guān)停搬遷；防控?zé)熁ū窦敖斩挿贌廴荆谷挤艧熁ū?，?qiáng)化秸稈焚燒監(jiān)督管理，杜絕露天焚燒；加快低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展、降低高碳產(chǎn)業(yè)比重，積極培育能耗少、效益高的綠色產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整等(《南京市十二五綠色城市發(fā)展規(guī)劃》)。這些措施減少并分散了城區(qū)內(nèi)污染源，達(dá)到了穩(wěn)定并持續(xù)改善南京市空氣質(zhì)量的目的。

目前，常用的環(huán)境空氣質(zhì)量評價方法有模糊綜合評價法[16,9]、共原點灰色聚類分析法[17]和層次分析法[18,7]等。模糊綜合評價法排除評價邊界隸屬模糊的影響，卻存在隸屬函數(shù)選擇的隨機(jī)性；層次分析法所需定量數(shù)據(jù)少，但定性成分較多難使人信服；灰色聚類法精確度高而結(jié)果分辨率低[19]。TOPSIS法較之單項指標(biāo)相互分析法，具有能集中反映總體情況，綜合分析評價，真實、直觀和可靠的優(yōu)點。通過TOPSIS法分析得出的大氣質(zhì)量年內(nèi)變化與氣候因素相關(guān)，降水量、溫度、平均水汽壓都對城市環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。降水可以溶解污染氣體，使大氣中污染物濃度降低，空氣污染指數(shù)有所下降，對PM10、SO2及NO2都有重要影響。由于數(shù)據(jù)的不完整性，本文僅選取2016年南京市降水量數(shù)據(jù)(http://tieba.baidu.com/p/4908080577)排序后進(jìn)行spearman相關(guān)分析，得出sig=0.007，具顯著性，相關(guān)性系數(shù)r為-0.727，表明降水量與本文大氣質(zhì)量綜合評價值呈負(fù)相關(guān)，這驗證了降水強(qiáng)度與大氣污染物濃度呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論[20]。南京市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，每年6月下旬到7月上旬為梅雨季節(jié)，大量的降水使空氣濕度大大提高，污染物濃度迅速降低，因此7、8、9月是南京市空氣質(zhì)量最好的時段。平均水汽壓是空氣中水汽所產(chǎn)生的分壓力，夏季水汽壓高，來自低緯度海洋的氣流高溫高濕，能夠溶解空氣中的污染物，降低空氣污染指數(shù)；冬季氣壓低，來自高緯度大陸的氣流寒冷干燥，空氣污染指數(shù)偏高。南京春秋短、冬夏長，夏季極端氣溫最高達(dá)39.7 ℃，冬季最低達(dá)-13.1 ℃，冬夏溫差顯著，夏季高壓高溫的環(huán)境，加速了污染物的擴(kuò)散，污染指數(shù)迅速下降，冬季低壓低溫，污染物難以溶解或擴(kuò)散，集中聚集致使城市空氣污染指數(shù)大幅上升[21]。因此，南京市年內(nèi)大氣質(zhì)量在春夏較高、秋冬較差。這也與郭力嘉等人[22]的研究結(jié)論相一致。

南京市是長三角地帶的中心城市，其大氣質(zhì)量好壞不僅會影響本市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也關(guān)乎其輻射圈內(nèi)城市居民的安居樂業(yè)[13]。雖然研究表明南京市近年來大氣質(zhì)量狀況逐漸好轉(zhuǎn)，但是大氣污染問題仍然存在，環(huán)境保護(hù)工作任重而道遠(yuǎn)。南京應(yīng)繼續(xù)嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)厲打擊違反環(huán)保法的行為；與此同時，充分利用媒體和網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步加強(qiáng)社會、企業(yè)和個人的環(huán)保意識。只有給予環(huán)境保護(hù)問題應(yīng)有的重視，才能促進(jìn)南京市大氣環(huán)境質(zhì)量得到更好的發(fā)展，為其它南方城市的環(huán)境治理樹立典范。