長沙市空氣質(zhì)量變化特征及氣象要素影響分析

金紅紅 ，譚 杰 ，張 琴 ，郭 倩 ，陳 陽

（1.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410019；2.國家環(huán)境保護重金屬污染監(jiān)測重點實驗室，湖南 長沙 410019）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市環(huán)境空氣污染已成為影響群眾健康突出的環(huán)境問題。近年來，雖然長沙在“大氣污染防治攻堅戰(zhàn)”和“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的重拳出擊下，環(huán)境空氣質(zhì)量取得明顯改善，但在全國338個城市綜合指數(shù)、優(yōu)良率排名中仍未進前200名。除了受局地大氣污染物源排放的直接影響，局地氣象要素與氣候變化也對空氣質(zhì)量起到至關(guān)重要的影響[1]。在大氣污染源排放相對穩(wěn)定的前提下，氣象要素對空氣質(zhì)量起到了主導(dǎo)作用，制約著大氣污染物的稀釋、擴散、傳輸和轉(zhuǎn)化過程，進而影響大氣污染物的濃度及分布狀況[2-5]。目前，已有很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量與氣象條件關(guān)系密切，相對濕度、風(fēng)速、降水量、氣壓及氣溫等氣象因子對大氣污染物濃度變化均具有一定的影響[6-8]。

本研究基于2015—2018年長沙市空氣質(zhì)量在線數(shù)據(jù)，對長沙市環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率、不同AQI類別、首要污染物、各項污染物濃度的變化特征進行分析，并結(jié)合Pearson相關(guān)性對各項污染物濃度[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）、一氧化碳（CO）]與同期平均氣壓、平均氣溫、平均相對濕度、總降水量、風(fēng)速數(shù)據(jù)作相關(guān)分析，可為全面了解長沙市環(huán)境空氣質(zhì)量，科學(xué)有效控制和治理大氣污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計分析

1.1 數(shù)據(jù)來源和處理

研究所用的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)為：2015—2018年長沙市城區(qū)9個環(huán)境空氣評價點位的6項常規(guī)污染物 （PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO） 質(zhì)量濃度的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過湖南省氣象臺獲得長沙市2015—2018年氣壓、氣溫、相對濕度、降水量和風(fēng)速等氣象資料。

1.2 環(huán)境空氣質(zhì)量類別劃分

空氣質(zhì)量類別劃分標準參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633—2012）的定義及分級限值。環(huán)境空氣質(zhì)量按照AQI類別可以分為優(yōu)(0～50)、良(51～100)、輕度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(201～300)和嚴重污染(＞300)，級別越高說明空氣污染越嚴重，對人體健康危害越大。當AQI＞50時，空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）最大的污染物為首要污染物；IAQI＞100的污染物為超標污染物。參與環(huán)境空氣質(zhì)量評價的6項基本項目為：PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO。

圖1 2015—2018年長沙市不同AQI等級日數(shù)及優(yōu)良率分布

1.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS軟件進行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 AQI指數(shù)分布特征

由2015—2018年長沙市不同AQI等級日數(shù)及優(yōu)良率分布（圖1） 可知，2015—2018年長沙市空氣質(zhì)量優(yōu)良率呈上升趨勢，污染超標天數(shù)呈下降的趨勢。2018年長沙市空氣質(zhì)量為中度及以上污染日數(shù)僅為22 d，低于2017年（29 d）和2015年（39 d），高于2016年（20 d）。然而，2016年的輕度污染日數(shù)比2018年高出20 d。因此，2018年長沙市的空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于2015—2017年。

由2015—2018年長沙市不同AQI等級出現(xiàn)日數(shù)及優(yōu)良率季節(jié)分布（圖2）可知，長沙市空氣質(zhì)量重度污染和嚴重污染主要出現(xiàn)在冬季。2018年，長沙市春季優(yōu)良率為全年最高，為89.7%，而2015—2017年，夏季優(yōu)良率均為全年最高，均高于85%；2015—2018年，長沙市冬季優(yōu)良率為全年最低，均低于60%；2015—2018年，長沙市春季優(yōu)良率略高于秋季。2015—2018年，長沙市的夏季平均優(yōu)良率（87.5%） ＞春季平均優(yōu)良率（85.1%） ＞秋季平均優(yōu)良率（74.4%） ＞冬季平均優(yōu)良率（45.2%）?？傮w來看，長沙市空氣質(zhì)量基本呈春夏季較好、冬秋季較差的特征。

圖2 2015—2018年長沙市不同AQI等級出現(xiàn)日數(shù)及優(yōu)良率季節(jié)分布

2.2 首要污染物分布

由圖3(a)2015—2018年長沙市各項首要污染物出現(xiàn)日數(shù)分布可知，2018年首要污染物出現(xiàn)日數(shù)最多的是O3，2015—2017年首要污染物出現(xiàn)日數(shù)最多的是PM2.5；PM2.5作為首要污染物出現(xiàn)的日數(shù)逐年減少，而O3則呈逐年增加的趨勢。2018年，O3作為首要污染物出現(xiàn)的日數(shù)為141 d，比PM2.5高出25 d；PM10和 NO2作為首要污染物出現(xiàn)的日數(shù)均比較少；此外全年沒有SO2和CO作為首要污染物出現(xiàn)。

由圖3(b)2015—2018年長沙市各項超標污染物出現(xiàn)日數(shù)分布可見，PM2.5作為超標污染物出現(xiàn)的日數(shù)最多，其次為O3；PM2.5呈逐年減少的趨勢，而O3呈逐年增加的趨勢；PM10和NO2作為超標污染物出現(xiàn)的日數(shù)均比較少。

圖3 2015—2018年長沙市各項首要污染物和超標污染物出現(xiàn)日數(shù)分布

由2015—2018年長沙市各項超標污染物出現(xiàn)日數(shù)季節(jié)分布（圖4）可知，除了2017—2018年夏季超標污染物未出現(xiàn)PM2.5，其他季節(jié)均有出現(xiàn)，其中在冬季出現(xiàn)最多，秋季和春季次之，夏季最少；除2015—2018年冬季和2015—2016年春季外，其他季節(jié)的超標污染物均出現(xiàn)O3，且主要出現(xiàn)在夏季和秋季。

2.3 污染物濃度變化特征

由2015—2018年長沙市各污染物濃度季節(jié)變化 （圖 5） 可知，環(huán)境空氣中 PM2.5、PM10、NO2、SO2與CO濃度季節(jié)變化趨勢完全一致，均為冬季最高，春秋次之，夏季最低；而O3濃度夏季最高，春秋次之，冬季最低。2.4 污染特征與氣象要素的關(guān)系

表1統(tǒng)計了長沙市2015—2018年的氣候狀況，其中，年降水量2018年最少，2016年和2017年最高，平均氣壓、平均風(fēng)速、平均溫度整體變化不大，相對濕度為2017年和2018年最低。

表1 長沙市氣候狀況

圖4 2015—2018年長沙市各項超標污染物出現(xiàn)日數(shù)季節(jié)分布

圖5 2015—2018年長沙市各污染物濃度季節(jié)變化

由長沙市2015—2018年AQI與氣象要素的變化特征（圖6） 可知，AQI與氣壓、溫度、風(fēng)速無明顯相似的變化趨勢，與相對濕度、降水量呈相反的變化趨勢。

為進一步分析氣象要素對空氣質(zhì)量的影響，采用Pearson相關(guān)性分析對2015—2018年長沙市氣各項污染物月濃度與同期平均氣壓、平均氣溫、平均相對濕度、總降水量、風(fēng)速數(shù)據(jù)作相關(guān)分析，結(jié)果見表2。

2.4.1 空氣質(zhì)量與氣壓的關(guān)系

圖6 2015—2018年AQI與氣象要素的變化特征

表2 各項污染物月濃度與同期氣象要素的相關(guān)關(guān)系

由表 2 可知，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO與氣壓呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系。氣壓冬季（2015—2018年長沙市冬季氣壓為101.1 kPa） 最高，春、秋次之，夏季（2015—2018年長沙市夏季氣壓為 991.1 kPa） 最低，與 PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO季濃度變化趨勢完全一致。這主要是因為低壓天氣控制下，底層空氣輻合上升，即近地面的污染物隨空氣垂直上升至高空，可加速地面污染物向高空擴散，從而降低大氣污染程度；而在高壓天氣控制下，近地面垂直方向空氣作下沉運動，且大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物極易積聚，濃度增加[9]。O3與氣壓呈極顯著負相關(guān)的關(guān)系，O3夏季濃度最高，冬季最低，正好與氣壓變化相反。這是因為在夏季氣壓相對低，大氣對流活動旺盛，強對流天氣多發(fā)，有利于平流層高濃度臭氧向?qū)α鲗虞斔?，同時夏天強烈的太陽輻射和較高氣溫均有利于氮氧化物和揮發(fā)性有機物等O3前體物發(fā)生大氣光化學(xué)反應(yīng)，易于生成地面臭氧[10]。而冬季氣壓相對高，既不利于高空的高濃度臭氧向地面輸送，且太陽輻射弱、氣溫低也不利于臭氧的形成。

2.4.2 空氣質(zhì)量與氣溫的關(guān)系

由表 2 可知，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO與與氣溫呈極顯著負相關(guān)的關(guān)系。PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO濃度冬季相對最高，而夏季空氣質(zhì)量最好，這與日平均氣溫越低時，空氣質(zhì)量的優(yōu)良率越低，超標天數(shù)則越高是一致的。當氣溫較低時，近地面大氣易形成穩(wěn)定層結(jié)，降水較少，不利于污染物的擴散，特別是在冬季，居民供暖增加致使能耗加大，即污染物的排放也增大[9]。O3與氣溫呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系，這主要是因為揮發(fā)性有機物以及汽車尾氣形成的氮氧化物，在高溫、強光照輻射的共同作用下，會催化臭氧的產(chǎn)生，而陽光照射越強、氣溫越高，越會促進臭氧的產(chǎn)生[10-11]。

2.4.3 空氣質(zhì)量與相對濕度的關(guān)系

由表2可知，PM10與相對濕度呈極顯著負相關(guān)的關(guān)系，其他污染物均與相對濕度無顯著相關(guān)的關(guān)系。相對濕度反映空氣中水汽含量，相對濕度低時表明空氣干燥。PM10與相對濕度呈負相關(guān)，這是因為大氣相對濕度低一般是出現(xiàn)在天氣晴好的條件下，大氣較為穩(wěn)定，大氣擴散能力差，所以易于顆粒物累積[12]。而PM2.5的測定是通過濕度控制的動態(tài)加熱，所以PM2.5與濕度未表現(xiàn)出明顯關(guān)系。

2.4.4 空氣質(zhì)量與降水量的關(guān)系

由表2可知，PM2.5、PM10、NO2與降水量呈極顯著負相關(guān)的關(guān)系，而CO與降水量呈顯著負相關(guān)的關(guān)系，SO2、O3與降水量無顯著相關(guān)的關(guān)系。降水對空氣污染物具有沖刷沉降的作用，故雨后一般空氣質(zhì)量較好，即空氣質(zhì)量與降水量呈負相關(guān)。

2018年長沙市的降水量最低，但長沙市2018年冬季的降水量（219.5 mm） 最高，高于2015年的降水量（188 mm）、2016年的降水量（201.8 mm）、2017年的降水量（134.3 mm）；長沙市2018年夏季的降水量（438 mm） 為4年夏季中最低，低于2015年的降水量（451.2 mm）、2016年的降水量（550.8 mm）、2017年的降水量（925.9 mm）。降水量對空氣有凈化作用，但在達到一定程度后（如優(yōu)等級），更多的降水對空氣的凈化效果并不是線性增長的，而春夏空氣質(zhì)量優(yōu)良率高于冬季，所以降水量對冬季的影響更優(yōu)于春夏，這也是長沙市在2018年降水量為4年中最低，但是優(yōu)良率為4年中最高的原因之一。

2.4.5 空氣質(zhì)量與風(fēng)速的關(guān)系

由表2可知，PM2.5、PM10、CO與風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)的關(guān)系，而O3與風(fēng)速呈顯著負相關(guān)的關(guān)系，NO2、SO2與風(fēng)速無顯著相關(guān)的關(guān)系。2015—2018年長沙冬季風(fēng)速（2.9 m/s） 最大，春季 （2.6 m/s）、秋季 （2.7 m/s） 次之，夏季（2.3 m/s） 最低；PM2.5、PM10、CO濃度為冬季最高，夏季最低，即PM2.5、PM10、CO濃度與風(fēng)速剛好為正相關(guān)。這是因為長沙市在冬季的風(fēng)速較大，且風(fēng)向大部分為北風(fēng)和西北風(fēng)，將上游污染物遷移至本地，導(dǎo)致污染物的累積加劇。O3濃度為夏季最高，冬季最低，O3濃度與風(fēng)速剛好為負相關(guān)。因為近地面風(fēng)速小，擴散條件差，容易造成臭氧的局地累積。

3 結(jié)論

（1） 長沙市環(huán)境空氣質(zhì)量在2015—2018年呈逐年好轉(zhuǎn)的趨勢，優(yōu)良天數(shù)逐年上升，中度及以上污染天數(shù)逐年減少；長沙市的空氣環(huán)境質(zhì)量存在明顯的季節(jié)變化趨勢，空氣質(zhì)量基本呈春夏季較好、冬秋季較差的特征。

（2）長沙市城市空氣質(zhì)量6項指標中，2018年O3首次成為首要污染物，為141 d，比排第二的PM2.5高出25 d。而在2015—2017年，PM2.5作為首要污染物出現(xiàn)的日數(shù)均最多。2015—2018年，PM2.5作為超標污染物出現(xiàn)的日數(shù)逐年減少，仍居最多；而O3作為超標污染物出現(xiàn)的日數(shù)逐年增加。表明影響長沙市空氣質(zhì)量的最主要超標污染物仍為PM2.5，但O3未來可能為最主要的超標污染物。

（3）由各項污染物和氣象條件的相關(guān)分析可知，PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO 濃度變化呈隨著地面平均氣壓增大而增大，隨平均氣溫的增大而減小的趨勢，而O3剛好相反；PM2.5、PM10、NO2、CO濃度均有隨降水量的增大而減小的趨勢；PM2.5、PM10、CO濃度隨著地面平均風(fēng)速增大而增大，而O3剛好相反；PM10濃度隨地面相對濕度的增大而減小。根據(jù)這些氣象要素未來的變化趨勢來判斷環(huán)境空氣中各項污染物濃度的變化，可為大氣污染防控提供參考。