東北空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征及變化趨勢(shì)研究

郭保林 周開(kāi)斌 孫 婭 馬開(kāi)睿

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150028）

引言

改革開(kāi)放前，東北地區(qū)逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，多數(shù)年份的GDP約占全國(guó)GDP 的13%，工業(yè)規(guī)模約占全國(guó)工業(yè)總規(guī)模的20%，在國(guó)內(nèi)有著舉足輕重的地位。改革開(kāi)放后，我國(guó)在工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中以服務(wù)業(yè)發(fā)展為主，但東北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)規(guī)模在全國(guó)的占比逐漸下降且趨同，服務(wù)業(yè)的發(fā)展相對(duì)滯后[1]。與此同時(shí)，東北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益顯現(xiàn)（尤其是空氣污染以及霾污染等復(fù)合型大氣污染問(wèn)題）。2013 年?yáng)|北地區(qū)發(fā)生大規(guī)模霧霾污染；2014-2016 年?yáng)|北地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)空氣重污染，達(dá)到霧霾高峰期；2019 年?yáng)|北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性大氣污染，部分城市達(dá)到嚴(yán)重污染。大氣污染成為東北地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的重要阻礙，嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境質(zhì)量和居民身體健康[2]。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

2012 年中國(guó)為健全環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，頒布《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012），將空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index,AQI）作為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的參考數(shù)據(jù)。本文將執(zhí)行2012 年環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的東北地區(qū)34 個(gè)地級(jí)城市（見(jiàn)表1）作為研究區(qū)域[3]，采用2015-2019 年空氣質(zhì)量指數(shù)AQI 以及PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數(shù)據(jù)，結(jié)合年、度、月的時(shí)空間尺度，利用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法研究東北地區(qū)大氣質(zhì)量的變化趨勢(shì)和變化特征。

表1 東北地區(qū)區(qū)域劃分及地級(jí)市個(gè)數(shù)

研究數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）中，中國(guó)空氣質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)（https://www.aqistudy.cn/historydata/）和天氣網(wǎng)（https://rp5.ru/）為研究提供了主要數(shù)據(jù)，包括中國(guó)大氣污染物數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。其中天氣網(wǎng)中采用的是東北地區(qū)2015-2019 年34 個(gè)城市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和五大氣體（PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3）數(shù)據(jù)。

1.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法由H.B.Mann 和M.G.Kendall 提出并發(fā)展，屬于非參數(shù)分析法，可以定量地計(jì)算出時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，是水文氣象序列研究中經(jīng)常采用的方法。

Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法是非參數(shù)檢驗(yàn)方法，也稱(chēng)無(wú)分布檢驗(yàn)，其特點(diǎn)是不需要對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，也不受極端值和異常值的影響，類(lèi)型變量和順序變量的分析可以運(yùn)用微量值或低于檢測(cè)范圍的值，計(jì)算比較簡(jiǎn)便。檢驗(yàn)原理：在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z 為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)；Z的絕對(duì)值在大于等于1.28、1.64、2.32 時(shí)表示分別通過(guò)了信度90%、95%以及99%顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析：東北地區(qū)空氣質(zhì)量的時(shí)空變化特征

根據(jù)中國(guó)空氣質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)（https://www.aqistudy.cn/historydata/）和天氣網(wǎng)（https://rp5.ru/）提供的2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)34 個(gè)地級(jí)市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3的小時(shí)和月均值數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均可得到所需的年、季均值。其中，季度采用氣象劃分法，即以陽(yáng)歷3-5 月為第一季度，6-8 月為第二季度，9-11 月為第三季度，12-2（來(lái)年）月為第四季度。平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)中，缺少遼寧省朝陽(yáng)市2015 年2 月和3 月的空氣質(zhì)量指標(biāo)（AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3），所以采用SPSS 均值法對(duì)缺失值進(jìn)行替補(bǔ)。本章節(jié)分析東北地區(qū)2015-2019 年34 個(gè)地級(jí)市空氣質(zhì)量指標(biāo)（AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3）的年度、季度和月度變化，以期從不同尺度了解東北地區(qū)空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征，從而科學(xué)認(rèn)識(shí)東北地區(qū)大氣污染特點(diǎn)，對(duì)改善區(qū)域空氣質(zhì)量以及制定防控措施具有指導(dǎo)意義。

2.1 城市空氣質(zhì)量逐漸改善，重工業(yè)化區(qū)域污染明顯

比較2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)34 個(gè)城市的空氣質(zhì)量指標(biāo)（AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3），對(duì)東北地區(qū)空氣質(zhì)量的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

從整個(gè)地區(qū)看，2015-2018 年?yáng)|北地區(qū)AQI、PM2.5、PM10 和CO 的年度均值連續(xù)下降，2018 年下降至最低點(diǎn)后在2019 年有小幅度上升；SO2年度均值在2015-2019 年持續(xù)下降，在2018 年下降幅度最大（降幅達(dá)6.20μg/m3）；NO2年度均值在2017 年和2019 年有微小上升，整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；2015 年O3年度均值為87.09μg/m3，2016-2017 年持續(xù)上升且增幅較大，2017 年升至98.62μg/m3，2018 年下降至88.24μg/m3，但2019 年又上升至91.80μg/m3。比較2015-2019 年的季度均值，東北地區(qū)AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2的季度均值在第一季度和第二季度有大幅下降，第四季度明顯上升，O3季度均值在第一季度和第二季度大幅上升，第三季度和第四季度大幅下降，說(shuō)明東北地區(qū)34 個(gè)城市的空氣質(zhì)量逐漸改善，個(gè)別污染物的濃度值不穩(wěn)定?？諝赓|(zhì)量指標(biāo)（AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3）在2015-2019年內(nèi)的季度變化軌跡基本相似，AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2在第四季度的均值最高，之后持續(xù)下降，第二季度進(jìn)入低谷，之后逐月上升。

從區(qū)域?qū)用婵?，黑龍江、吉林、遼寧三個(gè)地區(qū)2015 年AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2的年度均值都高于2016-2019 年，基本都在2018 年達(dá)到低谷，在2019 年有小幅度上升；O3的年度均值在2015-2019 年期間經(jīng)歷了先上升后下降再上升的波浪型變化趨勢(shì)。其中東北地區(qū)2015 年第四季度的SO2季度均值和2016 年第四季度的PM2.5、PM10 季度均值大于其他年份同期均值，吉林2015 年第四季度的AQI 和NO2季度均值大于2016-2019 年同期均值，黑龍江和遼寧2015 年第四季度的CO 季度均值大于2016-2019 年同期，吉林和遼寧2016 年第一季度的O3季度均值大于其他年份同期均值。

東北地區(qū)各區(qū)域的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2季度均值基本呈現(xiàn)“第四季度高第二季度低，第一季度降第三季度升”的變化軌跡，O3季度均值呈現(xiàn)“第二季度高第四季度低，第三季度降第一季度升”的變化軌跡。

分地區(qū)比較空氣質(zhì)量指標(biāo)的年度均值，AQI、PM2.5 的高值區(qū)包括哈爾濱、大慶、七臺(tái)河、長(zhǎng)春、吉林、四平、沈陽(yáng)、鞍山；PM10的高值區(qū)包括哈爾濱、鶴崗、七臺(tái)河、長(zhǎng)春、吉林、四平、松原、沈陽(yáng)、鞍山、葫蘆島；SO2的高值區(qū)包括哈爾濱、齊齊哈爾、吉林、通化、沈陽(yáng)、鞍山、錦州、葫蘆島；CO 的高值區(qū)包括哈爾濱、齊齊哈爾、雞西、四平、通化、白山、鞍山、本溪、丹東、遼陽(yáng)、朝陽(yáng)、葫蘆島；NO2的高值區(qū)包括哈爾濱、牡丹江、大慶、長(zhǎng)春、吉林、四平、通化、沈陽(yáng)、鞍山、葫蘆島；O3的高值區(qū)包括佳木斯、大慶、雞西、長(zhǎng)春、吉林、四平、沈陽(yáng)、大連、錦州、營(yíng)口和葫蘆島。由此可見(jiàn)，重工業(yè)化城市普遍比其他城市的空氣質(zhì)量差。

2.2 城市空氣質(zhì)量向好發(fā)展，優(yōu)良天數(shù)比率上升

2015 年?yáng)|北地區(qū)平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為75.00%，輕度污染占25.00%；2017 年平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為91.66%，比2015 年上升16.66 個(gè)百分點(diǎn)，輕度污染占8.34%；2016 年、2018 年和2019 年平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為100.00%。五年期間，東北地區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)不斷增加，比例相應(yīng)增加，輕度污染天數(shù)下降。但2017 年?yáng)|北地區(qū)AQI 年度均值較2016 年有所上升，2019 年AQI 年度均值較2018 年有所上升，這說(shuō)明在2017 年和2019 年?yáng)|北地區(qū)空氣質(zhì)量的污染程度較往年有所增強(qiáng)，重污染天氣并沒(méi)有被完全有效地遏制。

根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2012）規(guī)定，空氣污染指數(shù)可以分為六個(gè)級(jí)別：優(yōu)（0≤AQI≤50）、良（51≤AQI≤100）、輕度污染（101≤AQI≤150）、中度污染（151≤AQI≤200）、重度污染（201≤AQI≤300)和嚴(yán)重污染（AQI>300）。對(duì)2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)不同區(qū)域的不同污染程度天數(shù)在各年度占比進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，可以看出2015 年?yáng)|北地區(qū)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)占全年比例由大到小排列為黑龍江、遼寧、吉林，占比分別為91.67%、75.00%、66.67%；2016 年和2017 年黑龍江空氣質(zhì)量全年達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為100.00%，吉林和遼寧占比為91.67%；2018 年和2019 年?yáng)|北地區(qū)全年的空氣質(zhì)量全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，其中2018 年黑龍江和吉林空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)占全年比例為33.33%，2019 年黑龍江和吉林空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)占全年比例分別為50.00%、25.00%。2015-2019 年黑龍江空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)占比均高于東北地區(qū)平均水平，是東北地區(qū)空氣質(zhì)量最好的地方；2015-2019 年吉林和遼寧空氣質(zhì)量為輕度污染的天數(shù)占比略高于東北地區(qū)平均水平；與黑龍江相比，吉林和遼寧的空氣質(zhì)量稍差。

2.3 城市空氣污染物濃度整體呈下降趨勢(shì)

采用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)的空氣質(zhì)量指標(biāo)（AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3）數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)東北地區(qū)空氣質(zhì)量的變化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

從整個(gè)地區(qū)看，2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的樣本量（n）都為60，方差Var（S）均為24583，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（S）均為負(fù)值，M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）分別為-3.42、-2.93、-3.17、-3.41、-3.50、-2.51、-0.30。其中，2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2的M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）均為負(fù)值，說(shuō)明東北地區(qū)的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2的濃度呈下降趨勢(shì)，而且AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2的M-K統(tǒng)計(jì)量（Z）的絕對(duì)值（|Z|）都大于2.32，表示通過(guò)了信度99%的顯著性檢驗(yàn)，具有明顯的下降趨勢(shì)；2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)O3的M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）為負(fù)值，但絕對(duì)值（|Z|）為0.30，小于1.28，說(shuō)明東北地區(qū)O3濃度的下降趨勢(shì)沒(méi)有通過(guò)信度90%的顯著性檢驗(yàn)，且M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）值較小，變化趨勢(shì)并不能完全確定。

表2 2015-2019年?yáng)|北地區(qū)各區(qū)域檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（S）

表3 2015-2019年?yáng)|北地區(qū)各區(qū)域M-K統(tǒng)計(jì)量（Z）

從區(qū)域?qū)用婵矗ㄒ?jiàn)表2-表3），2015-2019 年黑龍江、吉林、遼寧三個(gè)地區(qū)AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O3的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（S）和M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）均為負(fù)值。其中2015-2019 年黑龍江、吉林、遼寧三個(gè)地區(qū)AQI、PM2.5、PM10、SO2和CO 的M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）的絕對(duì)值（|Z|）都大于2.32，說(shuō)明黑龍江、吉林、遼寧三個(gè)地區(qū)AQI、PM2.5、PM10、SO2和CO 的濃度都呈下降趨勢(shì)，且都通過(guò)了信度99%的顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)的可信度高。2015-2019 年黑龍江、吉林兩個(gè)地區(qū)NO2的M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）的絕對(duì)值（|Z|）大于2.32，通過(guò)了信度99%的顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)為高可信度的下降趨勢(shì)；遼寧地區(qū)NO2的M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）的絕對(duì)值（|Z|）為1.8，大于1.64，通過(guò)了信度95%的顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)較為可信。2015-2019 年黑龍江、吉林、遼寧三個(gè)地區(qū)O3的M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）值分別為-0.92、-1.17、-0.3，M-K 統(tǒng)計(jì)量（Z）的絕對(duì)值（|Z|）均小于1.28，沒(méi)有通過(guò)信度90%的顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)缺乏可信度。2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)各區(qū)域的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2濃度基本呈現(xiàn)出具有高可信度的下降趨勢(shì)。受樣本數(shù)量限制，O3濃度呈現(xiàn)出低可信度的下降趨勢(shì)，還需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)積累才能得出最終結(jié)論。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）東北地區(qū)空氣質(zhì)量逐漸改善，重工業(yè)區(qū)域污染明顯

比較2015-2019 年?yáng)|北地區(qū)空氣質(zhì)量指標(biāo)（AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3）顯示，東北各區(qū)域的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO 和NO2濃度基本呈現(xiàn)“第四季度高第二季度低，第一季度降第三季度升”的變化軌跡，O3濃度呈現(xiàn)“第二季度高第四季度低，第三季度降第一季度升”的變化軌跡。其中，東北地區(qū)AQI的年度均值在2015-2018 年連續(xù)下降，空氣質(zhì)量逐漸改善?？諝馕廴疚锏臐舛雀咧祬^(qū)主要包括東北地區(qū)的重工業(yè)城市區(qū)域，重工業(yè)化城市的空氣質(zhì)量普遍比其他城市差，污染明顯。

（2）城市空氣質(zhì)量向好發(fā)展，優(yōu)良天數(shù)比率上升

除2015 年平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例為75.00%外，東北地區(qū)2016-2019 年空氣質(zhì)量平均達(dá)標(biāo)天數(shù)比例均為100.00%，達(dá)標(biāo)天數(shù)不斷增加，污染天數(shù)下降，城市空氣質(zhì)量向好發(fā)展。五年期間，黑龍江省空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)占比均高于東北地區(qū)平均水平，是東北地區(qū)空氣質(zhì)量最好的地方；吉林和遼寧空氣質(zhì)量為輕度污染的天數(shù)占比略高于東北地區(qū)平均水平，與黑龍江相比空氣質(zhì)量稍差。

（3）東北地區(qū)城市空氣污染物濃度整體呈下降趨勢(shì)

黑龍江、吉林、遼寧三個(gè)地區(qū)的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO和NO2濃度的變化都通過(guò)了信度較高的顯著性檢驗(yàn)，呈現(xiàn)出具有高可信度的下降趨勢(shì)，城市空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。但在分析過(guò)程中，東北地區(qū)O3濃度的變化在顯著性檢驗(yàn)中沒(méi)有通過(guò)高信度的檢驗(yàn)，呈現(xiàn)出低可信度的下降趨勢(shì)，目前對(duì)其變化趨勢(shì)并不能得出最終結(jié)論。

3.2 討論

（1）參考數(shù)據(jù)較為單一

僅從空氣污染物濃度的分布和變化特征方面分析空氣質(zhì)量水平，在分析過(guò)程中可供參考的數(shù)據(jù)有限，可能導(dǎo)致分析結(jié)果有偏差，未來(lái)或可以引入其他可供參考的變量，多種變量相結(jié)合，從而提高研究結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

（2）樣本選擇數(shù)量較少

受數(shù)據(jù)資料的限制，所選擇的樣本數(shù)量?jī)H包括2015-2019年的空氣質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)東北地區(qū)空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征和變化趨勢(shì)的研究，僅基于東北地區(qū)部分地級(jí)市的參考數(shù)據(jù)，而且在分析過(guò)程中也出現(xiàn)了O3濃度變化趨勢(shì)可信度較低的情況，并不能完全下最終結(jié)論。

（3）模型檢驗(yàn)方法可持續(xù)改進(jìn)

Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法主要在時(shí)間序列上分析數(shù)據(jù)的可信度和變化趨勢(shì)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性和空間分布情況的分析還需引入更合理的分析模型，全面驗(yàn)證空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征和變化趨勢(shì)是一個(gè)值得思考的難題，數(shù)據(jù)搜集和模型檢驗(yàn)的路途仍然遙遠(yuǎn)。

結(jié)語(yǔ)

隨著東北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性大氣污染，部分城市達(dá)到嚴(yán)重污染，大氣污染成為東北地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的重要阻礙，嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境質(zhì)量和居民身體健康。本研究從不同尺度了解東北地區(qū)空氣質(zhì)量時(shí)空變化特征和變化趨勢(shì)，不僅有利于科學(xué)認(rèn)識(shí)東北地區(qū)大氣污染特點(diǎn)，還對(duì)制定環(huán)保和防控措施具有指導(dǎo)意義，以達(dá)到改善區(qū)域空氣質(zhì)量，防止環(huán)境污染，建設(shè)環(huán)保城區(qū)的目的。