2015～2019年云南省城市空氣質(zhì)量特征及影響因素研究

鄧 鑫, 于站良，趙桂英，包 云

(云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，昆明 650034)

前 言

2012年上半年國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)按照不同的濃度限值標(biāo)準(zhǔn)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(cè)中增加了PM2.5、O3-8h和CO三個(gè)項(xiàng)目，污染指標(biāo)的增加使得評(píng)價(jià)也更加客觀。2013年昆明市作為云南省首批實(shí)施《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[1](GB3095-2012)的城市，2014年增加曲靖市、玉溪市按新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，2015年云南省全省16個(gè)州市共計(jì)39個(gè)監(jiān)測(cè)站開展新空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量承受巨大壓力，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(gè)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(zhǎng)期性的特點(diǎn)[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(yán)重的大中城市及地區(qū)[5～7]，對(duì)云南省的大氣污染現(xiàn)狀研究較為鮮見。云南省地處我國(guó)西南地區(qū)，因高溫低濕度強(qiáng)太陽輻射等生態(tài)特點(diǎn)，每至冬春季節(jié)不利污染擴(kuò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shì)檢驗(yàn)等評(píng)價(jià)分析方法，對(duì)近5年云南省空氣質(zhì)量和相關(guān)大氣污染物的時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，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(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)間序列為2015年1月1日至2019年12月31日。包括6項(xiàng)污染物(SO2、NO2、CO、O3-8h、PM10、PM2.5)的日均濃度、AQI、空氣質(zhì)量級(jí)別和超標(biāo)污染物。氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)(2015～2019年)，包括平均氣溫、平均風(fēng)速、平均降水量和平均能見度。社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《云南省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2013-2018)[8]及《云南省2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[9]。

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)及《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)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(yán)重污染6個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的取值范圍分別為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、300～500。我國(guó)目前采用AQI來反映某一地區(qū)某一時(shí)段的空氣質(zhì)量水平，數(shù)值越高級(jí)別越大，表明空氣質(zhì)量越差，污染越嚴(yán)重?？諝赓|(zhì)量級(jí)別為優(yōu)級(jí)無首要污染物，空氣質(zhì)量級(jí)別為良及以上均會(huì)標(biāo)注當(dāng)日首要污染物，輕度污染及以上(AQI>100)均會(huì)標(biāo)注超標(biāo)污染物。

空氣質(zhì)量綜合指數(shù)是中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部用于對(duì)74個(gè)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)、排名的一種工具。為評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)，六項(xiàng)污染物濃度與對(duì)應(yīng)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095-2012)之商的總和，通常用于年際環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。

空間插值法通過區(qū)域已知點(diǎn)的值計(jì)算推導(dǎo)出該值在整個(gè)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(jìn)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(jì)算。Spearman秩相關(guān)系數(shù)法用以評(píng)判空氣污染物變化趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性，利用SPSS19.0軟件進(jìn)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(biāo)分析

對(duì)云南省2015～2019年度空氣質(zhì)量狀況等級(jí)、空氣質(zhì)量綜合指數(shù)和超標(biāo)污染物天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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?jī)?yōu)良總體波動(dòng)較小，呈逐年改善趨勢(shì)。

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(biāo)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(dāng)天全省9個(gè)州市出現(xiàn)空氣污染。云南省超標(biāo)污染物種類少，僅有PM2.5、PM10、O3-8h和SO2，以PM2.5及O3-8h為超標(biāo)污染物的天數(shù)占比大(見表2)，至2019年云南省超標(biāo)污染物僅有PM2.5及O3-8h?？傮w上，PM2.5占超標(biāo)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(biāo)污染物占比達(dá)57.52%。SO2作為超標(biāo)污染物僅于2015年12月7日紅河州出現(xiàn)，當(dāng)天SO2污染峰值出現(xiàn)于早上8點(diǎn)高達(dá)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(shí)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(jìn)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(shì)。2019年云南省PM2.5年均值相對(duì)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(duì)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(shì)。2019年云南省O3年均值相對(duì)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(duì)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(jì)發(fā)達(dá)，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(gè)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(fēng)氣流為主的季節(jié)[13]，此時(shí)東南亞大量秸稈的燃燒及遠(yuǎn)距離運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)間變化特征

由圖3對(duì)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(shì)基本一致，年均值表現(xiàn)出逐年下降趨勢(shì)，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(fēng)大雨少，日間作業(yè)易產(chǎn)生揚(yáng)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(kuò)散和去除。5月開始云南進(jìn)入雨季，降雨頻次及降水量上升，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)開始活躍，有利于顆粒物物擴(kuò)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(shì)，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(xué)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(qiáng)度相當(dāng)，但云南夏季多云多雨日照時(shí)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(hù)“十一五”規(guī)劃》將SO2污染減排列入重點(diǎn)項(xiàng)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(shì)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(zhǎng)，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(duì)污染物的擴(kuò)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(gè)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(fēng)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(fēng)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(shí)情相符。平均能見度和平均風(fēng)速呈顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.544，說明隨著風(fēng)速加大雖然對(duì)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(yáng)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(huì)經(jīng)濟(jì)因子

能源消耗量及能源結(jié)構(gòu)對(duì)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(fèi)量穩(wěn)中有增，能源及焦炭消費(fèi)量在2015年后開始趨于平穩(wěn)上升趨勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)動(dòng)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(jī)動(dòng)車保有量呈上升趨勢(shì)，隨著經(jīng)濟(jì)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(jì)指標(biāo)年趨勢(shì)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(dòng)較小， PM2.5及O3-8h為超標(biāo)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(biāo)污染物占比達(dá)57.52%。表明云南省整體空氣質(zhì)量?jī)?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(qiáng)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(shì)，NO2濃度保持基本穩(wěn)定，O3濃度呈顯著上升趨勢(shì)。空間上， PM2.5年均值相對(duì)較高區(qū)域面積略有減少，O3年均值相對(duì)較高區(qū)域面積顯著增加。時(shí)間上，SO2月均值整體趨勢(shì)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(shì)以冬春季節(jié)最為嚴(yán)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(kuò)散加強(qiáng)且引起降水量上升，對(duì)空氣質(zhì)量有不顯著改善。風(fēng)速加大使得污染物向上傳輸形成揚(yáng)塵，引起能見度下降，對(duì)空氣質(zhì)量有不顯著污染。

3.4 減少原煤消費(fèi)、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(duì)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(dāng)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(dá)到改善環(huán)境的目的。