2017～2020年臨汾市空氣質(zhì)量特征分析及評價

于秋月，牛俊杰，林 菲，李穎俊，董海平

(太原師范學院 汾河流域科學發(fā)展研究中心，山西 晉中 030619)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，工業(yè)化進程的加速，大量的資源和能源消耗導致灰沉、霧霾天氣、光化學污染等空氣污染問題的產(chǎn)生[1]?？諝庵械挠泻Τ煞忠约拔廴疚?，越來越受到人們的關(guān)注[2]，因此，防治大氣污染成為社會發(fā)展過程中首要問題。近年來，我國的大氣污染特征已經(jīng)從原來的“煤煙型”污染轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬?fù)合型”污染，大氣污染嚴重威脅著人類的身體健康，引起人們多發(fā)呼吸道感染等疾病，影響著動植物的生長環(huán)境。城市人口的增長加劇了煤炭、石油等能源的消耗，使其成為空氣污染的主要因素?？諝猸h(huán)境污染所引發(fā)的負面問題得到了相關(guān)政府的重視，各級政府給予政策支持，積極防護治理，環(huán)保部門為了開展大氣環(huán)境保護工作，需要根據(jù)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)確定當?shù)氐奈廴疚餇顩r，為制定針對本土污染特征的防治措施提供決策依據(jù)[3-7]。

隨著城市污染問題與日俱增，對空氣質(zhì)量進行定性定量分析，判斷空氣質(zhì)量污染程度，從而進行空氣質(zhì)量評價十分重要[8]。國內(nèi)外許多專家學者，對空氣質(zhì)量問題進行了深入研究。對空氣質(zhì)量主要的評價方法有灰色聚類法[9]、模糊綜合評價法[10-11]、層次分析法[12]、綜合污染指數(shù)法等[13]。綜合污染指數(shù)法，更適用于評價年度或季節(jié)城市空氣質(zhì)量污染變化特征[14]；范燦鵬等[15]運用綜合污染指數(shù)法和單項污染指數(shù)法，分析了珠海市金灣區(qū)空氣質(zhì)量時間變化趨勢及特征；賈薇等[16]采用綜合污染指數(shù)法研究了山陰縣主要污染物年內(nèi)變化特征。臨汾市地形呈“凹”字型分布，污染物不易擴散，同時臨汾的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以鋼鐵、化工、煤炭工業(yè)的第二產(chǎn)業(yè)為主，致使臨汾市空氣污染嚴重[17]，人類活動頻繁導致生活廢氣、汽車尾氣的排放增多，進而使霧霾天氣增多，光化學污染增多。空氣污染嚴重影響臨汾市人民的生產(chǎn)生活以及身體健康。本文將臨汾市2017～2020年的空氣數(shù)據(jù)作為研究對象，對AQI和PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3(8 h)六項污染物濃度特征分析，從而對臨汾市空氣質(zhì)量進行綜合評價，以期為臨汾市的空氣污染治理與防護提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

臨汾市位于山西省西南部，是山西省下轄地級市，是中國三大優(yōu)質(zhì)主焦煤基地之一，臨汾市地形呈“凹”字形分布，四面環(huán)山，中間平原，地處半干旱、半濕潤氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱，雨熱同期；年平均氣溫9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm。臨汾市2020年GDP累計完成1 505.2億元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于真氣網(wǎng)(https://www.zq12369.com)經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)來源于臨汾市統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計公報，提取2017年1月1日到2020年12月31日的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和常規(guī)六項污染物濃度(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3(8 h))的逐日數(shù)據(jù)。2017年的空氣質(zhì)量指數(shù)的總樣本量為365 d，2018年12月22～26日的數(shù)據(jù)缺失，故樣本總量為360 d，2019年因缺失8月9日數(shù)據(jù)，故樣本總量為364 d，2020年的空氣質(zhì)量指數(shù)樣本為366 d，有效數(shù)據(jù)共1 455 d。

1.3 研究方法

根據(jù)2012年國家新發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[18]，空氣污染指數(shù)是一種能夠?qū)諝赓|(zhì)量污染狀況定量描述的無量綱指數(shù)，指數(shù)值越大說明空氣受到的污染情況越嚴重，危害越大。綜合污染指數(shù)法是一種用以對城市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合狀況評價的研究方法，通過該方法將污染物標準化，對環(huán)境污染的程度進行簡明直觀地描述和比較。

綜合污染指數(shù):P=∑Pi

(1)

單項污染指數(shù):Pi=Ci/Si

(2)

式中：P為空氣綜合污染指數(shù)；Pi為第i項空氣污染物的分指數(shù)；Ci為第i項空氣污染物濃度的年均值；Si為i項空氣污染物的環(huán)境質(zhì)量標準值。

按照國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準規(guī)定，將空氣綜合污染指數(shù)分級為：清潔(P≤1.3)、輕污染(1.312)。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣質(zhì)量的年變化特征分析

2.1.1 各級別空氣質(zhì)量天數(shù)年變化

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[18]，AQI值按照0～50為優(yōu)、50～100為良、101～150為輕度污染、151～200為中度污染、201～300為重度污染，以及>300為嚴重污染，將空氣質(zhì)量劃分為六個等級，將AQI按照等級劃分得到不同級別的空氣質(zhì)量天數(shù)的年變化情況(見表1)。

提取2017～2020年臨汾市逐日空氣質(zhì)量等級數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4年中等級為良所占比重最大，有852 d，占樣本總數(shù)的59%；優(yōu)的等級天數(shù)有103 d，占總體的7.1%；達到輕度污染級別及以上的天數(shù)為500 d，占樣本總數(shù)的34.4%。由表1可知，與其它年份相比，2017年空氣質(zhì)量最差，優(yōu)良等級天數(shù)最少，為173 d，輕度污染及以上等級天數(shù)最多，為192 d。2018年的優(yōu)良等級天數(shù)為219 d，比上一年增加了46 d，輕度污染及以上等級天數(shù)為141 d，比上一年減少了51 d，中度污染的天數(shù)比重度污染的多了14 d。2019年空氣質(zhì)量優(yōu)良等級天數(shù)為268 d，輕度污染及以上的天數(shù)為96 d，比上一年減少了45 d，良的天數(shù)比輕度污染多了192 d。2020年空氣質(zhì)量最好，優(yōu)良等級天數(shù)最多，達到295 d，輕度污染及以上等級天數(shù)最少，為71 d，且嚴重污染等級僅在2020年出現(xiàn)2 d，優(yōu)的天數(shù)超過中度及以上污染30 d。綜上，2017～2020年，空氣質(zhì)量為優(yōu)良的天數(shù)是逐年增多的。優(yōu)良天數(shù)占比由47.4%上升到81%，而輕度污染及以上的等級天數(shù)是逐年減少的趨勢，占比由53%下降到19.4%。

表1 2017～2020年臨汾市各級別空氣質(zhì)量天數(shù) Table 1 Days of each air quality level in Linfen City from 2017 to 2020 天

2.1.2 各項污染物年平均質(zhì)量濃度變化

如表2所示，據(jù)臨汾市2017～2020年的各項污染物年平均質(zhì)量濃度分析，結(jié)果顯示，除NO2、O3外，各項污染物年平均質(zhì)量濃度變化趨勢與空氣質(zhì)量指數(shù)變化趨勢相一致，均呈逐年下降的趨勢。其中SO2的年平均質(zhì)量濃度值下降幅度最大，由2017年的78.6 μg/m3下降到2020年的18.4 μg/m3。PM2.5的濃度值是呈逐年小幅度下降，由2017年的82.3 μg/m3下降到2020年的51.9 μg/m3。PM10年平均質(zhì)量濃度由2017年的129.6 μg/m3下降到2020年的87.2 μg/m3，其中，從2019年開始較前兩年的年均濃度值下降明顯。CO的年平均質(zhì)量濃度較低，但年均質(zhì)量濃度逐年下降幅度較大。NO2的年均質(zhì)量濃度整體變化不明顯。O3的濃度逐年增加，與2017年相比，2018年增加明顯，增加了24.3%，2018年以后年均質(zhì)量濃度只有小幅度提升。如表3可知，綠化覆蓋率呈逐年增加。私人汽車保有量是逐年增加的趨勢。第二產(chǎn)業(yè)占比呈逐年下降。2017年臨汾市煤炭消費占比為96.23%，2020年降到80%。城市綠化植被能夠有效凈化空氣中的污染物，對提高區(qū)域環(huán)境質(zhì)量十分有益；冬季采暖期煤炭消耗量對空氣污染的貢獻很大，因此煤炭能源消耗總量的降低，有效減少了空氣中主要污染物，如SO2、NO2和PM10的濃度[5]，有助于改善空氣質(zhì)量；私家車保有量的增長，會增加了汽車尾氣的排放量，與空氣中NO2的濃度有直接關(guān)系，而NO2可在太陽輻射下發(fā)生光化學反應(yīng)，增加空氣中O3的濃度。

表2 年平均濃度表Table 2 Average annual concentration

表3 經(jīng)濟數(shù)據(jù)Table 3 Economic data

綜上所述，對臨汾市空氣各項污染物濃度年均變化和超標天數(shù)分析，空氣質(zhì)量按照國家二級標準劃分，濃度限值分別為(PM2.5為35 μg/m3；PM10為70 μg/m3；SO2為60 μg/m3；CO為4 mg/m3；NO2為40 μg/m3；O3為160 μg/m3)。PM2.5和PM10在2017～2020年的質(zhì)量濃度均未達到國家二級標準，PM2.5的超標天數(shù)分別為328、327、262、188 d。PM10的超標天數(shù)分別為313、315、256、194 d。由此可見PM2.5和PM10的超標天數(shù)呈逐年下降的趨勢。PM2.5和PM10在2017年超標天數(shù)最多，在2020年超標天數(shù)最少，分別占全體的13%和13.3%。SO2僅在2017年的質(zhì)量濃度未達到國家二級標準，超標天數(shù)為117 d。NO2、CO和O3的年均質(zhì)量濃度在4年間均達到二級標準。

2.2 空氣質(zhì)量季節(jié)變化特征分析

2017年空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)主要出現(xiàn)在秋季，其次是夏季和冬季，春季僅有1 d?？諝赓|(zhì)量為良的天數(shù)在秋季出現(xiàn)最多，有56 d，春夏次之，冬季最少，僅有9 d；輕度污染主要出現(xiàn)在夏季，超過了40 d，其次是春冬兩季，秋季最少；中度和重度污染主要集中出現(xiàn)在冬季分別為14 d和23 d；嚴重污染在全年占比最少，僅在冬季出現(xiàn)10 d，說明夏季的空氣質(zhì)量最好。與2017年相比，2018年的空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)減少了10 d，且春夏兩季均未出現(xiàn)；空氣質(zhì)量為良的，在夏季占比最多，秋、春次之，冬季最少，四個季節(jié)良的天數(shù)均明顯較2017年增加；四個季節(jié)的輕度污染天數(shù)較2017年占比有所減少，而重度等級天數(shù)占比明顯下降，嚴重污染僅在冬季出現(xiàn)9 d，重度以上等級均未在春夏出現(xiàn)。2019年空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)占比四個季節(jié)均較上一年增長明顯，而輕度污染的比例有明顯下降的趨勢，良的天數(shù)在夏季最多，有79 d，其次是春、秋，冬季最少，與前兩年相比，2019年空氣質(zhì)量為中度及以上等級均未在春夏兩季出現(xiàn)，嚴重污染等級僅在冬季出現(xiàn)4 d。2020年的空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)在夏季最多超過了20 d，空氣質(zhì)量為良的春季最多，有77 d，夏秋兩季次之，冬季最少。綜合2017～2020年不同季節(jié)空氣質(zhì)量等級天數(shù)結(jié)果，輕度污染在春夏兩季天數(shù)下降趨勢尤為明顯，分別由2017年35 d和46 d下降到2020年的1 d。冬季中度和重度污染均未超過15 d，嚴重污染在冬季僅出現(xiàn)2 d，與前三年相比嚴重污染等級天數(shù)明顯下降。綜上述分析，與前三年相比，2020年的空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)，尤其是春夏兩季空氣質(zhì)量提高明顯。

統(tǒng)計2017～2020年的各級空氣質(zhì)量天數(shù)得出結(jié)論，空氣質(zhì)量為良的，在夏季最多，有259 d，其次是春秋兩季，冬季最少，有87 d。且四季中，良的天數(shù)占比最多，有852 d占總樣本的59%，空氣質(zhì)量為良的變化趨勢是由春秋到冬，呈下降趨勢。輕度污染和優(yōu)在各個季節(jié)均有出現(xiàn)，夏季優(yōu)等級天數(shù)最多，有38 d，秋季次之，有34 d。輕度污染在冬季天數(shù)最多，有107 d。中度及以上等級污染主要出現(xiàn)在冬季，且夏季并沒有出現(xiàn)。重度污染在秋季出現(xiàn)4 d，在春季僅出現(xiàn)2 d，且秋季的中度和重度污染天數(shù)超過春季的6 d。嚴重污染僅在冬季出現(xiàn)25 d。總之，空氣質(zhì)量最好的季節(jié)是春夏兩季，秋季次之，冬季的空氣質(zhì)量最差。周靜等[19]利用遙感和觀測數(shù)據(jù)分析了秸稈焚燒對臨汾市空氣質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)秋冬季節(jié)在風向、風速、相對濕度、降水等氣象條件影響下，秸稈焚燒過程中生成大量的CO、氣溶膠等，對臨汾城市空氣污染物的變化有密切關(guān)系。另外冬季臨汾市進入采暖期，民用散煤燃煤增加了污染物的排放量。

2.3 首要污染物年變化特征

當AQI指數(shù)超過50時，空氣質(zhì)量分指數(shù)最大的污染物，為首要污染物。四年均以PM2.5、PM10、O3作為首要污染物。2017～2020年以PM2.5作為首要污染物的天數(shù)最多，分別有218、204、143、122 d，呈逐年下降趨勢，分別占總樣本的63.56%、57.95%、42.56%和40%。其次是以PM10作為首要污染物的天數(shù)較多，先上升后下降趨勢，PM10在2018年和2019年出現(xiàn)的天數(shù)相差不大，分別有114 d和113 d，占總樣本的32.39%和33.63%，2020年最少，占總樣本的24.26%。以O(shè)3作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)最少，2017年出現(xiàn)30 d，占總樣本的8.75%，2018年比2017年多了4 d，占總樣本的9.66%，2019年開始增加的特別明顯，比2018年多了46 d，占總樣本的23.81%，2020年出現(xiàn)的天數(shù)為四年中最多，有109 d，占總樣本的35.74%。O3的變化與PM2.5和PM10相比是相反的，呈逐年增加的趨勢。

圖2 2017～2020年首要污染物概況Fig.2 Overview of primary pollutants from 2017 to 2020

2.4 首要污染物季節(jié)變化特征

如圖3，統(tǒng)計2017～2020年期間首要污染物不同季節(jié)出現(xiàn)的天數(shù)，可知冬季首要污染物主要為PM2.5，有290 d，其次是PM10，有43 d。O3在冬季未出現(xiàn)。秋季的首要污染物仍是PM2.5，有169 d，PM10次之，O3最少。夏季首要污染物出現(xiàn)天數(shù)順序依次為O3、PM2.5、PM10。春季的首要污染物主要是PM10，O3出現(xiàn)的頻率比秋季多了15 d。對比不同年份各季節(jié)污染物出現(xiàn)的頻率，2018年～2020年以PM2.5為首要污染物出現(xiàn)的頻率高低季節(jié)順序依次為冬季、秋季、春季和夏季。以PM10為首要污染物出現(xiàn)的頻率高低季節(jié)在2017～2019年均保持一致，依次是春季、秋季、夏季和冬季的高低順序。2020年依舊是春季出現(xiàn)的頻率最多，其次是秋季，夏季較冬季出現(xiàn)頻率較少，僅有2 d。2017～2020年O3均在夏季出現(xiàn)的最多且逐年增長，分別為16、28、59、65 d。其次是春秋兩季，四年中均沒有在冬季出現(xiàn)過。對比每個污染物在各季節(jié)出現(xiàn)的頻率可知，冬季以PM2.5為首要污染物，占21.45%，秋季次之，占12.5%。以PM10為首要污染物所占比重在春季最多，超過10%，而冬季與之相比減少了9.68%。以O(shè)3為首要污染物在夏季占比最大，為12.43%，春季和秋季占比相對較少，不足4%，在冬季并未出現(xiàn)。這是因為夏季氣溫高，陽光照射強與汽車尾氣容易產(chǎn)生光化學污染[20]，由此可見，各個污染物所出現(xiàn)的頻率具有明顯季節(jié)性的差異。

圖3 2017～2020年AQI>50首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)Fig.3 Days of occurrence of primary pollutants in AQI>50 from 2017 to 2020

2.5 空氣質(zhì)量評價

通過對PM2.5、PM10和O3三個污染物的年均值計算空氣綜合污染指數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 2017～2020年空氣質(zhì)量綜合指數(shù)Table 4 Air quality composite index from 2017 to 2020

由表3可得，臨汾市的空氣綜合污染指數(shù)范圍在3.28～4.55之間，其中2017年和2018年的空氣綜合污染指數(shù)均超過4但低于8，根據(jù)空氣綜合污染指數(shù)的分級標準可知均屬于中度污染。2019和2020年的空氣污染綜合指數(shù)均在1～4之間，均屬于輕度污染。其中PM2.5在三個污染物中占比最多，年均值也最大，說明PM2.5是臨汾市需要加強治理防御的首要空氣污染物。2017～2020年這4年間，2017年的空氣綜合污染指數(shù)最高，2020年的空氣污染指數(shù)最低，且臨汾市空氣綜合污染指數(shù)呈逐年下降趨勢。綜上所述，臨汾市的空氣質(zhì)量在逐年變好，2020年尤為突出。這是因為臨汾市從2018年開始，為了響應(yīng)國家“藍天計劃”的號召，根據(jù)地方環(huán)境特點制定了符合臨汾當?shù)氐恼?，包括《臨汾市人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)臨汾市2018～2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》和《2018年全市生態(tài)環(huán)境治理攻堅行動的實施意見》等一系列政策的提出并實施[21]，取締高能耗、高污染企業(yè)，升級落后工藝和設(shè)施；同時調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，鼓勵投資低碳、環(huán)保產(chǎn)業(yè)，資金支持清潔取暖，進行大規(guī)模植樹造林，使得臨汾市的空氣質(zhì)量逐年變好[22]。但以煤炭、焦炭、鋼鐵為主導產(chǎn)業(yè)的臨汾今后仍面臨巨大的環(huán)保壓力，如何持續(xù)綠色發(fā)展，需要進一步的研究。

3 結(jié) 論

(1)2017～2020年空氣質(zhì)量為優(yōu)良的天數(shù)逐年增多；而輕度污染及以上等級天數(shù)逐年減少。能源總量消耗的降低，有助于減少空氣中的PM2.5、PM10、SO2和CO的產(chǎn)生。對比2017～2020年的空氣質(zhì)量，2020的空氣質(zhì)量最好，尤其是春夏兩季空氣質(zhì)量提高明顯。對比2017～2020年不同季節(jié)各等級天數(shù)，秋冬兩季空氣質(zhì)量最差。

(2)2017～2020年均以PM2.5、PM10、O3作為首要污染物。且以PM2.5作為首要污染物的天數(shù)最多，呈逐年下降趨勢，其次是PM10作為首要污染物的天數(shù)，先上升后下降趨勢。以O(shè)3作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)最少，O3的天數(shù)變化趨勢與PM2.5相反，呈逐年增加的趨勢。

(3)綜合2017～2020年污染物占比情況可知，秋冬季節(jié)的首要污染物主要為PM2.5，夏季的首要污染物主要是O3。這是因為夏季氣溫高，陽光照射強與汽車尾氣容易產(chǎn)生光化學污染。春季的首要污染物主要是PM10，具有明顯的季節(jié)性差異。

(4)臨汾市的空氣綜合污染指數(shù)范圍在3.28～4.55之間，呈逐年減少趨勢，PM2.5是臨汾市主要的污染物。其中2017和2018年是中度污染，到了2019～2020年，空氣質(zhì)量有所改善，均為輕度污染。