沿海典型城市大氣污染物分布特征和影響因素分析

薛 艷，彭章娥，劉 琳

(上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院，上海 201418)

0 引 言

近二十年來，隨著城市化建設加快和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，大氣污染已成為我國最主要的環(huán)境問題之一。國內(nèi)外學者針對大氣污染物的危害、產(chǎn)生和分布開展了大量的研究工作。已有研究表明，嚴重的空氣污染不僅影響大氣能見度，并且會對人體健康造成嚴重威脅，如由空氣污染引發(fā)呼吸系統(tǒng)相關疾病、心腦血管疾病、心肺疾病、肺癌等[1-4]。諸多學者從不同角度研究了大氣污染物的分布特征和影響因素，力求尋找有效、可行的治理方向和路徑。相關研究表明冬季主要大氣污染物是PM2.5、PM10，氣象條件會對大氣污染物濃度分布具有一定的影響[5-6]。諸多學者也對空氣污染物的時空分布特征進行了分析，結果顯示污染區(qū)域基本呈集中連片分布的態(tài)勢[7]。中國北方地區(qū)大氣污染狀況比南方地區(qū)嚴重[8]。也有許多學者對區(qū)域大氣進行了研究，結果顯示燃煤、農(nóng)作物秸稈焚燒和揚塵排放等人為因素會加劇大氣污染[9]，人為污染為大氣污染的主要污染源[10]。區(qū)域間的大氣污染物傳輸對當?shù)匚廴疚餄舛扔绊戯@著[11-12]。地形對污染物存在一定影響，地形起伏度有利于氣流的擴散從而降低污染物濃度[13]。研究表明，東部沿海地區(qū)空間變異性程度均屬于中等水平，污染物濃度的高值區(qū)域主要分布在地表高程較低的地區(qū)[14-15]。由于大氣污染的形成和變化復雜，進一步了解區(qū)域空氣污染特征和差異，以及引起差異的關鍵因素及其影響機制還有待進一步研究和分析。

通過對2016～2020年天津、青島、上海、寧波四個經(jīng)濟活躍的典型沿海城市大氣中的主要污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2)濃度分布進行分析與對比，研究了沿海典型城市大氣污染特點。由于大氣污染的程度與城市的地理位置、氣候、經(jīng)濟發(fā)展等因素相關聯(lián)，本研究也選取了該四個沿海城市近五年的城市數(shù)據(jù)進行了影響因素和相關性分析，以期對沿海城市大氣污染防控提供對策建議參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035/)發(fā)布的天津、青島、上海、寧波四市2016年1月1日至2020年12月31日環(huán)境空氣質(zhì)量評價城市點的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)。各種污染物的監(jiān)測方法依據(jù)生態(tài)環(huán)境部相關標準與規(guī)范[16]。經(jīng)濟、氣候數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局、各市統(tǒng)計局、各市統(tǒng)計年鑒[17-32]。

1.2 研究方法

本研究采用Mann-Kendall檢驗法[33]對四個典型城市的PM2.5、PM10、SO2、NO2月均濃度，月均溫度、降水量、日照時長等進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 典型城市四種大氣污染物地理分布比較

為了解四城市各個季節(jié)四種大氣污染物的地理季節(jié)分布特征，本研究將四城市2016～2020年大氣污染物的逐月變化趨勢進行了比較，結果如圖1所示。

圖1 四城市2016～2020年度大氣污染物濃度變化趨勢圖Fig.1 2016～2020 trend of air pollutants concentrations in the four cities

四城市均呈現(xiàn)出污染物濃度冬季最高、夏季最低的特點，與我國其他地區(qū)大氣污染物濃度變化規(guī)律一致，但是天津與青島兩市污染物濃度值以及隨季節(jié)變化的波動幅度均高于上海與寧波。由于天津與青島同屬北方城市，冬季采暖需求大，使得污染物冬季濃度較高，污染物濃度整體呈現(xiàn)明顯的“冬高夏低”的趨勢。相關研究表明能源消耗對環(huán)境污染的影響為正[34]，能源消耗大，污染排放強度增大。

除各城市自身污染源排放強度的差異外，地理位置對大氣污染物濃度分布也存在較大的影響。以青島為例，青島屬于北方城市，冬季污染物濃度與同為北方城市的天津相近，夏季時卻遠低于天津，與濃度最低的寧波相近，如此顯著差異可能與地理位置，沿海氣候因素的影響有關。青島地處山東半島東南沿海，近乎被海包圍，是四個城市中唯一具有海洋性氣候的城市。海洋性氣候具有受大陸影響小、受海洋影響大、降水日數(shù)多、云霧頻數(shù)多、濕度高等特點。相關研究表明，冬季采暖為青島大氣污染物的主要來源[35]，因此冬季青島污染物濃度高，其夏季受東南季風、海流、水團的影響，空氣濕度大，對大氣污染物沉降效果比冬季大，且夏季污染排放強度低，因此其夏季污染減輕幅度大。而其余三市除本身排放源差異外，夏季受海洋影響強度小于青島，因而其余三市冬夏兩季的差異總體低于青島冬夏兩季的差異。

2.2 典型城市四種大氣污染物各季度濃度波動區(qū)間比較

為了解四城市各個季節(jié)四種大氣污染物的分布規(guī)律以及與產(chǎn)業(yè)結構的關聯(lián)，本研究將2019～2020年內(nèi)各季節(jié)月均值和變化區(qū)間作了比較。數(shù)據(jù)選取2018年12月至2020年11月，分析結果見表1和表2。為分析產(chǎn)業(yè)結構對污染的影響，選取四市部分產(chǎn)業(yè)值進行參考分析，結果見表3。

表1 2019年四城市四種大氣污染物濃度區(qū)間(均值)Table 1 Concentration range (average value)of four air pollutants in four cities in 2019 μg/m3

表2 2020年四城市四種大氣污染物濃度區(qū)間(均值)Table 2 Concentration range (average value)of four air pollutants in four cities in 2020 μg/m3

結果顯示，北方兩城冬季PM2.5、PM10和SO2濃度均高于南方兩城，其2020高均值城值分別為南方的2倍、1.8倍和1.4倍。在四城市中，青島PM2.5與PM10的濃度波動也最大，青島冬季的PM10濃度均值為四市最高，但在夏季時卻遠低于天津，與濃度最低的寧波相近。表明青島冬季粗顆粒排放強度大、污染重，其來源可能為土壤揚塵、建筑揚塵等。

上海在春季和夏季的PM2.5濃度均值高于青島，可能的原因為上海第二產(chǎn)業(yè)的GDP高于青島。從而導致上海春夏兩季PM2.5濃度均值高于青島。

上海春季和夏季NO2濃度均值為四市最高，其結果受多重因素的影響。上海人口為四市最多，相關研究表明人口壓力對環(huán)境污染的影響為正[34]。上海交通運輸、倉儲和郵政業(yè)和工業(yè)占比相對較高，交通運輸、工業(yè)排放的NO2較多，從而導致上海NO2濃度相對較高。

四市2020年冬春兩季的NO2波動比2019年冬春兩季NO2波動大，尤其以上海與寧波最為顯著。可能的原因為2020年2月突然爆發(fā)的新冠疫情，使得2020年人口、交通運輸?shù)牟▌哟笥?019年。以上海為例，新冠疫情爆發(fā)與社交隔離之后公路貨物運輸量與旅客發(fā)送量大幅下降，隨著新冠疫情的有效管控，公路貨物運輸量與旅客發(fā)送量逐漸上升。2019年12月上海市公路貨物運輸量為3 387萬噸，公路旅客發(fā)送量為249萬人；而2020年2月公路貨物運輸量下降至2 200萬噸，公路旅客發(fā)送量急劇下降至0.30萬人；2020年3月公路貨物運輸量增至3 429萬噸，公路旅客發(fā)送量上升到10萬人；到2020年5月公路貨物運輸量進一步增加到3 756萬噸，公路旅客發(fā)送量繼續(xù)上升至82萬人，兩季公路貨物運輸量與旅客發(fā)送量波動很大。雖然四市均存在務工返鄉(xiāng)、返城、新冠疫情社交隔離等問題，但天津、青島兩市冬季采暖所排放的NO2會抵消部分務工返鄉(xiāng)、返城引起的波動。波動規(guī)律表明交通運輸對NO2有較大的影響，且冬春兩季交通運輸對南方城市的影響作用大于北方城市。

四市SO2濃度均遠低于國家二級標準，表明四市對SO2污染控制力度大、SO2減排效果顯著，且四市SO2四季波動中，上海全年濃度波動最小。

2.3 以單位GDP為基準的典型城市四種大氣污染物濃度比較

為了解單位經(jīng)濟產(chǎn)值與大氣污染物濃度的關系，本次研究將近年來的污染物濃度以GDP為基準進行了比較，結果見表4。

表4 2016～2020四城市四種大氣污染物與GDP比值Table 4 The ratio of four air pollutants to GDP in the four cities from 2016 to 2020 10-3 (μg·m-3)/萬元

數(shù)據(jù)顯示，上海的單位GDP的各污染物濃度比對值均遠小于其余三市，其原因可能是上海本身GDP遠高于其余三市，另一方面可能是上海對大氣污染的治理措施更加嚴格，從而使得大氣污染物濃度與GDP比值小于其余三市。不同城市之間污染物濃度比對值的差異與產(chǎn)業(yè)結構、污染治理等因素密切相關。

除2019年青島的PM2.5與PM10比對值外，四市單位GDP的四種大氣污染物濃度比對值均逐年減小，原因主要為四市經(jīng)濟逐年增長和四市對大氣污染的治理效果越來越好。

2020年的結果表明，單位GDP內(nèi)，PM2.5比對值從低到高順序為上海<寧波<青島<天津。天津PM2.5/GDP濃度為上海PM2.5/GDP濃度的4.16倍。單位GDP內(nèi)，PM10比對值從低到高順序為上海<寧波<天津<青島。青島PM10/GDP濃度為上海PM10/GDP濃度的4.61倍。單位GDP內(nèi)，SO2比對值從低到高順序為上海<天津<寧波<青島。青島SO2/GDP濃度為上海SO2/GDP濃度的3.82倍。單位GDP內(nèi)，NO2比對值從低到高順序為上海<寧波<青島<天津。天津NO2/GDP濃度為上海NO2/GDP濃度的2.9倍。

2.4 大氣污染物濃度影響因素分析

本文采用Mann-Kendall檢驗法對四個典型城市的PM2.5、PM10、SO2、NO2月均濃度，月均溫度、日照時數(shù)、降水量等進行相關性分析，結果見表5。通常按照相關系數(shù)區(qū)間依次將0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0，分為無相關、弱相關、相關、強相關和極強相關5個區(qū)間[12]。

表5 四市2016～2020大氣污染與氣象數(shù)據(jù)相關性分析結果Table 5 Correlation analysis results of air pollution and meteorological data in four cities from 2016 to 2020

除上海的SO2與平均溫度相關性呈弱相關外，沿海四市的PM2.5、PM10、SO2、NO2均與平均溫度呈負相關，相關性系數(shù)均在0.4～0.8范圍內(nèi)相關性較顯著，此結果表明溫度升高有利于增強污染物的擴散，從而有助于PM2.5、PM10、SO2、NO2濃度降低[11]。

由于降水對污染物有沖刷和沉降作用，尤其是在冬季污染相對嚴重時期，短時降水能對大氣污染起到一定程度的緩解作用[13]。但降水量對南北四個城市的影響差異明顯，在氣候干燥地區(qū)降水降低大氣污染濃度的作用更為顯著。天津氣候特點為夏季雨水集中、冬季干燥，所以降水量對污染物濃度影響明顯。而寧波氣候特點為終年濕潤，所以降水量對污染物濃度的影響較小。

3 結 論

(1)大氣污染物濃度分布總體存在冬季高、夏季低的季節(jié)變化特征，由于北方城市冬季采暖會加劇空氣污染，北方城市冬高夏低的趨勢要比南方城市顯著。

(2)除自身污染排放強度的影響外，地理位置和區(qū)域氣候?qū)Υ髿馕廴疚餄舛确植家灿幸欢ㄓ绊?。北方兩城冬季PM2.5、PM10和SO2濃度均高于南方兩城，其2020高均值城值分別為南方的2倍、1.8倍和1.4倍。青島冬季的PM10濃度均值為四市最高，但在夏季時卻遠低于天津，與濃度最低的寧波相近。與其地處半島、具有海洋性氣候特征有一定關系。

(3)四市間不同產(chǎn)業(yè)結構對污染物的濃度分布也有一定影響。公路交通運輸、工業(yè)排放對NO2分布具有較大影響。受疫情影響，上海2020交通與2019年交通差異顯著，相應的其2020年冬季NO2濃度波幅為2019年冬季的1.5倍，表明交通運輸對NO2濃度存在較為顯著影響。四市中，上海市單位GDP所對應的大氣污染物濃度最小。以上海為基準，天津PM2.5、NO2濃度比對值分別為上海的4.16倍、2.9倍，青島PM10、SO2濃度比對值分別為上海的4.61倍、3.82倍。

(4)在氣象因素影響方面，溫度對大氣污染物濃度存在較顯著影響，溫度上升有助于降低大氣污染物濃度。如平均溫度與PM2.5、NO2的相關性，四市均呈負相關，降水量對季節(jié)性干旱地區(qū)的大氣污染物濃度的降低效果要強于常年濕潤地區(qū)。降水量對北方兩市影響呈負相關，對南方兩市呈弱相關，北方兩市與南方兩市差別在于北方兩市冬季較干，存在季節(jié)性干旱。北方城市春季降雨對降低顆粒污染物濃度效果顯著。