2019—2021年鄭州市采暖季大氣污染特征分析

＊楊會(huì)軍 韓健 關(guān)亞楠 劉雪嬌*

（1.河南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 河南 450000 2.河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南 450000 3.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 河北 050018）

在過去幾十年中，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣污染已成為一個(gè)嚴(yán)重問題。流行病學(xué)研究的大量證據(jù)表明，空氣污染物會(huì)增加患心腦血管等疾病的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。并且某些污染物的低濃度導(dǎo)致的預(yù)期死亡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他污染物的高濃度導(dǎo)致的死亡率，如Xu等[5]分析了2016年至2019年華北地區(qū)空氣污染物（PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3）的時(shí)空變化及其對(duì)人類健康的影響，結(jié)果表明，在高濃度下PM10和PM2.5對(duì)健康構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)，較低濃度的SO2、NO2、CO和O3對(duì)健康的影響更為明顯。

目前，大氣污染物的變化特征已成為各地區(qū)研究熱點(diǎn)問題之一[3]。郝永佩等[4]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了2014—2020年汾渭平原11個(gè)城市PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2和O3-8h-max質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，前五種污染物年均質(zhì)量濃度整體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，但O3-8h-max呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。楊紹康[5]基于天津市近幾年大氣主要污染物濃度數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象資料，分析了主要污染物與氣象因素的關(guān)系，研究結(jié)果表明弱風(fēng)速、低溫度、高濕度三者共同作用是造成天津市本地大氣污染嚴(yán)重的重要?dú)庀笠蛩亍?/p>

鄭州市（34°16′～34°58′N，112°42′～114°14′E）地處河南省中北部，地形總趨勢(shì)是西南高、東北低，為了解鄭州市供暖期間大氣污染特征及影響因素，本文基于鄭州市2019年12月至2020年2月、2020年12月至2021年2月和2021年12月至2022年2月PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，分析了鄭州市采暖季的空氣質(zhì)量、各污染物質(zhì)量濃度日變化情況、污染物之間及氣象因素的相關(guān)關(guān)系。

1.數(shù)據(jù)來源

本文采用的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3小時(shí)數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（https://air.cnemc.cn）。研究期間氣象數(shù)據(jù)來自中國地面氣象站。本文研究時(shí)段包括2019年12月至2020年2月、2020年12月至2021年2月和2021年12月至2022年2月，分別代表2019年采暖季、2020年采暖季和2021年采暖季。

2.結(jié)果與討論

(1)空氣質(zhì)量概況

2019—2021年鄭州市空氣質(zhì)量各等級(jí)天數(shù)見圖1。近三年鄭州市采暖季空氣質(zhì)量在緩慢好轉(zhuǎn)，等級(jí)為良占比最多并逐年增加，分別為40.66%、50.00%和56.67%，輕度及輕度污染等級(jí)以上的總污染天數(shù)在不斷減少。由表1可見2019—2021年鄭州市供暖時(shí)段首要污染物包含PM2.5、PM10、NO2和O3，其中以PM2.5為主，其次是PM10和NO2。圖2為研究期間鄭州市不同污染物濃度分布箱型圖。2019年鄭州市供暖期間的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO日均濃度分別為90.47μg/m3、104.72μg/m3、9.96μg/m3、41.68μg/m3、44.15μg/m3和1.11mg/m3；2020年鄭州市供暖期間的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO日均濃度分別為78.21μg/m3、129.26μg/m3、11.56μg/m3、44.48μg/m3、38.70μg/m3和0.97mg/m3；2021年鄭州市供暖期間的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO日均濃度分別為74.13μg/m3、98.17μg/m3、9.18μg/m3、36.93μg/m3、41.75μg/m3和0.92mg/m3。相比2019年，6種污染物質(zhì)量濃度均減小，其中PM2.5和CO污染防治濃度最好，質(zhì)量濃度不斷下降，其余污染物小范圍波動(dòng)。

圖1 研究期間鄭州市空氣質(zhì)量各等級(jí)天數(shù)分布圖

表1 研究期間鄭州市首要污染物出現(xiàn)天數(shù)（單位：d）

圖2 研究期間鄭州市不同污染物濃度分布箱型圖（CO濃度單位：mg/m3;其余污染物濃度單位為μg/m3）

(2)污染物濃度日間分布

由污染物濃度日間分布圖可知，SO2呈單峰分布，在上午11時(shí)—12時(shí)達(dá)到峰值，之后濃度下降，下午20時(shí)達(dá)到最低值。CO在上午9時(shí)—10時(shí)濃度達(dá)到當(dāng)日最高值，之后濃度下降，下午16時(shí)—17時(shí)達(dá)到最低值，濃度再次升高。NO2與O3均在夜間維持在一定的濃度范圍，波動(dòng)主要發(fā)生在6時(shí)—20時(shí)，具體表現(xiàn)為早晨隨著太陽輻射的增加，O3大量生成，NO2消耗，14時(shí)以后NO2濃度升高，隨后O3濃度下降。PM10與PM2.5日變化規(guī)律相似，濃度波動(dòng)主要發(fā)生在白天。

圖3 污染物濃度日間分布圖

(3)大氣污染物特征分析

通過對(duì)兩種大氣污染物濃度之間的相關(guān)性分析，可以初步判斷兩者是否來自相同的污染源。表2給出了冬季各大氣污染物之間的相關(guān)系數(shù)，CO、PM2.5和PM10之間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.5以上，特別是PM2.5與兩者之間的相關(guān)系數(shù)介于0.67～0.93之間，說明了鄭州供暖期間大氣中CO、PM2.5和PM10三者相互之間具有較高的同源性，因?yàn)镻M2.5是PM10的組成部分，所以相關(guān)性最高。

復(fù)合污染特征分析是通過2種污染物間的質(zhì)量濃度的比值來分析相關(guān)的污染特征并識(shí)別污染物來源。PM2.5/PM10質(zhì)量濃度比值隨著污染程度的增加而增加，污染較輕的城市比值在0.3～0.4之間，污染較重的在0.5～0.7之間。計(jì)算得出2019—2021年采暖季PM2.5/PM10分別為0.86、0.61和0.76，因此可初步推斷冬季鄭州市顆粒物污染嚴(yán)重，主要以細(xì)顆粒物污染為主。NO2主要來源于移動(dòng)源，而SO2與煤炭燃燒和工業(yè)生產(chǎn)等固定源密切相關(guān)。本研究NO2/SO2分別為4.19、3.85和4.02，表明移動(dòng)源的貢獻(xiàn)大于固定源，因此可初步推斷鄭州市供暖時(shí)段的移動(dòng)污染源占主導(dǎo)地位。

(4)污染物與氣象因素的關(guān)系

將各污染物與氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析，如表2所示，總體上污染物與相對(duì)濕度的相關(guān)性強(qiáng)于氣溫、地面氣壓，而且O3與氣溫的相關(guān)性高于其他污染物。由于O3生成受太陽輻射影響，而高相對(duì)濕度下，大氣中水汽高使太陽輻射減弱，進(jìn)而影響O3生成，所以本研究顯示O3與氣溫呈正相關(guān)，與相對(duì)穩(wěn)定呈負(fù)相關(guān)。圖4為2019—2021年供暖時(shí)段不同污染物濃度疊加風(fēng)場(chǎng)玫瑰圖，從中可知，2019年鄭州市采暖季東北和東南風(fēng)向的CO、NO2、PM10、PM2.5和SO2濃度高于其他風(fēng)向，O3各風(fēng)向濃度分布較均勻；2020年鄭州市采暖季CO、NO2和SO2在風(fēng)速小于等于8m/s的情況下濃度較高，各風(fēng)向?qū)M10濃度的貢獻(xiàn)均高于其他兩年，來自240°～330°的風(fēng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)較小，O3各風(fēng)向濃度分布較均勻；2021年鄭州市采暖季O3、PM10和SO2高濃度值主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西北風(fēng)，來自20°～210°的東風(fēng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)要高于其他風(fēng)向，CO與NO2各風(fēng)向濃度分布較均勻。

圖4 研究期間不同風(fēng)速風(fēng)向污染物分布圖

表2 污染物之間以及與氣象因素的相關(guān)性

3.結(jié)論

（1）2019—2021年鄭州市采暖季空氣質(zhì)量在逐漸好轉(zhuǎn)，等級(jí)為良占比最多并逐年增加，分別為40.66%、50.00%和56.67%，輕度及輕度污染等級(jí)以上的總污染天數(shù)在不斷減少。（2）不同污染物日變化表現(xiàn)不同。SO2呈單峰分布，CO呈雙峰分布。NO2與O3變化趨勢(shì)相反，波動(dòng)主要發(fā)生在6時(shí)—20時(shí)。PM10與PM2.5日變化規(guī)律相似，濃度波動(dòng)主要發(fā)生在白天。（3）供暖時(shí)段鄭州大氣中CO、PM2.5和PM10三者相互之間具有較高的同源性。2019—2021年鄭州市采暖季PM2.5/PM10分別為0.86、0.61和0.76，表明鄭州市供暖時(shí)段顆粒物污染嚴(yán)重，主要以細(xì)顆粒物污染為主；NO2/SO2分別為4.19、3.85和4.02，表明移動(dòng)源的貢獻(xiàn)大于固定源。（4）污染物與相對(duì)濕度的相關(guān)性強(qiáng)于氣溫、地面氣壓，而且O3與氣溫的相關(guān)性高于其他污染物。不同研究段污染物濃度的主要貢獻(xiàn)風(fēng)向不同。