基于环境空气质量数据的湖北省武汉市大气污染特征研究

高丹丹， 赵丽娅，李 成，程 畅

(湖北大学资源环境学院，湖北武汉 430062)



基于环境空气质量数据的湖北省武汉市大气污染特征研究

高丹丹， 赵丽娅*，李 成，程 畅

(湖北大学资源环境学院，湖北武汉 430062)

根据湖北省武汉市大气主要污染物的浓度数据、空气质量指数，运用线性回归分析、主成分分析法对其大气污染特征进行系统分析。结果表明，PM2.5对空气质量的贡献率最大，为武汉市大气的首要污染物，其浓度季节变化为冬季﹥春季﹥秋季﹥夏季。最后针对武汉市大气污染特征提出防治措施，旨在为改善空气质量提供科学依据。

武汉市；污染物浓度；空气质量指数；PM2.5

我国大气污染形势严峻，雾霾频发，已波及到全国17个省市，超过8亿人口受到影响。频发的雾霾成为了人们的“心肺之患”，导致一些呼吸系统疾病发病率上升及大气能见度下降，给人们的生产生活带来极大困扰[1]。PM2.5(粒径≤2.5μm)是构成雾霾的主要成分，是空气复合污染的关键污染物[2-4]。因此对PM2.5的研究成为人们关注的热点之一。湖北省武汉市近年雾霾频发成患，2012年6月遭遇雾霾严重侵袭；2013年1月PM2.5超标率为96.8%，超《环境空气质量标准》日均限值4.52倍，10～12月持续雾霾，雾霾天数分别达到27、22、21d，尤其10月达到自1961年以来同期极值，同年武汉市曾三度启动空气污染应急响应；2014年6月再次遭遇雾霾，11月23日武汉被浓雾笼罩，空气质量指数达到峰值(441)，排名全国倒数第一，空气质量面临严峻挑战[5]。造成武汉市雾霾频发的原因主要是随着中部崛起战略的实施，武汉市积聚了较多的产业，燃煤、工业、建筑和交通等均成为大气污染的主要排放源。如，武汉汽车保有量在2013年为153万台，至2015年上半年却达到了205.8万台，汽车尾气排放有增无减。此外，在逆温等不利气象条件下，周围省市雾霾、浮尘天气、秸秆燃烧等外源污染物盘踞武汉上空难以扩散。基于此，笔者根据2013～2015年武汉市污染物浓度数据和环境空气质量指数对武汉市环境空气质量进行分析，旨在为改善大气状况及减少雾霾提供科学依据。

1　数据来源

根据《环境空气质量标准》(GB3095—2012)，选取武汉市城区(国控点平均值)2013～2015年的6项监测内容(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10)的浓度值、空气质量指数数据进行分析。根据武汉市环境保护局提供的监测点选取10个国控监测点，分别为沌口新区、吴家山、汉阳月湖、汉口花桥、汉口江滩、武昌紫阳、东湖梨园、东湖高新、青山钢花、沉湖七壕(对照点)；其余为市控点。

2　武汉市大气污染特征

2.1污染物浓度超标比例分析利用武汉市2013～2015年的大气污染物数据[6-8]，对照国家标准空气污染项目基本浓度限值进行分析(表1)。结果表明，武汉市2013～2015年空气优良指数分别为159、182和201d，呈现一个上升的趋势。其中，SO2、CO达标，其余均超标。由表2可知，PM2.5的超标率最大，其次为PM10、NO2、O3。武汉市2013～2015年大气污染物浓度超标率呈递逐年减状态，说明大气污染控制已取得了一定的成果。

表1　环境空气主要污染物项目浓度限值

注：CO单位为mg/m3，其余污染项目单位均为μg/m3。

Note:UnitofCowasmg/m3,unitofotheritemswasμg/m3。

2.2污染物浓度贡献率分析利用主成分分析法对武汉市2014年1月～2015年12月6个指标的大气质量数据进行分析，得出主要的污染因子。主要基于SPSS18.0进行分析[9-11]。2.2.1计算特征值及主成分贡献率。通过协方差矩阵，可以求出每一个主成分所对应的特征值、解释方差以及累积方差贡献率(表3)。从表3可以看出，前2个主成分的方差累积贡献率达到91.309%，说明前2个主成分已可以反映原始数据的绝大部分信息，因此确定主成分个数为2个。

表22013～2015年武汉市环境质量指标超标比例

Table2Proportionofenvironmentalqualityindexfrom2013to2015inWuhanCity

年份Year超标比例Excessivearea∥%NO2O3PM2.5PM10201322.4913.9348.5329.88201413.267.1345.5722.58201511.2415.0034.1018.13

表3　特征值及主成分贡献率

2.2.2计算主成分特征向量和主成分表达式。利用SPSS软件先求出主成分载荷矩阵，然后将主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值，再开平方根便可得到2个主成分中每个指标所对应的系数(表4)。

表4　2个主成分的特征向量

由表4可得，这2个主成分与各个变量的线性组合关系分别为：

Z1=0.428ZSO2+0.434ZNO2+0.399ZPM10+0.444ZPM2.5+0.410ZCO-0.321ZO3

(1)

Z2=0.102ZSO2+0.193ZNO2+0.503ZPM10+0.126ZPM2.5-0.348ZCO+0.750ZO3

(2)

从第一主成分的特征向量构成来看，PM2.5的绝对值最大，说明其起主导作用，是影响空气质量的主要因子。

2.3空气质量指数与主要污染物指数的关系空气质量指数是定量描述空气质量状况的无量纲指数，当空气质量指数>50时对应的污染物即为首要污染物。该研究主要分析了2014和2015年SO2、NO2、PM2.5、PM10与空气质量指数的拟合关系[12]，结果见图1、2。

大气环境质量指标与空气质量指数间的相关关系分析表明：SO2、NO2、PM10、PM2.5日均浓度与空气质量指数的相关系数R2(2014年分别为0.360、0.337、0.697、0.966；2015年分别为0.318、0.385、0.687、0.880)中，PM2.5与空气质量指数的相关系数最大，其次是PM10。说明PM2.5对空气质量指数的贡献最大，空气质量指数>50时对应的污染物为PM2.5，其天数最多，因此今后需采取控制以PM2.5为主的大气污染防治措施。

2.4主要污染物的季节变化随着城市化进程的加快，我国空气污染物的状况和性质发生了显著变化，传统污染物SO2和总悬浮颗粒物得到一定控制，但颗粒物污染仍然是我国很多城市的首要空气污染物[13]。对PM2.5、PM10的日平均浓度值进行进一步分析，结果见表5。由表5可知，武汉市大气PM2.5、PM10浓度呈显著的季节变化规律，表现为冬季>春季>秋季>夏季，冬季明显大于夏季，春、秋季节相差不明显。这主要是由于武汉地处平原、山地交叉带，冬季大气活动减弱，大气扩散条件不佳，容易造成当地污染累积；冬季受偏北风的影响将北方污染物输入武汉；而夏季由于受降水等影响，PM2.5、PM10浓度相对较低[14-16]。

表5 2014～2015年武汉市大气PM2.5、PM10日平均浓度值

Table5ThedailyaverageconcentrationofPM2.5andPM10inWuhanCityform2014to2015

μg/m3

注：春季为3～5月，夏季为6～8月，秋季为9～11月，冬季为12月～翌年2月。

Note:SpringwasfromMarchtoMay;summerwasfromJunetoAugust;AutumnwasfromSeptembertoOctober;andwinterwasfromDecembertoFebruaryofthenextyear.

3　结论

(1)武汉市大气污染物的超标率呈逐年递减状态，说明武汉市在全国生态文明建设的大背景下，其在机动车尾气治理与城市扬尘控制、农村综合整治与城区空气质量预警及大气污染治理方面已取得了一定成效。

(2)通过对主要污染物指数与空气质量指数进行相关性分析及运用主成分分析法对污染物浓度进行分析，得出PM2.5对空气质量指数的贡献率最大，其次是PM10，所以PM2.5为首要污染物。PM2.5、PM10日均浓度值均呈现有规律的时空分布，冬季最高且远远高于春、夏、秋季，春、秋季相差不大，夏季最低。针对这一情况应积极启动冬季污染天气“削峰”工作，降低污染物浓度[17]。

(3)PM2.5是构成雾霾的主要成分，也是空气复合污染的关键污染物，其污染状况、化学特征、形成机制及来源值得我们今后继续研究。面对当前严峻的大气污染形势应积极采取有效措施，坚持走低碳、环保、绿色发展之路，树立生态文明发展理念，攻坚克难以减霾、治霾[18-19]。如严格控制煤炭消费总量、城市扬尘污染，加强社会生活及农业污染防治，强化机动车污染防治，严格控制机动车保有量等，以实现经济社会和生态环境的可持续协调发展。

注：a、b、c、d分别为SO2、NO2、PM10、PM2.5与空气质量指数拟合关系。　Note: a, b, c and d were the fitting correlation between air quality index and SO2, NO2, PM10 and PM2.5, respectively. 图1　2014年空气质量指数与主要污染物指数的拟合曲线Fig. 1　Fitting curve between air quality index and the main pollutant indexes in 2014

注：a、b、c、d分别为SO2、NO2、PM10、PM2.5与空气质量指数拟合关系。　Note: a, b, c and d were the fitting correlation between air quality index and SO2, NO2, PM10 and PM2.5, respectively. 图2　2015年空气质量指数与主要污染物指数的拟合曲线Fig. 2　Fitting curve between air quality index and the main pollutant indexes in 2015

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CharacteristicsofAirPollutionBasedontheEnvironmentalQualityDatainWuhanCity

GAODan-dan,ZHAOLi-ya*,LIChengetal

(SchoolofResourceandEnvironmentalScience,HubeiUniversity,Wuhan,Hubei430062)

Accordingtoconcentrationdataofthepollutantsandairqualityindex,weanalysedtheatmosphericpollutioncharacteristicsinWuhanCitybyusinglinearregressionanalysisandprincipalcomponentanalysis.TheresultsshowedthatPM2.5ofthelargestcontributionratewastheprimaryatmospherepollutant,itsseasonalvariationinconcentrationwasintheorderofwinter>spring>autumn>summer.Finally,controlmeasureswereputforwardaccordingtotheairpollutioncharacteristicsofWuhanCity,aimingatprovidingscientifictheoreticalbasisfortheimprovementofairquality.

WuhanCity;Pollutantconcentration;Airqualityindex;PM2.5

湖北省教育厅重点项目(D2015003)；湖北省科技厅软科学专项(2013BDF034)。

高丹丹(1990- )，女，山西大同人，硕士研究生，研究方向：环境地理。*通讯作者，副教授，硕士生导师，从事环境生态、环境规划、生态补偿研究。

2016-05-25

S181.3

A

0517-6611(2016)18-058-04